하수처리시설에서의 지능자동제어시스템의 구현에 관한 연구

노성덕, 원종식, 김상욱, 조욱상*

서울시립대학교 화학공학과, 수원대학교 환경공학과*

A Study on the Implementation of Automatic Intelligent Process Control System in Wastewater Treatment Processes

Sung-Duck Roh, Jong-Sik Won, Sang-Wook Kim,and Wook-Sang Cho*

Dept. of Chem. Eng., Seoul City Univ., Seoul 130-743, Korea

Dept. of Env. Eng., Suwon Univ., Kyounggi-do 445-890, Korea*

1. 서   론

서울 및 수도권 지역주민의 상수원으로써 중요한 기능을 담당하고 있는 팔당호의 수질오염 및 주변 환경오염에 관한 관심이 날고 증가하고 있어 이러한 관심을 바탕으로 하□폐수처리 공정 내에서의 이상 및 문제점을 사전에 감시하고 제거함은 물론, 공정을 자동제어하는데 연구의 초점을 두게 되었다.

이러한 관점에서 본 연구는 이미 경기도 광주군 소재 경안천 하□폐수 종말처리장을 실제대상으로 하여 공정조업상에 발생될 수 있는 문제점의 원인을 진단 및 분석하고 이에 적절한 대응방안을 제시할 수 있는 조업지원 목적의 prototype의 전문가 시스템을 연구, 개발하여 실제 적용 테스트를 수행한 바있다. 93년 7월 부터 가동되기 시작한 광주군 하수종말 처리장의 처리규모는 11,000□/day이며 유입수질기준 BOD (156mg/L), SS (146mg/L) 방류수질기준 BOD (20mg/L), SS (30mg/L) 로서 처리효율은 BOD기준 87.2%, SS기준 80%로 설계되어 있다. 장기계획으로는 2,000년도 이후 20,000□/day으로 계획설계 되었으나 현재 이미 설계 처리용량인 11,000□/day를 상회하고 있고 최근에 건설되어 가동되고 있어서 조업능력이 미흡한 실정이다.

따라서, 본 연구는 공정조업상의 문제점의 원인을 단순히 분석하는 차원을 넘어서 전문가시스템 제어를 도입하여 처리장의 근본적인 문제점을 파악하고 3D업종으로 여겨지는 대상시설의 현장조업자의 잦은 이동, 작업 안전성 및 운영효율 낙후, 조업관리미비 등의 근본적인 문제를 해결하고자 연구되었다.

2. 이 론

2.1 대상 공정및 시스템 구성

본 연구에서 구축한 공정제어 목적의 전문가시스템(경기도 광주군 환경사업소의 하수처리공정 중 침사지, 최초침전지, 폭기조, 최종침전지 등의 공정)은 사용자 인터페이스(user interface)라 할 수 있는 지식 수집(knowledge acquisition) 기능과 추론 기관(inference engine) 등으로 구성되어 있다. 핵심 구성요소라 할 수 있는 지식베이스는 경험과 이론이 풍부한 현장의 조업자 혹은 공정 엔지니어로부터 필요한 지식을 습득하고 여러 공정조업 관련문헌을 참조하여 구성하였으며 진단 및 추론 과정을 논리화하여 지식 표현(knowledge representation) 방법은 IF-THEN production-rules을 사용하였다. 이러한 각 구성 요소의 구축은 전문가시스템 개발 tool인 EXSYS(version 4.0)를 사용하였다.  대상공정의 공정계측 파라미터(TIC, O2 분석기, pH 미터, 공기주입량, BOD 등)는 실 시간대(real time) 형태로 PLC(programmable controller)에 연결되어 있고, PLC는 공정제어 소프트웨어인 plantVIEWTM 와 연결 하였다. 기존의 rule-based 전문가시스템의 주된 기능인 공정조업상에 발생될 수 있는 문제점을 진단하고 분석하는 기능에 각 대상공정의 실제 현장조업 데이터를 입력시켜 모니터링, 중앙제어 감시할 수 있도록 공정제어용 S/W인 plantVIEW(version 1.52)를 상호 인터페이스함으로써 본 연구에서 추구하고자 하는 최적의 조업을 지원할 수 있는 지능자동제어 시스템을 구현하였다.

2.2 EXSYS 와 plantVIEW 의 상호 인터페이스에 의한 통신 방식 및 Diagram

plantVIEW interface task에 전송된 데이타는 PV.TXT라는 파일형식으로 EXSYS에 전송된다(Fig. 3). 전송된 파일의 데이타는 EXSYS의 rule compiling에 의해 진단하여 진단 결과로 조치할 사항을 EXSYS.TXT 파일 형식으로 plantVIEW로 다시 전송된다. plantVIEW는 EXSYS에서 전송한 파일의 내용에 따라 조치하여 제어한다.  I = 1 인 경우는 폭기조 공정, I = 2 인 경우는 침사지 공정, I = 3 인 경우는 최초침전지 공정, I = 4 인 공정은 최종침전지 공정으로써 이렇게 상호약속에 의해 status를 부여하고 status에 따른 데이타는 각각 다르다. 이런 형식으로 데이타를 전송받은 EXSYS는 rule compiling 하여 조치 사항을 EXSYS.TXT 파일 형식으로 전송하는데 통신형식은 Fig. 3의 EXSYS.TXT에서 처럼 코드 이름과 조치사항인 메시지를 EXSYS 인터페이스를 통해서 platnVIEW에 전달되어 코드 이름과 메시지에 따라 제어가 된다.

3. 시스템 구현 및 사례 연구

▣ 적용 공정 : 침사지, 최초침전조, 폭기조, 최종침전지 등을 대상공정으로 시스템을 구현하였지만 폭기조공정을 적용 例로 보이고자 한다.

▣ 폭기조공정을 대상으로 한 데이터 통신 例(Fig. 6 폭기조 참조)

- PV.TXT로 alarm 발생시 EXSYS로 input 되어 rules에 적용되는 data

[I]     1

[BOD]  68.000000

[COD]  79.000000

[DO]  1.800000

[PH]  7.000000

[TEMP]  27.000000

- EXSYS.TXT로 EXSYS에서 rule comfiling 한 후 제어조치를 내려주는 message

I = 1

1 1000 폭기조의 BLOWER의 RPM을 1000으로 조정.: Confidence=9/10

3 650 유입펌프의 RPM을 650으로 조정.: Confidence=9/10

2 700 반송오니 펌프의 RPM을 700으로 조정.: Confidence=9/10

▣ 지능제어시스템 구현 화면

4. 결과 및 토론

지금까지 진행되어 왔던 off-line상의 전문가시스템을 on-line상의 전문가시스템으로 수정하였으며, 수정한 on-line상의 rule-base의 전문가시스템을 바탕으로 공정제어 소프트웨어인 plantVIEWTM 와 전문가시스템 tool 인  EXSYSTM 의 인터페이스를 통해서 실제 현장의 데이타를 on-line 형태로 입력받아 기존의 EXSYS의 기능인 공정조업상에 발생될 수 있는 문제점의 원인을 진단하고 분석하는 기능에 plantVIEW의 감시 제어기능을 추가함으로써 추구하고자하는 지능형시스템을 완성하였다. 그러나 이러한 지능형시스템이 실제 적용될 경우 계기의 오작동, 설치 비용 등 해결해야할 과제가 남아 있다.

6. 참고문헌

1. 환경관리연구소, □하□폐수 처리기술(설계□시공분야)□.

2. 환경관리연구소, □벌킹(Bulking) 대책기술□.

3. 원종식외 4인 □활성슬러지 공정에 있어서의 전문가시스템 개발 연구□, 한국공업학회지 Vol. 7. No. 2,(1996).

4. Jae Kyu Lee, Jay Liebowitz, Young Moon Chae, "Critical technology : Proceedings of the third world congress on expert systems", pp 993-999, congnizant communication corporation,(1996).

5. Wook Sang Cho, □The application of expert system to bio-separation : the partition of protein in two aqueous polymer system", PhD thesis, university of llinois at chicago,(1989).