플랜트와 프로세스 제어

[산업일보]
우리 생활 주변에는 의약품, 화장품, 전자제품, 자동차 등 여러 공업제품이 넘쳐나고 있다. 그러한 공업제품들이 어떤 재료로 만들어졌는가를 보면, 플라스틱 등의 화학재료나 강철, 실리콘 웨이퍼 등의 금속재료나 전자재료 등으로 만들어져 있다. 그 재료들은 모두 철광석이나 석유, 또는 다른 화학물질을 원료로 하며, 어떤 에너지를 인위적으로 가하여 화학적, 물리적 변화를 일으킴으로써 성상(性狀)을 바꾸는 공정을 거쳐 만들어진다. 그 일련의 제조공정을 프로세스(Process)라 부르고, 그와 같은 제조법을 이용하는 철강제철공업, 석유공업, 화학공업, 제지공업, 가스공업, 시멘트공업, 식품공업 등의 총칭을 프로세스 산업(Process Industries)이라 부른다 (이와 반면에 각종 부품을 조립하여 제품을 만드는 자동차 산업이나 컴퓨터, 가전 산업을 조립 산업이라 부른다). 본 장에서는 이 프로세스 산업에 필요한 제어시스템 (프로세스 제어시스템(Process Control System))에 대해 알아보기로 한다.



프로세스와 프로세스 제어
프로세스 산업의 프로세스는 다양하고 복잡하지만, 기본적으로는 <그림 1>에 나타낸 것처럼, 원료의 조정공정, 반응공정, 분리, 정제공정 및 가공, 최종처리공정으로 구성된다고 할 수 있다. 예를 들면 원료 조정공정에서는 원료로부터 불순물을 제거하고 적절한 온도와 압력을 유지하며 다음 공정으로 보내는 작업이 이루어진다. 또한 반응공정에서는 조정공정을 거친 원료에 화학변화를 일으켜 만들고자 하는 물질(목적물질)을 생성시킨다. 그때 부차적인 반응이 일어나 불필요한 부산물이 생기거나 목적물질로 만들지 못하는 일이 자주 발생한다. 그 부산물과 목적물질을 분리시키거나 미반응 원료를 추출하기 위해 다음과 같은 분리, 정제공정이 있다. 그 공정에서는 부산물이나 미반응 원료를 목적물질로부터 분리시켜 미반응원료는 재활용한다. 부산물은 다른 제품의 원료로 사용할 수 있다면 그 제조공정에 공급하고, 불필요하다면 환경에 악영향을 끼치지 않도록 처리하여 배출한다. 한편, 목적물질은 최종처리공정에서 성상이나 형상을 갖추며 제품으로서 시장에 나오게 된다.



각 공정에서 목적에 따라 여러 장치나 기계가 사용되는데, 그러한 프로세스를 아주 대략적으로 표현하자면, <그림 2>와 같이 순도가 낮고 값싼 원료, 에너지를 필요한 양만큼 넣고, 보다 부가가치가 높은 제품을 필요한 양만큼 만들어 낸다 (<그림2>에 필요한 양의 원료, 에너지를 프로세스에 유입시키기 위한 장치와, 목표량만큼 제품을 만들기 위한 장치로서 밸브를 그려두었다).
‘만들고자 하는 제품이 무엇이며, 어느 정도 양이 필요한가’를 정할 때, ‘얼마만큼의 원료 및 에너지가 필요한가?’ 또 그 원료를 처리, 가공하여 제품으로 만들기 위해 ‘얼마만큼의 크기, 능력을 가진 장치가 필요한가?’ 라는 물음에 답하는 것이 프로세스 설계 법이며 장치설계 법이라 불리는 학문이다. 그럼 그 학문에서 말하는 대로 원료로부터 소정의 제품을 생산할 수 있도록 프로세스를 한번 설계하면 그 후로는 ‘아무것도 하지 않아도 생각한대로의 제품을 만들 수 있을 것인가?’ 답은 당연히 ‘No’이다. 예를 들어 ‘만들고 있는 제품이 팔리지 않으면 어떻게 해야 할 것인가?’ 팔리지 않는 것을 계속 만들고 있으면 경제적으로 손해를 보게 된다. 당연히 제품의 생산량을 줄여야 할 것이다. 생산량을 줄이기 위해서는 프로세스의 제품 밸브(<그림 2>의 밸브 2)를 잠가야 할 것이다. 그에 따라 원료나 에너지의 흐름을 조절하는 밸브도 조절해야 한다. 반대로, 제품이 잘 팔리게 되면 그와는 정반대로 밸브를 조작해야 할 것이다. 또한, 만약 중동에서 전쟁이 일어나면 동남아시아 산 석유를 사용할 수 밖에 없게 되는 등, 프로세스에 공급하고 있는 원료가 경제적, 정치적인 이유로 변화하는 경우도 적지 않다. 게다가, 각 프로세스에서 사용되고 있는 장치(여기서는 그러한 장치들을 플랜트라 부르기로 한다)도 사용하면 할수록 노후 되어 당초 예상했던 대로의 성능을 발휘할 수 없게 될 수도 있다. 화학 프로세스 중에서는 저기압에서 성능이 변화되는 장치(증류 프로세스가 그 대표적인 예)도 있다.
이와 같이 현실세계에서의 프로세스는 여러 형태로 영향을 받으며 자주 변화한다. 제품을 만들기 위해서는 그 변화에 따라 프로세스의 운전조건을 바꿔야만 한다. 프로세스에 영향을 끼치는 여러 요인을 총칭하여 외란(Disturbance)이라 부른다. 외란에 의해 프로세스가 영향을 받아 각 장치의 안전성은 물론 제품의 양과 품질에까지 영향을 미칠 때, 원료, 에너지, 제품의 유량 등을 조작하여 외란의 영향을 재빨리 억제하고 장치를 안전하게 다루어 목표 제품을 계속 만들어 낼 수 있는 상태로 프로세스를 유지해야만 한다.
<그림 3>과 같은 오렌지 주스 제조 프로세스가 있다고 한다 (농축시킨 후 즉시 희석시키는 주스 제조 프로세스는 현실세계에 존재 하지 않을 것이다. 여기서는 이해를 쉽게 하기 위해 일부러 이와 같은 가상 프로세스를 가정하였다).



이 프로세스는 오렌지를 착즙한 후(원료조정 공정), 과즙을 농축하여 냉각시킨다(분리·정제 공정). 그 후, 희석액을 섞어(후처리 공정) 과즙농도를 조절한 후, 캔에 담는 공정으로 보내 캔 주스를 만들고 있다. 주스 판매량이 저조하여 생산량을 줄일 수 밖에 없어 <그림 3>의 밸브1을 조금 잠갔다고 하자. 그에 따라 어떤 조작을 해야 하는지 알아본다.
1) 펌프를 조정하여 혼합탱크에 유입되는 농축과즙의 양을 줄인다.
2) 농도를 유지하기 위해 밸브2를 닫아 희석액의 유량을 줄인다.
3) 밸브3을 닫아 냉각수량을 줄여 혼합탱크에 들어오는 농축과즙의 온도를 유지시킨다.
4) 밸브4를 닫아 농축 프로세스(수분이나 불순물에 열을 가하여 증발시키는 프로세스)로의 유입량을 줄인다.
5) 농축 프로세스에서 처리하는 생 주스의 양이 줄어듬에 따라, 밸브5를 닫아 농축처리에 사용하는 열도 줄인다.
6) 생 주스의 저장 탱크가 넘치지 않도록 밸브6을 닫아 착즙 공정에서의 유입량을 줄인다.
7) 착즙 공정에서의 오렌지 처리량을 줄인다.
8) 오렌지 입하량을 줄인다.
이와 같이, 하나의 제조 프로세스를 경제적이고 안전하게 움직이게 하기 위해서는 여러 세부적인 조작이 필요하다.

프로세스 제어의 세가지 역할
외란 중에서는 지속적으로 프로세스를 어지럽히는 것이나 예상하지 않았던 때에 일어나는 것도 많다. 따라서 그와 같은 외란에 대처하기 위해서는 항상 프로세스의 운전상태를 감시하여 조작해야 한다. 앞서 말한 조작이나 생산관리를 위한 운전도 포함하여, 그러한 일을 전부 사람에게 맡기게 되면 부담이 크고 무리가 있다. 그래서 운전을 컴퓨터로 실행하는 것이 컴퓨터 제어운전이며, 그것을 실현하는 것이 프로세스 제어시스템, 그 시스템을 구축하기 위한 공학이 프로세스제어(Pro cess Control)이다. 프로세스 제어시스템은 제조 프로세스를 혼란시키는 외란에 대처하기 위한 것뿐만 아니라, 프로세스에서의 제품생산에 관한 다음과 같은 목적을 달성하는 것이 필요하다.
1) 안전성(Safety) 확보: 프로세스에서 폭발 등의 사고, 이상반응, 장치 불안정 등을 일으키지 않도록 프로세스의 안전운전을 확보한다.
2) 생산성(Productivity) 향상: 소정의 제품을 소정의 양만큼 고효율, 또는 최대량으로 생산한다.



3) 경제성(Economics) 향상: 원료가격, 에너지, 인건비, 자본 등이 가장 합리적인 상태에서 운전한다. 최소운전 가격, 최대이윤을 달성하는 운전을 하도록 한다.
4) 품질(Quality) 향상: 제품품질을 향상시킴과 동시에 각 제품의 품질 편차가 없도록 한다.
5) 유연성(Flexibility) 확보: 생산성, 제품사양의 변화에 대해 조작조건을 바꾸어 유연하게 대처한다.
6) 환경보호·규제의 준수(Environmental Re gulation): 제조 프로세스에서 가능한 한 폐기물과 유해물질을 발생시키지 않도록 한다.
이러한 목적달성을 위해 제어 시스템이 담당하는 역할은 다음 세 가지이다.
1) 외란의 억제: 외란이 프로세스에 끼치는 영향을 재빨리 억제한다.
2) 안정화: 프로세스를 안전하게 운전한다. 불안정한 프로세스를 안정화 시킨다.
3) 성능의 최적화: 프로세스를 보다 경제적이고 생산성이 높은 상태로 유지시킨다.
<그림 4(a), (b)>와 같은 두 종류의 혼합탱크가 있다고 한다. 두 탱크 모두 2종류의 유체를 유입시켜 섞은 후 그 혼합액을 유출해내고 있다. <그림 4(b)>의 탱크에서는 유출량을 펌프로 항상 일정하게 유지하고 있다.



<그림 4(a)>의 탱크에서는 유출되는 양을 자연의 섭리에 따르고 있다. 즉 탱크 수위의 제곱근에 비례하는 양만큼 탱크로부터 유출된다 (이것은 베르누이의 법칙이라 불린다). 두 유체의 총 유입량과 유출량이 같은 평형상태에서 유체 1의 유입량이 조금 늘었다고 한다. 그때 유체가 넘칠 위험성이 있는 것은 (a), (b)중 어느 쪽 탱크일까? 탱크(b)가 넘치게 된다. 탱크에 유입되는 유체의 양은 늘어나는데 비해 유출되는 양은 변하지 않으므로 수위가 높아져, 내버려 두면 넘치게 된다. 한편 탱크(a)에서는 유입량이 늘어나 수위가 높아지면 그에 따라(베르누이의 법칙에 따라)유출량도 늘어난다. 그 결과, 어느 한 지점에서 다시 유입량과 유출량이 균형을 이루어 수위변화가 멈추게 된다. 탱크(b)처럼 내버려두면 위험(불안정)한 움직임을 보이는 프로세스는 반드시 적절한 조작을 해야만 한다. 그 조작을 자동적으로 실행하는 것이 제어 시스템의 역할 중 하나(안정화)이다.
<그림 5>와 같은 저온유체와 고온유체(스팀)사이에서 열을 교환하는 열교환기(Heat Exchan ger)를 고려한다. 이 열 교환기는 용액을 소정의 온도에서 스팀으로 가열하여 하위 프로세스에 공급하는 것을 목적으로 하는 장치이다. 유입되는 용액의 온도가 변동하여도 소정의 온도로 용액을 하위 프로세스에 공급하기 위해서는 어떻게 해야 할 것인지 알아본다.



유입되는 용액의 온도변동에 대해 어떠한 조작도 하지 않으면 용액의 출구온도는 변동된다. 따라서 스팀의 유입량을 조절하든지 용액의 유입량을 조절해야만 한다. 이 열교환기처럼 외란의 영향을 억제하여 소정의 목적을 달성하도록 프로세스를 조절하는 것이 제어 시스템의 또 다른 역할 중 하나 (외란의 억제)이다.
<그림 6>과 같은 배치 반응기(Batch Reactor)를 고려해 본다. 원료를 처음에 투입하여 처리한 후, 처리가 끝나면 또 새로운 원료를 투입하는 생산형태를 취하는 프로세스를 배치 프로세스라 부른다. 한편 연속적으로 원료를 투입하여 연속적으로 제품을 만들어 내는 프로세스를 연속 프로세스라 부른다. 반응기 속에서는 다음과 같은 축차 반응이 일어나고 있다.
Ａ　→　Ｂ　→　Ｃ

두 반응 모두 열을 흡수하여 반응을 일으키는 흡열반응이다. 반응에 필요한 열은 재킷(Jacket)안에 흐르는 스팀에 의해 공급된다. 필요한 제품은 B이며 C는 불필요한 부산물이다. 따라서 소정의 반응시간 내에 최소한의 스팀을 사용하여 제품B를 가능한 한 다량으로 생산하여 이익을 최대한으로 하는 운전이 요구된다. 이때 조작할 수 있는 것은 스팀의 유량 Q뿐이라고 할 때, 스팀을 어떻게 조작해야 할 것인가. 다음에 나타낸 평가함수를 최대로 하는 스팀 유량Q의 조작방법을 알아본다.



Φ=∫otR[(제품B의 매상고)-(스팀 비용)-(원료A의 구입비)]dt

평가함수를 최대로 하는 스팀 유량의 조작패턴으로서 <그림 7>에 나타낸 것과 같은 조작패턴을 생각할 수 있다. 이 패턴이 이익을 최대로 하는 것이 될 것임은, 다음 두 조작 패턴을 생각하면 보다 쉽게 알 수가 있다.