1. 서 론

플랜트의 자동제어에서는 비례, 적분, 미분 제어(PID 제어)가 널리 사용되고 있다. PID 제어는 구조가 비교적 단순하고 제어 대상에 대한 상세한 모델이 없어도 적용할 수 있기 때문에 많은 플랜트에서 표준 제어 방식으로 채택되고 있다. 또한, 파라미터 조정을 통해 일정한 제어 성능을 확보할 수 있어 현장 운용성 측면에서도 뛰어나다.

반면, 외부 교란이나 응답 지연의 영향을 받는 공정에서는 PID 제어만으로 안정적인 제어 성능을 유지하기 어려운 경우가 있다. 특히 원료 품질의 편차나 운전 상태의 변동 등 공정 조건이 시간에 따라 변화하면, 고정된 PID 파라미터만으로 적절한 제어를 유지하기 어려워진다. 그 결과 목표값에 대한 추종성이 저하되거나 값의 변동이 커지는 경우가 있다. 또한 조작에서 응답까지 시간 지연, 즉 소위 낭비되는 시간이 발생하는 프로세스에서는 제어 조작에 대한 응답이 늦게 나타난다. 따라서 현재의 편차를 바탕으로 제어를 수행하는 PID 제어에서는 제어와 응답 간의 대응 관계를 즉시 파악하기 어려워진다. 제어 조작이 과도해져 진동 현상이 발생하거나, 반대로 보정이 지연되어 목표값에서 벗어난 상태가 오랫동안 지속되는 등 안정적인 제어를 저해하는 원인이 된다.

이러한 조건에서는 운전자가 공정의 거동을 관찰하면서 향후 상태 변화를 예측해 조작을 보정하는 방식으로 운전하는 경우가 있다. 예를 들어, ‘온도가 상승 추세일 때는 사전에 냉각 작동을 강화하지 말라’는 식으로 경험에 기반한 선제적 조치가 이루어진다. 그러나 이러한 조작은 개별 운전자의 경험과 판단에 좌우되기 때문에 동일한 운전 조건이라 하더라도 조작 내용이 일정하지 않아, 결과적으로 운전 상태의 편차가 발생하는 요인이 된다. 최근에는 숙련된 운전원의 감소와 인력 절감 추세가 강해지면서 경험에 의존하는 운전 방식을 계속 유지하기가 어려워지고 있다. 따라서 운전 조작의 표준화 및 자동화를 실현하기 위한 기술로서 운전 데이터를 활용한 새로운 제어 방식의 도입이 요구되고 있다.

여기에서는 폐기물 에너지 발전소의 증기 온도 제어를 대상으로 AI 기술을 활용한 실시간 제어의 적용 사례를 다룬다. 기존 PID 제어와의 비교를 통해 제어 거동의 차이를 밝히는 한편, 지연 시간이나 외란이 있는 공정에서의 적용 가능성과 제어 성능 개선 효과를 설명한다.

2. 증기 온도 제어의 과제

증기 온도 제어에서는 증기 온도를 높게 유지함으로써 터빈 효율의 향상을 기대할 수 있지만, 안전상의 관점에서 증기 온도의 상한값이 설정되어 있다. 증기 온도는 상한값을 초과하지 않는 범위에서 가능한 한 높은 온도로 안정적으로 제어해야 한다. 폐기물 에너지 발전소에서는 폐기물 성분이 바뀌면 연소 상태도 변한다. 연소 상태의 변동은 보일러에 대한 열 입력의 변동으로 나타나며, 증기 온도에 대한 외란이 된다. 게다가 폐기물의 성질이나 투입 상황에 따라 그 변동은 불규칙하며 주기성을 띠지 않는 경우가 많다. 외란의 존재로 인해 증기 온도는 항상 변동하기 쉬운 상태에 있다.

또한 증기 온도 제어에서는 과열기에서의 급수 조작이 일반적으로 사용되지만, 급수량 변경이 증기 온도로 관측되기까지는 일정한 시간 지연, 즉 낭비되는 시간이 발생한다. 이러한 낭비 시간은 급수 위치에서 온도 측정 위치까지의 액체 이송 지연이나 증기와의 혼합 및 열전달 지연 등에 기인하며, 제어 조작과 응답 사이의 시간 차이로 나타난다.

이러한 불필요한 시간 지연으로 인해 제어 조작의 효과가 즉시 관측되지 않기 때문에, PID 제어에서는 현재의 편차를 바탕으로 한 조작이 적절한 결과로 이어지지 않는 경우가 있다. 구체적으로 말하면, 조작의 효과가 나타나기도 전에 조작이 반복됨으로써 결과적으로 과도한 조작이 되어 그 후의 온도 변동을 증가시킬 수 있다. 이로 인해 증기 온도가 설정값 주변에서 진동적으로 변동하는 현상이 발생할 수 있다. 또한 운전 조건이 시간에 따라 변하면 제어 대상의 응답 특성도 변하기 때문에, 특정 조건에서 최적이었다고 여겨졌던 PID 파라미터가 다른 조건에서는 적합하지 않을 수 있다. 따라서 단일 PID 설정만으로는 모든 운전 상태에서 양호한 제어 성능을 유지하기 어렵다.

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⇒ 본고는 월간지 ‘計測技術’(일본, 일본공업출판주식회사 발행)

2026년 8월호(특집)를 번역·전재한 것입니다. 본 기사의 무단 전재 및 복사는 저작권법상 금지되어 있습니다.