어떤 탱크 레벨 루프가 몇 달째 주기 약 4분, 진폭 스팬의 ±6% 정도로 계속 흔들리고 있었다. 서로 다른 두 사람이 이미 재튜닝을 했다. 두 번째 재튜닝에서 게인을 절반으로 줄였더니 주기가 6분쯤으로 늘어났고 진폭은 오히려 조금 더 커졌다. 내가 트렌드를 봤을 때 운전원들은 이미 포기하고 수동으로 돌리면서 교대당 몇 번씩 손으로 밸브를 조금씩 움직이고 있었다.
트렌드를 띄우면 튜닝 상수를 건드리기 전에 파형이 답을 알려준다. 레벨(PV)은 깨끗한 삼각파였다. 직선으로 올라가고 직선으로 내려오고, 꼭짓점이 뾰족했다. 컨트롤러 출력(OP)은 거의 사각파에 가까웠다. 평평하게 있다가 툭 튀었다. 이 두 파형의 조합은 컨트롤러가 충분히 세게 밀 때까지 꿈쩍도 하지 않다가, 움직이는 순간 너무 많이 가버리는 밸브의 서명이다.
스틱션이 실제로 무엇인가
밸브 패킹의 정지 마찰, 그리고 빈도는 낮지만 액추에이터의 마찰이다. 스템은 정지해 있고 이를 붙잡는 마찰력이 액추에이터가 가하는 힘보다 크다. 포지셔너는 이길 때까지 계속 힘을 적분해 올리고, 결국 스템이 풀려나면서 목표 위치를 지나쳐 미끄러진다. 운동 마찰이 정지 마찰보다 작기 때문에, 움직이기 시작하는 순간 힘이 남아돌기 때문이다.
측정할 수 있는 두 개의 숫자로 나눠서 보자.
- 데드밴드 — 스템이 조금이라도 움직이기 전에 입력 신호가 방향을 얼마나 되돌려야 하는가. 마찰에 링키지의 기계적 유격이 더해진 값이다.
- 슬립-점프(스틱밴드) — 마침내 풀려났을 때 스템이 얼마나 지나쳐 가는가.
데드밴드 때문에 루프는 한동안 개루프 상태가 된다. 슬립-점프 때문에 다시 닫힐 때 오버슈트한다. 여기에 적분 동작이 있는 컨트롤러를 씌우면, 어떤 튜닝 상수 조합으로도 죽일 수 없는 리밋 사이클이 생긴다. 이게 핵심이다. 실제 스틱션이 있고 적분 동작이 조금이라도 있으면 루프는 반드시 사이클링한다. 튜닝은 주기와 진폭만 바꾼다. 튜닝으로 잡아주겠다는 사람이 있다면, 잡을 수 없다는 걸 증명하는 데 하루를 쓰게 될 것이다.
잘못된 튜닝, 그리고 진짜 외란과 구분하기
비용이 적게 드는 순서로 세 가지를 확인한다.
루프를 수동으로 놓고 출력을 그대로 둔다. 프로세스 시정수의 두어 배 안에 진동이 멎으면 그 사이클은 루프 내부에서 만들어지는 것이다. 밸브거나 튜닝이다. 출력을 고정했는데도 계속 흔들리면 외란이다(상위 루프, 배치 사이클, 압축기의 로딩/언로딩). 밸브는 무죄다.
PV 파형을 본다. 자기조정(self-regulating) 프로세스에서 튜닝 때문에 생긴 진동은 대체로 사인파에 가깝고, 매끄럽게 감쇠하거나 발산한다. 적분성 프로세스(레벨, 밀폐 용기의 압력)에서의 스틱션은 꼭짓점이 뾰족한 삼각파나 톱니파를 만든다. 비선형적인 파형은 비선형적인 원인을 뜻한다.
게인을 바꿔놓고 진폭이 어떻게 되는지 본다. 컨트롤러 게인을 절반으로 줄인다. 튜닝 때문이라면 진동이 가라앉는다. 스틱션이라면 주기가 느려지기만 하고 진폭은 대체로 줄지 않으며, 오히려 커지기도 한다. 앞의 레벨 루프에서 정확히 이런 일이 일어났고, 두 번째 재튜닝이 상황을 더 나쁘게 만든 이유도 이것이다.
OP 대 PV 플롯, 흔히 위상 플롯이나 매핑이라고 부르는 것도 있다. 몇 사이클에 걸쳐 한 축에 컨트롤러 출력을, 다른 축에 밸브 위치(그것밖에 없다면 PV)를 찍어본다. 건강한 밸브는 직선에 가까운 궤적을 그린다. 붙는 밸브는 평행사변형을 그린다. 평평한 변이 바로 신호가 데드밴드를 훑고 지나가는 동안 스템이 멈춰 있는 구간이다. Choudhury의 스틱션 검출 연구가 정확히 이 그림 위에 서 있고, 몇 번 보고 나면 수식 없이도 트렌드 클라이언트에서 눈으로 알아볼 수 있다.
논쟁을 끝내는 스텝 테스트
트렌드는 강한 심증을 준다. 스텝 테스트는 작업 지시서에 적을 숫자를 준다.
루프를 수동으로 놓고 출력을 점점 작은 폭으로 내린다. 5%, 2%, 1%, 0.5% 순으로, 스텝 사이에 시정수 몇 배만큼 쉬어준다. 그런 다음 방향을 바꿔 같은 방식으로 올라온다. 지령 출력과 포지셔너의 위치 피드백을 함께 트렌드한다. 볼 것은 이렇다.
- 한 방향에서 스템이 조금이라도 움직이게 만드는 가장 작은 스텝. 이것이 분해능이다.
- 방향을 반전한 뒤 스템이 움직이기까지 필요한 신호 변화량. 이것이 데드밴드다.
- 스템이 지시받은 위치에 그대로 서는지, 아니면 지나쳤다가 되돌아와 자리를 잡는지. 이것이 슬립-점프다.
ANSI/ISA-75.25.01이 스텝 입력에 대한 제어 밸브 응답 측정 절차이고, ISA-TR75.25.02가 용어와 동적 성능 파라미터를 다룬다. "밸브가 좀 뻑뻑하다" 수준으로 벤더와 실랑이하는 대신 제대로 사양을 걸고 싶다면 이 두 문서를 쓰면 된다. 실무 기준으로는, 중요한 루프에 달린 조절 밸브가 1% 스텝을 분해하지 못하거나 방향 반전 후 1%를 넘는 신호 변화를 요구한다면 문제를 일으킬 밸브다. 빠르고 타이트한 루프는 그보다 훨씬 좋아야 한다. 큰 탱크에 걸린 느슨한 루프는 몇 퍼센트도 별 탈 없이 견딘다.
현장에서의 단서 하나. 가능하면 정상 압력으로 프로세스를 운전하면서 테스트하라. 패킹 마찰도 실재하지만 플러그 양단의 불평형력도 실재한다. 정지된 라인에서 아주 깔끔하게 스텝에 반응하던 밸브가 차압 40 bar에서는 훨씬 나쁠 수 있다.
SCADA가 기록하고 있어야 하는 것
대부분의 시스템은 루프마다 PV, SP, OP를 히스토리언에 넣고 거기서 멈춘다. 스틱션이 몇 년씩 진단되지 않고 방치되는 가장 큰 이유가 이것이다. 위치 피드백이 없으면 밸브의 거동을 PV로부터 추론할 수밖에 없는데, 그것도 되긴 하지만 느리고 반박당하기 쉽다.
포지셔너에 4~20 mA 위치 전송기가 있거나 밸브가 실제 스트로크를 내보내는 필드버스에 물려 있다면, 그 값을 히스토리언에 넣어라. 내 기본값은 위치 태그에 0.25% 데드밴드, 예외 기반 수집이다. 정상적인 밸브에서는 느리게 움직이는 아날로그라 저장 비용이 거의 없고, 루프가 이상해지는 순간 스템이 신호를 따라가고 있었는지를 보여주는 몇 달치 이력이 이미 손에 있게 된다.
위치 피드백이 있으면, 누가 불평하기 전에 문제를 잡아내는 파생 태그를 싸게 만들 수 있다.
- 이동 윈도(예: 5분) 동안 OP 변화량의 절댓값을 누적한다.
- 같은 윈도에서 위치 피드백 변화량의 절댓값을 누적한다.
- OP 이동량이 수 퍼센트를 넘는데 위치 이동량이 0에 가까우면 플래그를 세운다. 컨트롤러는 일하고 있는데 밸브가 움직이기를 거부하는 상황이다.
시간당 OP 반전 횟수도 볼 만하다. 공장 전체 밸브 마모의 꽤 쓸 만한 대리 지표다. 루프를 이 값으로 정렬하면 붙는 밸브와 잘못 튜닝된 루프가 둘 다 위로 떠오르는데, 어느 쪽이든 유용한 목록이다. 다만 여기에 알람을 걸지는 마라. 이건 운전원의 조치 사항이 아니라 정비 정보이고, 알람 요약 화면에 올려봐야 알람 홍수만 늘린다.
밸브를 떼어내기 전에 할 수 있는 것
마찰을 소프트웨어로 고칠 수는 없지만, 그것이 프로세스를 망치는 것은 막을 수 있다.
- 게인보다 적분 동작을 줄여라. 적분 시간을 늘리면 컨트롤러가 데드밴드를 더 천천히 밀고 넘어가므로 사이클 주기가 길어지고 대개 진폭이 줄어든다. 대신 진짜 외란이 왔을 때 루프가 굼떠진다. 그게 거래 조건이다.
- 패킹보다 포지셔너를 먼저 확인하라. 잘못 튜닝됐거나 용량이 부족한 포지셔너는 스틱션과 똑같아 보이는 증상을 만들고, 셧다운 대신 한 시간이면 확인된다. 포지셔너 자체의 게인과, 액추에이터에 충분한 공기 공급량과 용량이 확보돼 있는지를 본다.
- 패킹 이력을 살펴라. 저배출(low-emission) 환경 규제용 패킹 세트는 예전 흑연 조합보다 훨씬 조여 있고, 마지막 오버홀 이후 밸브가 나빠진 흔한 원인이다. 정기보수 직후부터 루프 성능이 계단처럼 떨어졌다면 그게 날짜 도장이다.
- 스틱션 보상 기능이 일부 DCS 컨트롤러에 있다. 출력에 작은 펄스를 얹어 스템을 털어내는 방식이다. 효과는 있지만, 나는 이걸 수리 자체가 아니라 수리까지 버티는 다리로만 본다. 패킹에 추가 사이클을 얹는 일이기 때문이다.
스텝 테스트에서 위치 피드백이 출력을 깔끔하게 따라가는데도 루프가 계속 사이클링한다면 밸브는 그만 보라. 다음은 루프 간 상호작용이다. 같은 유량을 놓고 두 컨트롤러가 싸우고 있거나, 레벨 루프가 캐스케이드로 물린 유량 루프 쪽 밸브가 진짜 범인일 수 있다. 그리고 스템은 완벽하게 따라가는데 프로세스가 반응하지 않는다면, 플러그가 스템에서 분리됐을 가능성도 있다. 그 경우 포지셔너는 누군가 밸브를 분해해 열어볼 때까지 아주 멀쩡한 밸브라고 보고할 것이다.