PID 제어 계장 회로 완벽 정리 – P&ID·Split Range까지 한 번에 이해

 

안녕하세요, 전기로전직중입니다 😊

오늘은 오전 이론 수업부터 오후 실습, 폭력예방 교육, 그리고 5시까지 남아서 주배선 작업까지 마무리한 진짜 알찬 하루였어요.

배울수록 새롭고, 알면 알수록 모르는 게 더 많아지는 느낌... 특히 오늘 배운 PID 제어 계장 회로는 딱 그랬습니다.

"이게 뭔데 이렇게 복잡해?" 싶은 분들을 위해 오늘 수업 내용 제가 이해한 방식 그대로 풀어드릴게요.

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1. 먼저 P&ID가 뭔지부터 – 공장의 설계도

오전 수업에서 가장 먼저 확인한 게 바로 P&ID(공정 배관 계장도) 였어요.

쉽게 말하면 공장 설비를 기호로 그려놓은 설계도 입니다.

배관이 어디로 흘러가고, 어떤 장비가 어디 붙어있는지, 제어 신호는 어떻게 연결되는지를 한눈에 볼 수 있어요.

P&ID 핵심 신호 4가지

• AI (Analog Input) – 현장의 온도, 압력 수치를 읽어오는 것
• AO (Analog Output) – 조절 밸브에 개도율(얼마나 열지) 명령을 보내는 것
• DI (Digital Input) – 펌프 가동 여부 같은 On/Off 상태 확인
• DO (Digital Output) – 펌프 기동이나 솔레노이드 밸브 조작 명령

비전공자 시점에서 처음 보면 기호가 너무 낯선데, 결국 "현장에서 데이터 읽고 → 판단하고 → 명령 내리는 흐름" 이라고 생각하면 이해가 훨씬 쉬웠어요.

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2. PID 제어의 원리 – 제어기 안에서 데이터가 흐르는 방식

PID가 뭔지 3줄 요약

• P (비례) – 지금 오차에 비례해서 조절
• I (적분) – 쌓인 오차를 제거해서 목표치에 딱 맞게 도달
• D (미분) – 변화 속도를 감지해서 급격한 변화 방지 (브레이크 역할)

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데이터 처리 흐름 – 3단계로 이해하기

 

 

현장 신호 입력 → PID 연산 → 설비 출력

말로만 하면 감이 안 오니까 단계별로 쪼개볼게요.

① 입력 단계 – 현장의 신호를 읽는다

• PVRAW → PVCHAR: 온도 센서(RTD)나 압력 신호(4~20mA)같은 raw 데이터를 제어기가 읽을 수 있는 디지털 값으로 변환하는 과정
• RANGE CHECKING: "이 센서의 측정 범위는 0~10 bar" 처럼 범위를 설정해주는 단계
• PV (Process Value): 모든 변환을 거쳐 시스템이 인식한 현재 측정값 (예: "지금 압력이 5 bar구나!")
• ALARM DETECTION: PV 값이 너무 높거나 낮으면 경보를 울리도록 감시하는 블록

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② 제어 단계 – PID 연산으로 판단한다

• Δ (오차 계산): 내가 설정한 목표값(SP)과 현재값(PV)의 차이를 계산
• PID 블록: 그 오차를 줄이기 위해 밸브를 얼마나 열지 결정하는 두뇌 역할
• AUTO / CAS 스위치:
  • AUTO: 내가 입력한 목표값에 맞춰 자동 제어
  • CAS(Cascade): 다른 제어기의 신호를 받아 연동 제어

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③ 출력 단계 – 설비에 명령을 내린다

• OP (Output): PID 연산 결과로 나온 제어 출력값 (예: "밸브를 60% 열어라!")
• REVERSE / DIRECT: 제어 방향 설정 (값이 오를 때 밸브를 열지, 닫을지 결정)
• OPCHAR: 출력 신호를 현장 설비 특성에 맞게 보정
• AOM (Analog Output Module): 최종적으로 4~20mA 신호로 변환해서 현장 조절 밸브로 전달

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④ 제어 모드 선택 – 운전원이 제어권을 어떻게 가질지

• MAN (Manual): 자동 꺼두고 사람이 수동으로 밸브 개도 직접 조절
• AUTO: 시스템이 PID 연산에 따라 자동 조절
• PV Tracking: 수동 → 자동 전환 시 SP를 PV에 맞춰서 갑작스러운 튀는 현상 방지

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3. PID Action – 정동작 vs 역동작, 이게 제일 헷갈렸어요

오늘 수업에서 제일 핵심이자 제일 헷갈렸던 부분이에요.

역동작 (Reverse Action)

"측정값(PV)이 올라가면 → 출력(OP)을 줄인다"

예시로 이해해 보면:

• 탱크 수위가 높아졌다 → "들어오는 양을 줄여야겠다!" → 입구 밸브를 닫는다

수위(PV) ↑ → 출력(OP) ↓ = 반대 방향 = 역동작

정동작 (Direct Action)

"측정값(PV)이 올라가면 → 출력(OP)도 키운다"

• 탱크 수위가 높아졌다 → "밖으로 더 많이 빼내야겠다!" → 출구 밸브를 더 연다

수위(PV) ↑ → 출력(OP) ↑ = 같은 방향 = 정동작

실제 탱크 제어 예시 (LIC 101)

밸브역할Action 설정

LCV 101A (입구)	들어오는 유량 조절	Reverse (역동작)
LCV 101B (출구)	나가는 유량 조절	Direct (정동작)

하나의 레벨 제어기(LIC 101)가 두 밸브에 동시에 신호를 보내는데, 방향이 반대인 거예요. 이게 바로 오늘 도면에 적힌 "A: Reverse, B: Direct" 의 의미였어요.

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4. Split Range Control – 하나의 제어기로 밸브 두 개 조절하기

오늘 수업 중 제일 신기했던 개념이에요.

4~20mA 신호를 반으로 쪼개서 두 개의 밸브를 순서대로 혹은 교차로 제어하는 방식이에요.

그래프 3가지 유형

① 교차형

• 신호가 커질수록 밸브 A는 닫히고, B는 열린다
• 예: 냉각수는 줄이고, 가열 스팀은 늘릴 때

② V자형

• 12mA일 때 두 밸브 모두 닫힘 (중립 상태)
• 신호가 낮아지면 A가 열리고, 높아지면 B가 열린다

③ 순차형

• 4~12mA: A 밸브가 먼저 다 열림
• 12~20mA: A가 다 열리고 나서야 B가 열리기 시작

세 번째 순차형이 공장에서 단계적 부하 제어에 많이 쓰인다고 하셨어요.

Fail-Safe 설정 – 안전과 직결!

스플릿 제어에서 절대 빼놓으면 안 되는 게 밸브 타입 설정이에요.

• ATO (Air to Open) → 공기압이 끊기면 닫힌다 = Fail Close (FC)
• ATC (Air to Close) → 공기압이 끊기면 열린다 = Fail Open (FO)

두 밸브 특성이 반대인 경우가 많아서, 이 타입에 맞게 제어 신호를 반전시키거나 범위를 따로 지정해줘야 한다고 배웠어요. 설계 잘못하면 공기압 끊겼을 때 사고 날 수 있는 부분이라 교수님이 강조하셨어요.

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5. 오후 실습 – 실제 배관 & 회로 분해해서 눈으로 확인

오전에 이론으로 배운 내용을 오후엔 실습실에서 직접 눈으로 확인했어요.

첫 번째 사진이 바로 그 현장입니다.

• 삼릉전기 E700 인버터 + 0.75kW 3상 유도전동기 세트
• 인버터로 모터 RPM을 조절하는 실제 동작 확인
• MAIN POWER AC220V 차단기, RPM METER, DC24V 전원 공급 구성
• CCW/CW 방향 전환 스위치, SPEED 조절 노브

이론으로만 배우던 게 실제 장비로 돌아가는 걸 보니까 확실히 다르게 느껴졌어요.

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6. 폭력예방 교육 + 저녁까지 남아서 배선 작업

오후 2시부터는 강당에서 폭력예방 교육을 받았고요.

그 이후에 저는 실습이 아직 부족한 것 같아서 남아서 작업 했어요.

위 사진이 오늘 제가 작업한 실습 4번 – 시퀀스 회로 배선 작업이에요.

• 도면에 번호 기입 완료
• 주회로 배선 작업 마무리
• 테이프로 라벨링한 구성 요소: MC, MC2, EOCR, FLS, FR, X, T
• TB2, TB3, TB4 단자대 배선
• PB0(정지), PB1(기동) 연결 예정

솔직히 아직 배선 속도도 느리고, 회로 보면서 "이게 맞나?" 싶을 때도 많아요.

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오늘의 솔직한 후기

"배우면 배울수록 새로운데, 아직 모르는 게 너무 많다"

오늘 딱 이 말이 맞아요.

PID 계장 회로는 배울수록 재미있는데, 교수님께 질문하기도 애매할 만큼 기초가 부족한 느낌이 들 때도 있어요.

그래도 차근차근 쌓아나가다 보면, 나중엔 당연히 질문도 더 잘 할 수 있게 되겠죠.

오늘처럼 남아서라도 한 번 더 해보는 게 결국엔 실력이 된다고 믿고 있습니다.

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핵심 요약

개념핵심 내용

P&ID	공장 설비 기호 설계도 (AI/AO/DI/DO)
PID 제어	비례+적분+미분으로 오차를 자동 조절
역동작	PV↑ → OP↓ (입구 밸브 닫기)
정동작	PV↑ → OP↑ (출구 밸브 열기)
Split Range	4~20mA 신호를 나눠 2개 밸브 제어
Fail-Safe	ATO/ATC 설정으로 비상시 안전 확보

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