Part 52. 공장은 어떻게 자동으로 움직이는가 - Control Philosophy

1. 공장은 어떻게 스스로 움직일 수 있는가?

 

무알코올 맥주 생산 공장의 시운전이 시작되었습니다.

 

원료 맥주가 공정으로 공급되고, 열교환기가 온도를 조절하며, 진공 증류 설비가 알코올을 분리합니다. 각 장비에는 온도, 압력, 유량, 액위 등을 측정하는 계기가 설치되어 있습니다.

 

하지만 여기서 한 가지 의문이 생깁니다.

 

온도계가 현재 온도를 측정하고 압력계가 압력을 표시한다고 해서 공장이 자동으로 운전되는 것은 아닙니다. 측정된 값이 어떤 기준과 비교되어야 하는지, 기준에서 벗어났을 때 어떤 장비가 움직여야 하는지, 문제가 발생하면 공정을 어디까지 정지해야 하는지에 대한 규칙이 필요합니다.

 

예를 들어 증류탑의 운전 온도가 목표보다 높아졌다고 가정해 보겠습니다.

 

이때 냉각 유량을 늘려야 할까요? 가열 증기를 줄여야 할까요? 아니면 제품 공급을 중단해야 할까요? 온도가 계속 상승한다면 경보만 발생시키면 될까요, 아니면 설비를 자동으로 정지해야 할까요?

 

이러한 질문에 대한 답을 설계하는 것이 바로 Control Philosophy(제어 철학)입니다.

 

Control Philosophy는 공정이 어떤 조건에서 정상적으로 운전되고, 운전 조건이 변할 때 어떻게 대응하며, 이상 상황에서는 어떤 순서로 안전한 상태에 도달해야 하는지를 정의하는 문서입니다.

 

앞선 Part 51에서는 공정의 상태를 측정하는 계기, 즉 Instrumentation을 살펴보았습니다. 이번 Part 52에서는 그 계기들이 보내는 신호를 바탕으로 공장이 실제로 어떻게 움직이는지 알아보겠습니다.

 

 

2. Control Philosophy란 무엇인가?

 

Control Philosophy는 플랜트의 운전 원칙과 자동제어 동작을 정리한 설계 문서입니다. 단순히 어떤 밸브를 자동으로 열고 닫을 것인지 결정하는 데 그치지 않고, 정상 운전, 기동, 정지, 이상 상황 및 운전자 개입에 관한 기본 원칙을 정의합니다.

 

예를 들어 저장 탱크의 액위를 일정하게 유지하는 공정을 생각해 보겠습니다.

 

탱크에 액체가 계속 유입되는데 배출량이 일정하다면 액위는 점차 높아집니다. 액위가 지나치게 높아지면 탱크가 넘칠 수 있고, 반대로 지나치게 낮아지면 후단 펌프가 정상적으로 작동하지 못할 수 있습니다.

 

따라서 설계자는 다음 사항을 결정해야 합니다.

 

• 어떤 계기로 액위를 측정할 것인가?
• 액위의 목푯값은 얼마인가?
• 액위가 변하면 어떤 밸브나 펌프를 조작할 것인가?
• 자동제어가 불가능해지면 운전자는 어떻게 대응해야 하는가?
• 액위가 위험한 수준에 도달하면 어떤 보호 동작이 필요한가?

이러한 내용을 체계적으로 정의해야 제어 시스템을 일관되게 설계하고 구현할 수 있습니다.

 

산업 자동화 분야에서는 계기의 기호와 식별 체계를 정리하기 위해 ISA-5.1을 활용하며, 제어 소프트웨어의 기능 요구사항을 문서화할 때는 ISA-5.06.01과 같은 관련 표준을 참고할 수 있습니다. 실제 프로젝트에서는 발주처의 설계 기준과 적용 법규, 공정 위험성 평가 결과를 함께 검토해야 합니다.

 

 

3. 자동제어의 기본 구조: 측정하고, 비교하고, 조작한다

 

자동제어를 이해하는 가장 쉬운 방법은 하나의 제어 루프(Control Loop)를 살펴보는 것입니다.

 

일반적인 피드백 제어 시스템은 크게 세 가지 기능으로 구성됩니다.

 

첫째, 공정 상태를 측정합니다. 온도계, 압력전송기, 유량계, 액위계 등이 현재 상태를 측정하여 제어 시스템에 신호를 전달합니다.

 

둘째, 측정값과 목푯값을 비교합니다. 제어기는 현재 값이 목표보다 높은지 낮은지 판단하고, 그 차이를 줄이기 위한 조작량을 계산합니다.

 

셋째, 제어 결과를 공정에 반영합니다. 제어밸브의 개도를 조절하거나 펌프의 회전수를 변경하여 공정 상태가 목푯값에 가까워지도록 합니다.

 

예를 들어 증류 공정의 온도를 65°C로 유지한다고 가정하겠습니다. 실제 온도가 68°C라면 제어기는 목푯값과 측정값의 차이를 확인하고, 설계된 제어 방식에 따라 가열 증기 유량을 줄일 수 있습니다.

 

여기서 중요한 것은 온도가 높아졌을 때 무조건 밸브를 닫는 것이 아니라, 어떤 변수를 측정하고 어떤 조작변수를 변경해야 목표 상태에 도달할 수 있는지를 공정 특성에 맞게 결정해야 한다는 점입니다.

 

이 관계를 일반화하면 다음과 같습니다.

 

• 측정변수(Process Variable, PV): 현재 공정에서 측정하는 값
• 목푯값(Set Point, SP): 유지하려는 기준값
• 조작변수(Manipulated Variable, MV): 제어기가 변경하는 값
• 제어기(Controller): 측정값과 목푯값을 비교해 조작량을 결정하는 장치 또는 기능

자동제어의 목적은 단순히 장비를 움직이는 것이 아닙니다. 외부 조건이나 공정 부하가 변하더라도 공정이 목표 상태를 유지하도록 만드는 것입니다.

 

 

4. PID Control: 제어기는 어떻게 판단하는가?

 

산업 현장에서 널리 사용되는 제어 방식 중 하나가 PID 제어입니다. PID는 비례(Proportional), 적분(Integral), 미분(Derivative)의 세 가지 제어 동작을 의미합니다.

 

PID 제어기는 목푯값과 측정값의 차이인 오차를 바탕으로 제어 출력을 계산합니다.

 

일반적인 PID 제어식은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

\[ u(t)=K_Pe(t)+K_I\int_0^t e(\tau)d\tau+K_D\frac{de(t)}{dt} \]

 

여기서 각 항은 서로 다른 역할을 수행합니다.

• \(e(t)\): 목표값과 측정값의 차이인 제어 오차
• \(K_P\): 비례 제어 계수
• \(K_I\): 적분 제어 계수
• \(K_D\): 미분 제어 계수
• \(u(t)\): 제어 출력

비례 제어는 현재 오차가 클수록 더 큰 조작을 수행합니다. 적분 제어는 오차가 누적되는 정도를 반영하여 지속적인 편차를 줄이는 데 도움을 줍니다. 미분 제어는 오차가 변하는 속도를 반영하여 변화 추세에 대응합니다.

 

다만 모든 제어 루프에 PID를 적용하는 것은 아닙니다. 단순한 ON/OFF 제어, 단계별 시퀀스 제어, 비율 제어, 캐스케이드 제어 등 공정 목적에 맞는 다양한 방식이 사용됩니다.

 

또한 PID 제어기를 적용했다고 해서 공정이 자동으로 안정화되는 것은 아닙니다. 제어 대상의 응답 속도, 계기의 정확도, 밸브 특성, 공정 지연 및 제어 파라미터를 함께 검토해야 합니다.

 

Beer to Zero Project의 증류 공정에서도 온도, 압력, 유량을 모두 같은 방식으로 제어할 수는 없습니다. 각 변수의 물리적 특성과 공정 간 상호작용을 이해한 뒤 적절한 제어 구조를 선정해야 합니다.

 

 

5. Beer to Zero Project의 제어 전략을 설계해 보자

 

이제 무알코올 맥주 생산 공정에 Control Philosophy를 적용해 보겠습니다.

 

앞선 Process Design 단계에서는 공정 흐름과 물질수지, 에너지수지, 장비 용량을 검토했습니다. Detailed Engineering 단계에서는 이 설계를 실제 장비와 계장, 배관, 제어 시스템으로 구체화해야 합니다.

 

이번에는 원료 공급, 열교환, 진공 증류, 제품 저장으로 이어지는 공정을 예로 들어보겠습니다.

 

5.1 원료 공급: 유량을 어떻게 일정하게 유지할 것인가?

원료 맥주가 증류 공정으로 공급되는 상황을 생각해 보겠습니다.

 

원료 공급량이 갑자기 증가하면 후단 열교환기와 증류탑의 운전 조건이 달라질 수 있습니다. 반대로 공급량이 감소하면 생산량이 줄어들거나 공정 운전이 불안정해질 수 있습니다.

 

따라서 원료 공급 라인에는 유량전송기(Flow Transmitter)와 유량제어기(Flow Controller), 유량제어밸브(Flow Control Valve)를 구성할 수 있습니다.

 

제어 시스템은 측정된 유량을 목표값과 비교하고, 제어밸브의 개도를 조절하여 공급량을 일정하게 유지합니다.

 

이때 설계자는 단순히 유량 목푯값만 지정해서는 안 됩니다. 밸브의 제어 범위, 공급 펌프의 운전 조건, 배관 압력손실, 최소 유량 및 최대 유량도 함께 검토해야 합니다.

 

또한 후단 설비가 원료를 받을 수 없는 상황이라면 공급 유량을 줄이거나 차단하는 별도의 운전 로직이 필요할 수 있습니다.

 

5.2 열교환기: 온도를 어떻게 유지할 것인가?

원료 맥주는 증류 공정에 투입되기 전에 적절한 온도 조건으로 조정되어야 합니다.

 

열교환기의 출구 온도를 측정하고, 가열 매체의 유량을 제어하여 목표 온도를 유지하는 방식이 대표적인 예입니다.

 

예를 들어 출구 온도가 목푯값보다 낮아지면 가열 매체 공급량을 늘리고, 반대로 온도가 높아지면 공급량을 줄이도록 설계할 수 있습니다.

 

다만 실제 제어 방향은 밸브의 설치 위치, 작동 방식 및 공정 구성을 고려하여 결정해야 합니다.

 

여기서 중요한 설계 질문이 하나 더 있습니다.

 

가열 매체 공급을 조절하는 것만으로 충분할까요?

 

열교환기 출구 온도가 허용 범위를 벗어나면 제품 품질이나 후단 공정에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 프로젝트의 품질 기준과 위험성 평가 결과에 따라 고온 경보, 원료 공급 제한, 가열 매체 차단 등의 대응을 검토할 수 있습니다.

 

단, 경보와 자동 차단은 서로 다른 기능입니다. 경보는 운전자에게 이상을 알리는 기능이며, 자동 차단은 정의된 조건에 따라 장비나 공정의 동작을 변경하는 기능입니다. 어떤 보호 기능이 필요한지는 설계 기준과 위험성 평가에 따라 결정해야 합니다.

 

5.3 진공 증류: 압력과 온도를 함께 관리해야 하는 이유

무알코올 맥주 생산에서 진공 증류는 알코올 분리를 위해 검토할 수 있는 공정 중 하나입니다.

 

진공 상태에서는 압력이 낮아지므로 액체의 끓는점도 낮아질 수 있습니다. 이를 활용하면 대기압에서 운전하는 경우보다 낮은 온도에서 휘발성 성분을 분리할 수 있습니다.

 

하지만 진공 증류 공정에서는 압력과 온도를 독립적으로만 바라보기 어렵습니다.

 

증류탑 압력이 상승하면 동일한 조성의 액체라도 끓는 조건이 달라질 수 있습니다. 그 결과 분리 성능이나 제품 품질에 영향을 줄 수 있습니다.

 

따라서 설계자는 다음과 같은 제어 기능을 검토해야 합니다.

 

• 압력 제어: 진공 시스템이나 압력 조절 장치를 통해 증류탑 압력을 관리합니다.
• 온도 제어: 가열 매체의 공급량 등을 조절하여 주요 공정 온도를 관리합니다.
• 유량 제어: 원료 공급량과 필요한 순환 유량을 관리합니다.
• 이상 상태 대응: 진공 성능 저하, 냉각수 공급 이상, 고온 또는 고압 등의 조건에서 경보와 필요한 보호 동작을 정의합니다.

이 기능들은 서로 영향을 줄 수 있으므로 제어 루프 간의 상호작용도 고려해야 합니다.

 

예를 들어 압력 제어를 위해 진공 설비를 증설하거나 밸브를 조절하더라도, 응축기 용량이 부족하거나 냉각 성능이 떨어지면 목표 압력을 안정적으로 유지하기 어려울 수 있습니다.

 

결국 제어 시스템은 공정 설계의 물리적 한계를 대신할 수 없습니다. 적절한 장비 용량과 배관 설계가 먼저 확보되어야 하며, Control Philosophy는 그 설비가 의도한 성능을 발휘하도록 운전 원칙을 정의합니다.

 

5.4 제품 저장 탱크: 액위가 높아지면 어떻게 할 것인가?

증류 공정을 통과한 제품이 저장 탱크로 유입된다고 가정하겠습니다.

 

탱크 액위가 높아지면 제품 유입량을 줄이거나 배출량을 조절하는 방식으로 액위를 관리할 수 있습니다. 그러나 탱크가 거의 가득 찬 상황에서는 일반적인 액위 제어만으로 충분하지 않을 수 있습니다.

 

이때는 다음과 같이 기능을 구분할 수 있습니다.

 

구분	기능	동작 예시
정상 제어	액위를 목표 범위로 유지	유입 또는 배출 유량 조절
고액위 경보	운전자에게 이상 알림	경보 발생 및 원인 확인
고고액위 보호	넘침 위험에 대한 대응	설계된 조건에 따라 유입 차단 등

 

위 표는 기능을 이해하기 위한 예시이며, 실제 설정값과 동작은 탱크 용량, 유입·배출 조건, 공정 위험성 평가 및 관련 기준에 따라 결정해야 합니다.

 

특히 고고액위 보호 기능을 일반적인 액위 제어와 동일한 계기에 의존하도록 구성해도 되는지는 별도로 검토해야 합니다. 위험성 평가에서 독립적인 보호 기능이 필요하다고 판단되면 적절한 독립성, 계기 구성 및 검증 요건을 반영해야 합니다.

 

 

6. 자동제어와 인터록은 무엇이 다른가?

 

Control Philosophy를 작성할 때 반드시 구분해야 하는 개념이 있습니다. 바로 Control Loop와 Interlock입니다.

 

Control Loop는 공정 변수를 목표 상태에 가깝게 유지하는 데 목적이 있습니다. 반면 Interlock은 특정 조건이 발생했을 때 미리 정의된 동작을 실행하여 설비의 부적절한 운전이나 위험한 상태를 방지하는 기능입니다.

 

예를 들어 펌프의 토출 유량을 일정하게 유지하는 것은 일반적인 자동제어입니다. 반면 펌프 운전 중 흡입 탱크의 액위가 지나치게 낮아져 펌프 손상이 우려된다면, 저액 위 조건에서 펌프를 정지하도록 인터록을 구성할 수 있습니다.

 

두 기능의 차이를 정리하면 다음과 같습니다.

 

구분	Control Loop	Interlock
주된 목적	공정 변수 유지 및 조절	정의된 조건에서 특정 동작 실행
대표적인 동작	밸브 개도 연속 조절	펌프 정지, 밸브 차단 등
작동 기준	목표값과 측정값의 차이	사전에 정의된 조건 충족
예시	탱크 액위 제어	저저액위에서 펌프 정지

 

다만 인터록이 모두 안전 계장 기능인 것은 아닙니다. 설비 보호나 운전 시퀀스를 위한 인터록도 있으며, 위험을 줄이기 위해 요구되는 안전 계장 기능(Safety Instrumented Function, SIF)은 별도의 위험성 평가와 설계 기준에 따라 구분해야 합니다.

 

안전 계장 시스템(SIS)이 필요한 경우에는 일반적인 공정제어 시스템과의 기능적 독립성, 고장 시 동작, 시험 및 검증 요건 등을 고려해야 합니다. 관련 설계에는 IEC 61511과 같은 기능안전 표준을 검토할 수 있습니다.

 

 

7. 공장의 기동과 정지는 어떻게 자동화하는가?

 

공장은 정상 운전 중의 제어만으로 완성되지 않습니다. 실제 플랜트에서는 기동(Startup), 정상 운전(Normal Operation), 정상 정지(Shutdown), 비상 정지(Emergency Shutdown) 등의 운전 상태를 구분해야 합니다.

 

예를 들어 진공 증류 설비를 기동 한다고 가정하겠습니다.

 

진공 펌프와 냉각 시스템이 준비되지 않은 상태에서 원료를 투입하면 공정이 설계된 조건에 도달하지 못할 수 있습니다. 따라서 기동 절차에는 설비의 준비 상태와 필요한 조건을 확인하는 단계가 포함되어야 합니다.

 

일반적인 기동 시퀀스는 다음과 같이 설계할 수 있습니다.

 

1. 주요 설비와 유틸리티의 준비 상태를 확인합니다.
2. 필요한 밸브의 초기 위치와 운전 허가 조건을 확인합니다.
3. 냉각 및 진공 시스템을 기동하고 필요한 운전 조건이 확보되었는지 확인합니다.
4. 공정 조건이 기동 허용 범위에 들어오면 원료 공급을 시작합니다.
5. 주요 온도, 압력, 유량이 안정화되면 정상 운전 상태로 전환합니다.

위 순서는 개념적인 예시입니다. 실제 순서는 장비 제작사의 요구사항, 공정 특성, 위험성 평가 및 프로젝트의 운전 절차에 따라 달라집니다.

 

정상 정지와 비상 정지도 마찬가지입니다. 정상 정지는 제품과 설비에 미치는 영향을 고려하여 정해진 순서대로 수행할 수 있지만, 비상 정지는 위험을 줄이기 위해 즉각적인 차단이나 정지 동작이 필요할 수 있습니다.

 

또한 모든 이상 상황에서 플랜트 전체를 정지하는 것이 항상 최선은 아닙니다. 문제의 위치와 영향 범위에 따라 특정 장비만 정지할지, 해당 공정 단위를 격리할지, 전체 공정을 정지할지 구분해야 합니다.

 

이러한 운전 상태와 전환 조건을 사전에 정의하는 것이 Control Philosophy의 중요한 역할입니다.

 

 

8. Control Philosophy는 어떤 문서로 구현되는가?

 

지금까지 정의한 제어 원칙은 실제 설계 문서와 제어 시스템으로 연결되어야 합니다.

 

대표적인 문서는 다음과 같습니다.

 

문서	주요 역할
Control Philosophy	공정의 제어 원칙과 운전 전략 정의
Control Narrative	제어 기능과 운전 시퀀스를 구체적으로 설명
P&ID	배관, 계기, 제어밸브 및 주요 제어 연결 관계 표시
I/O List	제어 시스템과 연결되는 입력·출력 신호 정리
Control Logic Diagram / Logic Description	인터록과 시퀀스의 논리 관계 정의
Alarm and Trip List	경보 및 정지 조건과 관련 동작 정리
Cause & Effect Matrix	원인 조건과 결과 동작의 대응 관계 정리
Instrument Datasheet	계기의 사양 및 운전 조건 정리

 

이 문서들은 서로 연결되어야 합니다.

 

예를 들어 Control Philosophy에서 증류탑의 고압 대응을 정의했다면, 관련 계기는 P&ID와 Instrument Datasheet에 반영되어야 합니다. 해당 조건이 경보인지 자동 정지인지에 따라 Alarm and Trip List 또는 Cause & Effect Matrix에도 일관되게 반영되어야 합니다.

 

다만 모든 프로젝트에서 문서의 명칭이나 분리 방식이 동일한 것은 아닙니다. 프로젝트 규모와 발주처의 문서 체계에 따라 Control Narrative, Logic Description, Cause & Effect Matrix 등이 통합되거나 별도 문서로 작성될 수 있습니다.

 

중요한 것은 문서의 개수가 아니라, 설계 의도가 누락되거나 서로 모순되지 않도록 추적할 수 있어야 한다는 점입니다.

 

 

9. 설계가 끝났다면 무엇을 검증해야 하는가?

 

Control Philosophy를 작성했다고 해서 자동제어 시스템의 구현이 끝난 것은 아닙니다.

 

설계 의도가 실제 제어 시스템에서 정확하게 작동하는지 검증하는 과정이 필요합니다.

 

대표적으로 다음과 같은 항목을 확인할 수 있습니다.

 

• 정상 운전 조건에서 제어 루프가 목푯값을 안정적으로 유지하는가?
• 계기 신호가 비정상적이거나 사용할 수 없는 경우 적절한 대응이 정의되어 있는가?
• 경보 설정값과 인터록 작동 조건이 설계 문서와 일치하는가?
• 기동 및 정지 시퀀스가 의도한 순서로 실행되는가?
• 인터록 발생 시 관련 장비와 밸브가 정의된 상태로 전환되는가?
• 운전자가 시스템의 상태와 경보 원인을 이해할 수 있는가?

이러한 검증은 프로젝트의 시험 계획에 따라 FAT(Factory Acceptance Test), SAT(Site Acceptance Test), Loop Check, 기능시험 및 시운전 등으로 나누어 수행할 수 있습니다.

 

특히 안전 관련 기능은 일반적인 제어 루프의 작동 확인만으로 충분하지 않을 수 있습니다. 요구되는 안전 기능과 시험 범위에 따라 별도의 검증 절차를 수립해야 합니다.

 

결국 Control Philosophy는 문서로 끝나는 설계가 아닙니다. 설계 의도가 프로그램과 계기, 밸브, 펌프에 정확하게 구현되고 실제 운전 조건에서도 의도대로 작동하는지 확인해야 비로소 완성도 높은 자동화 시스템이 됩니다.

 

 

10. 자동화는 장비가 아니라 규칙에서 시작된다

 

공장 자동화라고 하면 PLC, DCS, 제어밸브와 같은 장비를 먼저 떠올리기 쉽습니다. 하지만 이 장비들이 무엇을 해야 하는지 결정하는 것은 공정에 대한 이해와 명확한 제어 원칙입니다.

 

온도가 높아지면 무엇을 조절할 것인가? 압력이 상승하면 어떤 대응을 수행할 것인가? 탱크 액위가 낮아지면 펌프는 계속 운전해도 되는가? 정상 정지와 비상 정지는 어떻게 구분할 것인가?

 

이 질문에 대한 답이 명확해야 자동화 시스템도 올바르게 설계될 수 있습니다.

 

Beer to Zero Project에서도 마찬가지입니다. 무알코올 맥주 생산 공정의 목표 품질과 생산량을 확보하려면 각 장비의 성능뿐 아니라 공정 전체가 서로 어떻게 연결되고 반응하는지 정의해야 합니다.

 

앞선 Part 51에서 계기가 공정의 상태를 측정하는 방법을 살펴봤다면, 이번 Part 52에서는 측정된 정보를 바탕으로 공장이 판단하고 움직이는 원칙을 살펴봤습니다.

 

Control Philosophy는 공정 설계의 의도를 실제 플랜트의 동작 규칙으로 바꾸는 연결고리입니다.

 

다음 단계에서는 이러한 제어 원칙을 실제 전기 설계와 연결해, 공장을 움직이는 모터와 장비에 얼마나 많은 전력이 필요한지 살펴보겠습니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 5. Detailed Engineering — 공정을 실제 플랜트로 바꾸다

 

• Part 44. PFD 다음에는 무엇을 해야 하는가 - P&ID
• Part 45. 장비 하나를 설계하려면 무엇이 필요한가 - Equipment Datasheet
• Part 46. 배관은 몇 인치로 해야 하는가 - Pipe Sizing
• Part 47. 배관에서 압력은 얼마나 떨어지는가 - Hydraulic Calculation
• Part 48. 밸브는 어떻게 선정하는가 - Valve Selection
• Part 49. Control Valve의 크기는 어떻게 결정하는가 - Cv Sizing
• Part 50. 압력이 올라가면 어떻게 할 것인가 - PSV Design
• Part 51. 계기는 무엇을 측정해야 하는가 - Instrumentation
• Part 52. 공장은 어떻게 자동으로 움직이는가 - Control Philosophy
• Part 53. 전기는 얼마나 필요한가 - Electrical Load
• Part 54. 장비를 실제 공간에 배치하다 - Plot Plan & Layout
• Part 55. 배관을 실제 공간에 연결하다 - Piping Layout
• Part 56. 모든 설계가 서로 연결되어 있는가 - Interdisciplinary Design Review