개념 한 쪽
분산제어장치(DCS) 환경에서는 센서가 물리량을 감지하고 트랜스듀서와 전송기가 신호를 변환·전달하며, 제어기와 최종제어요소가 공정 제어를 수행한다는 점을 중심으로 문제를 접근한다는 점을 기억한다.
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출제기준 단원 「분산제어장치(DCS)」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 차압 전송기 용도 판별 | 1 | 차압 전송기의 측정 가능한 변수와 불가능한 용도를 가려낸다 |
| 제어밸브 신호-개도 계산 | 1 | air-to-close 신호 범위에서 특정 개도에 대응하는 압력을 계산한다 |
| 제어밸브 특성 이유 분석 | 1 | 등비 특성 채택 이유 및 불평형 압력 대책을 평가한다 |
분산제어장치의 제어루프 하드웨어는 기본적으로 센서, 트랜스듀서(변환기), 트랜스미터(전송기), 제어기, 최종제어요소로 분류된다는 점을 이해한다. 센서는 공정의 물리적 상태를 측정하고, 트랜스듀서는 물리량을 전기 신호로 변환하며, 트랜스미터는 그 신호를 표준화·전송하여 제어기가 처리할 수 있게 한다는 점을 명확히 한다.
전송기에서 발생할 수 있는 문제로는 신호 잡음, 보정 오류, 해상도 저하 등이 포함되며, 전송기의 본질은 전자적 신호 처리이므로 유체의 물리적 수송지연과는 관련이 적다는 점을 구분한다. 즉, 수송지연은 파이프와 유속에 의존하는 유체 이동 현상이며 전송기의 고장 유형과는 개념적으로 분리한다는 점을 강조한다.
센서의 예로 열전대는 열전효과(제백, 펠티에, 톰슨 효과)를 이용하여 온도를 측정한다는 점을 기억한다. 열전대 종류는 소재별로 사용 온도 범위가 다르며, 백금-로디움 계열은 고온에서의 내열성이 뛰어나다는 분류 원리를 인지한다.
제어밸브의 동작 특성과 신호-개도 관계를 이해해야 한다. air-to-close 방식은 저압에서 밸브가 열리고 고압에서 닫히는 작동 특성을 가지며, 신호 범위와 개도 비율의 선형 보간으로 요구 공기압을 계산할 수 있다는 점을 숙지한다. 또한 불평형 압력 문제는 밸브의 구조적 특성이나 구동기 면적, 포지셔너 적용 등으로 대응하고 Cv 증가는 불평형 압력 저감과 직접 연관이 없다는 점을 구분한다.
1) 제어밸브 문제 예시: air-to-close 밸브가 3~15psi 범위에서 동작하고 3psi에서 100% 열림, 15psi에서 0% 열림일 때 25% 열림의 공기압을 구한다. 25% 열림은 닫힘이 75%이므로 전체 압력 범위(12psi)의 75%만큼 증가시키면 된다. 계산식은 3 + 12×0.75 = 12psi이므로 요구 공기압은 12psi이다.
2) 지연요소의 주파수 응답 예시: 전달함수 G(s)=e^{-2s}의 주파수 응답에서 위상지연각은 -ωT 이므로 ω=1, T=2일 때 위상지연각은 -2 rad이며 도 단위로 환산하면 약 -114.6°가 된다.
차압 전송기(differential pressure transmitter)의 가능한 용도가 아닌 것은?
정답 ③ · 차압 전송기(Differential Pressure Transmitter)는 이름 그대로 두 지점 사이의 '압력 차'를 측정하여 전기적 신호로 변환하는 기기입니다. 이 원리를 응용하여 오리피스 양단의 차압을 통해 기체 및 액체의 유량을 측정하거나(보기 1번), 밀폐된 탱크의 액주 차압을 이용해 액위(수위)를 측정하고(보기 2번), 대기압을 기준으로 차압을 측정하여 절대압을 구하는 용도로도 쓰입니다(보기 4번).
차압 전송기는 두 지점 압력 차이를 측정하므로 단일 기체의 분압 직접 측정에는 부적합하다.
air-to-close 형 제어밸브에서 25% 열림에 해당하는 공기의 압력은 몇 psi 인가? (단, 제어밸브는 3-15psi 범위에서 동작한다.)
정답 ④ · air-to-close 형 제어밸브는 막동기에 공기압이 가해질수록 밸브가 닫히는 방식(NC, 정동작)입니다. 공기압력 범위가 3~15 psi이면, 3 psi일 때 100% 열리고 15 psi일 때 0% 열리게 됩니다.
Air-to-close 밸브는 3psi에서 100% 열림, 15psi에서 0% 열림이므로 25% 열림은 12psi이다.
현장에서 주로 쓰이는 대부분의 제어밸브가 등비(equal percentage) 조절특성을 나타내는 가장 큰 이유는?
정답 ④ · 배관 내에 제어밸브를 실제로 설치하게 되면, 유량이 변함에 따라 배관 자체의 마찰로 인한 압력 손실이 발생하여 밸브 양단의 압력 강하(ΔP)가 일정하게 유지되지 않습니다. 이로 인해 밸브의 고유 특성이 변형되는데, 등비(equal percentage) 특성을 가진 밸브를 사용하면 이러한 압력 변화를 보상하여 결과적으로 설치밸브특성(installed valve characteristics)이 이상적인 선형(linear) 거동을 하도록 만들어주는 장점이 있습니다.
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