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“벨브 Stiction이 PID 제어에 미치는 영향”
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🔧 산업 제어 시스템의 ‘숨은 적’, Stiction을 아시나요?
밸브가 움직이지 않아 공정이 불안정해지는 이유, 그 중심에 있는 스틱션 문제를 해결해야 합니다.
여러분의 플랜트에서 아직도 루프 진동, 목표값과 실제값의 반복적인 출렁임, 제어기의 튜닝 난항 등이 계속되고 있나요?
오래된 제어기 때문이라고만 생각하고 계셨다면, ‘스틱션(Stiction)’ 문제일 가능성이 높습니다.
특히 정유, 석유화학, 발전, 제지 산업 등에서 공압식 제어밸브를 사용하는 플랜트에서는 스틱션이 전체 제어 문제의 30~50%를 유발한다는 연구 결과도 있습니다.
이번 뉴스레터에서는 현장의 제어 품질을 뒤흔드는 이 ‘스틱션’ 현상이 무엇인지, PID 제어기에 어떤 영향을 주는지, 그리고 어떻게 해결할 수 있는지를 알아보겠습니다.
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⚙️ 스틱션(Stiction): 밸브의 ‘끈적임’이 만든 제어의 불안정성
▪ 스틱션이란?
스틱션은 제어 밸브의 정지 마찰(static friction)으로 인해, 입력 신호가 일정 임계치를 넘기 전까지는 밸브가 움직이지 않다가, 어느 순간 갑자기 ‘튀듯이’ 움직이는 현상입니다.
이런 동작은 반복적인 진동이나 루프의 불안정, 오버슈트 등의 제어 이상을 유발합니다.
💡 특히 오래된 밸브, 패킹이 마모된 밸브, 공압 공급이 불안정한 경우에서 빈번하게 발생합니다.
▪ 실제 플랜트에서 나타나는 증상들
- 제어 신호를 보내도 밸브가 미동조차 하지 않음
- 갑자기 큰 폭으로 밸브가 움직이며 루프 오버슈트 발생
- PID 제어기가 끊임없이 반응하려다 진동 지속 → 사이클링
- 실제 공정값(PV)이 목표값(SP) 주변을 계속 출렁이는 현상
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🧠 스틱션의 구체적 영향
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공정과 밸브 움직임에 영향
🔴 ”끈적끈적한" 스템 현상
- 정지 마찰력(static friction)이 밸브 스템에 작용하면서,
외부에서 가해지는 힘이 일정 임계값에 도달하기 전까지는 스템이 전혀 움직이지 않습니다.
- 이로 인해 스템이 ‘끈적끈적하게 붙어있는’ 것처럼 보이며, 움직임이 지연됩니다.
🔴 밸브 스템(Valve Stem)이란?
- 밸브의 개폐 동작을 전달하는 축(Shaft) 역할을 합니다.
- 공압 액추에이터 또는 수동 핸들에서 발생한 동력을 내부의 디스크나 플러그에 전달하여 유체 흐름을 조절합니다.
🔴 과도한 힘 필요 → 제어 불안정 유발
- 스틱션으로 인해 스템을 움직이기 위해서는 정상적인 위치 이동에 필요한 힘보다 더 큰 힘이 요구됩니다.
- 이로 인해 밸브가 과도하게 움직이고, 반복적인 위치 보정이 필요하게 되어 루프 진동 또는 헌팅을 유발합니다.
-
제어성능 저하를 야기하기 때문에 공장의 생산성에도 악영향
출처: control station
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🔍 스틱션의 원인과 진단 포인트
| 원인 유형 |
상세 내용 |
| 기계적 |
윤활 부족, 패킹 마찰, 스템 휨, 밸브 내부 오염 |
| 운전 조건 |
공정 유체의 점도 변화, 부식, 온도 변동 |
| 설비 선정 |
밸브 사이징 오류, 공압 라인 용량 부족 |
| 유지보수 부족 |
정기 윤활 미실시, 과도한 패킹 압착 등 |
❗ 참고: 센서 드리프트, 튜닝 문제, 부하 교란 등과 유사하여 식별이 쉽지 않으며, 특정 밸브 위치에서만 나타날 수 있습니다.
“마찰이 있는 경우의 전형적인 Trend”
출처: control station
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🛠 해결 방안: 근본적 조치부터 제어 전략까지
1. 기계적 조치 (필수 점검 목록)
- 패킹 마찰 점검 및 윤활 보강
- 스템 정렬 상태 및 마모 확인
- 오래된 밸브는 정비 또는 교체 고려
- 공압 라인 압력 안정화 필요
2. PID 튜닝으로 보완하기
- P, I, D 각 항목별 재설정 (앞서 설명)
- 데드존 설정 및 제어출력 램프 제한
- Anti-reset windup 적용하여 적분기 폭주 방지
3. 제어 알고리즘 개선
- Feedforward 제어로 부하 예측 및 사전 대응
- Split-range 제어로 소형 밸브 2개 분산 제어
- 모델 예측 제어(MPC) 등 고급 제어 적용 시 스틱션 보정 가능
PID 제어기의 입장에서 본 스틱션
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추가 전략
- 데드존(Dead zone): 제어 신호가 미세하게 흔들릴 때 밸브를 가만히 두도록 설정
- 출력 제한(Ramp limit): PID 출력이 천천히 변하도록 설정해 스틱션 유발 최소화
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