[공업계측(工業計測)과 제어계(制御係) 그리고 구성요소(構成要素)]
우리가 수질 프로세스 분석을 하려면 많은 학문과 지식을 필요로 한다. 기본적으로 가장 중요한 물에 대한 연구는 기본이고, 물리, 화학, 화공, 수학, 전기, 전자, 전기화학, 기계 등 배워두어야 할 학문이 많다.(사실 정말 필요한 학문은 당황스럽겠지만 인문학적 배경과 철학적 사상이다.)
여기서 다룰 문제는 너무 학문적이지 않으며 최소한의 기본적인 틀을 가지고 문제 해결을 할 수 있는 능력을 키우는데 있다.
아무리 잘 갖추어진 심포니오케스트라가 있다하더라도 지휘자의 리드에 따라 곡의 해석과 분위기는 완전 다르다. 물론 개개인의 실력이 월등한데도 말이다.
아무리 좋은 성능의 계기를 갖추었다 하더라도 작업자가 구성요소의 운영이 미흡하다면 그 효과를 볼 수 없을 것이며 매우 비효율적일 것이다.
반대로 다소 성능이 저하되어 있다하더라도 최상의 조합으로 운영된다면 예상보다 좋은 기대치를 얻을 수 있다.

계기의 구성요소를 파악하는 것이 중요하다
관현악단이 만들어지려면 현악기, 금관악기, 목관악기, 타악기 군이 기본적으로 갖춰져 있어야 하듯이 계장에서는 기본적으로 검출부, 전송기, 조절기, 조작부, 지시부, 경보기가 기본적으로 갖춰져 있어야 한다.

■ 검출부(Detecting Element)
흔히 센서(Sensor)라고 불리는 검출부는 매우 기본적이며 기초학문을 가장 많이 다루는 부분이다. 그렇기 때문에 난해하고 문제 해결에 있어 많은 이론과 풍부한 경험이 무엇보다 중요하다.
일례로 수질에서 pH를 측정하려면 기본적으로 pH전극이 필요하다. 여기에 수온을 측정하고 싶다면 온도센서도 있어야 할 것이다. 바로 pH전극과 온도센서가 검출부다.
아무리 성능이 뛰어난 pH 분석기와 온도측정기가 있다하더라도 pH전극과 온도센서가 없다면 의미가 없을 것이다.
따라서 가장 학문적으로 정확해야 한다. 측정과 계측 그리고 제어를 하는데 가장 기준이 되는 요소라고 할 수 있다.

■ 전송기(Transmitter)
전송기(일반적으로 현장에서는 ‘트랜스미터’라고 한다)는 검출부인 각종 센서로부터 입력 받은 전기적인 신호(가령 아날로그나 디지털 신호)를 단거리 혹은 장거리로 그 신호를 다른 장비로 보내는 계기다.
일례로 pH 트랜스미터는 pH전극으로부터 mV신호를 받는다. 이 전기적 신호는 트랜스미터 내부에서 연산되어 DC4~20mA나 DC1~5V 아날로그 신호나 디지털 신호로 변환되어 출력된다. 이때 pH 트랜스미터는 0pH일 때 4mA, 14pH일 때 20mA에 대응되도록 4mA의 바이어스(bias)를 주어서 보통은 ‘0’과 구별될 수 있도록 되어 있다.

■ 조절기(Controller)
컨트롤러라고 하며 흔히들 계측기 또는 미터(Meter)라고 말하는 것은 상당히 포괄적이며 보통은 현장에서 조절기를 말한다.
가장 흔하게 사용되는 패널(Panel)규격은 DIN규격으로 DIN48, DIN96, DIN144 등이 있으며 가로와 세로의 규격을 달리하여 조합한 패널도 많이 사용한다. 현장에서는 합성수지 재질(ABS, PS, POM, PPS 등)의 컨트롤러와 알루미늄 다이캐스팅(Die casting) 재질의 컨트롤러를 많이 사용하는 편이며 엔지니어링 플라스틱의 경우가 유용하게 쓰일 수 있다.
조절기는 매우 많은 기능을 한다. 기본적으로 연산과 제어를 수행하고 신호를 변환하거나 출력 및 지시치를 표시까지 하며 거의 인공지능형에 가까운 제품도 볼 수 있다.

■ 조작부(Final control element)
조작부는 가령 컨트롤러에서 받은 신호에 의해 작동되는 컨트롤밸브(Control valve)나 포지셔너(Positioner) 등 기계적인 장치가 주를 이룬다. 현장에서는 간단한 장치부터 복잡한 구조물까지 조합하여 갖추고 사용되기도 하며 수동에서 전자동까지 그 쓰임새가 매우 다양하다.

■ 지시부(Indicator)
지시부는 현장에서 ‘인디케이터’라는 명칭으로 많이 쓰이며 주로 제어반 내에 위치하여 현재 상태를 감시하는 역할을 한다. 트랜스미터나 컨트롤러로부터 신호를 받아서 현장 목적에 따라 아날로그나 디지털 방식으로 수치를 표시하게 되며 표시장치도 7-Segment 나 LCD등 매우 다양하다.

■ 기록계(Recorder)
현장이나 실험실에서 측정된 데이터는 기록하여 연구나 조사 등의 목적으로 보관할 필요가 있다. 기록계는 트랜스미터나 컨트롤러 등 출력이 가능한 장비로부터 신호를 받아서 작동된다. 펜(Pen)과 기록지를 이용하여 저장되는 방법과 기록지 없이 메모리 등에 의한 데이터를 저장하는 방법 등 목적에 따라 다양하게 사용된다.

■ 경보기(Alarm)
경보기는 청각적으로 나타내는 부저(Buzzer)와 시각적인 방법인 램프(Lamp)에 의한 표시를 주로 사용한다. 현장에서 알람이 많이 사용되는 경우라면 신호경보기(Annunciator)를 사용하여 작업자가 신속한 대응을 할 수 있게 한다.
알람에 의해 전자식은 자동으로 제어기기가 작동되는 반면 수동식은 부저나 램프에 의해 작업자가 판별하여 기기를 조작하게 된다. 어느 현장이든 목적에 맞게 사용하면 되므로 자동식이든 수동식이든 큰 상관은 없다.

[컨트롤러 제어동작의 기본과 프로세스 특성]
시퀀스(Sequence)제어
시퀀스(sequence)제어 회로를 보면 실제로는 매우 복잡하게 보일지도 모른다. 물론 간단하다는 말은 아니지만 기본적인 회로를 여러 가지로 조합하여 구성한 것을 본다면 그나마 다른 회로와 비교했을 때보다는 수월한 편이다.
가장 일상적인 일례로 건물의 엘리베이터는 원하는 층수를 눌러서 단순히 오르고 내리는 신호체계를 가지고 있다. 자동판매기 역시 돈이나 카드로 결제를 하고 원하는 상품을 선택하여 구매를 한다.(요즘 스마트 폰으로도 결제가 가능한데 훗날 어떠한 결제 방식으로 이루어질지 궁금하다)
이와 같이 시퀀스제어는 미리 정해진 순서에 의해 그 기능들이 단계별로 동작되어진다. 조금 더 복잡하게 이루어진 것들을 보면 불꽃놀이나 슬롯머신(Slot machine) 그리고 요즘은 매우 인공지능형이지만 가정의 세탁기가 대표적이다.

▶ 현장에서 주로 적용되는 시퀀스제어는 많이 있는데 대표적으로 PLC(Programmable Logic Controller)를 비롯하여 PC, 그리고 릴레이(繼電器)와 무접점 시퀀스 등 다양한 형태의 시퀀스제어가 존재한다.

피드백(Feedback control : FB : 폐루프제어 : Closed-loop control)제어
가장 기본적인 온도제어를 한다고 가정하자. 수온을 25℃로 일정하게 유지해야한다면 어떻게 할 것인가? 우선 온도센서를 수중에 설치한다. 온도센서는 물의 온도에 따른 전기적인 신호를 온도컨트롤러에 신호를 보내게 된다. 온도컨트롤러는 설정된 25℃와 비교하여 그 차이를 감지하게 된다.
25℃ 이하이면 히터(Heater)의 전원이 on되고 25℃를 넘으면 히터가 off되게 프로그램으로 설정이 되어 있다. 결국 히터의 On-Off로 수온을 25℃로 계속 유지할 수 있는 것이다. 이 일련의 흐름을 블록 다이어그램(Block diagram)으로 작성하면 아래와 같으며 이것을 피드백루프(Feedback loop)라고 한다.

여기서,
SV : 설정값 (목표값) Set Variable
PV : 측정값 Process Variable
MV : 조작량 (출력) Manipulative Variable

(피드백 제어는 SV와 PV의 편차 e (Deviation)를 제로로 하도록 다양한 알고리즘을 이용하여 MV를 연산하고 조정하여 출력하게 된다.)


그림의 일례와 같이 피드백제어시스템은 출력된 결과치가 입력측의 설정값과 다시 비교하여 제어를 하게 된다. 이것은 앞서 말한 일례로 설정된 25℃로 수온을 유지하기 위한 피드백루프(Feedback loop)가 되는 것이다.
수조에 담긴 수온이 25℃ 이상이 되거나 이하로 떨어지는데 직접적인 영향은 외부의 온도차 등 환경적인 요소가 있을 것인데 바로 이러한 작용을 외란(外亂: Disturbance) 즉, 원인에 의한 목표값의 변화, 제어시스템 요소의 특성변화 그리고 외부에서 제어대상으로 더해지는 다양한 변동 등이다. 중요한 것은 이러한 외란의 영향에도 불구하고 다양한 프로세스의 변량을 희망하는 설정값으로 유지하도록 하는 것이 바로 제어의 목적이다.

피드포워드(Feedforward control : FF : 개방루프제어: Open-loop control)제어
피드백제어는 살펴보았듯이 입력측의 설정값과 계속 비교하여 제어를 하므로 제어 외적인 외란요소가 갑자기 발생한다 하여도 외란에 의한 큰 영향이 나타나지 않고서는 수정이 어렵다는 단점이 있다.
이러한 제어방식을 보완한 피드포워드제어는 외부의 외란이 발생하는 경우 미리 그 영향을 최대한 없애도록 필요한 수정 작업을 수행하는 제어 방식이다. 따라서 이러한 외란을 감지하기 위한 방법과 외란의 영향이 어떠한 메커니즘으로 제어를 방해하는지를 분석하고 이를 적절하게 대처할 수 있는지의 다양한 외란 감지기를 조작할 수 있는 방법이 필요로 한다.
피드포워드제어는 그림과 같이 단방향제어이므로 설정온도를 25℃로 유지하는데 있어서 어려움이 따른다. 따라서 일반적으로 피드백제어와 함께 병용해야 좋은 효과를 얻을 수 있다.

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