조업자 훈련 시스템을 이용한 화학 공정 안전성 향상

장병무, 조성일, 문 일

연세대학교 화학공학과

Improvement of the Safety of Chemical Process Operation

using Operator Training System

Byoungmu Chang, Seongil Cho and Il Moon

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

화학 공장에서 화재, 폭발, 독극물 유출 등의 안전 사고를 방지하기 위하여 체계적인 조업자 훈련은 매우 중요하다. 공정의 자동화율이 높아지는 추세는 컴퓨터를 이용한 제어 시스템이 조업자의 일을 대부분 처리한다는 것을 의미하기 때문에 조업자와 실제 공정간의 거리감은 갈수록 커질 것이다. 따라서 공정에 대한 조업자의 이해 부족으로 인해 긴급 사고가 발생하여도 적절한 대응이 늦어지거나 잘못된 판단으로 인한 예상하지 못한 대형사고가 발생한다. 조업자가 공정을 이해하는 것은 필수적인 요소이며 이를 위한 체계적인 교육이 컴퓨터를 이용한 훈련 시스템에서 이루어질 수 있다. 본 논문에서는 현재까지 본 연구실에서 개발된 조업자 훈련 시스템[1]을 이용한 최적의 안전성 훈련에 관하여 논의한다.

조업자 훈련 시스템 개발의 필요성

위기 상황 극복 훈련이 과거부터 매우 중요한 과제로 인식된 까닭은 공장 사고 원인 중 조작 실수나 공정 이상으로 인한 피해가 조업자를 교육시킴으로써 감소될 수 있기 때문이다. 셧다운시 조업자의 실수에 의해 발생한 사고는 전체의 50%에 해당하며 HPI(Hydrocarbon Process Industry)의 자료에 의하면 지난 30년간 발생된 사고 중 28%가 조업자의 조작 오류에 의해서 비롯되었다. 공장의 가동 중단으로 인해 전체 사업이 받은 피해액은 직접적인 공장 사고 피해액의 1.5배에서 3.5배에 이르는 것으로 나타났다. 그 피해 상황에 대한 통계는 그림 1과 같다[2].

그림 1. 사고로 인한 분야별 연평균 손실액

OTS(Operator Training System)는 조업자에게 실제 DCS와 같은 조작 환경을 제공하여 일정한 훈련을 가능하게 하는 컴퓨터 기반 훈련 시스템이다. 실제 공장의 위험 없이 싼 비용으로 실제 공정에서 불가능한 훈련도 할 수 있기 때문에 위기 상황 극복을 위한 훈련 시스템으로도 확장이 가능하다. 또한 언제나 교육이 가능하며 훈련의 성취도를 측정하기 쉬우며, 조업자의 학습 동기를 증진시킨다. 따라서 화학 공정의 안전성 향상을 위해 OTS의 국내 개발은 매우 중요하다.

훈련 방법

지금까지 발전을 거듭해 온 훈련의 형태는 강의, 실습, 작업 기반 훈련(On-the -job Training), 개별 지도(individual instruction)등으로 나뉜다. 표1에 개별지도의 방법을 요약하였다[4].

표1. 조업자 개별 훈련 방법

workbook tutorial	산업 현장에서 어떤 시간의 제약을 가지고 진행되는 자기 학습
read and sign assignment	새로운 경영 지침이나, 규약, 혹은 증보된 과정을 잘 알고 있는 경우에 사용하는 학습방법
computer based instruction	문서나 그래픽을 이용하여 정보를 제공하는 PC기반의 학습법
walk-throughs and facility tours	매일 혹은 정기적으로 쓰이지 않는 장치와 설비에 친숙해 지기 위한 방법

모사기 훈련(simulator training)의 범위는 PC기반의 상호 작용 프로그램으로부터 실제 크기의 제어실(control room)까지 다양하다. 이 방법은 조업자 훈련 혹은 단위 조작 전개에 응용될 수 있다.

이산 사건의 처리를 위한 동적 모사

가상현실의 공간에서 이루어지는 화학 공정에 대한 교육은 대상 공정의 각 이산 사건의 형태를 본질적, 비본질적 요인들을 중심으로 세분하여 공정에서 발생할 수 있는 이산사건에 대한 이해를 체계화하는 동적 모사기의 확보가 우선되어야 한다. 이산 사건에 대한 체계적인 분류와 일관적 처리는 기존의 동적 모사기로는 구현이 어려운 공정의 운전 개시, 정지, 모델 안에서의 이산적 거동을 가능하게 한다[3]. 본 OTS에서는 이러한 요구들을 충족시키는 이산 변수 동적 모사기를 사용하였다. 또한 모사기만으로는 교육 속도가 늦으므로 이를 보완하기 위하여 여러 가지 규칙들을 같이 사용하였다.

그림 2. 조업자 훈련 시스템의 구조

시스템 구성

본 시스템의 구성 모듈은 교육자, 조업자를 위한 사용자(user) 모듈, 시스템 관리자(system management) 모듈, 솔버 모듈로 나뉘며 개괄도는 그림 2와 같다.

훈련 내용

본 시스템은 설명, 이상 진단 및 대처, 조업 작업 분석 단계(Sessions)로 구성된다. 설명 단계는 교육할 공정에 대한 전체적인 설명, 각 장치들의 단계별 설명과 그에 따른 실제적인 모습 예시, 물리, 화학적인 배경과 간단한 동작들 예시, 오동작의 경우와 그 원인들의 설명, 각 부시스템간의 상호 인과관계를 이해시키는 단계이다. 공정에 대한 실제적인 모습을 화면에 보여줌으로써 초보 조업자에게 공정에 대한 이해를 도와준다. 이상 진단 및 대처 단계(Fault Diagnosis and

Treatment Session)는 공정이 비정상상태(abnormal state)로 전환되면 이에 따라 조업자가 공정의 이상성을 감지(detection), 분석(analysis), 수정(rectification), 회복(recovery)하는 단계이다. 공정을 비정상상태로 초기화시키는 데에는 교육자에 의한 직접 간섭과 시나리오에 의한 간접 간섭이 있다. 훈련하고자 하는 공정의 상태(공장의 초기 운전 개시 및 정지, 공정 중간 운전단계)가 선택되면 교육자는 공정에서 일어날 수 있는 오동작(malfunction) 및 문제를 훈련도중 언제든지 실행 및 중단할 수 있으며 이를 통한 교란을 조업자가 이에 대처하는 훈련을 할 수 있는 단계로써 교육적 효과를 가장 크게 해줄 수 있는 부분이다.

시나리오

시나리오는 정의가 잘된 교육 목표를 완수하기 위해 개발된다. 밸브의 여닫음, 상 변화 등 전개될 수 있는 여러 가지 이산 사건의 조합으로 위기 상황을 미리 마련해 놓는 작업이 본 연구에서 상당히 중요한 부분이다. 시나리오의 작성은 실제 공정에 대한 해박한 지식을 소유한 전문가에 의해서 작성되어야 위기 상황 극복에 신뢰감을 형성할 수 있고 궁극적으로 화학 공장의 조업자에 의한 사고를 감소시킬 수 있다. 시나리오는 사건의 시간적 순서(chronological sequence of events)로 이루어지고, 장치의 조업 범위내에서 이루어지는 동작(action)들로 구성되는데 세가지 단계를 거쳐 완성된다: 1) 훈련의 초기 조건(initial condition)의 선택, 2) 운전 목표 설정, 3) 훈련 시나리오를 구성하는 사건(events)의 계획(scheduling).

적용 - 회분공정

다음과 같은 복합 균일 액상 반응을 고려하였으며  각 반응은 소반응이라하고 반응은 발열 반응으로 가정한다. 반응기 모델을 간단히 하기 위해서 완전 혼합과 단일상 반응이라고 가정하고 기계적 에너지 수지는 무시하기로 한다.

k1

반응 1 : A + B → C

k2

반응 2 : A + B → C

조작은 먼저 첫 번째 탱크와 두 번째 탱크에서 원료를 공급받은 후 반응에 의해 온도가 올라가면 50℃에서 PI 제어기에 의해 온도가 제어되고 반응물 C가 가장 많을 때 배출한 후 세 번째 탱크로부터 세척액을 투입하여 세척을 행하는 것이 하나의 batch를 이룬다.

그림 3은 본 시스템의 대상 공정에 대한 PFD를 보여준다. 그림 4는 조작을 행한 후 조업 작업에 대한 분석을 볼 수 있는 화면이다.

그림 3. 회분 반응 공정의 초기 화면      그림 4. 조업 작업 분석 화면

결론

플랜트 제어의 디지탈화 추세는 정보 시스템의 기능 분산화를 이룩하여 소수의 운전원으로 많은 정보를 처리하고 관리할 수 있게 하였다. 그러나 공정의 자동화율이 높아짐에 따른 제어기를 통한 간접적인 운전의 맹점은 공정에 대한 이해가 결핍되어 조업자의 위기 상황 대처 능력이 저하되기 쉽다는 것이다. 화학 공장의 사고중 조업자의 공정에 대한 이해 부족으로 인해 발생되는 피해액은 훈련을 통하여 감소될 수 있다. 컴퓨터 기술이 발달함에 따라 컴퓨터 시뮬레이션에 기반한 교육 시스템은 실제 상황과 일치하는 가상 현실의 구축을 가능하게 하여 화학 공장의 위기 상황과 같은 위험한 환경에 대하여 반복적이고 다양한 훈련을 가능하게 한다. 가상 현실 구축을 위해서는 동적 모사기의 확보와 이산 사건의 체계적 분류와 일관적 처리가 필수적이다.

본 연구에서는 회분 반응 공정에 대해서 위기 상황 시나리오가 작성되었다. 계속해서 보일러 운전 등에 대한 실지 상황을 모델링하여 많은 공정에 대한 자료를 추가할 것이며, 여러 사용자가 동시에 효율적으로 사용할 수 있도록 개선하는 동시에 속도를 높이는 데도 주력할 것이다. 결론적으로 본 시스템이 실제 공정에 적용될 경우 조업자의 안전 운전을 유도하여 전체 공정의 안전성 향상에 기여 할 것으로 전망된다.

참고 문헌

1. 박선용, □조업자 교육 시스템의 구조□, 화학 공학의 이론과 응용, pp.167-170, 1995. 4. 21.

2. Moore, W.D., Chem. Eng. Prog., March, 92(1990)

3. 박선용, 오 민, 문 일, □화학공정 동적모사에서 발생하는 이산 사건의 분류 및 특성□, 화학 공학, 1996. 10. 발간예정

4. H.R.Greenberg and J.J.Cramer, "Risk Assessment and Risk Management for the Chemical Process Industry", Van Nostrand Reinhold, 1991