계장기술(PROCON)

기획특집 제어 밸브 스틱션 현상 모델링 및 인식 기법

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 64회 작성일 19-11-18 19:57

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1. 서 론

플랜트는 수많은 제어 루프가 복잡하게 얽혀 공정제어가 이루어지며, 이들 개별 제어 루프의 성능은 플랜트 전체의 안정 운영에 직접적인 영향을 준다. 제어 루프의 성능 저하는 제어기 파라미터의 부적절한 튜닝, 설비 고장, 제어 루프의 비선형성, 공정 설계 오류 등 여러 가지 원인에 기인하며, 제어 루프의 비선형성은 제어 밸브 또는 공정과 계측에서 나타날 수 있다. 특히 제어 밸브의 비선형성은 스틱션(Stiction), 데드밴드(Deaband), 히스테리시스 (Hysterisis), 포화 등이 일반적이다. 제어 성능 저하 원인의 상당 부분은 밸브 문제에 기인하며, 제어 밸브의 비선형성 특성 중 스틱션은 현장에서 오래 지속되어온 문제중 하나이다. 밸브 스틱션은 밸브 패킹의 과도한 조임, 부식, 이물질, 밸브 밀봉의 열화 등으로 인해 발생하여 제어 루프의 성능에 나쁜 영향을 미치는 현상으로 밸브의 고장에 있어서 중요한 인자로 볼 수 있다. 밸브 스틱션 현상이 강하게 발생하여 밸브의 정비가 필요할 경우에는 운영 중인 플랜트를 정지해야만 하므로 밸브 스틱션의 진단은 중요한 요소이다.
본고에서는 제어 루프의 운전 데이터에 의한 밸브 스틱션 현상 인식 기법을 소개하고, 이 기법을 현장 적용하기 전 공정 시뮬레이터를 활용하여 그 타당성을 확인하는 방법 등을 소개하고자 한다.

2. 밸브 스틱션 현상의 개요

ISA에 의하면 밸브 스틱션은 정지 마찰(Static friction) 을 극복하기 위해 요구되고, 상하 구동력 간의 차로 측정 되는 동작 개시에 대한 저항으로 정의하고 있다. 밸브가 일단 스틱션을 극복하면 당분간 부드럽게 움직이며, 밸브의 속도가 0에 가까워지면 다시 고착된다. 스틱션은 작은 제어 입력 변화에 밸브 스템이 움직이지 못하도록 하며, 움직임이 가능할 만큼 충분한 힘이 인가되면 움직인다. 이는 제어 루프를 수동으로 놓고, 공정 변수에 변화가 있을 때까지 밸브 입력을 조금씩 증가시켜서 스틱션을 측정하는 것과 유사하다. 스틱션 현상을 보이는 밸브 의 입출력 동작 특성을 도시하면 그림 1과 같다.

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그림 1은 4개의 구성요소, 데드 밴드(Deadband), 스틱 밴드(Stickband), 슬립 점프(Slip jump), 이동 단계(Moving phase)로 구성된다. 그림 1의 점 N에서 밸브가 정지하거나 방향을 바꾸려고 할 때, 밸브는 스틱된다. 제어기 출력이 데드밴드(NA’)와 스틱밴드(A’C)를 극복한 후에 밸브는 새로운 위치(포인트 C)로 점프하여 계속 움직인다. 같은 방향으로 이동하는 동안에, 속도 ‘0’ 또는 매우 느린 속도로 인해 밸브는 포인트 D에서 다시 고착될 수 있다. 그런 경우에는 데드밴드는 0이며, 스틱밴드만 존재한다. 이 경우에는 제어기 출력이 스틱밴드 보다 크면 밸브가 스틱션 극복이 가능하다. 밸브 입력이 변함에도 불구하고, 밸브가 움직이지 않는 경우에 대한 밸브 동작 특성은 데드밴드와 스틱밴드로 표현이 가능하다. 슬립 점프의 크기는 스틱션에 의해 유발된 오실레이션 동특성을 결정짓는데 중요한 역할을 한다. 일단 밸브 슬립이 일어나면, 다시 스틱될 때까지 밸브는 계속 움직인다. 스틱션을 이러한 관점에서 다시 정의하면, 스틱션은 밸브의 변화하는 입력에 반응하여 부드럽게 움직이기 전에 갑작스런 점프인 슬립 점프가 일어나는 밸브의 특성을 의미한다고 볼 수 있다. 슬립 점프는 출력 스팬의 퍼센트로 표현된다.

3. 밸브 스틱션 모델링

밸브 스틱션 모델은 크게 물리 법칙을 적용한 물리적인 모델과 입출력 데이터에 기반한 입출력 모델이 있다. 상세 물리 모델은 알 수 없는 파라미터가 많고, 각각의 파 라미터들을 추정하기가 매우 어려우며, 더욱이 복잡한 모델은 컴퓨터에서 실행할 때 많이 느린 단점을 가지고 있다. 데이터 기반 모델은 몇 개의 파라미터만 식별하면 되고, 모델이 복잡하지 않아 빠른 실행을 가능하게 한다. 최근에 기술 문헌에 소개되는 모델은 데이터 기반 모델이다. 입출력 데이터에 기반하여, 밸브 스틱션은 실제 공정 데이터의 관찰에 의해 새로운 정의가 가능하다.
데이터 기반 모델은 플랜트 데이터와 연관된 파라미터를 가지며, 물리적인 모델과 같은 특성을 보이며, 가장 많이 활용되고 있는 Choudhury 모델과 ISA에서 제안한 밸브 시험을 모두 통과한 Kano 모델, 그리고 Choudhury 모델을 보완한 XCH 모델이 있다. 본고에서는 Choudhury 모델에 대해서 간단히 소개 하며, Choudhury 모델의 밸브 입력 x(k)에 대한 밸브 포지션 y(k)의 관계를 순서도로 도시하면 그림 2와 같다.

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그림 2에서 x(k)는 시간 스텝 k번째(또는 현재 시점)의 밸브 입력 신호를 의미하고, x(k-1)는 이전 스텝에서의 밸브 입력 신호를 의미한다. y(k)는 시간 스텝 k번째(또 는 현재 시점)의 밸브개도를 의미하고, y(k-1)는 이전 스텝에서의 밸브 포지션을 의미한다. S는 데드밴드와 스틱 밴드와 합을 나타내며, J는 스틱 밴드를 나타낸다. xss 는 고착된 위치를 의미하며, I는 고착 상태를 의미한다. Δt는 밸브 입력 신호에 대한 스캔 주기(스텝 간 시간)를 의미하며, Sign(v)는 v의 부호를 의미하여 v가 0보다 클 때는 1의 값을 가지고, 0보다 작을 때는 –1의 값을 가지며, 0일 때는 0의 값을 가진다.

4. 밸브 스틱션 인식 기법

밸브 스틱션을 진단하는 기법으로 여러 가지가 있으며, 시간 영역의 데이터에 기반한 인식 기법(예 : Shape- based Stiction Detection Method)에 대해서 설명하고 자 한다.
이 방법은 제어기 출력(OP)과 밸브 개도(MV)의 X-Y 관계도가 평형사변형일 경우 스틱션 상태라고 인식하는 것이다. 즉, X축의 값인 제어기 출력이 변하여도 Y축인 밸브 개도가 변하지 않는 상태가 존재하는 특성을 이용 하여 인식하는 것이다. 그림 3을 보면 a)는 Deadband의 동작 특성을, b)는 Slip Jump의 동작 특성을, c)는 a와 b 의 동작 특성을 모두 보여주는 것으로 3가지 특성 모두 스틱션이라고 인식한다. 본 기법은 스틱션 상태에서 OP가 변해도 MV는 변하지 않는다는 특성을 이용한 것으로, 세부 알고리즘은 다음과 같다.

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step 1)  OP, MV 운전데이터 입력  → △OP, △MV 계산

step 2) OP 및 MV의 방향(D/I/S) 결정

step 3) 그림 4와 같은 OP와 MV의 합성방향 결정

step 4) OP/MV의 방향별 아래의 시간을 누적 계산함

- Ttotal : 전체 시간

- TSS : SS 구간의 시간 합계

-  TISSI : IS 유지되다가 SI로 변한 구간에서 IS 로 유지된 구간의 시간 합계

-  나머지 TISII, TDSDD, TDSSD도 TISII와  유사하게 구함

step 5)  스틱션 지수 계산 : (TISII + TISSI + TDSDD + TDSSD) / (Ttotal – TSS)
스틱션 지수가 0.25 이상이면 스틱션 상태로 판단한다. [참고문헌]에 따르면 스틱션 진단을 유량 제어 루프와 수위 제어 루프에 대해 3가지 조건(스틱션이 없는 경우, 약한 스틱션, 강한 스틱션)에 대해 제어기 출력과 공정값에 적용하여 시험해본 결과, 수위와 같은 적분 공정이 아닌  제어 루프에 대해 본 기법이 유효함을 보여주었다.

5.  공정 시뮬레이터를 활용한  기능 검증 방법 

구현된 인식 기능을 현장 적용하기 전에 공정 시뮬레이터를 활용하여 다음과 같이 기능검증을 수행할 수 있다. 먼저 3항(밸브 스틱션 모델)에서 설명한 밸브 스틱션 모델을 시뮬레이터에서 제공하는 사용자 정의 기능블록으로 다음과 같이 구현하였다.

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또한 시뮬레이터내의 공정모델에서는 밸브 스틱션 현상 없이 정상적으로 동작하므로, 그림 7의 우측 상단과 같이 제어모델과 공정모델이 연결되는 부분에 스틱션 기능 블록을 삽입하여 기존의 밸브 개도 요구값 대신에 스틱션 동작 특성을 가지는 기능블록의 출력값을 공정모델의 제어 밸브로 입력시켜서 스틱션 현상을 모의하였다. 이와 같이 변경된 시뮬레이터의 임의 제어 루프에 스틱션 기능블록을 비활성화 혹은 활성화시킨 상태에서 운전 데이터를 취득하여 4항(밸브 스틱션 인식 기법)에서와 같 이 제시한 인식 기법의 타당성을 검증하면 된다.

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이상에서 제어 밸브의 비선형 동작 특성 중에 하나인 밸브 스틱션 현상을 소개하고, 관련 제어 루프의 운전 데이터를 활용한 진단 기법과 현장 적용하기 전 공정 시뮬레이터를 활용하여 그 타당성을 확인하는 기법 등을 소개하였으며, 현장 관련 부서에서 관련 업무에 참고가 되 길 기대한다.
[참고문헌] Mohieddine Jelali, Biao Huang, “Detection and Diagnosis of Stiction in Control Loops”, Springer, 2010


우 주 희 책임연구원 / 한전전력연구원 joohee.woo@kepco.co.kr