보일러 플랜트 Start-up 운전절차의 자동합성 시스템에 관한 연구

윤영진, 허보경, 황규석, 윤인섭*

부산대학교 화학공학과

서울대학교 화학공학과*

Research on the Automatic Synthesizing System

of Boiler Plant Operating Procedure

Young Jin Yoon, Bo Kyeng Hou, Kyu Suk Hwang, En Sup Yoon*

Dept. of Chemical Engineering, Pusan National University

Dept. of Chemical Engineering, Seoul National University*

1. 서론

보일러 플랜트는 정상조업시에는 자동제어되어 조업되고 있다. 그러나, Start-up 조업시에는 Controller는 Manual Mode로 두고 운전원이 직접조작하며, Interlock system에는 정상조업시에 적용되는 Interlock logic을 피하기 위한 Start-up 특수조작이 존재할 뿐만아니라 Line-up, 기기작동, Warming-up, 승압조작 등의 일련의 조작들이 존재하여 다양한 상황이 발생하고 비정상상태로 운전된다.

그러므로 Start-up운전은 기존의 수치 제어로써는 불가능하므로, 운전원의 상황판단과 경험지식에 의존할 수 밖에 없었다. Start-up운전 자동화를 위한 시스템은 운전상황의 이해 및 판단능력과, 조작의 의미이해와, 다양한 상황변화에 대한 대처능력이 갖추어져야 할 것이다.

Fig.1 과 같은 보일러 사고원인 통계치에 의하면 Start-up시 오조작이나 사전준비조건의 미비로 인한 사고가 60%를 상회하고 있어 운전원의 조작순서 혼돈에 의한 사고의 비중이 가장 높으며 조작순서에 관한 연구의 중요성을 나타낸다.

Fig.1 Reasons of boiler accidents

연구 대상으로 하고있는 대형 보일러의 경우 Start-up시간이 48시간이며 Sensor나 기기장치, Controller등이 약 2000여개가 존재하고 조작단으로 사용되는 장치만 400여개에 달한다.

이러한 보일러의 조작단에 대해 On/Off만 고려하여 임의로 조작수순을 합성하였을 때도 2400 * 400! 의 경우가 합성되어 컴퓨터내 조합폭발문제를 발생시키므로  무한상태공간에서 필요경로만을 탐색하는 방법에 대한 연구가 필요하다.

본 연구의 목적은 컴퓨터 내 운전지식의 흐름을 체계화하고 보일러 플랜트의 조작수순의 자동합성기를 개발하여 운전원에게 안전한 조작을 제시함으로써 Start-up시의 조작순서 혼돈으로 인한 오조작을 제거하는 것이다.

2. 본론

<Topology 구조>

보일러 플랜트의 공정구조는 크게 Node와 Arc로 구분하였고, 공정변수의 상태값을 변화시키는 Valve, Equipment와 그외 Mixing point, Separating point는 Node로 나타내고, Node와 Node를 연결시키는 Pipe와 Contact Area를 Arc로 나타낸다.

보일러 플랜트의 Equipment들은 크게 Transfer unit와 Control unit 로 나눈다. Transfer unit는 Source of thermal energy, Sink of thermal energy, Source of momentum, Source of material, Sink of material등으로 표현된다. 또, Control unit는  Control of temperature, Control of Pressure, Control of flow등으로 구분하여 나타낸다.

Fig. 2 Hierachical Structure of Boiler plant Equipment

또한, 각 Equipment와 Valve는 공정값을 변화시킬 수 있는 자신고유의 기능함수를 가지고 있으며 이러한 정보를 Equipment의 Function속성값으로써 준다.

<Goal tree 자동합성>

보일러 플랜트 Start-up완료가 goal이 되는 tree를 운전자의 지식을 이용하여 자동으로 합성하였으며 그 절차는 다음과 같다.

1. Boiler-Start-up을 Top level로 둔다.

2. 현재 고려중인 상황의 Rel-situ. 속성값을 하부상황의 값으로 둔다.

또, 상황의 Pre-constraints들을 하부상황에 우선하는 상황으로 둔다.

3. 한편, 현재 고려중인 상황의 Rel-op 속성값이 있으면 직접조작하여 조	작순서 List의 최후반에 대입한 후, 모사기를 거친다.

4. 조건이나 우선순위에 따라 다음으로 만족시켜야 할 상황을 선택한 후,	2.로 돌아가 Tree의 확장을 계속한다.

여기서 Rel-situ.의 속성값이나, Rel-op의 속성값 혹은, Pre-constraint의 값이 둘이상인 경우, 우선순서가 존재하여야 하며, 우선순서를 결정해 주는 지식은 일반적인 위험발생가능성 지식을 사용한다.

Fig. 3는 위 방법에 의해 Goal tree가 합성되는 과정을 나타낸 그림이다.

Fig 3. Developing Goal-tree

<공정상태 모사>

Start-up 운전을 위한 적절한 조작이 제시되면 그 조작이 공정상태에 미치는 영향을 상태모사한다.  Update된 공정상태는 다음조작을 제시하기 위한 공정조건으로 이용된다.

공정상태값은 기능연산룰로써 표현된 모사지식을 Forward chaining에 의해 전이시켜 구해진다.

기능연산룰이란, 다양한 조작 조건하에서 그 장치와 Valve가 나타내는 기능을 IF-THEN룰의 형태로 표현된 지식베이스이며 구체적인 표현으로는 다음과 같다.

(If (Node의 기능정도))

(Input-arc (temp T-state) (comp comp1)

(press P-state) (phase phase1) (flow F-state))

Then (node의 상태 List)

(output-arc (temp T-function (input-arc-temp))

(comp C-function (input-arc-comp))

(press P-function (input-arc-press))

(phase Ph-function (input-arc-phase))

(flow F-function (input-arc-flow)))

Ar ((input-arc) (output-arc)))

Output-arc의 상태는 Equipment와 Valve가 가지는 고유기능함수에 Input-arc의 상태를 입력값으로 했을때의 출력값이다.

여기서 T-function등은 현장의 Equipment와 Valve에 대해서 운전원들이 적용시키는 간단한 함수이다. 운전원들은 유량이나, 온도, 압력 들을 인식하는데 있어서 고유의 경험함수들을 이용한다. 예를 들면, 특정 Valve 1바퀴를 돌렸을 때의 Valve의 개도와 Pipe내에 흐르는 유량 등에 대해 경험적으로 알고 있다. 이런점에 착안하여 조작에 의한 공정상태를 전이하였다.

<시스템 구성>

Fig 4. System Flowchart

3. 결론.

유공의 150 ton/hour의 스팀을 생산하는 보일러를 대상공정으로 선정하여 Start-up 조작절차에 대하여 자동합성하여 봄으로써 본 시스템에서 제시한 합성전략이 타당한 것임을 알 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 한국과학재단 지정 우수연구센토인 공정산업의 지능자동화 연구센터의 일부 연구지원으로 이루어 졌으며 지원에 감사합니다.

참고문헌

1. K.S. Hwang, S.Tomita and E.O'shima, KAGAKU KOGAKU RONBUNSHU,	16,2,343-353 (1990)

2. B.O. Hou, D.M. An, K.S. Hwang , journal of KIIS 10, December, 60-67

(1995)

3. Fusillo, R.H., and G.J. Powers : AICHE Journal, 34,4, pp. 556-558, 1988.