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“공정 품질을 결정하는 비율의 마법: 비례 제어(Ratio Control)”

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산업 현장의 핵심 기술, 비례 제어(Ratio Control)

플랜트 운영에서 가장 무서운 것은 “같은 공정인데 품질이 달라지는 문제”입니다.

원료 배합이 미세하게 달라지기만 해도 제품 품질은 요동치고,

연소 공정에서 공기-연료비가 조금만 어긋나도 효율은 떨어지고 안전성까지 위협받습니다.

많은 엔지니어들은 경험적으로 알고 있습니다.

“품질을 결정하는 것은 절대량이 아니라 비율이다.”

이번 뉴스레터에서는

그 비율을 가장 정확하게 유지하는 방법, 비례 제어(Ratio Control) 의 원리와 실제 적용 사례를 소개합니다.

생산 품질 확보부터 안전 운전까지, 거의 모든 플랜트의 “숨은 조력자”로 활약하는 제어 전략입니다.

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1️⃣ 비례 제어란 무엇인가?

비례 제어는 하나의 주요 유량에 비례하여 다른 보조 유량을 제어하는 방식입니다.

"레시피를 지키는 것"

마치 요리사가 맛을 일정하게 유지하기 위해 주재료의 양이 변하더라도 물이나 양념 등의 보조 재료를

정확히 정해진 비율에 맞춰 넣는 것과 같습니다.

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2️⃣ 공정 예시

출처: Simtronics

• 공정 예시: 80WT% A와 70WT% B가 혼합되어, 50WT% 혼합물을 얻는다.

비례 제어 시스템은 다음과 같은 관계를 유지하도록 설계됩니다.

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$$ \frac{Fc}{Fw} = R $$

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• Fc: 제어유량 (Controlled Flow) - 제어 밸브로 조절되는 유량
• Fw: 주요유량 (Wild Flow) - 제어할 수 없는, 또는 독립적으로 결정되는 유량
• R: 비례상수(Ratio) - 목표로 하는 비율

주요유량이 변하면 제어기(Controller)는

Fc = R * Fw가 되도록 제어 밸브를 조작하여

제어유량이 항상 일정한 비율 R을 유지하도록 합니다.

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3️⃣ 비례 제어의 장단점 & 적용 조건

☑️ 장점

• 정확한 품질 유지: 반응물·연료·희석 공정 등에서 배합 비율을 정밀하게 맞춰 품질을 일정하게 유지
• 안전성/효율 향상: 연료-공기 비율 조절로 불완전 연소 방지, 안정성 확보
• 설계 & 튜닝 용이: 제어 구조가 단순해 구현하기 쉬움

✖ 단점

• 주요 유량의 오차에 민감: Fw의 센서 오류나 지연은 Fc에도 곧바로 반영
• 독립 제어 불가: 비율을 바꾸지 않는 한 Fc는 Fw의 종속 변수
• 외란 대응 한계: 온도·압력 등 다른 변수의 영향은 Ratio Control 단독으로 보상하기 어려움

👉 적용이 가장 효과적인 공정

• 화학 반응 공정: 두 반응물의 몰(mole) 비율을 일정하게 유지해야 할 때.
• 연소 공정: 연료(Fuel)와 연소용 공기(Air)의 A/F Ratio(공기-연료비)를 제어할 때.
• 희석 공정: 농축액을 희석하여 일정 농도를 유지할 때.
• 혼합 공정: 두 액체를 특정 배합 비율로 섞어 일정 품질의 제품을 생산할 때. </aside>

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