Batch공정의 HAZOP분석 자동화를 위한 공정특성 모델기반 전문가 시스템

이예승, 허보경, 황규석

부산대학교 화학공학과

A prototype Expert System for Automating HAZOP Analysis

based on the Batch Process Model

Ye-Seung Lee, Bo-Kyeng Hou, Kyu-Suk Hwang

Dept. of Chemical Eng., Pusan National University

서론

위험성평가 대상공정으로서의 회분식공정은 연속식공정의 특성과 더불어 복잡한 공정구조 변화와 작업조건 및 상태 변화, 시간적인 작업순서와 불연속성이 존재하며 이에 관한 sequence와 time에 기반한 이산변수의 이탈 전파와 불연속성의 규명으로 HAZOP분석을 자동화 할 수 있도록 모델링하는 접근이 시도되었다. 이러한 시간적 특성 외에도 회분식공정은 개개의 조작에 의해서 공정이 진행되는 근본특성을 가지고 있으며, 조작시간, 조작순서, 조작방법에 있어서 운전자의 오류는 위험과 사고를 일으키는 가장 큰 요인이자, 이들 조작과 공정상태와의 상호연관성과 작업조건 변경 등 동시다발적인 위험은 위험성평가 자동화의 복잡성 요소가 된다. 이에 본 연구에서는 다각적인 측면의 회분식공정의 특성을 고려한 모델을 바탕으로 HAZOP 분석을 자동화하기 위한 전문가시스템을 구축하였다.

HAZOP 분석 시스템 전략

회분식 공정의 조작은 공정내의 운전제약조건과 위험상태 발생가능성을 침범하지 않고, 초기 단계에서 다음 단계로 운전하기 위한, 정해진 recipe에 근거한 실행과정으로, 하나의 조작은 전후 조작과 이에 따라 변화된 공정상태에 따라서 그 위험야기 가능성이 달라진다(Fig.1). 이에 조작에 의한 위험성을 판별하는 작업은 현재상태에서 실행하는 조작과 이에 의한 공정상태 변화를 정확히 예측하여 이탈을 발생 및 전파시키고 실제 사고로 연관시키는 시스템을 필요로 한다.

이러한 시스템을 개발하기 위한 과제와 이를 해결하기 위한 시스템 구현 요소는 다음과 같다.

task 1: 대상공정의 표현

- 대상공정의 계층, 연결관계 표현 : process model, sequence matrix/network

task 2: 대상공정 topology 및 장치표현(topology data, unit classification)

task 3: 조작과 공정장치, 공정상태와의 관계표현

- operation/unit relation table, unit operation matrix, unit state matrix

Fig. . Derived hazard related operation and state.

task 4: 공정에서 발생가능한 위험상태, 장치결함 등의 지식표현

- 공정물질 data library, unit malfunction

task 5: 위험성 추론 모사기 개발

- propagation relation knowledge, inference algorithm개발

task 6: 위험성 평가 시스템 개발

HAZOP 분석 시스템 구현 방법론

1. 대상공정 표현 및 분석 방법

대상공정을 process>process stage>process step>process operation>process action으로 세분하여 분석단위로 한다(Fig.2). Step는 sequence error를 발생할 수 있는 단위로 내부 operation들을 이동, 삭제, 교환하여 wrong sequenece deviation을 발생하며, operaton은 전체 수행시간을 변경하여 durtion error를 발생하거나, 세부적으로 action error를 발생하여 세밀한 조작에러를 분석할 수 있으며, 각 operation은 만족해야할 조작조건을 가진다. Sequence matrix는 전체 연결구조로 시간적으로 수행되는 operation의 순서와 상호관계, 시간횡축으로 각 조작시간에 열려있는 line을 탐색할 수 있다(Fig.3).

Fig. . Process Hierarchy.

Fig. . Operation Sequence.

2. 공정장치 연결 및 조작과의 관계 표현 및 분석방법

operation은 하나 또는 집합을 이루는 장치의 라인에서 이루어지며, 라인에서 수행되는 경우, 물질흐름의 시작이 되는 source unit과 라인의 종단점인 terminal unit으로 구분하여 전파의 방향설정 지식을 표현한다.

3. 위험상태 원인/결과, 장치결함, 전파식 장치속성에 관한 지식(Fig.4)

Fig. . Unit knowledege library.

4. 조작에 따른 상태 변화와 이탈로의 전이방법

조작가능 여부에 따라 state unit과 operable unit로 구분하여 operable unit은 on/off, open/close로 조작에 따른 condition을, state unit은 operable unit의 조작에 따른 물질흐름유무를 state로 설정하여, 세부 action과 연결해 조작에 따른 공정상태의 변화를 판단, 공정변수이탈로 전이할 수 있게 하였다.

HAZOP 분석 자동화 시스템

1. 분석알고리즘

시스템은 user부터 입력받는 분석모드에 따라 분석하고자 하는 operation, unit를 선택하고 추론을 진행한다. Operation error mode는 sequence error와 action error를 분석하며, Process variable deviation mode는 공정장치에서의 변수이탈을 물질흐름을 따라 분석하고, Loop Analysis mode는 control loop의 장치고장으로 인한 오류를 변수이탈로 전파, 분석하는데, 공정변수이탈을 제외하고는 그 원인이 조작과 장치고장으로 확연하므로 더 이상 역전파는 행하지 않는다(Fig.5).

Fig. . Inference Algorithm.

2. 대상공정

Fig. 6. Latex process(Case Study).

본 연구에서는 산업체에서 전형적으로 사용되고 있는 Latex공정을 대상으로 시스템을 개발하였으며, AN, BD, ST와 같은 monomer와 다양한 chemical들을 유화중합하고 liquid NH3로 온도제어를 하는 공정으로, modeling과정에서 복수의 valve가 동일의 기능을 가지고 직.병렬로 연결되어 있는 부분, 실제 조작에서 거의 사용되지 않는 valve나 line등은 실제보다 간략화하였다(Fig.6).

3. 실행 예

Action Error Analysis : AN charge operation의 action중 valve open작업을 늦게 한 경우를 분석 이탈로 하여 수행해보았다. 다음은 분석절차의 도식이며, 각 분석과정에서 knowledge-base에 저장된 지식과 연동한 추론방식을 따르게 된다(Fig.7).

나머지 sequence deviation, process variable deviation, loop analysis mode를 실행하여 이탈을 발생, 분석한 결과 이탈원인과 위험성 결과를 확인하였다.

Fig. . Analysis simulation diagram.

결론

본 연구에서는 회분식공정의 특성을 고려한 모델을 기반으로 HAZOP 분석과정을 자동화 한 전문가시스템을 구축하기 위하여, 공정을 조작과 시간, 분석단위에 근거하여 구분하고, 각 공정단계간의 상호연관성을 파악하여 시간적인 추이와 sequence확인이 가능하도록 하였다. 또한 조작단계에 대해서 세부 action을 정의하고 이로 인한 공정상태변화를 나타낼 수 있는 지식과 분석 알고리즘을 개발하여 조작으로 인한 위험의 발생가능성을 파악할 수 있게 하였으며, 연속식과 같은 공정변수 이탈을 전파, 분석하기 위해 장치결함 및 전파관계식을 포함한 공정장치지식을 구축하고, loop의 분석방법을 제안하여 다각적인 면에서 회분식공정의 위험성을 분석할 수 있도록 하여 Latex제조공정에 적용, 그 유효성을 검토하였다.

참고문헌

1. 옥유영, □회분식 공정의 HAZOP분석 자동화를 위한 이탈전파 모델□ KIGAS Vol. 3, No. 2, pp.34-42 (1999)

2. Srinivasan R., Venkatasuramanian V., "Automating HAZOP analysis of batch chemial plants : Part Ⅱ. Algoritms and application" Computers chem.  Eng. Vol. 22, No. 9, pp.1357-1370 (1998)