진공 동결 건조의 고정밀 압력 제어에 전기 니들 밸브 및 이중 채널 컨트롤러 적용

진공 동결 건조의 고정밀 압력 제어에 전기 니들 밸브 및 듀얼 채널 컨트롤러 적용

요약: 현재 진공 동결건조 공정에서 정전식 압력계가 널리 사용되고 있으며, 이로 인해 압력 제어기와 전기식 공기 흡입 조절 밸브가 함께 사용됩니다. 이 두 가지 주요 구성 요소는 압력 제어의 정확도와 반복성에 큰 영향을 미칩니다. 제어 정확도 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 최신 국산 2채널 24비트 고정밀 PID 압력 제어기와 스테퍼 모터 구동식 전기식 니들 밸브의 기능, 기술 지표 및 응용 사례를 소개합니다. 실험을 통해 전기식 니들 밸브와 고정밀 제어기를 상류 제어 모드에서 사용하면 ±1% 이내의 정확도로 압력을 제어할 수 있음을 검증했습니다. 또한, 이 제어기는 동결건조 공정 중 피라니 진공계를 모니터링하여 초기 동결건조 공정의 종료 지점에 자동으로 맞춰 조정하는 데에도 사용할 수 있습니다.

1. 질문

진공 동결건조 공정에서 압력 제어는 매우 중요한 과정입니다. 특히 민감한 제품의 동결건조의 경우, 압력 제어의 정확도는 제품 품질에 심각한 영향을 미칩니다. 따라서 높은 재현성을 갖춘 신뢰할 수 있는 동결건조 공정을 위해서는 건조실 내 압력을 정확하고 반복적으로 측정 및 제어해야 하며, 이는 동결건조 장비의 성능을 평가하는 중요한 지표 중 하나입니다. 1차 건조 과정에서 압력 또는 진공도는 제품 승화 계면의 온도에 직접적인 영향을 미치기 때문에 정확하고 안정적인 압력 제어는 1차 건조 공정에 매우 중요합니다. 그러나 실제 진공 동결건조 공정에서는 정확한 압력 제어 측면에서 다음과 같은 문제점들이 여전히 존재합니다.

(1) 압력 제어기의 불일치 문제: 동결건조 공정 및 장비에는 고정밀 정전용량 압력계가 장착되어 있어 정확도가 전체 스케일의 0.2%~0.5%에 도달할 수 있지만, 현재 대부분의 현지 지원 시스템에서는 PLC를 사용하여 정전용량 압력을 측정하고 있습니다. DC 전압 신호의 측정 및 제어에 있어 PLC의 A/D 및 D/A 변환 정확도가 현저히 부족하여 압력 측정 및 제어 정확도에 심각한 영향을 미칩니다. 동결건조 공정의 요구 사항을 충족하려면 A/D 및 D/A 변환 정확도가 최소 16비트에 도달해야 합니다.

(2) 공기 흡입 제어 밸브의 불일치: 동결 건조에서 진공 압력 제어는 기본적으로 수 Pa 정도의 일정한 압력을 유지하므로 일반적으로 상류 공기 흡입 제어 방식을 사용합니다. 즉, 진공 펌프의 펌핑 속도가 일정할 때 전기 조절 밸브를 통해 공기 흡입 유량을 증가시켜 압력을 낮추고, 공기 흡입 유량을 감소시켜 압력을 높이는 방식입니다. 그러나 현재 중국에서는 여전히 히스테리시스가 큰 솔레노이드 밸브를 사용하여 압력 조절을 하는 경우가 많아 압력 제어의 정확성과 반복성에 심각한 영향을 미칩니다. 현재 전 세계적으로 스테퍼 모터로 구동되는 저히스테리시스 전기 제어 밸브가 많이 사용되고 있습니다.

동결건조 공정에서의 압력 제어 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 최신 국산 2채널 24비트 고정밀 PID 압력 컨트롤러와 전동 니들 밸브의 기능, 기술 지표 및 적용 사례를 소개합니다. 구체적인 적용 사례를 평가 및 검증한 결과, 전동 니들 밸브와 고정밀 PID 압력 컨트롤러를 상류 제어 모드로 사용하면 ±1% 이내의 정밀도로 압력을 제어할 수 있습니다. 또한, 2채널 PID 컨트롤러는 동결건조 공정 중 피라니 게이지의 모니터링 및 기록에도 활용될 수 있습니다.

2. 로컬 2채널 24비트 고정밀 PID 압력 제어기

정전식 압력계의 측정 정확도를 최대한 활용하기 위해서는 데이터 수집 및 제어 컨트롤러에 최소 16비트 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 디지털-아날로그 변환기(DAC)가 필요합니다. 최근 카오루(KaoLu)는 그림 1과 같이 고정밀 24비트 범용 PID 컨트롤러인 FC 시리즈를 개발했습니다. 이 시리즈의 PID 컨트롤러는 해외 제품보다 훨씬 강력한 성능을 제공하면서도 가격은 해외 제품의 8분의 1 수준입니다. 주요 성능 지표는 다음과 같습니다.

(1) 정밀도: 24비트 A/D, 16비트 D/A.

(2) 다중 채널: 독립적인 1채널 또는 2채널. 2채널은 이중 센서의 동시 측정 및 제어를 가능하게 합니다.

(3) 다양한 출력 매개변수: 47가지 입력 신호(열전대, 열저항, DC 전압)를 통해 다양한 매개변수의 동시 테스트, 표시 및 제어가 가능합니다.

(4) 다기능: 전진, 후진, 전진 및 후진 양방향 제어.

(5) PID 프로그램 제어: 개선된 PID 알고리즘은 PV 차동 및 차동 전진 제어를 지원합니다. 20개의 PID 그룹을 저장할 수 있으며 20개의 프로그램 곡선(각각 50개 세그먼트)을 지원합니다.

(6) 통신: 2선 RS485, 표준 MODBUS RTU 통신 프로토콜.

동결건조 1차 종료 시점 판단 시, FC-20 시리즈의 2채널 컨트롤러는 정전식 압력계와 피라니 압력계를 동시에 연결할 수 있습니다. 정전식 압력계는 진공 압력 제어에 사용되고, 피라니 압력계는 동결건조 과정 중 수증기량 변화를 모니터링하는 데 사용됩니다. 두 압력계의 차이가 사라지면 1차 동결건조 공정이 완료된 것으로 간주합니다. 전체 과정의 대표적인 변화 곡선은 그림 2에 나타나 있습니다.

3. 국부적인 스테퍼 모터가 전기식 니들 밸브를 구동합니다.

공기 흡입 밸브의 고정밀 조정을 위해 스테퍼 모터를 사용하는 니들 밸브 기반의 다양한 유량 조절이 가능한 전동 니들 밸브 시리즈를 개발했습니다. 자기 히스테리시스는 솔레노이드 밸브보다 훨씬 작습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 가격은 해외 제품의 3분의 1 수준이며, 자세한 기술 사양은 그림 4에 나와 있습니다.

불활성 기체 및 액체 | 스테인리스강 | -1 ~ 7bar

(그림 4. 카오루 FC 전동 니들 밸브의 기술 지표)

4. 국산 PID 컨트롤러 및 전자식 니들 밸브 평가 시험

평가 테스트에서는 1 Torr 범위의 정전 용량 압력계를 사용하였고, 전자식 니들 밸브를 흡입 밸브로 사용하여 상류 모드에서 제어 테스트를 수행하였다. 먼저 진공 펌프를 가동하여 최대 속도로 작동시킨 후, PID 컨트롤러의 PID 파라미터를 약 68 Pa에서 자체 튜닝하였다. 자체 튜닝이 완료되면 12, 27, 40, 53, 67, 80, 93, 107 Pa의 8개 설정값을 각각 제어하였다. 전체 제어 과정 동안의 진공도 변화는 그림 5에 나타내었다.

그림 5의 곡선에 대한 제어 효과는 변동률로 표현되며, 그림 6에서와 같이 다양한 진공 압력에서의 변동률을 얻을 수 있다. 그림 6에서 볼 수 있듯이, 전체 압력 범위에서 12Pa로 제어할 때만 변동률이 1%보다 크다. 따라서 68Pa에서 자체 튜닝을 통해 얻은 PID 파라미터를 12Pa 압력 제어에 적용하는 것은 적합하지 않으며, 별도의 PID 파라미터 자체 튜닝이 필요하다.

본 전자식 니들 밸브에 대한 자세한 정보는 https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm 에서 확인할 수 있습니다.