회분식공정의 위험성평가 자동화를 위한 다중모델개발

강병관, 윤인섭

서울대학교 응용화학부

Development of Multimodel for Automation of Hazard analysis in Batch processes

Byounggwan Kang, En Sup Yoon

School of Chemical Engineering, Seoul National University

서론

화학공장에서 위험성평가가 중요한 가장 큰 이유는 90년대 들어 공장의 안전성 확보가 설계 단계를 비롯한 전 공정 주기를 통하여 가장 중요한 관심사가 되고 있기 때문이다. 90년대 들어서 안전성평가 자동화시스템의 추세는 주로 공정모델을 크게 기능모델(function model)과 거동모델(behavior model)로 나누어 공정구조를 최대한 안전성 분석에 적합하도록 해석, 모델링하는 방향을 취하고 있다. 지금까지의 이 분야의 연구는 모두 연속공정(continuous process)에 적용한다는 공통점을 가지고 있다. 이것은 이들의 시스템의 적용범위가 모두 일반적인 연속화학공정이거나 특정한 공정이라 해도 장치의 역할이 단순한 연속공정을 택하였기 때문이다. 즉 지금까지의 위험성평가자동화에 대한 연구는 거의모두가 □연속공정의 (HAZOP) 자동화□에 대한 연구라고 말할 수 있으며, 따라서 회분식 공정에는 적용할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 연속공정을 위한 위험성평가 자동화전략이 회분식 공정에 적합하지 않은 이유는, 연속공정에서 중요한 것은 정해져 있는 공정장치의 기능(function)과 공정장치의 배치상태 즉 구조(structure)인 반면에, 회분식 공정에서 중요한 것은 특정 제품의 spec을 맞추기 위한 제품 공정 자체의 설계(production planning)와 공정장치의 조작순서 합성(scheduling, operating procedure synthesis)이기 때문이다. 따라서 위험성평가 자동화시스템은 이러한 회분식 공정의 특징을 감안하여 만들어져야 한다. 본 연구는 기존에 개발되어온 일반적인 연속화학공정의 위험성평가 자동화 이외에 정밀화학이나 제약 등의 산업에서 흔히 볼 수 있는 회분식 공정(batch process)에 적용할 수 있는 위험성평가 자동화시스템의 개발을 위하여 회분식공정에 적용가능한 다중모델을 제시하였다.

회분식 공정의 위험성평가

회분식공정의 위험성평가는 연속공정과는 그 접근방법이나 자동화를 위한 모델링의 틀이 다른데 그것은 연속공정에서는 조업자(operator)가 기본적으로 공정의 제어(process control), 공정의 감시(process monitoring), 공정의 이상진단(fault diagnosis)에서 주된 역할을 하고 있는 반면, 회분식공정에서는 조업자가 공정의 조업단계(processing step)에서 주된 역할을 하게 되기 때문이다. 회분식 공정에서는 같은 장치도를 가진 공정이라 해도 조업의 전략(strategy)에 따라 그 역할이 달라지게 된다. 예를 들면 똑같은 유리관 증류기 같은 장치가 반응물의 가열기나 냉각기의 역할을 할 수도 있고, 반응기의 역할을 할 수도 있으며 증류기가 될 수도 있다. 즉 P&ID와 같은 장치도면만으로는 공정의 조업을 충분히 표현할 수 없는 것이다. 따라서 회분식 공정의 위험성분석은 조업절차에 대한 지식을 필요로 한다고 말할 수 있다. 회분식 공정에서는 특정 물질의 생산과 관련된 조업들은 부단위공정(subtask)이 부르는 일련의 조업순서와 관계되어 있다. 따라서 서로 다른 단위공정 수행단계(phase)에서 서로 다른 역할을 하는 회분식 공정의 장치 특성을 모델 안에 표현하는 방법을 고안하여야 한다.

회분식 공정의 지식표현 전략

1. Functional Primitives

Functional Primitives는 원래 기능모델링에 의한 공정지식 표현의 연구과정에서 개발된 것이다. 또 다중모델접근법에 의해 개발된 시스템 AHA의 연구과정에서 언급되었으나 실제로 모델 안에 포함되어 사용되지는 않았다. Functional Primitives란 공정장치를 장치의 종류에 따라 구분하지 않고 그 장치의 기능에 따라 구분하는 방법을 취할 때의 개별 장치들에 부여된 기능(function)을 의미한다. 여기에서 기능의 개념은 서의 연구에서와 같이 단위 장치가 자신의 안에 있는 유체에 대해 어떤 일을 가했는가에 따라 정해진다(서, 1997). 즉 단위 장치가 어떤 변수에 대해 기능을 하는가에 따라서 그 장치의 기능이 정해지게 된다. 모든 단위 요소들은 거동을 나타내는 어떤 변수(변수들은 그들이 속하는 일정한 physical view가 있다.)에 대해서 어떠한 역할을 한다. 여기서는 거동 모델의 근원(conservation equation 과  constitutive equation)과 화학 공정에서 일어나는 거시적인 현상들을 분석하고, 화학공정에서 가장 일반적으로 사용되는 다섯 가지 변수 - 온도, 압력, 유량, 조성, 액위 - 들을 중심으로 Functional Primitives를 정의하였다. Table 1에 이를 나타내었다.

Table 1. Functional Primitives

Functional Primitives	Symbol	Functional Role	Examples
Thermal Generator	GT	the basic unit making change in temperature variable	Heat exchanger, Boiler, etc.
Composition Generator	GC	the basic unit making change in composition variable	Reactor, Column, etc.
Pressure Generator	GP	the basic unit making change in pressure variable	Pump, Compressor, etc.
Flow Generator	GF	the basic unit making change in flow variable	Pump, etc.
Conduit	C	the basic unit providing the path for the movement of variable	Pipe, etc.
Accumulator	A	the basic unit acting on accumulation of variable	Tank, etc.
Barrier	B	the basic unit blocking the movement of variable	Valve, etc.

같은 단위 요소라 할지라도 physical view와 조업 모드(operating mode)에 따라 그 기능이 달라질 수 있다. 예를 들면 밸브는 조업 모드에 따라 conduit가 되기도 하고(open mode), Barrier가 될 수 도 있다(closed mode). 또한 펌프는 physical view에 따라 유량의 GF가 되기도 하고, 압력의 GP가 되기도 한다. 예를 들어 buffer tank system에 대하여 functional primitives를 이용하여 표현하면 Figure 1과 같다.

2. Plant Maloperation

공정이 제품의 제조방법으로 지시된 방법과 다른 방법으로 조업이 이루어지게 되면 공정의 조업이상(maloperation)에 따른 위험이 발생한다고 말할 수 있다. 조업이상에 따른 위험은 다음과 같이 여러 가지 방법으로 일어날 수 있다.

- 단위공정(task) 또는 부단위공정(subtask)의 조업순서(sequence)가 잘못되었을 때

- 부단위공정의 수행시간(duration)이 잘못되었을 때

- 원료가 잘못 주입되었을 때

- 잘못된 반응이 일어났을 때

연속공정에서는 이러한 일이 잘 일어나지 않지만 회분식공정에서는 공정의 특성상 이러한 일이 자주 발생할 수 있다. 이를 고려하여 본 연구에서는 수행되는 공정의 방식에 따라 이들 공정장치를 특화장치(specialized units)와 다목적장치(multi-purpose units)로 나누었다. 특화장치는 고정된 단위공정(task)만을 수행한다. 단위공정을 구성하는 부단위공정들도 역시 고정되어 있다. 반면 다목적장치들은 여러 가지의 부단위공정(subtask)에 사용될 수 있다. 예를 들면 Jacketed vessel은 물질의 온도를 올리거나 낮추는데 쓰일 수도 있고 반응기로 쓰일 수도 있으며 물질을 혼합하는데 쓰일 수도 있고, 때로는 증류기로 쓰일 수도 있다. 이러한 heating, cooling, reaction, mixing, distillation 등의 각각의 기능이 각각 하나의 부단위공정이 될 수 있다. 이런 장치에서의 단위공정(task)은 제품의 제조법에 따라 결정될 것이다.

Figure 1. Functional Primitives for example process

Recipe-Task-Subtask Model

본 연구에서는 회분식 공정의 위험성평가 자동화를 위한 모델로서 Recipe-Task-Subtask 모델을 제안하였다. 이 모델은 공정의 목적(recipe)과 그 목적을 구성하는 단위공정(task), 단위공정을 구성하는 부단위공정(subtask)를 계층적(hierarchical)으로 구성한 모델이다. 본 모델의 작성절차는 다음과 같다.

(1) 어떠한 제품을 만들 것인가에 따른 제품 제조방법(product recipe)을 결정한다.

(2) 제품 제조방법은 흔히 몇 단계의 조업으로 구분되어 있으며, 이 조업들의 리스트를 생성한다. 하나의 조업이 하나의 단위공정(task)이 된다.

(3) 각 단위공정을 이루는 부단위공정(subtask)들의 리스트를 생성한다. 각 부단위공정은 하나의 기능(task function)이 된다.

(4) 부단위공정을 달성하기 위해 배정되는 장치들을 찾아내고 이를 functional primitive로 표현한다.

(5) functional primitive에 각 장치의 기능모델(function model)을 대응시킨다.

Recipe-Task-Subtask 모델의 개념을 Figure 2에 나타내었다.

Figure 2. Conceptual diagram of Recipe-Task-Subtask model

사례연구

본 논문에서 제안한 모델을 제약회사의 회분식 공정에 적용하여 그 결과로서 주어진 공정을 세가지의 단위공정으로 분할하고 각 단위공정을 여러개의 부단위공정으로 분할하여 모델링함으로써 회분식공정의 위험성평가를 위한 모델을 문제없이 구성할수 있음을 보였다.

결론

본 논문에서는 회분식공정의 위험성평가자동화에 적합한 모델로서 Recipe-Task-Subtask 모델을 제안하였으며 이를 통해 회분식공정의 위험성평가자동화의 기본 틀을 마련하였다.

감사

본 연구는 교육부의 두뇌한국21사업의 지원에 의해 이루어졌으므로 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. Venkatasubramanian, V. and R. Vaidhyanathan, Reliability Engineering and System Safety, 50, 33 (1995)

2. Viswanathan, S. and V. Venkatasubramanian, Computers and Chemical Engineering, 22(11), 1673(1998)