스마트 생산과 자동화: 제어시스템과 산업용 제어

본 내용은 " 명지대학교 산업경영공학과 스마트 생산과 자동화 3주차 강의내용 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.11

문서 내 토픽

• 1. 제어 시스템의 응답

  제어 시스템의 응답은 입력(주로 계단입력) 시 시간 변화에 따른 출력의 변화를 의미합니다. 과도응답과 정상응답으로 구분되며, 비진동 응답은 느린 응답속도를 가지고 진동 시스템은 빠른 응답속도를 가집니다. 물체의 고유진동수와 외부 힘이 일치하면 공명이 발생하여 구조물 붕괴 등의 파괴로 이어질 수 있으므로, 진동 흡수 설계가 중요합니다.

• 2. 발전된 자동화 기능

  안전 모니터링은 작업자 안전과 장비 보호를 위해 시스템 동작을 지속적으로 추적 감시합니다. 유지보수 및 진단은 고장 문제를 반자동으로 처리하고, 상태 모니터링을 통해 현재 고장상태를 파악하고 미래 결함을 예측합니다. 에러 감지 및 복구는 랜덤에러, 시스템에러, 이탈 등을 구분하여 처리하며, 수정동작은 자동 또는 반자동으로 이루어집니다.

• 3. 자동화 계층 레벨

  자동화는 5단계 계층으로 구성됩니다. LV.1 기기 레벨은 센서와 액추에이터 등 하드웨어 요소, LV.2 기계 레벨은 로봇과 컨베이어 등 개별 기계, LV.3 셀/시스템 레벨은 제조 실과 생산라인 연결, LV.4 공장 레벨은 생산 시스템 운영계획, LV.5 기업 레벨은 마케팅, 판매, 회계 등 전사적 기능을 담당합니다.

• 4. 산업용 제어시스템: 연속제어와 이산제어

  연속제어는 연속변수(힘, 온도, 유량, 압력, 속도 등)를 다루며 폐-루프 제어시스템으로 연속적 개선이 이루어집니다. 이산제어는 on/off, 개/폐 등 정해진 값만 가능한 이산변수를 다룹니다. 사건 기반 제어(논리제어)와 시간 기반 제어(순차제어)로 구분되며, 컴퓨터를 이용한 공정제어는 감시, 개-루프, 폐-루프 제어로 분류됩니다.

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• 1. 주제1 제어 시스템의 응답

  제어 시스템의 응답은 산업 자동화의 핵심 요소입니다. 시스템이 입력 신호에 얼마나 빠르고 정확하게 반응하는지는 전체 프로세스의 효율성을 결정합니다. 응답 시간이 짧을수록 생산성이 높아지지만, 과도한 응답은 시스템 불안정을 초래할 수 있습니다. 따라서 적절한 응답 특성을 설계하는 것이 중요합니다. 현대의 제어 시스템은 PID 제어, 적응형 제어 등 다양한 알고리즘을 활용하여 최적의 응답을 구현합니다. 이러한 기술들은 제조업, 에너지, 화학 산업 등 다양한 분야에서 필수적이며, 지속적인 개선을 통해 더욱 정교한 제어가 가능해지고 있습니다.

• 2. 주제2 발전된 자동화 기능

  발전된 자동화 기능은 산업 4.0 시대의 핵심 동력입니다. 머신러닝, 인공지능, IoT 기술의 통합으로 자동화 시스템은 단순한 반복 작업을 넘어 예측 분석과 자율 의사결정이 가능해졌습니다. 이러한 발전은 생산 효율성 증대, 비용 절감, 품질 향상을 가져옵니다. 그러나 고도화된 자동화는 높은 초기 투자 비용과 전문 인력 부족이라는 과제를 안고 있습니다. 또한 사이버 보안 위협 증가에 대한 대비도 필요합니다. 향후 발전된 자동화 기능은 더욱 사용자 친화적이고 유연한 형태로 진화할 것으로 예상되며, 중소기업도 접근 가능한 수준으로 민주화될 것입니다.

• 3. 주제3 자동화 계층 레벨

  자동화 계층 레벨은 산업 시스템의 구조를 이해하는 데 필수적인 개념입니다. 일반적으로 필드 레벨, 제어 레벨, 감시 레벨, 경영 레벨로 구분되며, 각 계층은 서로 다른 기능과 목표를 가집니다. 이러한 계층화된 구조는 복잡한 시스템을 체계적으로 관리하고 각 부분의 최적화를 가능하게 합니다. 현대에는 이러한 계층 간의 경계가 점차 모호해지고 있으며, 통합된 데이터 흐름과 실시간 통신이 강조되고 있습니다. 클라우드 기술과 엣지 컴퓨팅의 발전으로 계층 구조 자체도 재정의되고 있습니다. 효과적인 자동화를 위해서는 각 계층의 특성을 이해하고 적절히 통합하는 것이 중요합니다.

• 4. 주제4 산업용 제어시스템: 연속제어와 이산제어

  연속제어와 이산제어는 산업용 제어시스템의 두 가지 기본 방식입니다. 연속제어는 온도, 압력, 유량 등 연속적인 변수를 다루며 아날로그 신호 기반으로 작동합니다. 반면 이산제어는 켜짐/꺼짐, 시작/정지 같은 이진 상태를 제어하며 디지털 신호를 사용합니다. 현대 산업에서는 두 방식이 혼합되어 사용되는 경우가 많습니다. 연속제어는 정밀한 조정이 필요한 프로세스에 적합하고, 이산제어는 순차적 작업에 효과적입니다. 디지털 기술의 발전으로 연속제어도 디지털화되고 있으며, 두 방식의 장점을 결합한 하이브리드 제어 시스템이 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 각 산업의 특성에 맞는 적절한 제어 방식 선택이 시스템 성능을 좌우합니다.