최상의 커피 로스팅 머신과 PID 제어 이해
커피 로스팅 과정을 이해하고 있다면, 좋은 커피 로스팅 머신을 활용해서 로스팅을 할 수도 있고, 냄비에 넣고 땅콩 볶듯 볶을 수도 있습니다. 이번 포스팅에서는 커피 로스팅 기계에 대해 한 발짞 더 다가갑니다. 좋은 커피 로스팅 머신이 무엇인지와, 온도조절의 핵심 과정인 PID 제어에 대해 이해해 보겠습니다.
글의 순서
커피 로스팅 머신의 성능과 특징
PID 제어 이해
PID 제어의 구성요소
커피 로스팅 머신에서 PID 제어가 쓰이는 방식
커피 로스팅 머신의 성능과 특징
커피 로스팅머신을 이해하는 것은 완벽한 로스팅을 위한 첫걸음입니다. 현재 많은 로스팅 전문가들이 사용하고 있는 고성능 로스팅 머신의 특징을 요약하면 다음과 같습니다.
▶ 고성능 로스팅 기계는 큰 용량을 처리할 수 있다.
▶ 조용하고 연기가 발생하지 않아 최적의 로스팅 환경을 제공한다.
▶ 열 조절 능력, 그러니까 온도 조절능력이 뛰어나다. 대체로 로스팅머신에 마이크로 컴퓨터가 탑재되어 있으며, 이 컴퓨터가 PID 제어를 수행함으로써 정확하게 온도 조절한다.
▶ 생두까지 효과적으로 열을 전달하며, 고르게 로스팅 될 수 있도록 생두를 잘 저어준다. 열풍으로 생두 알갱이를 공중에 띄우는 머신도 있으며, 물리적으로 계속 저어주는 머신도 있다. 중요한 것은 생두의 모든 표면으로 고루 열이 전달 될 수 있도록 하는 데 있다.
이런 기능을 가진 고성능 로스팅 머신은 과도한 쓴맛, 금속이나 비누같은 알칼리 맛, 떫은 맛을 방지하며, 그을음 냄새 또는 생두의 풋내가 나지 않도록 로스팅해 줍니다.
PID 제어 이해
최상의 커피 로스팅 머신에서 온도 조절 능력을 얘기하면서 나왔던 것이 PID 제어입니다. PID 제어는 로스팅 머신뿐만 아니라 물끓이는 기능과 온도 조절 기능이 있는 드립포트, 에스프레소 머신에도 널리 쓰이고 있습니다. 한 발짝 더 들어가 보겠습니다.
PID 제어는 Proportional-Integral-Derivative의 약자로, 시스템의 제어를 위해 사용되는 피드백 제어 메커니즘입니다. PID 제어기는 온도나 속도와 같은 목표값을 정확하게 유지하기 위해 사용됩니다. 제어기는 기본적으로 현재의 상태를 감지할 수 있어야 하며, 현재값이 목표값에 도달할 수 있도록 해줍니다. 여기서 목표값과 현재값의 차이를 오차(error)라고 합니다. 커피 로스팅머신의 온도를 제어한다면, 오차는 현재 온도와 목표 온도의 차이를 의미합니다.
PID 제어의 구성요소
PID 제어는 세 가지 구성 요소인 비례 제어(P), 적분 제어(I), 미분 제어(D)를 결합하여 시스템의 목표 값을 정확하게 따라갈 수 있도록 하는데요. PID 제어의 각 구성 요소는 다음과 같은 역할을 합니다.
(1) 비례 제어 (P, Proportional)
현재 오차의 크기에 비례하여 제어 값을 조정합니다. 오차가 크면 제어 입력도 커지고, 오차가 작으면 제어 입력도 작아집니다. 즉, 오차를 줄이는 방향으로 시스템을 빠르게 반응하게 합니다.
(2) 적분 제어 (I, Integral):
시간에 따라 누적된 오차를 고려하여 제어 값을 조정합니다. 일정 시간 동안 지속적으로 오차가 발생하면 적분 제어가 이를 누적하여 보상합니다. 이는 시스템의 잔류 오차(steady-state error)를 제거하는 데 도움이 됩니다.
(3) 미분 제어 (D, Derivative):
오차의 변화율(속도)에 비례하여 제어 값을 조정합니다. 즉, 오차가 빠르게 변할 때 이를 감지하여 시스템이 과도하게 반응하지 않도록 제어합니다. 이는 시스템의 안정성을 높이고, 값이 왔다갔다하는 진동을 줄이는 데 도움이 됩니다.
커피 로스팅 머신에서 PID 제어가 쓰이는 방식
P, I, D라는 세 가지 제어 요소를 결합한 PID 제어기는 시스템이 목표 값에 빠르고 안정적으로 도달하도록 제어하는 만큼, 커피 로스팅 머신에서도 유용하게 활용됩니다. 커피 로스팅 머신에서 PID 제어는 온도와 시간을 정확하게 조절하며, 최적의 로스팅 조건을 유지할 수 있도록 해줍니다.
로스팅 머신의 목표 온도가 200도라고 설정했다고 가정해 보겠습니다. 현재 온도가 190도라면, 목표 온도에 비해 10도 낮습니다. 이 10도가 오차입니다.
(1) 비례 제어 (P, Proportional)
비례 제어는 현재 오차의 크기에 비례하여 조정하는 방식입니다. 오차가 클수록 더 큰 열을 가할 수 있게 출력을 주어 온도를 높입니다. 5도 오차 보다는 10도 오차일 때 더 큰 출력을 주는 방식입니다. 즉, 오차가 10도일 때 가열을 10단위로 한다면, 오차가 5도일 때는 5단위로 가열합니다. 오차가 작아질수록 가열량도 줄어들게 됩니다.
(2) 적분 제어 (I, Integral):
시간이 지났는데도 온도가 계속 190도에 머물러 있다면, 오차가 계속해서 10도씩 쌓입니다. 1분 후에도 190도라면, 1분 동안의 오차는 10도 × 1분 = 10도-분입니다. 2분 후에도 190도라면, 2분 동안의 오차는 10도 × 2분 = 20도-분입니다. 이런 식으로 시간이 지날수록 오차가 누적됩니다.
적분 제어는 이 누적된 오차를 계산하여 출력을 조정합니다. 오차가 쌓이는 시간이 길어질수록 더 많은 출력을 주어 오차를 줄입니다.
(3) 미분 제어 (D, Derivative):
미분 제어는 오차의 변화 속도를 고려합니다. 예를 들어, 1분 전에는 5도 오차였는데, 지금은 10도 오차라면, 1분 동안 오차는 5도가 늘었습니다. 그러니까 오차 변화 속도는 5도/분입니다.
미분 제어는 오차가 빠르게 변할 때, 즉 오차가 급격히 증가하거나 감소할 때 이를 감지하여 빠르게 대응합니다. 예를 들어, 오차가 빠르게 증가하면 미분 제어가 이를 감지하고 더 빠르게 가열하여 오차를 줄입니다. 반대로, 오차가 빠르게 감소하면 가열 출력을 줄여서 오차를 천천히 줄입니다.
마치며 …
이번 포스팅에서는 커피 로스팅 머신에 대해 한 발짞 더 다가가 보았습니다. 커피 로스팅 과정을 이해하고 있다면, 로스팅 머신 없이 냄비에 넣고 땅콩 볶듯 볶을 수도 있습니다. 그렇지만 원두 품질의 일관성 면에서는 자동 로스팅 머신을 따라가기 힘들 것입니다.
많은 커피 머신들이 PID 제어기를 갖추고 있다는 것을 앞세우는 만큼 이번 포스팅이 괜찮은 머신을 고르는데 도움이 되길 바랍니다.
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참고자료
▶정보통신기술용어해설, PID PID Controller, Proportional Integral Derivative Controller PID 제어기
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