KR101242831B1

KR101242831B1 - 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법

Info

Publication number: KR101242831B1
Application number: KR1020100132171A
Authority: KR
Inventors: 김연태
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2013-03-12
Also published as: KR20120070736A

Abstract

본 발명은 에어나이프의 압력 제어 특성을 개선할 수 있는 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법에 관한 것으로, 상기 에어나이프 압력 제어 방법은 에어나이프의 압력 설정치가 변동되면, 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어하는 단계; 상기 에어나이프의 압력을 측정한 후 상기 압력 설정치와 비교하여, 압력오차를 파악하는 단계; 및 상기 압력오차가 발생하면, 비례적분 제어방식으로 상기 압력오차를 제거하는 단계를 포함하며, 상기 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어하는 단계는, 상기 에어나이프의 현재 압력 설정치와 이전 압력 설정치를 비교하여 압력 설정치 변동량을 파악하는 단계; 및 상기 압력 설정치 변동량을 이용하여 상기 에어나이프의 압력을 제어하기 위한 압력 제어값을 획득하는 단계를 포함하고, 상기 압력 제어값을 획득하는 단계는, 'ω ⅹ 16/Kp ⅹ P + σ'의 식에 따라 상기 압력 제어값을 획득하며, 상기 ω 는 조정 파라메터, 상기 Kp는 비례게인, 상기 P는 압력 설정치 변동량, 상기 σ는 계산 파라메터일 수 있다.

Description

도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING AIR KNIFE IN PLATING PROCESS}

본 발명은 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법에 관한 것으로, 에어나이프의 압력 제어 특성을 개선할 수 있는 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 강판의 내식성 등을 향상시키고 외관을 미려하게 하기 위하여 강판의 표면에 도금을 실시한다.

최근에는 도금공정이 특수한 목적에 사용되는 자동차 강판 등을 생산하는 공정에서 상당히 중요한 작업공정으로 분류되고 있다.

도금공정의 대표적인 방법으로는 용융 도금액에 저장된 욕조에 강판을 통과시키면서 아연을 강판에 부착시켜 도금을 행하는 도금공정 등이 있다. 이러한 도금 공정은 도1에 도시된 바와 같이 도금 욕조(20)를 통과한 강판(10)의 수직방향으로 설치된 상면 및 후면 에어나이프(30, 40)로부터 나오는 에어의 분사압력을 조정하여 강판(10)에 부착되는 도금량을 제어할 수 있다.

도2는 종래의 기술에 따른 에어나이프 압력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도2를 참조하면, 강판(10)에 부착되는 도금량을 제어하기 위한 상면 및 후면 에어나이프(30, 40)에는 하나의 상류 에어 공급 라인(50)로부터 분기되는 두개의 하류 에어 공급 라인(51, 52)이 연결되고, 각 에어 공급 라인(50, 51, 52)에는 에어 압력을 조절하기 위한 압력밸브(53-1, 53-2, 53-3)와 압력밸브(53-1, 53-2, 53-3)의 압력 조절량을 측정하기 위한 압력계(54-1, 54-2, 54-3)가 위치된다.

그리고 에어나이프 압력 제어 장치(60)는 비례적분 제어방식으로 압력밸브(53-1, 53-2, 53-3) 각각의 개도량을 조절하여 상면 및 후면 에어나이프(30, 40)를 통해 분사되는 에어량을 조정한다.

즉, 압력밸브(53-1, 53-2, 53-3)의 압력 설정치를 계산하여 압력밸브(53-1, 53-2, 53-3)의 압력을 조절하고, 압력밸브(53-1, 53-2, 53-3)의 출구에 설치된 압력계(54-1, 54-2, 54-3)로부터 압력 측정치와 비교하여 압력오차를 산정하고, 이 오차가 영이 되는 형태로 밸브의 개도량을 제어하는 방식으로, 상면 및 후면 에어나이프(30, 40)를 통해 분사되는 에어량을 조정한다.

만약, 압력 설정치가 변경되었을 때, 압력밸브(53-1, 53-2, 53-3)의 실제 압력이 압력 설정치에 도달하는 시간이 길거나 오버슈트(overshoot)가 발생하게 되면, 도금량 편차가 발생하여 도금 불량이 발생하게 된다.

따라서, 압력 설정치가 변경되면, 압력밸브(53-1, 53-2, 53-3)의 압력이 오버슈트 없이 단시간 안에 도달되도록 제어하는 것이 매우 중요하다.

그러나 종래에는 비례적분 제어방식만으로 압력밸브(53-1, 53-2, 53-3)의 압력을 조정하므로, 과도 구간에서의 응답 특성이 나쁜 특성이 있었다. 이는 비례적분 제어방식은 정상 상태의 오차를 제거하는 데에는 적합하나, 과도 구간의 응답 특성을 악화시켜주는 특성을 가지게 때문이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비례적분 제어방식과 피드 포워드 제어방식(또는 예측 제어방식)을 혼용하여 에어나이프의 압력을 제어하여, 에어나이프의 압력 제어 특성을 개선할 수 있는 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법은, 에어나이프의 압력 설정치가 변동되면, 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어하는 단계; 상기 에어나이프의 압력을 측정한 후 상기 압력 설정치와 비교하여, 압력오차를 파악하는 단계; 및 상기 압력오차가 발생하면, 비례적분 제어방식으로 상기 압력오차를 제거하는 단계를 포함하며, 상기 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어하는 단계는, 상기 에어나이프의 현재 압력 설정치와 이전 압력 설정치를 비교하여 압력 설정치 변동량을 파악하는 단계; 및 상기 압력 설정치 변동량을 이용하여 상기 에어나이프의 압력을 제어하기 위한 압력 제어값을 획득하는 단계를 포함하고, 상기 압력 제어값을 획득하는 단계는, 'ω ⅹ 16/Kp ⅹ P + σ'의 식에 따라 상기 압력 제어값을 획득하며, 상기 ω 는 조정 파라메터, 상기 Kp는 비례게인, 상기 P는 압력 설정치 변동량, 상기 σ는 계산 파라메터인 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 비례적분 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어하는 단계는 상기 압력오차, 비례게인, 적분게인을 고려하여 비례적분 제어값을 획득하는 단계; 및 상기 비례적분 제어값을 이용하여 상기 에어나이프의 압력을 제어하기 위한 압력 제어값을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 비례적분 제어값을 획득하는 단계는 'Kp ⅹ error + 1/ Ti ⅹ∑ error'의 식에 따라 상기 비례적분 제어값을 획득하며, 상기 Kp는 비례게인, 상기 error는 압력오차, 상기 Ti 는 적분게인인 것을 특징으로 한다.

상기 압력 제어값을 획득하는 단계는 '16/Kp ⅹ con + σ'의 식에 따라 상기 압력 제어값을 획득하며, 상기 Kp는 비례게인, 상기 con는 비례적분 제어값, 상기 σ는 계산 파라메터인 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법은, 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어하는 피드 포워드 제어부; 비례적분 제어방식으로 상기 에어나이프의 압력을 제어하는 비례적분 제어부; 및 압력 설정치가 변동되면 상기 피드 포워드 제어부를 우선 구동시킨 후, 압력오차가 발생하면 상기 피드 포워드 제어부 대신에 상기 비례적분 제어부를 추가 구동시키는 제어 모드 설정부를 포함할 수 있다.

본 발명의 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법에 따르면, 에어나이프의 압력 제어 특성이 개선되어, 에어나이프의 실제 압력이 압력 설정치에 보다 빨리 도달될 수 있으며, 그에 따라 도금량 품질 편차를 크게 줄여 줄 수 있다.

도1은 일반적인 아연 도금공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도2는 종래의 기술에 따른 에어나이프 압력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어나이프 압력 제어 장치를 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어나이프 압력 제어 장치의 에어나이프 압력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 피드 포워드 제어방식에 따른 에어나이프 압력 제어 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도6는 본 발명의 일 실시예에 따른 비례적분 제어방식에 따른 에어나이프 압력 제어 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어나이프 압력 제어 장치를 도시한 도면이다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어나이프 압력 제어 장치(70)는 제어 모드 설정부(71), 비례적분 제어부(72), 및 피드 포워드 제어부(73)를 포함한다.

이하, 각 구성 요소의 기능을 살펴보면 다음과 같다.

제어 모드 설정부(71)는 비례적분 제어부(72) 및 피드 포워드 제어부(73) 모두를 사용하여 에어나이프의 압력을 제어할 수 있도록 한다. 즉, 비례적분 제어방식과 피드 포워드 제어방식(또는 예측 제어방식)을 혼용하여 에어나이프의 압력을 제어해준다.

예를 들어, 동작 초기 구간에서는 비례적분 제어방식으로 에어나이프(30, 40)의 압력을 제어하되, 이후에는 압력 설정치가 변동될 때마다 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프(30, 40)의 압력을 우선 제어한 후, 압력오차가 발생되는 경우에 한해서만 비례적분 제어방식으로 에어나이프(30, 40)의 압력을 추가 제어하여 압력오차를 제거하도록 한다.

비례적분 제어부(72)는 비례적분 제어방식으로 에어나이프(30, 40)의 에어 압력을 조절한다. 즉, 압력오차가 발생하면, 현재 발생된 압력오차와 비례게인 및 적분게인을 이용하여 상류측 및 하류측의 비례적분 제어값을 획득한 후, 그를 이용하여 상류측 및 하류측 압력 제어값을 최종 산출한다. 다만, 비례적분 제어방식은 정상상태의 압력오차를 효과적으로 제거해주는 장점을 가지는 반면, 과도 구간의 응답 특성을 악화시키는 단점을 가진다.

비례적분 제어값은 수학식1에 따라 계산되고, 상류측 및 하류측 압력 제어값은 수학식2에 따라 계산될 수 있다.

[수학식1]

Con_up=Kp_up ⅹ error_up + 1/ Ti_up ⅹ∑ error_up

Con_dn=Kp_dn ⅹ error_dn + 1/ Ti_dn ⅹ∑ error_dn

이때, Con_up는 상류 압력밸브(53-1)의 비례적분 제어값, Kp_up는 상류 압력밸브(53-1)의 비례게인, error_up는 상류 압력밸브(53-1)의 압력오차, Ti_up는 상류 압력밸브(53-1)의 적분게인, Con_dn는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 비례적분 제어값, Kp_dn는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 비례게인, error_dn는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 압력오차, Ti_dn는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 적분게인을 각각 의미한다.

[수학식2]

i_up= 16/Kp_up ⅹ Con_up + σ

i_dn = 16/Kp_dn ⅹ Con_dn + σ

이때, i_up는 상류측 압력 제어값, i_dn는 하류측 압력 제어값, σ 는 계산 파라메터를 각각 의미한다.

피드 포워드 제어부(73)는 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프(30, 40)의 에어 압력을 조절한다. 즉, 압력 설정치가 변동될 때 마다, 현재 압력 설정치와 이전 압력 설정치를 비교하여 압력 설정치 변화량을 파악하고 이를 이용하여 상류측 및 하류측 압력 제어값을 산출한다. 다만, 피드 포워드 제어방식은 과도 구간의 응답 특성을 좋게 하지만, 예측값이 부정확할 경우 정상상태 구간에서 오차를 유발시키는 단점을 가진다.

압력 설정치 변화량은 수학식3에 따라 계산되고, 상류측 및 하류측 압력 제어값은 수학식4에 따라 계산될 수 있다.

[수학식3]

P_up = Pref_up(k)- Pref_up(k-1)

P_dn = Pref_dn(k)- Pref_dn(k-1)

이때, P_up는 상류 압력밸브(53-1)의 압력 설정치 변동량, Pref_up(k)는 상류 압력밸브(53-1)의 현재 압력 설정치, Pref_up(k-1)는 상류 압력밸브(53-1)의 이전 압력 설정치, P_dn는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 압력 설정치 변동량, Pref_dn(k)는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 현재 압력 설정치, Pref_dn(k-1)는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 이전 압력 설정치를 각각 의미한다.

[수학식4]

i_up=ωαⅹ 16/Kp_up ⅹ P_up + σ

i_dn =ωβⅹ 16/Kp_dn ⅹ P_dn + σ

이때, i_up는 상류 압력밸브(53-1)의 압력 제어값, ωα는 상류 압력밸브(53-1)의 조정 파라메터, Kp_up는 상류 압력밸브(53-1)의 비례게인, P_up 는 상류 압력밸브(53-1)의 압력 설정치 변동량, i_dn는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 압력 제어값, ωβ는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 조정 파라메터, Kp_dn는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 비례게인, P_dn 는 하류 압력밸브(53-2, 53-3)의 압력 설정치 변동량, σ는 계산 파라메터를 각각 의미한다.

참고로, 조정 파라메터 ωα, ωβ는 표1에서와 같이 압력 설정치에 따라 서로 다른 값을 가질 수 있으며, 사전에 학습되어 제공된다. 조정 파라메터 ωα, ωβ의 학습 시점은 피드 포워드 제어방식에 따른 제어가 수행된 후, 정상 상태에서의 오차가 계산된 후에 될 수 있으며, 조정 파라메터 ωα, ωβ의 값은 수학식 3에서와 같이 정상 상태에서의 오차 크기 및 부호에 따라 값을 가감하는 방식으로 계산된다.

[수학식3]

ω (k) = ω (k-1) + K * 정상상태 오차, (K는 상수)

압력설정치	조정 파라미터 ω
0~10Kpa	ω 1
10~20Kpa	ω 2
20~30Kpa	ω 3
70Kpa~	ω 4

이와 같이 본 발명의 에어나이프 압력 제어 장치(70)는 비례적분 제어방식은 정상상태의 압력오차를 효과적으로 제거할 수 있으며, 피드 포워드 제어방식은 과도 구간의 응답 특성을 향상시켜 주는 동작 특성을 가짐을 고려하여, 비례적분 제어방식과 피드 포워드 제어방식을 혼용하여 에어나이프의 압력을 제어하도록 한다.

그 결과, 정상상태 구간에서의 제어 정확성을 보장하면서도 압력이 압력 설정치에 도달하는 구간인 과도 상태에서의 응답 특성도 개선될 수 있다.

특히, 압력 설정치가 변동되더라도, 에어나이프의 실제 압력이 피드 포워드 제어방식에 따라 신속히 목표치에 도달될 수 있어, 도금량이 미달되는 구간이 줄어들게 된다. 또한 압력 헌팅이 없을 경우, 피드백 제어 시점을 앞당길 수 있어 도금량 편차가 감소되고, 라인 속도의 급격한 변동시 생기는 도금량 편차를 줄여, 아연 소모량이 절감되도록 해준다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어나이프 압력 제어 장치의 에어나이프 압력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

에어나이프 압력 제어 장치(70)가 최초 동작하면, 에어나이프 압력 제어 장치(70)는 우선 비례적분 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어한다(S1).

그리고 나서 압력 설정치가 변동되는 지를 지속적으로 감지하고, 만약 압력 설정치가 변동되면(S2), 에어나이프 압력 제어 장치(70)는 우선 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어한다(S3).

그리고 일정 시간이 경과하여 에어나이프의 압력이 조정 완료되면(S4), 에어나이프 압력 제어 장치(70)는 에어나이프의 실제 압력을 측정한 후, 압력 설정치와 비교하여 압력오차를 계산한다(S5).

만약, 압력오차가 발생하지 않았으면(또는 압력오차가 정상 범위에 포함되면)(S6), 압력 제어 동작이 성공적으로 수행됐다고 판단하고 현재의 압력 제어 상태를 그대로 유지한다(S7).

그러나 압력오차가 발생하였으면(또는 압력오차가 정상 범위를 벗어나면)(S6), 비례적분 제어방식으로 에어나이프의 압력을 추가 제어함으로써, 압력오차를 제거한다(S8).

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 피드 포워드 제어방식에 따른 에어나이프 압력 제어 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 에어나이프 압력 제어 장치(70)는 현재 압력 설정치와 이전 압력 설정치를 비교하여 압력 설정치 변동량을 파악한다(S3-1).

S3-1를 통해 압력 설정치 변동량이 파악되면, 에어나이프 압력 제어 장치(70)는 상기 압력 설정치 변동량을 이용하여, 에어나이프의 압력 제어값을 획득한다(S3-2).

도6는 본 발명의 일 실시예에 따른 비례적분 제어방식에 따른 에어나이프 압력 제어 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

에어나이프 압력 제어 장치(70)는 압력오차, 비례게인, 적분게인을 고려하여 비례적분 제어값을 획득한다(S8-1).

S8-1를 통해 비례적분 제어값이 파악되면, 에어나이프 압력 제어 장치(70)는 비례적분 제어값을 이용하여, 에어나이프의 압력 제어값을 획득한다(S8-2).

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

70: 에어나이프 압력 제어 장치 71: 제어 모드 설정부
72: 비례적분 제어부 73: 피드 포워드 제어부

Claims

에어나이프의 압력 설정치가 변동되면, 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어하는 단계;
상기 에어나이프의 압력을 측정한 후 상기 압력 설정치와 비교하여, 압력오차를 파악하는 단계; 및
상기 압력오차가 발생하면, 비례적분 제어방식으로 상기 압력오차를 제거하는 단계를 포함하며,
상기 피드 포워드 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어하는 단계는, 상기 에어나이프의 현재 압력 설정치와 이전 압력 설정치를 비교하여 압력 설정치 변동량을 파악하는 단계; 및 상기 압력 설정치 변동량을 이용하여 상기 에어나이프의 압력을 제어하기 위한 압력 제어값을 획득하는 단계를 포함하고,
상기 압력 제어값을 획득하는 단계는, 'ω ⅹ 16/Kp ⅹ P + σ'의 식에 따라 상기 압력 제어값을 획득하며, 상기 ω 는 조정 파라메터, 상기 Kp는 비례게인, 상기 P는 압력 설정치 변동량, 상기 σ는 계산 파라메터인 것을 특징으로 하는 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법.
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삭제
제1항에 있어서, 상기 비례적분 제어방식으로 에어나이프의 압력을 제어하는 단계는
상기 압력오차, 비례게인, 적분게인을 고려하여 비례적분 제어값을 획득하는 단계; 및
상기 비례적분 제어값을 이용하여 상기 에어나이프의 압력을 제어하기 위한 압력 제어값을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법.
제4항에 있어서, 상기 비례적분 제어값을 획득하는 단계는
'Kp ⅹ error + 1/ Ti ⅹ∑ error'의 식에 따라 상기 비례적분 제어값을 획득하며, 상기 Kp는 비례게인, 상기 error는 압력오차, 상기 Ti 는 적분게인인 것을 특징으로 하는 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법.
제4항에 있어서, 상기 압력 제어값을 획득하는 단계는
'16/Kp ⅹ con + σ'의 식에 따라 상기 압력 제어값을 획득하며, 상기 Kp는 비례게인, 상기 con는 비례적분 제어값, 상기 σ는 계산 파라메터인 것을 특징으로 하는 도금공정에서의 에어나이프 압력 제어 방법.