화학공정의 운전해석에 필요한 통합형 DATA 구조에 관한 연구

안대명, 황규석

부산대학교 화학공학과

A Study of Unified Data Structure for Operation Analysis of Chemical Plant

Dae Myung An, Kyu Suk Hwang

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University

1.서 론

공정의 운전 해석이란 공정 운전과정에서 이상이나 고장의 검출 또는 위험발생 가능성 분석 등 공정제어와 감시, 진단 및 의사결정에 필요한 정보를 추출해 내는 과정을 말한다.

현재의 화학공장은 전기, 계장기술의 급속한 발전과 더불어 거의 모든 분야에 걸쳐 자동화되고 있으나, 자동화의 결과로 공정구조가 매우 복잡하여 상대적으로 운전원이 처리, 결정해야 할 공정의 운전정보는 비대해지고 있다. 이를 위하여 운전원이 공정 data를 처리하여 공정 상태를 쉽게 인지할 수 있는 system이 요구되고 있다.

본 연구에서는 공정의 운전해석을 위하여 공정의 원시(센서) data를 처리, 가공하여 2차적인 공정의 운전상태를 결정할 수 있도록 Data Base System를 작성함에  있어 그 구성 및 구조를 개발한다.

2. 시스템의 기본개요

화학공정은 수 많은 물질의 입력, 출력뿐 만 아니라, 센서 및 제어신호가 복합적으로 연결되어 있으며, 복잡한 공정시스템의 경우 콘트롤러는 대부분 캐스캐이드 결합되어 공정의 상태를 해석하는데 많은 어려움을 주고 있다.

또, 공정에서 직접 입력되는 센서값은 대부분 공정의 직접적인 변수형태로 입력되며, 공정 데이타로 부터 공정의 상태 또는 상황을 인식하는 것은 전적으로 전문 엔지니어의 몫으로 남아있다.

따라서, 본 연구는 입력되는 공정의 데이터를 효율적으로 분배하여 관리하고, 또 이를 통하여 공정의 2차적인 상태를 운전자가 쉽게 인지할 수 있는 형태로 전환하기 위한 방법론을 개발한다.

일반적으로 시스템에 요구되는 특징은 다음과 같다.

① 다양한 형태의 데이터를 처리할 수 있어야 하며, 시스템의 효율을 높이기 위한 추론구조를 가져야 한다. ② 공정의 데이터를 효율적으로 분배·저장하여, 필요시 검색시간을 줄일 수 있는 구조를 지녀야 한다.

이를 위하여 본 연구에서는 시스템에서 관리되는 모든 데이타-공정의 원시(센서)데이타 및 추론과정을 거친 2차데이타는 동일 구조를 유지한다. 또 데이터의 분류는 프랜트를 구성하는 공정을 기능별로 분해하여, 기능을 수행하기 위한 하부공정에서 관리하도록 한다.

공정의 운전해석을 위해 필요한 시스템은 Fig.1과 같다.

Fig.1의 경우 process와 system간의 on-line, off-line의 경우를 표시하고 있으나, 본 연구에서는 off-line data process system을 구축하여, process data 대신 공정 simulator를 이용하여 공정의 상태를 입력한다.

먼저 sensor로 부터 입력되는 data (본 연구에서는 simulated data)를 분류, 정리하고, 분류된 data는 다음 단계인 공정상태 추론부로 입력된다.

공정상태 추론부는 수치값인 원시 data (sensor data or simulated data)를 utility, unit 및 process의 상태를 운전원이 인지하기 쉬운 형태의 정성적인 상태로 전환한다. 이 때 필요로 되는 공정의 원시 data, 추론부를 거쳐 생성된 data 및 공정상태 추론에 필요한 지식들은 모두 일관된 형태를 가진다.

이러한 기본요건에 필요한 data관리를 용이하게 하기 위하여 시스템에서 사용되는 모든 data는 frame 구조로 표현하여 일관된 형태로 보관, 관리한다.

그림  The system structure for operation analysis

3 DATA의 구조

3.1 화학플랜트의 분해

화학공장의 data base는 일반 data base에 비교하여 처리해야 될 데이터의 량이 방대하여, 여러 입력조작에 대하여 시스템의 처리능력이 뛰어나야 한다. 따라서 본 연구에서는 입력되는 data의 효율적으로 분류, 관리하는 방법은 다음과 같다.

화학플랜트는 그 고유의 목적을 수행하기 위하여 각 부분별 기능을 수행할 수 있는 단위공정으로 구성되어져 있다. 즉, 각 단위공정의 상태와 그 기능 수행여부에 따라 화학플랜트의 상태가 정상(normal and safe state) 또는 비정상(abnormal or unsafe state)으로 있는지를 판별할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 우선적으로 시스템의 초기입력값(sensor data or simulated data)을 효율적으로 관리하기 위하여, 화학공장을 기능을 수행할 수 있는 기본공정으로 분류하고, 하위기능 공정에서 직접 관리하는 방식을 사용한다. Fig.2은 화학공장을 그 기능별로 세분화, 계층화한 기능별 계통도이다.

3.2 화학공정의 TOPOLOGY의 표현

화학공정의 TOPOLOGY는 물질의 흐름뿐 만 아니라, 정보의 흐름 및 공정상태 전이의 결정적인 인과관계를 표현한다. 본 연구에서는 화학공정의 TOPOLOGY를  NODE와 ARC의 유향그래프로 표현하였다. 즉, 모든 기기장치를 NODE로, ARC는 기기장치에 연결되어 있는 파이프로 표시하고, 화살표의 방향은 물질의 흐름방향을 선택한다.

그림  Hierachcal relation among units in chemical          plant

3.3 ARC와 NODE의 DATA구조

공정의 ARC와 NODE의 상태를 표시하기 위하여, 장치의 기동여부, 상태, 기능연산룰을 포함하여 Table 1과 같은 DATA구조를 가진다.

그림  The model of state transition and production         rule

3.4 공정의 상태인식을 위한 기능연산룰의 구조

상부사상의 상태변화는 하부사상의 정량적, 정성적상태에 의해서 결정되어지게 되므로, 하부사상의 상태데이터로 부터 추상적인 추론을 행할 수 있는 구조를 가져야 한다.

본 연구에서는 정성적 상태에 대하여, 각 공정에 대하여 일반적으로 발생할 수 있는 상태의 전이과정을 상태전이의 조건과 인과관계를 NETWORK(Fig.3)상에 표시하여 이를 지식베이스로 활용한다.

각 공정에 대한 상태의 전이과정은 비정상운전 조건뿐 아니라, 정상공정에 대해서도 함께 작성하여 NETWORK상에 표시하여 작성한다. 하부사상에서 작성된 지식베이스(SPECIFIC KNOWLEDGE BASE)와, 화학공장에서 일반적으로 발생할 수 있는 화재, 폭발 등의 위험상태 전이 NETWORK를 통해 작성된 지식베이스(GLOBAL KNOWLEDGE BASE)를 함께 활용하여 공정의 정상운전 및 비정상운전에 대한 정성적이고 추상적인 결과를 도출해 낼 수 있다.

지식베이스는 IF-THEN RULE 형태의 PRODUCTION RULE로 작성하여 IF부에는 상태전이에 필요한 조건이나, 원인을 저장해 두고 THEN부에는 그 결과 발생되는 전이된 상태를 표시하여 상태전이 조건의 발생 및 이의 해지에 따른 공정의 상태변화를 유연하게 감시할 수 있게 된다.

4. 결론 및 향후계획

본 연구의 수행연구는 화학공장의 운전해석을 위하여, 필요로 되는 방데한 양의 데이터를 일괄적으로 분류 정리하고, 이를 이용하여 공정의 상태를 운전원이 쉽게 인지할 수 있는 형태로 전환하는 방법을 연구하였다.

차후의 실공정의 데이터를 사용하여 공정의 감시,제어를 위한 운전지원 전문가시스템과 병행하여 운전중 발생할 수 있는 공정의 상태를 미리 감시할 수 있도록 시스템화를 진행중이다.

Reference

1. 정창욱, "화학공정의 이상진단을 위한 유향그래프와 패턴인식을 위한 동적모델의 개발"(1995)

2. J.T.-Y. Cheung and Stephanopoulos: Comput. Chem. Eng., 14, 495(1990)

3. J.T.-Y. Cheung and Stephanopoulos: Comput. Chem. Eng., 14, 511(1990)

4. B.R. Bakshi and Steptnopoulos: Comput. Chem. Eng., 18, 267(1994)

Table 1. Data structure of ARC and NODE for state representation.

NAME	HEAT- EXCHANGER	unit name	N
APVAL	T/NIL	on/off(open/close) state	NA
ARC	(S1) (S2)	in-output ARCs list	N
FUNCUTIL	WATER0	functional utilities	N
VALVE	V1	valve list	A
TIME	t1	time of event	NA
PHASE	MIX	phase state	NA
TEMP	L3	temperature level	A
PRESS	L2	pressure level	NA
COMP	(C4,C3,C2,H2O)	materials in the unit	NA
PRE-OP-CONST	(OP-COND OIL0)	preoperating constraints before working	N
OP-CONSTRAINT	(TEMP OVER L5)	operating constraints	N
FUNCOP	IF-THEN RULE	functional operation rules of the unit	N
** N : node only, A: ARC only, NA : NODE and ARC

E-Mail : daman@hyowon.pusan.ac.kr