조업자 훈련 시스템을 위한 계층적 TASK 라이브러리 구축

정일용, 장병무, 문 일

연세대학교 화학공학과

Development of Hierarchical TASK Libraries for Operator Training System

Ilyong Jeong, Byungmu Chang, Il Moon

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

조업자 훈련 시스템(OTS: Operator Training System)의 개발은 최근의 복잡해진 화학공정 산업에서 빈번하게 발생하는 조업자의 조작 실수로 인한 사고를 줄이고 조업 효율을 높이고자 하는 기대에 부합하여 개발되어 왔다[1,2].

OTS의 개발에는 대상 공정 자체에 대한 모델링 및 모사뿐만 아니라 다양한 이산 사건(discrete event)을 포함하는 공정 운전의 정확하고 상세한 기술도 중요한 요소로 간주된다. 아무리 공정 모델링이 상세하고 정확하더라도 다양한 공정 조작 사건을 표현하지 못 한다면 OTS에 화학공정의 복잡한 제어 구조를 제대로 반영하지 못하기 때문이다. 따라서 보다 뛰어난 성능의 OTS 개발을 위해서는 대상 공정의 운전 절차에 대한 완전하고 상세한 분석이 중요하며, 이를 통하여 공정 운전을 위한 계층적 TASK를 모듈화 하고 라이브러리를 구축하는 것은 더욱 중요하다고 할 수 있다.

본 연구에서는 OTS 개발을 위한 화학공정 운전 조작의 계층적 라이브러리 구축 기법에 대하여 정유 공정의 예를 통해 알아보고자 한다.

TASK ― 언어 형식

그림 1은 본 연구진이 개발한 yOTS(Yonsei Operator Training System)의 기본 구조를 나타낸다. yOTS는 크게 동적 모사기인 gPROMS를 이용하는 Solver 모듈, 교육자(Trainee)에게 DCS와 같은 조작 환경을 제공하는 User Interface 모듈 및 이 두 모듈간의 연결을 제어하고 관리하는 OM(OTS Manager) 모듈로 구성되며, 각각의 모듈은 양방향 통신을 가능하게 하는 인터페이스(gFPI: gPROMS Foreign Process Interface) 및 프로토콜(TCP/IP)로 연결된다.[1,3,4,5].

그림 . yOTS의 간략화된 기본구조

Solver인 gPROMS는 교육자가 PC 상에서 가한 공정 운전 조작을 OM을 통해 gFPI에서 정의된 일련의 프로토콜로 받아들이고, TASK라는 언어 형식으로 모사에 반영한다. TASK는 gPROMS 이외의 다른 모사기에서 거의 찾아볼 수 없는 언어 형식으로 다양한 시간 사건(time event), 즉 이산적 공정 조작 사건의 정량적 및 정성적 기술을 가능하게 해 준다[6]. 이와 유사한 기능이 SPEEDUP이라는 모사기에 OPERATION이라는 언어 형식으로 존재하지만 모사하는 동안 사건 발생 시간의 순차적 계산을 포함하는 내생적(endogenous) 시간 사건을 다루지는 못 하고 단지 외생적(exogenous) 시간 사건만을 다룰 뿐이다. TASK는 밸브의 개폐 및 펌프의 가동과 정지 등의 하위 제어(control) 단계뿐만 아니라 원료의 도입이나 생산물의 배출과 같이 보다 더 상위 단계인 조업(operation) 등 Procedure Model에서 구분되는 다양한 계층의 공정 조작 사건을 병렬적 또는 직렬적으로 표현할 수 있도록 한다. 그림 2는 회분 공정의 연구에 주로 적용되고 있는 Procedure Model을 나타낸다[7].

그림 . Procedure Model

계층적 TASK 라이브러리의 구축 기법

정유 공정의 운전 조작 중의 한 부분을 TASK로 작성한 예를 그림 3에 나타내었다. 이 예에서 고려된 운전 조작은 운전의 개시 Procedure, 원료의 도입 Operation, 원유를 도입하는 Phase 및 원유 주입 펌프를 가동하는 Control Step으로 구성되는 계층적 구조를 갖고 있으며, TASK는 고려된 단계 중 최하위 단계인 Control Step을 대상으로 작성되었다. 또한 TASK 내부의 구체적 지시 사항 ― 예를 들어 원유 주입 펌프의 Position을 지정하는 조작 ― 은 Control Instruction으로 간주될 수 있다. 만약 보다 상위 단계에서 TASK가 작성된다면, 그 상위 TASK는 일련의 하위 TASK들간의 직렬적 또는 병렬적 연결로 이루어지게 될 것이며, 이는 하나의 TASK에 다양한 이산적 공정 조작이 임의로 포함될 수 있다는 것을 의미한다. 이처럼 여러 TASK 간의 직렬적 또는 병렬적 연결 구성은 계층적 TASK라 할 수 있으며, 실제 공정 운전에서 행하는 거의 대부분의 공정 운전 조작에 대한 수학적 표현을 가능하게 한다. 그림 4는 가능한 상위 TASK의 계층적 구조를 도식적으로 표현한 것이다. 그림 4에서 TASK 1과 TASK 2 및 3 등은 서로 다른 두 단계간의 직렬적 연결을 이루며, TASK 5와 TASK 6은 TASK 3을 통하여 병렬적 연결을 이룬다는 것을 알 수 있다.

그림 . 정유 공정의 개시 절차를 표현하는 TASK의 예

OTS는 궁극적으로 실제의 조업 조건과 거의 동일한 환경을 교육자에게 제공하여야 하므로, 위와 같은 계층적 TASK들은 반드시 OTS의 개발 대상 공정의 모델링에 포함되어야 한다. 또한 대상 공정의 제어 구조가 복잡해질수록 더욱 복잡한 형태의 계층적 TASK들이 구성되어야 한다. 따라서 보다 체계적으로 공정 조작 사건을 반영하기 위해서 일련의 TASK들에 대한 라이브러리를 구축할 필요가 있으며, 이는 최하위 계층의 것부터 상위의 계층적 TASK까지 가능한 모든 공정 조작 사건을 포함해야 한다. 라이브러리의 구축은 다음과 같은 절차에 의해서 효율적으로 수행될 수 있다.

그림 . 계층적 TASK 구조의 예

① 대상 공정의 Operating Procedure를 분석하여 다양한 공정 조작 사건을 분류하여 체계화한다.

② 체계화된 공정 조작 중 OTS에 포함될 것들을 선정한다.

③ 선정된 공정 조작을 Procedure Model에 준하여 여러 단계로 분류하고 이들의 계층적 연결 관계를 파악한다.

④ 일련의 최하위 TASK들을 각각 모델링 한다.

⑤ ③에서 파악된 계층적 연결 관계를 토대로 상위의 계층적 TASK를 보다 하위의 계층적 TASK 또는 최하위 TASK 등으로 구성하고 모듈화 한다.

위의 절차에 의해서 구현된 계층적 TASK 라이브러리의 한 예가 그림 5에 나타나 있다. 이 예는 정유 공정의 운전 정지 절차의 일부분을 나타낸다. Procedure Model에서 최상위 단계인 Procedure에 해당하는 운전의 정지를 가장 상위의 TASK로 하여 보다 하위 단계의 Operation, Phase, Control Step 등이 하위의 TASK들을 계층적으로 구성하고 있음을 알 수 있다.

결론

이상으로 OTS 개발을 위한 계층적 TASK 라이브러리 구축 기법에 대하여 정유 공정의 예를 통하여 알아보았다. 모듈화 하여 구축된 계층적 TASK 라이브러리는 OTS의 개발 과정뿐만 아니라 이미 개발된 것의 유지 및 보수에도 이용될 수 있다. 일반적으로 공정 모사와 OTS를 위한 모사는 엄격히 구분되어지는 것으로 알려져 있으나[1,8], 공정의 운전 절차에 대한 모사는 그 성격상 공정 모사와 OTS를 위한 모사에서 모두 유용하게 쓰일 수 있다. 특히, 계층적 TASK 라이브러리를 적용하면 공정 모사에서는 그 결과의 상세성을 더욱 높일 수 있을 것이며, OTS에서는 보다 다양한 교육자 환경을 제공할 수 있게 되며 시스템의 유지 및 개선이 보다 편리하게 될 것이다.

본 연구에서 제안된 계층적 TASK 라이브러리 기법은 본 연구진이 현재 진행 중인 새로운 OTS 개발 과정에 적용되고 있으며, 이를 위해서 OM 모듈과 gPROMS를 이용하는 Solver 모듈간의 자료구조 정의 및 두 모듈을 이어주는 인터페이스의 개선 작업이 진행되는 중이다.

감사의 글

그림 . 정유 공정의 운전 정지 절차에 적용된 계층적 TASK 라이브러리의 예

본 연구를 포항공과대학교 공정산업의 지능자동화연구센터를 통하여 지원해주신 한국과학재단에 감사의 뜻을 표합니다.

참고문헌

1. 박선용, 문일: 화학공업과 기술, 12(6), 22(1994).

2. Kassianides, S. C.: Ph.D. Dissertation, Centre for Process Systems Engineering, Imperial College, London(1991).

3. 조성일, 박선용, 오민, 문일: 화학공학의 이론과 응용, 2(1), 117(1996).

4. 박선용, 문일: 화학공학의 이론과 응용, 1(1), 167(1995).

5. Seongil Cho, Seonyong Park, Il Moon: AIChE Annual Meeting, Chicago(1996).

6. Barton, P. I.: Ph.D. Dissertation, Centre for Process Systems Engineering, Imperial College, London(1992).

7. Fisher, Thomas G.: "Batch Control Systems: Design, Application, and Implementation", Instrument Society of America(1990).

8. Olsen, I., Endrest□l, G. O., and Sira, T.: Computers chem. Engng, 21, S193(1997).