[논문]산업용 밸브의 유량제어 시스템 설계

최정주

doi:10.5762/kais.2020.21.1.387

산업용 밸브의 유량제어 시스템 설계
Flow Rate Control System Design for the Industrial Valve 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.1, 2020년, pp.387 - 392

최정주 (동아대학교 기계공학과)

초록
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본 논문은 산업용 밸브의 유량제어시스템을 제안하였다. 산업용 밸브는 주로 배관시스템에 장착되어 유량 및 압력 제어에 사용된다. 제어밸브의 구조 및 작동 방식은 설치환경과 작업용도에 따라 상이하다. 밸브는 그 형태에 따라 그루브 밸브, 버터플라이 밸브 및 볼 밸브 등으로 분류되고, 구동방식은 모터를 이용하거나, 유압 및 공압을 이용하는 것이 일반적이다. 제어밸브를 이용한 유량제어시스템은 유량을 계측하여 피드백시스템을 구현하여야 하지만, 본 논문에서는 고가의 유량센서를 사용하지 않고 밸브의 개폐에 따른 유량변화를 실험하여 밸브 전후단의 압력차와 개폐정도를 이용하는 방법을 제안하였다. 밸브의 유량은 유량계수를 이용하여 밸브 전후단의 압력차와 밸브의 개폐정도로 표현할 수 있으므로 이를 이용하여 유량제어시스템을 설계하였다. 제어입력에 따른 밸브의 개폐를 나타내는 전달함수는 신호압축법을 이용하여 구하였으며, 이를 이용하여 밸브 스템의 명령추종성능을 향상시킬 수 있는 외란관측기를 설계하였다. 제안된 제어시스템의 성능을 검증하기 위해 제어밸브 전후단에 압력센서를 장착하여 제안된 제어방법의 성능이 유량센서를 이용한 경우에 준함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a flow-rate control system for industrial valves. Industrial valves are used in piping systems to control the flow rate and pressure. In general, valves used in pipelines are classified into globe valves, butterfly valves, and ball valves according to the shape. Motor, hydraulic, and pneumatic systems are used for operating valves. The flow meter should measure the flow rate when configuring the flow-rate control system. On the other hand, because the flow rate of the valve can be expressed by flow coefficient, a control scheme is proposed using the pressure deviation, which measures at the front and rear of the valve. The transfer function for the valve, according to the control input, was estimated using the signal compression method. Based on the induced transfer function, the disturbance observer was designed to improve the command following the performance of the valve stem. The performance of the proposed control method is compared with the flow-rate control result using the flow meter used.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Structure and schematics for control valve system
그림 Fig. 2. Test signal for signal compression method
그림 Fig. 3. Block diagram for the proportional control
그림 Fig. 4. Experimental result for test signal
그림 Fig. 5. Power spectrum and phase of the valve stem motion
그림 Fig. 6. Layout for the experiment
그림 Fig. 7. Average flow rate according to valve opening
표 Table 1. Experimental conditions for flow rate
그림 Fig. 8. Block diagram for disturbance observer
그림 Fig. 9. Experimental result for the proposed control scheme

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 밸브와 관련한 연구는 밸브 내부를 흐르는 유체의 유동특성에 관해 CFD 및 유동가시화실험, 밸브 구동장치에 대한 제어성능 향상 등에 대해 주로 이루어졌지만, 산업용 밸브의 유량제어시스템 설계와 관련한 연구는 활발히 이루어지지 않았다. 따라서 본 논문에서는 배관라인에 설치하는 그루브 타입 제어밸브의 유량 제어시스템 설계 방법을 제안하였다. 제안된 유량제어 시스템은 고가의 유량센서를 사용하지 않고 밸브의 개폐에 따른 유량 변화를 실험하여 밸브 전후단의 압력차와 개폐정도를 이용할 수 있는 방안을 제안하였다.
본 논문에서는 압력계를 이용한 산업용 밸브의 유량제 어시스템 설계 방법에 대하여 제안하였다. 제안된 제어 방법은 밸브의 유량을 제어하기 위해 고가의 유량계를 사용하는 대신 압력센서를 밸브 전후에 장착하여 밸브를 통과한 유량을 제어할 수 있도록 제안하였다.
실험의 결과는 밸브 개폐량, 유량 및 압력차 사이의 상관관계를 나타낸다. 이를 바탕으로 본 논문에서는 밸브 스템의 위치 제어에 기반 한 유량제어시스템을 제안하였다.

가설 설정

3. 밸브의 개폐, 밸브전후단의 압력차 및 이에 따른 유량변화에 대한 상관관계를 규명하였다.
시트와 플러그의 개폐는 스템의 상하 운동으로 조절되며 스템의 상하운동은 밸브 상단의 다이어프레임에 압축공기를 주입하여 작동시킨다. 밸브의 개폐량은 스템에 연결된 포지셔너에 의해 계측된다. 이러한 제어밸브의 구조는 Fig.
1(b)에 나타내었다. 제어밸브의 유량제어를 위해서는 스템의 위치제어정밀도를 향상시켜야 한다.

제안 방법

그루브 밸브의 유량제어시스템을 설계하기 위해서는 밸브를 통과한 유량을 계측하여야 하지만, 본 논문에서는 고가의 유량계는 사용하지 않고 압력계를 이용하여 제어하는 방법을 제안하였다. 제어밸브는 밸브의 개폐정도에 따라 밸브를 통과하는 유량을 유량계수로 나타낼 수 있고 이는 밸브 전후의 압력차에 비례한다[7,8].
식 (6)에서 유량은 밸브 전후의 압력차에 비례관계가 있음을 알 수 있다. 따라서 이러한 유량과 밸브 차압의 관계를 이용하여 Table 1과 같이 밸브 전후의 차압 및밸브의 개폐량에 대한 실험계획을 수립하고 각 조건에 따른 유량을 계측하였다. 유량 변화를 측정하기 위해 내경이 65mm인 그루브 밸브 전후단에 압력계를 Fig.
신호압축법을 통해 선형시스템으로 간주된 밸브의 스템 거동 동역학식에 대해 비선형 외란을 상쇄시킬 수 있는 외란관측기를 설계하였다. 외란관측기 기반의 제어시 스템의 블록선도는 Fig.
제안된 유량제어 시스템은 고가의 유량센서를 사용하지 않고 밸브의 개폐에 따른 유량 변화를 실험하여 밸브 전후단의 압력차와 개폐정도를 이용할 수 있는 방안을 제안하였다. 이를 위해 밸브 개폐량과 압력차 변화에 따른 유량 변화를 실험을 통해 그 상관 관계를 확인하였다. 또한 밸브의 개폐에 대한 제어시스템 설계를 위해 스템의 거동을 나타내는 전달함수는 신호압축법을 이용하여 모델링하였다.
이를 위해 본 연구에서는 다이어프레임에 의한 스템의 위치변화를 질량-댐퍼 시스템으로 간주하고, 제어입력에 대한 스템의 위치를 나타내는 동역학식은 2차시스템으로 고려하였다. 근사화된 2차 시스템의 파라미터는 신호압축법을 이용하여 추정하였다.
또한 밸브의 개폐에 대한 제어시스템 설계를 위해 스템의 거동을 나타내는 전달함수는 신호압축법을 이용하여 모델링하였다. 이를 통해 추정한 모델식은 제어시스템의 외란제거 성능 향상을 위한 외란 관측기[9] 설계를 위해 이용하여 밸브 스템의 위치 추종 성능을 향상시킬 수 있도록 하였다. 제안된 제어시스템의 성능은 유량계를 사용한 경우와 압력 센서만을 이용한 경우를 비교하여 그 성능을 실험적으로 검증하였다.
따라서 본 논문에서는 배관라인에 설치하는 그루브 타입 제어밸브의 유량 제어시스템 설계 방법을 제안하였다. 제안된 유량제어 시스템은 고가의 유량센서를 사용하지 않고 밸브의 개폐에 따른 유량 변화를 실험하여 밸브 전후단의 압력차와 개폐정도를 이용할 수 있는 방안을 제안하였다. 이를 위해 밸브 개폐량과 압력차 변화에 따른 유량 변화를 실험을 통해 그 상관 관계를 확인하였다.
본 논문에서는 압력계를 이용한 산업용 밸브의 유량제 어시스템 설계 방법에 대하여 제안하였다. 제안된 제어 방법은 밸브의 유량을 제어하기 위해 고가의 유량계를 사용하는 대신 압력센서를 밸브 전후에 장착하여 밸브를 통과한 유량을 제어할 수 있도록 제안하였다. 제안된 제어시스템 설계를 위해 고려한 주요 사항은 아래와 같다.

대상 데이터

밸브 스템의 위치제어를 위해 사용한 주제어기는 일반적으로 산업현장에서 널리 사용되는 PI제어기를 이용하 였다.

데이터처리

제안된 제어시스템을 바탕으로 유량제어 실험을 수행하고 그 성능을 검증하였다. 성능 검증을 위해 제안된 제어시스템은 유량센서를 이용한 경우와 비교하였다. 25m³/h로 설정한 참조 유량에 대해 본 논문에서 제안한 제어 방법의 성능이 정상상태 응답에서 유량센서를 사용한 경우 대비 99.
제안된 제어시스템을 바탕으로 유량제어 실험을 수행하고 그 성능을 검증하였다. 성능 검증을 위해 제안된 제어시스템은 유량센서를 이용한 경우와 비교하였다.
이를 통해 추정한 모델식은 제어시스템의 외란제거 성능 향상을 위한 외란 관측기[9] 설계를 위해 이용하여 밸브 스템의 위치 추종 성능을 향상시킬 수 있도록 하였다. 제안된 제어시스템의 성능은 유량계를 사용한 경우와 압력 센서만을 이용한 경우를 비교하여 그 성능을 실험적으로 검증하였다.

이론/모형

1. 밸브의 개폐에 따른 스템의 동특성은 신호압축법을 이용하여 2차의 전달함수를 구하였다.
2. 신호압축법을 이용한 밸브 스템의 모델식은 밸브 개폐 제어시스템의 성능향상을 위해 외란관측기 설계를 위한 공칭모델로 활용하였다.
이를 위해 본 연구에서는 다이어프레임에 의한 스템의 위치변화를 질량-댐퍼 시스템으로 간주하고, 제어입력에 대한 스템의 위치를 나타내는 동역학식은 2차시스템으로 고려하였다. 근사화된 2차 시스템의 파라미터는 신호압축법을 이용하여 추정하였다.
이를 위해 밸브 개폐량과 압력차 변화에 따른 유량 변화를 실험을 통해 그 상관 관계를 확인하였다. 또한 밸브의 개폐에 대한 제어시스템 설계를 위해 스템의 거동을 나타내는 전달함수는 신호압축법을 이용하여 모델링하였다. 이를 통해 추정한 모델식은 제어시스템의 외란제거 성능 향상을 위한 외란 관측기[9] 설계를 위해 이용하여 밸브 스템의 위치 추종 성능을 향상시킬 수 있도록 하였다.
두 선도를 일치시킴으로 식(4), (5) 같이 파라미터를 추정할 수 있다. 신호압축법을 이용하여 추정한 파라미터는 밸브 제어시스템의 외란 관측기 설계를 위한 공칭 모델로 활용하였다.
신호압축법의 원리는 임펄스응답의 라플라스 변환이 전달함수임을 이용한다. 임펄스 신호는 물리적으로 구현이 불가능함으로 임펄스 신호의 스펙트럼을 관심 주파수 영역에서 균일한 크기를 가지는 스펙트럼 신호를 이용하여 전달함수를 구하는 방법이다.

성능/효과

성능 검증을 위해 제안된 제어시스템은 유량센서를 이용한 경우와 비교하였다. 25m³/h로 설정한 참조 유량에 대해 본 논문에서 제안한 제어 방법의 성능이 정상상태 응답에서 유량센서를 사용한 경우 대비 99.2%의 성능을 보임을 확인하였다. 제안된 제어시스템의 성능은 고가의 유량계를 사용한 경우보다 우수하지는 않지만 저가의 압력계를 사용하여 유량센서를 이용한 경우에 준하는 성능을 보임을 실험을 통해 확인하였다.
18m³/h임을 확인하였다. 제안된 제어시스템은 고가의 유량센서를 사용하는 대신, 압력센서를 이용하여 그 성능이 유량센서를 사용한 경우에 준함을 알 수 있다. 이는 배관라인에 적용되는 산업용 밸브의 유량제어 시스템을 설계함에 있어 보다 저렴한 방법으로 시스템을 구성하는 방안이 될 수 있을 것으로 기대된다.
2%의 성능을 보임을 확인하였다. 제안된 제어시스템의 성능은 고가의 유량계를 사용한 경우보다 우수하지는 않지만 저가의 압력계를 사용하여 유량센서를 이용한 경우에 준하는 성능을 보임을 실험을 통해 확인하였다.

후속연구

제안된 제어시스템은 고가의 유량센서를 사용하는 대신, 압력센서를 이용하여 그 성능이 유량센서를 사용한 경우에 준함을 알 수 있다. 이는 배관라인에 적용되는 산업용 밸브의 유량제어 시스템을 설계함에 있어 보다 저렴한 방법으로 시스템을 구성하는 방안이 될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업용 밸브의 역할은 무엇인가?	본 논문은 산업용 밸브의 유량제어시스템을 제안하였다. 산업용 밸브는 주로 배관시스템에 장착되어 유량 및 압력 제어에 사용된다. 제어밸브의 구조 및 작동 방식은 설치환경과 작업용도에 따라 상이하다.
	신호압축법의 원리는 무엇을 이용하는 것인가?	신호압축법의 원리는 임펄스응답의 라플라스 변환이 전달함수임을 이용한다. 임펄스 신호는 물리적으로 구현이 불가능함으로 임펄스 신호의 스펙트럼을 관심 주파수 영역에서 균일한 크기를 가지는 스펙트럼 신호를 이용하여 전달함수를 구하는 방법이다.
	압력계를 이용한 유량 계측의 원리는?	그루브 밸브의 유량제어시스템을 설계하기 위해서는 밸브를 통과한 유량을 계측하여야 하지만, 본 논문에서는 고가의 유량계는 사용하지 않고 압력계를 이용하여 제어 하는 방법을 제안하였다. 제어밸브는 밸브의 개폐정도에 따라 밸브를 통과하는 유량을 유량계수로 나타낼 수 있고 이는 밸브 전후의 압력차에 비례한다[7,8]. 이는 IEC 534-1, IEC 534-2-3 규정에서 다음과 같이 나타낸다.

참고문헌 (10)

A. M. Jazi and H. Rahimzadeh, "Waveform Analysis of Cavitation in Globe valve," Ultrasonics, Vol. 49, pp. 577-582, 2009. DOI: http://www.doi.org/10.1016/j.ultras.2009.02.004

상세보기
B. Liu, J. Zhao and J. Qian, "Numerical analysis of cavitation erosion and particle erosion in butterfly valve," Engineering Failure Analysis Vol. 80, pp. 312-324, 2017. DOI: http://www.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.06.045

상세보기
J. Jung and P. Seong, "Error analysis in improved motor control center method for stem thrust estimation of motor-operated valves in nuclear power plants," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 50, No. 3, pp. 735-740, 2003. DOI: http://www.doi.org/10.1109/TNS.2003.812458

상세보기
S. Kang, S. Park, D. Lee, Y. Kim and D. Kim, "A study on the stem friction coefficient behavior of motor-operated valves," Nuclear Engineering and Design, Vol. 241, pp. 961-967, 2011. DOI: http://www.doi.org/10.1016/j.nucengdes.2011.01.017

상세보기
J. U. Byeon, C. H. Kim, S. H. Park, M. W. Lee and M. C. Kang, "Effects of Flow Rate and Discharge Pressure with Compressing Spring in Non-diaphragm Type Stem of Water Pressure Reducing Valve," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 18, No. 5, pp.103-109, 2019. DOI: http://www.doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.5.103
J. S. Lee, "Design and Computational Fluid Dynamics of Pressure Reducing Valve," Journal of Korea Society Academia-Industrial Cooperation, Vol. 13. No. 7. pp. 2853-2857, 2012. DOI: http://www.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.7.2853

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C. W. Kang, C. S. Yi, S. M. Jang and C. W. Lee, "A Study of the Measurement of the Flow Coefficient Cv of a Ball Valve for Instrumentation," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol. 18, No. 3, pp. 103-108, 2019. DOI: http://www.doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.3.103
C. Alimonti, "Experimental characterization of globe and gate valves in vertical gas-liquid flows," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 54, pp. 259-266, 2014. DOI: http://www.doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2014.01.001

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L. Wanga, X. Liub and C. Wang, "Improved disturbance observer based control for airborne photoelectric stabilized platform," International Journal for Light and Electron Optics, Vol. 188, pp. 133-136, 2019. DOI: http://www.doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.05.041

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'N. Aoshima, "Measurement of nonlinear vibration by signal compression method," Journal of the Acoustical Society of America, vol. 76, no. 3, pp. 794-801, 1984. DOI: http://www.doi.org/10.1121/1.391303

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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