계장기술(PROCON)

기획특집 수처리 시스템을 위한 인텔리전트 엔지니어링 플랫폼

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 66회 작성일 21-10-15 11:40

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최근 ESG 등 환경에 대한 사회적 관심이 증가할수록 고도화된 수처리 시스템에 대한 요구 역시 급격히 증가하고 있으며, 이에 따라 여과 공정 등의 단위 공정들을 조합하여 시스템을 구성하는데 집중하던 과거 수처리 시스템에서의 엔지니어링 역할이 단위 공정 최적화에 집중하는 형태로 전환되는 것이 요구된다. 하지만 단위 공정들을 조합하여 시스템을 구성하는 역할 역시 여전히 엔지니어링의 영역으로 남아 사실상 대부분의 업무 시간을 소모하며, 엔지니어들에게 부담을 주고 있는 것이 변하지 않는 현실이기도 한다. 결론적으로 시스템 구성을 위한 업무는 엔지니어링 역량을 단위 공정 최적화에 집중하는데 현실적인 장애 요소가 되고 있으며, 기업의 경쟁력 향상을 가로막은 장애물로, 기업이 해결해야 할 새로운 과제로 대두된다.

그런데 자세히 들여보면 단위 공정들을 조합하여 시스템을 구성하는 공정 엔지니어링과 후속 업무인 전기 및 제어 엔지니어링 등은 놀랍게도 무수한 수작업과 단순 업무를 포함하고 있다. 부하 및 유틸리티 용량 계산으로 시작되는 시스템 구성을 위한 엔지니어링 워크플로우는 단위 공정의 조합 방식을 결정하는 PFD(Process Flow Diagram)와 구체적인 기자재 및 계장 그리고 파이프라인을 선정하는 P&ID(Pipe & Instrument Diagram) 도면 작업을 거쳐 공정 설계가 마무리되며, 이러한 공정설계 결과물은 전기 및 제어 설계 그리고 통상 3D 설계로 수행되는 건축, 토목, 기계설계의 후속 과정을 거치게 된다.  

이러한 과정에서 우리는 수많은 정보가 다양한 표현 혹은 다양한 산출물로 중복 표현되는 걸 발견할 수 있다. 예를 들어 P&ID에 반영된 기자재에 대한 정보는 동일한 P&ID 내에서 쇼트 스펙(Short spec)이라는 형태로 반복 표현되며, P&ID와 함께 작성되는 가격 정보가 포함된 기자재 내역서, 기자재 리스트 등에서도 역시 동일한 정보가 반복된다. 즉 하나의 유일 정보(Single source of truth)가 형태만 바뀌어 반복 표현되는 것을 발견할 수 있다. 뿐만 아니라 이러한 정보는 후속 엔지니어링 분야로 정합성을 유지하며 전달이 이뤄져야만 한다. 예를 들어, 공정설계의 결과물인 P&ID가 전기설계 혹은 제어 설계에 전달되어 전기 도면, 제어 스케줄과 같은 산출물 활용에 사용되고 있으며, 이 과정에서 역시 P&ID에서 부하 리스트(Load list)를 산출하는 것과 같은 정보의 반복이 발생한다. 또 다른 예로 공정 설계의 결과물은 역시 배관 설계에 정합성을 유지하며, 전달이 되어 3D 설계의 기준 정보가 되어야 한다.

이렇게 하나의 정보의 여러 표현으로 뒤섞인 상황으로 인해 엔지니어링 생산성 측면에서 심각한 문제가 발생하게 되고, “정합성의 확보”에 많은 설계 자원이 낭비되고 있는 이유다. 즉, 하나의 유일 정보에 설계 변동 등의 사유로 어떤 변화가 생겼을 때 이러한 정보가 반복된 모든 표현을 찾아 일괄 수정을 해줘서 동일하게 유지할 수 있으며, 이러한 업무를 전적으로 사람의 힘에 의존하기 때문이다. 이러한 일괄 수정은 단일 산출물 내에서도 필요하다. 예를 들어, P&ID 수정에 따른 전기 도면 수정과 같이 다른 엔지니어링 분야의 산출물에서까지 광범위하게 요구된다. 물론 사람이 하는 일이기 때문에 시간만 충분히 주어지면 이러한 “정합성”을 유지할 수 있겠지만, 그 과정에서 심각한 설계 생산성의 저하가 발생하고, 또 필연적으로 크고 작은 실수가 발생한다.

다행스럽게도 수처리 시스템은 단위 공정 단위로 비교적 모듈화가 잘되어 있는 분야이며, 모듈화가 잘되어 있다는 것은 시스템을 구성하는 엔지니어링 과정이 이러한 모듈을 “조립”하는 업무로 정의될 수 있다는 의미다. 즉, 용량 계산 결과인 기자재/구조물 리스트와 같이 “조립”을 위한 기준 정보가 제공되면, 표준화되어 있는 단위 공정 모듈을 조립함으로써 P&ID 도면을 포함한 산출물을 자동생성할 수 있다. 수처리 시스템이 단위 공정 단위로 모듈화가 잘되어 있다는 것은 우리가 엔지니어링 과정에서 얼마나 많은 “복사/붙여넣기”를 수행하는 지에서 미루어 짐작할 수 있다.
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이렇게 “조립”을 기반으로 한 자동화 과정에서 중요한 점은 데이터를 기반으로 한 정합성이 유지되어야 한다는 것이다. 즉, 기자재/구조물 리스트에 포함된 데이터가 P FD, P&ID 공정설계 도면의 기자재/구조물 객체(Object)의 속성(Attribute) 데이터로 매핑되어야 하며, 이러한 객체 및 속성 정보는 전기설계와 제어 설계 등에 파생되는 과정에서 하나의 유일 정보로 재활용됨으로써 연계 관계를 유지하여야 한다. 결론적으로, 유일 정보 관리를 통해 자동화 과정에서 산출물 간의 정합성을 유지할 수 있으며, 자동화 이후에 발생하는 설계 수정 과정에서도 자동으로 정합성을 유지할 수 있다.

산출물 자동 생성을 위해서는 엔지니어링 플랫폼에 다음과 같은 기능이 요구된다.

첫째, 용량 계산 결과인 기자재/구조물 리스트와 같이 외부 정보를 입력 받을 수 있는 기능이 요구된다. 일반적으로 엔지니어링 초기 단계에서 용량 계산은 별도의 용량 계산 시스템에서 이루어져서 엑셀로 출력 관리되거나, 엑셀 자체의 기능을 이용하여 생성되며, 기자재 혹은 구조물 리스트와 기자재 혹은 구조물이 만족해야 하는 기술 속성으로 구성된다. 엔지니어링 플랫폼은 데이터를 입력 받아 플랫폼 내에서 관리하는 객체와 그 속성으로 입력(Import)하는 기능을 제공하여야 한다. 또한 이러한 입력 기능은 변경 관리 기능을 제공함으로써 설계 변경에 대응할 수 있어야 한다. 물론 이러한 과정은 기자재/구조물 리스트를 구성하는 단위 정보의 표준화가 전재되어야 하며, 표준화에는 기자재/구조물 명칭과 각각의 기자재/구조물의 요구 속성 종류에 대한 표준화를 포함한다.    

둘째, 단위 공정 모듈을 효과적으로 관리하고 재활용할 수 있는 기능이 요구된다. 단위 공정 모듈은 기능에 따라 산출물을 구성하는 최소 단위를 의미하며, 예를 들어 P&ID 도면의 경우 도면을 구성하는 기능 블록(Block)의 풀(Pool)이 이러한 단위 공정 모듈의 집합이 된다. 또한 가능한 작은 숫자의 단위 공정 모듈을 높은 재활용성으로 산출물을 “조립”할 수 있는 경우를 효과적이라고 판단할 수 있다. 예를 들어 그림 5에서 Air Pump에 해당하는 단위 공정은 시스템 요구 사양에 따라 그 개수가 유동적이기 때문에 개수별로 단위 공정을 구성하는 것은 관리성 등을 고려할 때 바람직하지 않고, 기자재/구조물 리스트를 통해 주어지는 개수에 따라 1개로 관리되는 단위 공정을 복사 활용하는 것이 훨씬 효과적이다. 단위 공정 역시 표준화가 요구되며, 수처리 시스템 분야는 앞서 언급한 바와 같이 단위 공정 단위로 비교적 모듈화가 잘되어 있는 분야이다. 
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셋째, 단위 공정 모듈을 “조립”할 수 있는 기능이 요구된다. 여기서 “조립”의 의미는 단위 공정을도면에 “복사/붙여넣기” 하는 기본적인 기능과 더불어 단위 공정 간의 연결, 배관 관경의 계산, 태그(Tag) 번호의 부여 등과 같이 “조립” 전 단위 공정 모듈에서는 특정할 수 없는 정보를 구체화하고, 정보를 연결하는 과정을 의미한다. 일반적으로 엔지니어들이 도면 작업을 시작할 때 기존 도면의 일부를 복사/붙여넣기 하는 것을 감안하면, 산출물 자동화는 이러한 “복사/붙여넣기”를 기자재/구조물 리스트라는 투명한 기준 정보를 근거로 자동화하는 것으로 이해할 수 있다. 물론 이러한 “복사/붙여넣기” 이후에는 단위 공정을 연결하는 과정이 자동화되어야 하며, 단위 공정의 속성에 따른 배관 관경의 계산과 태그 번호의 자동 부여 등이 수반되어야 한다.   

넷째, 자동화되는 산출물에 파생되는 다양한 산출물의 자동화와 연계될 수 있어야 한다. 그림 1의 엔지니어링 워크플로우에서 확인할 수 있듯이, 다양한 산출물이 동일한 기준 정보의 반복적인 표현을 담고 있는 경우가 많기 때문에 자동화되는 기준 산출물을 기반으로 이러한 파생 산출물을 자동화할 수 있어야 한다. 파생 산출물에는 자동화 산출물 내부에 포함된 산출물, 예를 들어 PFD 도면 내부의 발란스 시트(Balance sheet)나 P&ID 도면 내의 소트 스펙 등을 포함하고, 자동화 산출물과 독립적인 산출물을 포함한다. 독립적인 산출물의 예를 들어 전기설계를 진행하기 위해서는 P&ID 도면에서 추출된 부하 리스트가 필수적인데, 이러한 부하에 관련된 데이터가 P &ID 등의 공정 데이터와 단절되어 관련되는 경우 P&ID 작성 과정에서 정의된 부하에 관한 정보가 전기 부하 리스트 작성 과정에서 왜곡될 수도 있으며, 엔지니어링 과정 중에 발생하는 수많은 설계 변경 중에 정합성을 유지하지 못함으로써 설계 오류라는 심각한 문제를 발생시키기도 한다. 추가적으로 산출물의 생성뿐 아니라 다른 시스템으로 데이터를 자동 연계할 수도 있다. 기본 설계인 P&ID와 3D 설계를 이용하는 배관 설계 그리고 전기 단선도 설계 역시 3D 설계를 이용하는 배선 트레이 설계 사이에 이러한 데이터 연계가 효과적으로 활용될 수 있다. 순차적인 설계가 수행될 경우에는 P&ID 혹은 단선도를 통해 3D 설계를 위한 기준 정보를 전달할 수 있으며, 동시 설계가 수행 경우에는 P&ID 혹은 단선도와 3D 설계 간에 정합성 확인에 활용될 수 있다.   

다섯째, 이렇게 “조립”된 산출물은 일반 산출물과 동일하게 조회 및 편집이 용이하여야 한다. 일반적으로 기대하듯이 산출물 자동화가 제출만 하면 되는 수준의 100% 자동화를 만족하기보다는 발주처의 특수한 요구를 반영하는 것과 같이 엔지니어의 일부 변경이 필요한 경우 편집이 요구되기 때문이며, 이러한 변경이 반영된 이후에도 파생되는 산출물의 자동화 기능은 동일하게 사용될 수 있어야 한다.
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오랜 엔지니어링의 역사에서 과거에도 일부 분야에 대해 산출물 자동화가 시도된바 있다. 하지만 표준화에 대한 인식이 부족하거나 전체 업무 프로세스와 연계성이 미흡한 이유로 그 활용도가 매우 제한적이었다. 과거의 이러한 실패가 앞으로 다가올 4차 산업혁명의 시대에서 새로운 혁신을 가로막는 장애물이 되지 않았으면 한다. 기업 입장에서 4차 산업혁명의 시대에 가장 중요한 방향성은 사람만이 할 수 있는 인텔리전트한 영역에 집중 투자하여 기업의 경쟁력을 극대화하는 것이고, 이로 인해 사람의 창조성이 요구되지 않는 다양한 분야에서는 시스템을 기반으로 한 자동화가 필연적이기 때문이다. 물론 이렇게 시스템을 운영하기 위해서는 시스템이 이해할 수 있는 정보인 데이터가 필연적으로 활용되어야 하고, 이러한 데이터가 사람이 이해할 수 있는 도면을 포함한 각종 문서 기반의 산출물과 완전하게 통합된 형태로 운영될 수 있어야 한다. 즉, 사람이 이해할 수 있는 산출물의 이면에는 합리적으로 관리되는 데이터가 항상 존재하고 있어야 한다.

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결론적으로 “인텔리전트 엔지니어링”이란, 데이터와 결합된 엔지니어링의 운영과 이를 통한 기존에 수행하던 엔지니어링 업무의 혁신으로 정의할 수 있다. 


AKi@aucotec.com