공정이상발생시 GOAL-TREE를 이용한 대처조작 자동합성

박 경찬, 안 대명, 황 규석

부산대학교 화학공학과

Automatic Synthesis of Operating Sequence for Abnormal state using GOAL-TREE

Kyoung Chan Park, Dae Myung An, Kyu Suk Hwang

Dept. of Chemical Engineering, Pusan National University

1.서 론

화학공장의 조업에 있어서 장치의 고장이나 공장내 사고에 따른 신속한 진단 및 처리는 공정의 효율성과 경제적인 최적제어를 위해 가장 중요한 과제이다. 이에 따라 보다 정교하고 세밀한 제어기술이 필요해 지고, 많은 장치들도 개발되어지고 있으며, 개발되어진 장치들은 복잡한 공정의 상황들을 감시하고 제어함에 있어서 보다 많은 기여를 위해 더욱 개선되어지고 있다. 하지만, 공정내 이상 발생시, 상황판단과 공정 운전결정을 여전히 조업자의 판단에 전적으로 의존하므로, 운전원의 오판단, 오조작은 조업에 큰 영향을 줄수 있다.

본 연구에서는 조업중 이상발생시, 운전자의 오조작 및 오판단을 방지하고, 안전하게 운전하는데 필요한 운전 절차를 자동으로 합성하는 System을 구축하였다.

2. 기본전략

화학공장에서 발생되는 이상에 대하여 현장 운전원들이 대처해 왔던 방법은 궁극적으로 도달해야할 Top 목표상황을 인지하고, 그 목표상황의 달성을 위해 세부적인 Sub목표로 나누어, 상황의 전개순서에 맞게 공정 Manual과 운전경험으로 조작해야 할 Valve List를 찾아내고, 각 List내의 valves의 조작이 위험상황 및 불안정한 상황이 발생되지 않는가를 확인하면서, 조작을 진행한다.

공정의 변화되는 상황은 다양하게 존재하므로, 조작수순의 합성은 제한된 조건을 침범하지 않고 신속히 목적하는 정상상태로 되돌릴 수 있도록 요구된다. 따라서, 개발하고자 하는 지원시스템은 정상상태 Data, 위험상황 Data, 공정 Topology, 제약조건, Goal-Tree, Frame을 지식 Base로 구축하여 달성시켜야 할 목표상황들을 사건전개 순서로 배열시키고, 그 목표상황이 위험상황을 발생시키지 않는 운전범

위내에서 목적하는 상황을 만족하도록 조작열을 작성한다. 본 연구에서 구축하는 대처조작을 위한 수순 자동합성 System구조는 FIG 1.과 같다.

본 시스템은 운전자가 원인을 발견하여 그 원인 제거를 위해 설정한 목표를 입력받아 그 목표를 달성하는 Valve의 OPEN/CLOSE 상태변화를 고려하여 그 조작 수순을 합성한다.

3. 대상공정

본 연구에서는 석유정제공정의 한 부분인 Alumima 촉매가 충전된 반응기로의 고비점 Hydrocarbon이 유입되어 저비점 Hydrocarbon을 생산하는 공정에서 촉매의 소결 및 피독으로 인하여 재기능을 발휘하지 못하는 경우를 대상으로 이에 대처하는 조작수순을 자동합성하고자 한다.

대상으로 하는 공정은 Hydrocarbon이 원형 반응기로 유입되어 Alumina 촉매의 Chloplatinic acid의 action에 의해 반응이 이루어진다. 그러나, 촉매가 재기능을 발휘하지 못하는 상태가 되면 다른 반응기로 Hydrocarbon흐름을 대체시킨 후, 반응기내 촉매 재생을 위해 반응기 내를 Hydrogen으로 처리하고, 산소로 소결된 촉매의 Carbon을 태우고, CCl4 rechlorination으로 촉매 재생을 완결한다. 그리고, 다시 원래반응기로 Hydrocarbon 흐름을 개시하기 위한 처리를 행한다. 각 Connectors간의 Network flowsheet는 FIG. 2.에 나타내었다.

4. 수순합성방법

< GOAL-TREE >

반응기 대체시, 반응기내의 촉매를 재생시키기 위한 Material- Flow의 조작을 하기위하여 각 달성되어야할 목표를 여러 Level로 나누었다. 반응기대체를위한 Valve Operation을 Top 사상으로 반응기대체, 촉매재생, 재생완결 후 반응기 가동까지의 목표들을 만족시키는 최하부의 Material-Flow에 따른 Valve List들을 제시한다. (FIG. 3.)

FIG. 3.  반응기 대체를 위한 GOAL-TREE

< FRAME >

촉매재생 공정에서의 여러 Level로 나뉘어진 일반적인 목표상황을 각 목표별 Sub-Frame으로 Frmae을 구성하고, 최하부 Sub-Frame의 달성을 위해 각 목표에 따른 기능을 수행할 Function-frame과 Function-frame의 직접적인 수행을 담당할 Operation-Frame을 가지고, 또 기능을 수행하는 Frame은 각각의 기능을 분담하는 Module로서 구성한다. Frame의 기능 수행 Module을 Table 1에 제시하였다.

Table 1.  Module [Operation 및 기능 Module]

[ Function-Frame ]

** 장치 Module

장치상태인식 Module : 입력된 현재상태와 목표상태에 의해 (이상반응기, 대체반응기)List를 조	작 module에 알린다.

조작 Module : 장치 List의 한 Element와 관계된 Valve List를 GOAL-TREE로부터 찾고, 공정	Topology상의 Valve를 조사하여 조작대상이 될 모든 Valve들을 탐색하여	Operation-Frame에 알린다.

** Material Module

Material Module : 공정에 유입되는 모든 Material을 (Material A, Material B, ...)List로 flow 조작	Module에  알린다.

Flow 조작 Module : 앞서 Up-data된 상황과 선행제약조건으로 조작 Material을 선택하고, 선택	된 Material에 관계된 Valve List와 공정 Topology상의 모든 Valve를	Operation-Frame에 알린다.

[ 상황추가 Frame ]: Operation-Frame에서의 합성된 Valve List를 위험상황조건과 한 조작마다	의 모사를 통해 안전한 조작수순을 찾는다.. 모사상황을 Up-data한 후, 상	태인식 Module(장치상태인식 or Material Module) 의 List를 조사하여 처	리되지 않은 Element가 있으면 같은 방법으로 처리한다.

[ Operation-Frame ]

Material-Op-Module : 물질의 접촉 및 혼합 등의 위험상황을 방지하기 위해 제약조건으로 물질	의 흐름 제어를 위한 Valve Operation 을 행한다.

Unit-Op-Module : 물질의 흐름에 관계없이 현재 상태에 적절한 장치의 제어를 위한 Valve	Operation 을 행한다.

< 제약조건 , 공정 Topology >

♠  공정 Topology 구조

모든 공정구조는 Node와 Arc로 구분된다. Node는 모든 Valve와 Unit 그리고, Pipe의 분리점, 혼합점을 나타낸다. 각 Valve와 Unit는 속성변수 Apval로 그 작동상태를 표시하고, 유입된 물질의 표시를 Comp로 나타낸다. Arc는 Connecting되는 In과 Out Node의 정보로 연결관계를 나타낸다. Node의 종류에는 공정에 유입되는 물질마다의 Input Node와 유입된 물질이 Purge되거나 또는 Output Flow가 일어나는 Output Node, 장치에 직접적으로 연결된 Node 그리고 구조상에 나타난 연결Node로 구분한다.

♠ 제약조건

[1] 물질유입을 위한 선행조건

각 공정 단계에 필요한 물질과 그 유입에 필요한 조건은 다음과 같다.

1. Hydrogen의 유입 : Hydrogarbon이 촉매가 소결된 반응기 내에 존재

Natural gas가 반응기 내에 존재

2. Inert gas의 유입 : 반응기 내에 Hydrogen이 존재

3. Oxygen의 유입 : 앞공정 상태에서 반응기 내에 Carbon이 존재

4. Chloride의 유입 : 앞공정 상태에서 반응기 내에 Carbon이 존재

5. Natural gas의 유입 : 반응기에 Chloride와 Oxygen이 존재

6. Hydrocarbon의 유입 :  촉매재생 완결 , 촉매 정상

[2] 흐름제어를 위한 위험 방지 조건

1. Hydrogen의 유입 : Natural gas의 유입부로 Open Path되어서는 안됨

Oxygen 과의 혼합금지

2. Hydrocarbon의 유입 :

Hydrogen과 Natural gas의 유입부로 Open Path되어서는 안됨

Inert gas, Oxygen과 CCl4와 혼합 금지

3. 물질의 흐름조건 : 언제나 공정에 항상 물질 흐름이 유지되어야 하는 조건	Hydrocarbon 과 Inert gas의 흐름의 Block 금지

4. Trap 조건 : 반응기 가압이나 물질 순환의 경우 물질의 유입, 배출 금지조건

5. Purge 조건 : Output Valve가 Open전, Input의 Valve Open 금지 조건

6. 역류방지조건 : Pipe나 Unit의 물질 흐름의 역류발생 금지 조건

정상상태 복귀를 목표로 이상에 대한 대처를 위해 지식 Base의 GOAL-TREE를 탐색하여 대상공정의 세부적 목표와 조작해야 할 Valve List를 찾는다. 그리고 대상에  대해 구축되어진 일반적인 Frame구조로 각각의 Frame 마다의 Sub-frame을 만족함으로써 전체 목표를 달성시킨다. 본 연구에서 구축된 Frame은 각 Frame 마다 하부의 Sub-frame을 가지고, 각 Frame을 달성시키는 Module로써 직접적인 수행을 하고, Pre-Constraint로 목표수행 전에 만족되어 있어야 할 전제 상황을 제약조건으로 제시하여 전제 조건이 만족되어 있을 상황에만 Module의 수행을 개시한다.  목표달성을 위한 수행 Module은 공정내의 Material에 관계없이 대처해야할 장치 조작에 관한 장치 Module과 Material 흐름제어에 관계한 Material Module로 나뉘어 진다. 그리고, 나뉘어진 두 Module들은 제어되어야 할 대상과 그 대상에 관계한 Valve Lists를 공정 Topology 및 제약조건으로 선정하고 Operation-Frame에 알려 직접적인 조작을 한다. Operation-Frame 또한, 장치와 Material에 관계한 Module을 나누어 적용시킨다. Operation-Frame 내의 Module은 Valve 조작 순서와 Valve의 Open/Close를 결정하고, 또한 Valve List의 완성을 위해 상황추가 -Frame을 통해 한 Valve 조작 마다 모사를 통해 상황이 안전한지를 판단하고 마지막 Result-Frame에서 모사상황을 추가 혹은 삭제 시킨다.

5. 연구결과

현재 발생된 공정상의 원인 제거를 위한 일련의 대처조작 수순을 자동합성함으로써 조업자에게 신속히 처리 할 수 있도록 하는 조작 수순을 알려주며, 공정을 보다 안전하고 정상적으로 운전할 수 있는 시스템을 구축하였다.

참고 문헌

1. J. ROBERTO RIVAS & DALE F. RUDD & LLOYD R. KELLY AIChE Journal, Vol 20. No2. pp311-319 (1974)

2. J. ROBERTO RIVAS & DALE F. RUDD AIChE Journal,Vol 20. No2. pp320-325

(1974)

3. EIJI O'SHIMA, JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING OF JAPAN Vol 11, No 5, pp390-394 (1978)

4. ROBERT H. FUSILLO & GARY J. POWERS, "A SYNTHESIS METHOD FOR CHEMICAL PLANT OPERATING PROCEDURES" CARNEGIE-MELLON UNIVERSITY (1986)