Microcontroller를 이용한 반응기 자동 제어 시스템 개발에 관한 연구

안영준, 허보경, 황규석

부산대학교 화학공학과

A Study on the Development of Automated Reactor Control System using Microcontroller

Young-jun An, Bo Kyeng Hou, Kyu Suk Hwang

Dept. of Chemical Engineering, Pusan National University

서론

현재 대부분의 국내의 화학 공장 및 연구실에서는 반응기의 자동 제어를 위해서 PLC(Programmable Logic Controller)를 사용하고 있고, 근래에 들어서는 PC의 급속한 발전으로 인해 PC-Based System의 개발이 늘어가고 있는 실정이다.

하지만, PC의 사용은 빠른 연산이라는 장점으로 인해 고급제어 등으로의 사용에는 유용하지만, 빠른 연산이 필요 없는 일반적인 공정에서는 Data의 Sampling 속도의 한계로 인해 그 장점이 무용지물이 되어 버릴 수도 있다.

그리고, PLC의 경우, 대형 공정의 Controller로서 지속적인 발전이 있었지만, 비교적 설치에 많은 공간을 차지하고, 성능에 비해 고가라는 단점이 있다.

이에 반해 Microcontroller는 CPU, 입·출력장치 등이 One Chip에 내장되어 있으므로 대단히 소형이며, 가격 대 성능비가 대단히 뛰어나 중·소형 화학 공장의 공정의 자동 제어에 적합하다고 볼 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 INTEL사의 16bit Microcontroller인 80C196KC를 회분식  반응기의 자동 제어에 적용하여서 그 적합성 및 유용성을 보이고자 하였다.

Microcontroller 80C196KC의 특성 및 구조

현재 80C196KC는 모뎀, 모터 제어, 프린터, 엔진 제어, 복사기, 자동차 ABS, 디스크 드라이버 그리고 인공심장이나 맥박계, 심전도계 등의 의료기구 등 자동제어가 필요한 모든 산업분야에서 다양하게 사용되고 있으며, 그 특성 및 구조를  그림 1.의 블록도에 나타내었다.

·20MHz 동작

·28개의 Interrupt Source

·16bit × 16bit 곱셈 및 32bit ÷ 16bit 나눗셈

·Full Duplex Serial Port

·16bit Up/Down Counter

·8개의 8/10 bit A/D Converter

- A/D Converter : Analog to Digital Converter의 약자로 Analog 신호를 Microcontroller가 해석 가능한 Digital 신호로 변환해 주는 장치이며, 여기서 8 bit란 Digital 신호로의 변환 시 28의 분해능을 가짐을 의미한다.

·5개의 8bit I/O Port

·3개의 PWM(Pulse Width Modulation) 출력

- PWM : Pulse Width Modulation의 약자로 일정한 carrier frequency를 주고 한 주기를 100%로 볼 때 Duty Ratio를 정해주어 그 Duty Ratio의 시간 동안은 1의 신호를 주고 나머지 시간 동안은 0의 신호를 주는 방법이다.

·4개의 16bit Software Timer

그림 . 80C196KC의 블록도

회분식 반응기 시스템의 구성

본 연구에 사용된 회분식 반응기 시스템의 개략도를 그림 2.에 나타내었다. 반응기의 용량은 1 l 이며, Pyrex 재질로 제작되었다.

반응기의 가열을 위해 전열선을 사용한 항온조를 사용하였고, 그 열량을 조절하기 위해 80C196KC의 I/O Port의 Digital신호(8bit)를 D/A Converter를 통해 Analog신호로 변환시켜 TPR(Thyristor Power Regulator)을 제어하였다.

냉각을 위해서는 반응기 내부 코일을 통해 냉각수를 순환시켰고, 그 유량을 조절하기 위해 80C196KC의 I/O Port의 Digital신호(1bit)를 사용하여 SSR(Solid State Relay)을 통해 Solenoid Valve를 제어하였다.

교반을 위해서는 응답특성이 뛰어난 DC Motor(24V, 6A)를 사용하였고, 교반속도를 제어하기 위해서 80C196KC의 PWM 출력을 사용하여 모터드라이버를 통해 DC Motor의 속도를 제어하였다. 여기서 모터드라이버는 Power FET(Field Effect Transistor) IRF550을 사용하여서 제작하였다.

그림 . 시스템 개략도

교반속도의 측정은 Rotary Encoder(600pulse/회전)에서 생성되는 Pulse 신호를 80C196KC의 Timer와 Counter를 사용해서 측정하였다.

교반기의 부하를 추정하기 위해서 DC Motor에 입력되는 전류량을 사용하였고, 그 전류량은 Ampere Transducer의 출력을 80C196KC의 A/D Converter를 통해  측정가능 하도록 하였다.

반응기 온도측정은 Thermo Couple(K type)의 신호를 AD595를 사용해서 증폭한 후 80C196KC의 A/D Converter를 통해 측정가능 하도록 하였다.

80C196KC의 구동 소프트웨어는 공학 계산에 적합한 C Language로 Source Code를 작성한 후 전용 Compiler인 IC96, 전용 Linker인 RL96 그리고 OH를 사용하여서 80C196KC가 인식 할 수 있는 hex file로 변환시켜 사용하였고, 수집한 Data의 Monitoring을 위해 80C196KC의 Serial Port를 이용해서 비동기통신방법으로 PC로 Data를 전송하였고, G Programming Language인 LABView를 사용하여서 GUI(Graphical User Interface)를 구성하였다.

반응기 자동 제어 시스템에 대한 80C196KC의 응용의 적합성 및 유용성

서론에서 나타낸 것처럼 현재 많은 화학 공장 및 실험실에서 화학 공정의 자동 제어를 위해 PLC를 사용하고 있다. 1970년경에 사용되기 시작한 PLC는 Relay를 통해 공정을 제어하던 기존의 방식을 대체하였으며, 그로 인해 화학 공정의 자동 제어는 더욱 효과적으로 수행될 수 있었고, 현재에 이르기까지 공정의 자동 제어용으로 많은 발전을 거듭하여 여러 산업분야에서 많은 수요를 이룩하였지만, 단지 자동 제어가 필요한 산업분야에서만 수요가 있었기에 대중화가 되지 못해 가격이 고가이고 호환성이 떨어지는 단점이 있다.

이에 반해, PC는 근래에 들어 PLC와는 비교가 되지 않을 정도로 급속한 성능의 향상이 이루어졌으며, 인터넷의 도입 등으로 인해 대중화가 이루어져 성능에 비해 가격이 저렴해졌고, 호환성 또한 뛰어나 앞으로 공정의 자동 제어를 위해 많은 수요가 있을 것이라고 기대된다. 하지만, PC는 자동 제어를 위해 개발된 것이 아니기에 공정의 자동 제어에 있어서 부적절한 요소들을 많이 내포하고 있으며, 실제 공정에 적용하기 위해서는 I/O Board의 사용이 필요하고, 이 I/O Board 역시 PLC와 같이 대중화가 되지 못했기에 PC의 설치비용에 관한 장점을 많이 감소시키고 있는 실정이다.

이에 반해 80C196KC는 먼저 판매가격이 개당 $10 수준으로 PC 및 PLC와는 비교할 수 없을 정도로 가격이 대단히 저렴하며, PC와 PLC가 입·출력을 위한 장치로 각각 I/O Board, I/O Module을 추가로 사용해야 하는 것에 비해 80C196KC는 One Chip에 입·출력을 위한 주변장치를 내포하고 있어서 그 장점이 더욱 크다고 할 수 있다.

연산 능력 면에서 본다면 20MHz로 동작하는 80C196KC는 현재 500MHz이상으로 동작하는 PC와는 비교할 수는 없지만 일반적으로 8비트용과 16비트용 CPU인 Z-80, 8085, M6800 등을 사용하는 PLC에 뒤지지 않는 연산 능력을 가지고 있어서, Fuzzy 제어 등의 고급 제어용으로도 사용이 가능한 것으로 밝혀져 있다.

그리고, 크기가 2.5cm×2.5cm이하의 극소형이므로 공간 점유율의 측면에서 큰 장점이 있다고 할 수 있다.

반응기로의 적용의 관점에서 본다면, 본 연구에서는 측정변수 중 온도와 교반기의 입력전류, 두 가지를 측정하기 위해 A/D Converter를 사용하였지만(그림 2.), 80C196KC에는 8개의 A/D Converter가 있어서 더 많은 측정변수의 값을 수집하는 것이 가능하다. 그리고, 교반기 제어를 위한 PWM출력 역시, 3개가 존재하여 더 많은 Actuator를 구동하는 것이 가능하다. 그 외에 Counter가 있어서  Rotary Encoder와 같이 회전량을 Pulse 신호로 발생시키는 장치의 출력 값을 측정할 수 있고, 반응 시간 등을 측정할 수 있는 Timer가 있으며, 측정한 Data 등을 다른 외부 장치로 송·수신할 수 있는 Serial Port가 있어서 PC를 통한 Monitoring이 가능해 PC 및 PLC에 비해 그 적합성 및 유용성은 오히려 더 높다고 할 수 있다.

그림 . Multi Processor 통신

결론

본 연구에서는 범용 회분식 반응기의 자동 제어 시스템 개발을 위해 80C196KC의 일부 기능만을 사용하였을 뿐이며, 사용하지 않은 나머지 다른 기능들의 효용성을 검토해 볼 때, 비단 회분식 반응기 뿐만이 아니라, 더욱 복잡한 화학 공정의 자동 제어를 위한 적용도 가능할 것으로 기대되고, 특히, Serial Port를 이용한 Multi Processor 통신(그림 3.)이 가능하여 분산 시스템 등으로의 적용에 있어서 더욱 큰 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

마지막으로, Microcontroller는 PC 및 PLC에 비하여 그 성능이 뛰어나다고는 말할 수는 없으나, 현재 50MHz이상의 제품이 개발되는 등 그 성장 가능성이 매우 높으며, low-cost, small-scale, high-efficiency이라는 큰 장점을 가지고 있기에 추후 화학 공정의 자동 제어에 있어 큰 역할을 차지할 수 있을 것으로 기대된다.

결론

본 연구는 포항공과대학교 공정산업의 지능자동화연구센터를 통한 한국과학재단 우수연구센터 지원금에 의한 것입니다.

참고문헌

[1] R. Bannatyne, and G. Viot, "Introduction to microcontrollers", Wescon Conference Record, pp. 564-574, 1997.

[2] R. Mukaro and X. F. Carelse, "A serial communication program for accessing a microcontroller-based data-acquisition system", Computers & Geosciences, Vol. 23, Issue 9, pp. 1027-1032, 1997.

[3] "8XC196KC/8XC196KD User's Manual", Intel, 1995.

[4] A. Costa, A. De Gloria, F. Giudici, and M. Olivieri, "Fuzzy logic micro- controller",  IEEE Micro, Vol. 17, pp. 66-74, 1997.

[5] H. C. Kim, P. S. Khanwilkar, G. B. Bearnson, and D. B. Olsen, "Development of a Microcontroller-Based Automatic Control System for the Electrohydraulic Total Artifcial Heart", IEEE Transactions on Biomedical Engeering, Vol. 44,  No. 1, 1997.