단회로 피드백 제어 시스템의 고장 사례 분석

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기사 〈단회로 피드백 제어 시스템의 고장 진단 단계와 처리 방법〉에서는 고장 처리 단계와 방법에 대해 설명하고 있으며, 창휘 계측기는 이 글을 통해 현장에서 발생한 16가지 고장 사례를 정리하여, 이러한 사례들을 분석함으로써 계측기 기술자들의 실제 작업 능력을 향상시키고자 했습니다. 창휘 계측기 http%3a//www%2eyunrun%2ecom%2cn
1. 공기분리장치의 유량 자동 제어 시스템으로, 유량 측정에는 차압 변환기, DCS, 그리고 공압식 필름 조절밸브가 사용됩니다. 가동 초기에는 자동 유량 제어 기능으로 인해 유량의 변동이 매우 심해져 생산 요구사항을 충족시킬 수 없었습니다.
문제 점검 및 분석: 가동 초기에는 시스템의 냉각량이 균형을 이루지 못했으며, 동시에 유량 측정용 관 내부의 온도도 균일하지 않아 기체와 액체가 섞이게 되었습니다. 그로 인해 측정값도 크게 변동했습니다. 자동 제어 기능을 도입한 후에는 이러한 변동이 더욱 심해졌습니다. 장애 처리: 먼저 수동 모드로 전환하여 수동으로 제어하고, 액위 차이를 조정한 뒤, 양수 및 음수 압력관을 탑 벽에서 서리가 생길 때까지 배출한 다음 계기를 가동합니다.수동으로 일정 시간 안정화된 후, 자동 모드로 전환합니다.위와 같은 처리를 거치면, 공정 요구사항을 기본적으로 충족시켜 변동을 줄일 수 있습니다. 2. 간단한 제어 시스템이 있으며, 컨트롤러의 오차와 출력 모두 정상적입니다. 하지만 오차가 발생해도 PID 조절기는 여전히 기존의 제어 규칙에 따라 작동하고, 제어되는 파라미터는 설정값으로 돌아가지 않습니다. 때로는 반대 방향으로 작동하기도 합니다.
장애 점검 및 분석: 장애 현상을 보면, 시스템의 측정 부분, 제어 부분, 신호 전달 과정에는 문제가 없습니다. 장애는 조절 밸브 부분(밸브 스티브의 이동, 멤브레인의 막힘, 밸브 포지셔너의 고장)이나 PID 조절기에서 밸브 포지셔너로 전달되는 신호선 부분에 있을 가능성이 있습니다.PID 조절기의 출력 신호가 조절 밸브까지 잘 전달되는지 확인했으며, 조절 밸브의 멤브레인을 점검한 결과 멤브레인 연결부의 공기 통로가 모래 입자로 막혀 있어 컨트롤러가 정상적으로 작동하지 않는 것으로 나타났습니다. 장애 처리: 막힘을 해소한 후, 시스템이 정상으로 돌아왔습니다. 3. 중압 증기 압력을 PV108을 통한 배기를 통해 제어하는 간단한 제어 시스템이 있습니다. 어느 날, 작업자는 압력이 낮아지는 것을 발견했습니다. PID 조절기의 출력 값은 정상이었지만, 오차가 줄어들지 않았습니다. 고장 원인을 점검하고 분석한 결과, PID 조절기에서 안전장치로의 신호 전달에는 문제가 없는 것으로 보였습니다. 따라서 문제는 안전장치에서 밸브 포지셔너나 조절 밸브 쪽에 있는 것으로 추정됩니다.먼저 밸브 포지셔너와 조절밸브를 점검한 결과, 모두 문제가 없었습니다. 그 다음 멀티미터를 사용하여 보안 장치의 출력 신호를 측정해 보았으나, 아무런 신호도 나오지 않았습니다. 장애 처리: 출력 보안기를 교체하면 시스템이 즉시 정상으로 돌아갑니다. 4. 특정 장치의 간단한 제어 회로(DCS 제어 시스템, PID 컨트롤러)에서 자동 모드로 전환한 후 컨트롤러가 작동하지 않는 현상에 대한 고장 점검 및 분석: 컨트롤러가 작동하지 않는 원인은 DCS 설정에 문제가 있는지, 또는 컨트롤러의 자동 조정 파라미터가 올바른지 여부일 수 있습니다.DCS 구성이 모두 정확한 것으로 확인되었지만, 컨트롤러의 P, I, D 파라미터를 확인한 결과 오류가 있었습니다. 장애 처리: PID 파라미터를 올바르게 설정한 후 정상적으로 가동됩니다. http://www.yunrun.com.cn/News/UploadFiles_5183/201511/2015111714330696.jpg 인공지능 조절기 YR-GAD 시리즈 5, 요코가와 DCS 시스템 단일 회로에서 OOP 오류 경보 발생. 오류 분석: OOP는 입력이 개방되었음을 의미하며, 이는 전송기 선이 끊어졌거나 전송기의 입력 신호가 4mA 미만이거나 20mA를 초과한 경우일 수 있습니다. 6. 요코가와 DCS 시스템 단일 회로의 OOP 고장 분석；OOP는 출력 단락을 의미하며, 연결부가 느슨해져서 발생할 수 있습니다. 7. 단일 회로 제어 시스템이 있으며, 자동 모드로 전환했을 때 오랜 시간 동안 조정해도 안정적으로 작동하지 않습니다. 설정된 값에 간섭을 가하면 다시 원래 상태로 돌아가는 경향이 있으며, 조절 주기와 조절 폭은 정상적인데도 안정적으로 작동하지 않습니다. 결함 분석: 결함 현상으로 보아 이 시스템의 조정 파라미터는 적절한 것으로 보이므로, 안정적으로 작동하지 않는 원인은 파라미터에 있지 않습니다. 장애 처리: 회로를 재분석하여 PID 조절기의 정반작용을 올바르게 설정함으로써 시스템이 음의 피드백 상태가 되도록 하고, 가동 후 정상적으로 작동합니다. 8. 가동 시작 이후 수년간 정상적으로 사용되어 온 제어 회로가 있으며, 작동 조건은 변하지 않았음에도 불구하고 제어 효과가 점점 더 나빠지고 있습니다. 고장 원인 확인 및 분석 결과, 처음에는 정상적으로 작동했다는 것은 파라미터에 문제가 없다는 의미이며, 효과가 점차 악화된다는 것은 점진적인 요인들이 제어에 영향을 미치고 있다는 것을 의미합니다.조절밸브를 점검할 때, 밸브 핵심의 침식이 심한 것을 발견했습니다. 장애 처리: 밸브를 수리한 후 정상적으로 가동됨. 9. DCS 시스템의 한 제어 회로는 기존에는 정상적으로 작동하고 있었으나, 입력 포인트 회선이 고장 나자 AO 포인트 회선을 교체한 후 현장 밸브의 개도를 제어할 수 없게 되었습니다. 결함 점검 및 분석: 회선 교체로 인해 문제가 발생했으므로, 변경된 부분부터 문제를 분석하기 시작했습니다.AO 카드 채널이 교체되고 재설치되면서, 제어점이 이전의 채널을 찾지 못해 제어할 수 없습니다. 장애 처리: 해당 제어점을 다시 설치하면 정상적으로 제어할 수 있습니다. 10. 한 보일러의 증기탱크 내 액위 제어 시스템은 원래 정상적으로 작동하고 있었으나, 갑자기 큰 변동이 발생했습니다. 이에 수동 제어로 전환되었으며, 액위의 변동이 계속되었습니다. 고장 원인을 조사해보니, 고장 현상으로 미루어 볼 때 공정 운영 조건이 이전과 달라졌으므로, 파라미터를 다시 설정해야 합니다. 장애 처리: 제어 강도를 높여 간섭 변동을 극복한 후 정상 작동함. 11. 특정 탑의 액위 제어는 단일 회로 제어 시스템입니다. 부하 조절 과정에서 액위가 불안정하고 크게 변동하는 것이 관찰되었습니다. 결함 점검 및 분석 결과, 액위 조절 밸브 LV0405의 개도가 7%에 불과하며, 밸브 위치가 계속 변동하는 것으로 나타났습니다. 조절 밸브는 낮은 개도 상태에서 쉽게 사이클링 현상이 발생하며, 포지셔너의 출력도 불안정하여 결국 조절 밸브가 안정적으로 작동하지 못하는 것입니다. 장애 처리: 조절 밸브를 15%까지 열자 밸브가 정상으로 돌아왔으나, 과도한 양은 액면을 유지할 수 없어 사용 전후에 수동 밸브로 양을 제한함으로써만 정상적인 제어가 가능했습니다. 12. 특정 석유화학 설비의 유량 제어 시스템에서, 부하가 감소함에 따라 LV402 밸브의 개도가 5%에 불과해졌습니다. 그 결과 진동이 발생하고 유량도 불안정해졌습니다. 원인 분석: 조절 밸브는 낮은 개도 상태에서 쉽게 진동을 일으키며, 진동이 발생하면 밸브 포지셔너에도 영향을 주어 출력이 불안정해집니다. 그래서 자동 조절도 제대로 이루어지지 않습니다. 장애 처리: 앞쪽 또는 뒤쪽의 체크밸브를 약간 조여서 유량을 제한합니다. 밸브가 15% 위치에 도달하면 진동이 사라지고, 밸브 포지셔너도 안정되어 자동 운전이 정상적으로 이루어집니다. 13. 단순 레벨 제어 시스템(DCS 시스템의 PID 컨트롤러를 사용하며, 조절 밸브는 가스 작동식 조절 밸브임)에서 자동 제어가 불가능합니다. 고장 원인 확인 및 분석: 자동 제어가 불가능한 주된 원인은 컨트롤러의 파라미터 설정이 부적절하거나, 제어 대상에 문제가 있거나, 조절 밸브에 문제가 있는 것입니다. 위와 같은 고장 요인들을 점검한 결과, 조절 밸브 내부의 누수량이 매우 크다는 것이 확인되었습니다. 조절 밸브가 약간만 열려도 상당한 양의 유체가 흘러나왔습니다. 장애 처리: 조절밸브 내부 부품을 처리한 후 문제가 해결되었습니다. 14. 증기 압력 제어 시스템의 고장 사례 1: 종이 없는 기록 장치상의 증기 배관 압력 값이 갑자기 0으로 떨어졌으며, 안전밸브가 작동했습니다. 이는 계측기의 문제 때문입니다.압력 측정관과 기록 계기 사이에 고장이 발생하면 조절 밸브의 개도가 급격히 변하여 증기 압력이 크게 상승하지만, 종이 없는 기록계는 반응을 보이지 않습니다. 이 경우 먼저 조절 밸브를 수동으로 조작한 다음 고장을 처리할 수 있습니다. b. 무인쇄형 기록장치에 표시된 증기 배관의 압력 값이 설정값을 초과하지 않으면, 안전밸브가 작동합니다. 이때 계측 담당자는 관련 계측기를 확인해보면 되는데, 각 지점의 온도가 정상이라면 안전밸브가 제대로 조정되지 않은 것입니다；각 지점의 온도 값이 상승하면, 압력 기록값이 실제 압력보다 낮은 것입니다. c. 압력 변동은 크지만 느리므로, 일반적으로 공정상의 원인을 찾아봐야 합니다. d. 압력 변동이 빠른 진동 상태를 보일 경우, 파라미터 설정 및 계측기 자체에서 원인을 찾아봐야 합니다. e. 부하, 원료 투입 및 회수, 온도 등의 변화나 부적절한 조작은 모두 장비 내부 압력의 변화를 일으키므로, 공정 조작 측면에서 원인을 찾아야 합니다. f. 각 계측기의 일상적인 압력 변동 상황을 잘 파악해야 하며, 그것이 비정상적인 상황인지 정상적인 상황인지를 구분해야 합니다. 또한 다른 공정 파라미터들을 참고하여 판단할 수도 있습니다. 15. 액위 제어 시스템 고장 사례 1: a. 광빔 조절기에 표시되는 액위 값이 최대치나 최소치로 치솟는 경우, 먼저 참고표를 확인해 보세요.1차 계기가 정상이라면 2차 계기에 문제가 있는 것입니다.1번과 2번 계기의 수치가 일치한다면, 수동 조절 밸브를 통해 액체의 높이에 변화가 있는지 확인해야 합니다.변화가 있다면 일반적으로 공정상의 문제이며, 변화가 없다면 대체로 계측기의 문제입니다. b. 음의 이동이 있는 계측기의 수치가 최대값으로 치솟는 경우, 음압 측면에 누출이 있는 것으로 의심해야 합니다.기상압이 직접 음압측으로 전달될 경우 계기의 수치가 최소값으로 내려가며, 이는 음압측의 집액탱크 내 액체 수위가 너무 높아진 것으로 의심해야 합니다. c. 기록된 값의 변동 주파수가 높은 경우, 일반적으로는 파라미터 설정이 적절하지 않거나 1차 계측기가 진동하기 때문인 것으로 보입니다.파동이 느리다면, 일반적으로는 작동 조건의 문제입니다. 다. 계기가 잘못된 액위를 표시하고 있다고 의심될 경우, 일반적으로 시스템을 수동 모드로 전환한 뒤, 공정 담당자와 계기 담당자가 함께 교정용 압력계를 사용하여 기체 상태의 압력을 측정하여 분석합니다. 16. 온도 시스템 고장 사례 하나. 모든 장치에는 중유의 온도를 조절하는 시스템이 있습니다. 중유는 열교환기를 통과하며, 증기를 이용해 가열됩니다. 증기 조절 밸브의 개도를 조절함으로써 중유의 온도가 서서히 변합니다. 하지만 자동 제어 모드로 전환하면 온도가 크게 요동칩니다. 결함 분석 결과, 증기의 유량을 변경해도 중유의 온도가 크게 변하지 않는 것으로 보아, 센서 시스템에 지연이 있는 것으로 보입니다. 열전대 측정 시스템을 점검한 결과 문제가 없으므로, 열전달 시스템에 문제가 있을 가능성이 있습니다.증기의 잠열을 최대한 활용하기 위해, 중압 증기는 물로 응축된 후 드레인을 통해 정기적으로 배출되어야 합니다.증기와 중유는 열교환기를 통해 열을 교환하며, 이러한 열교환 과정에는 일정한 시간이 필요합니다.중압 증기의 온도는 280℃이며, 가열된 중유의 온도는 150℃입니다. 가열용 증기의 온도가 280℃에서 점차 낮아져서, 열교환 후의 중유 온도인 150℃에 가까워지면 열교환이 거의 평형 상태에 이릅니다(열저항이 있기 때문에 약간의 온도 차이는 남습니다). 이때 가열용 증기는 아직 완전히 액체로 응축되지 않았으므로, 여전히 열교환기 내부를 차지하고 있습니다. 조절 밸브를 크게 열어도 새로운 증기가 들어오지 않으며, 들어온다 해도 그 양은 극히 적습니다.이로 인해 열교환에 사용되는 증기의 온도가 설계값인 280℃에 도달하지 못하고, 외부에서 들어오는 증기의 온도가 280℃임에도 불구하고 280℃와 증기가 물로 응축되는 온도 사이에서 변동하게 됩니다.실제로 열교환에 사용되는 증기의 온도가 설계값보다 낮기 때문에, 열교환에 걸리는 시간이 길어집니다. 이로 인해 온도 측정에 지연이 생기고, 측정 지연이 심해지면 시스템이 불안정해집니다. 장애 처리: 해당 시스템을 위해 스마트 온도 조절기의 PID 파라미터를 설정하였습니다. 미분 작용을 강화하고, 적당한 양의 적분 작용을 추가하며, 비례 작용은 높여주었습니다. P값은 50%, Ti는 5분, Td는 약 1.5분으로 설정했으며, 그 결과는 상당히 만족스러웠습니다.