계장기술(PROCON)

특별기고 연속공정 산업의 모듈화·스마트화 기반 표준 기술 동향

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 17회 작성일 21-11-15 15:38

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연속공정 산업에서 소비자의 제품에 대한 요구를 실시간으로 제품 설계 및 생산 공정에 반영하여, 고객별로 서로 다른 제품을 빠르고 효율적으로 생산할 수 있는 지능적이고 유연한 공정 방식을 추구하고 있다. CPS 기술 등을 이용하여 실제와 똑같은 제품 설계 및 모의실험을 통해 자산을 최적화하고, 공장 내 설비와 기기 간에 사물인터넷을 설치하여 실시간 정보 교환을 통해 생산성 증대 및 돌발 사고를 최소화하고, 제품의 위치 및 재고량 등을 자동 감지하여 가치사슬 전체가 하나의 공장처럼 연동되어 자율적으로 인적 물적 자원 절감 등의 효율성 향상을 위해 제조의 모든 단계를 자동화·지능화되기 위한 표준 기술 적용이 필요하다.

1. 연속공정 개요 및 산업 현황

연속공정은 반응을 일으키는 장치, 분리·정제하는 장치 등의 여러 장치 속으로 물질이 이동하는 사이 제품이 만들어지는 공정으로, 정유와 같은 석유화학, 제당, 제지, 음료, 제약, 전력 등과 같은 장치산업의 연속 생산에 사용되며, 제품은 표준화된 방식에 따라 연속적인 방법으로 생산되고 대량으로 생산된다. 연속 생산은 차별화가 어렵고, 가격에 민감한 일용 상품이 생산되며, 낮은 제조원가가 주문 획득의 주요인이다. 타 공정 대비 설비 가동률의 상승과 공정 개발 시간 단축, 제품 출시 기간 감소, 비용 절감 효과가 있다. 생산단가는 낮아 효율성은 높지만, 유연성은 매우 떨어진다.

연속공정에서는 각각의 설비 장치에 대해 여러 가지 제어를 할 수 있는 한편, 여러 장치가 서로 연관되기 때문에 개별적인 장치에 대한 제어와 프로세스 전체를 원활히 동작시키기 위한 제어가 함께 필요하다. 또한 연속공정에서는 프로세스 기반의 대량생산과 다품종 생산을 위해서 제조 시스템에서는 일련의 행위들을 막힘없이 제어하는 것이 필수이다. 제조공정별 기준으로는 이산공정과 연속공정이 있으며, 조립 중심의 이산공정과는 여러 가지 면에서 차이가 있다.

연속공정 고도화·지능화에 관한 연구는 유럽 제조 선진국을 통해 진행 중이며, 특히 연속공정의 생산설비는 고비용 구조로 이루어져 있는 철강·제약·화학 분야에서 다수 사용하고 있으며, 최근 제약 분야에서 백신 개발 등에 따른 연속공정 승인을 FDA에 요청하고 있으나, 승인된 경우는 미비한 수준이다. 그러나 연속공정의 스마트화를 위해 레퍼런스 사이트를 발굴하고, 다양한 연구를 시도하고 있다.
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연속 생산 공정의 자동 공정 제어는 인간의 수동 제어만으로는 달성할 수 없는 일관성, 경제성 및 안전성의 생산 수준을 달성하기 위해 산업 제어 시스템을 사용하는 제어공학 및 화학공학 분야의 조합이다. 또 정유, 펄프 및 제지 제조, 화학 처리 및 발전소와 같은 산업에서 광범위하게 구현되고 있으며, 다양한 크기, 유형 및 복잡성이 있지만, 소수의 운영자가 복잡한 프로세스를 높은 수준의 일관성으로 관리할 수 있다. 대규모 자동 공정 제어 시스템의 개발은 경제적으로 또는 안전하게 운영할 수 없었던 대량의 복잡한 공정을 설계하는 데 중요한 역할을 하고 있다. 응용 분야는 단일 공정 용기의 온도 및 레벨 제어에서 수천 개의 제어 루프가 있는 화학 처리 공장에 이르기까지 다양하다.
2. 연속공정을 위한 표준 기술 개발 현황

연속공정은 공정에 대한 계획을 사전에 정의하여 규칙을 정립한 후 정해진 순서대로 생산을 진행하며, 다른 제품을 생산하기 위해 그에 맞는 프로세스를 준비하는 순서로 진행된다. 이는 전체적인 공장 운영의 관리와 생산성 향상의 차원에서 가장 기본이 되는 정보들로 기존의 연속공정은 기 구축 장비, 설비의 독점적인 형태로 구성되어 운영되고 있다. 연속공정에 관한 표준화 연구는 선진국을 통해 진행 중이며, 공정 산업 특성상 고비용의 생산 설비와 제조 공정이 소요되기 때문에 연구 과정에 난제가 많은 실정이다. 연속공정의 폐쇄적이고 독점적인 자동화 시스템 환경 상에서 발생하는 컨트롤러, I/O 교체, 업그레이드 등의 문제를 해결함으로써 기존의 구축 장비 의존성을 탈피의 필요성이 제기되어 연속공정의 표준화 작업을 시작하게 되었으며, 연속공정 민간 분야의 표준은 OPAF(Open Process Automation Forum), MDIS 및 NAMUR에서 표준화 작업이 진행 중이다.

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1) OPAF
개방형, 상호 운용 가능 및 보안별 설계 프로세스 자동화 시스템 아키텍처를 제안하여 타사 구성요소와 통합하고, 업그레이드 및 유지보수 비용을 줄이는 동시에 사이버 보안 기능을 제공한다.

2) MDIS
연속공정 분야의 주요 수요기업, DCS 공급기업, 플랜트 개발 기업 연합으로 Shell, Exxon Mobile, Honeywell 등 23개 기업 협력체로 구성되어 있으며, 석유화학 산업 및 석유 시추 플랜트의 독립적 표준 정보 모델을 정의하고 있다.

3) NAMUR
“프로젝트 구성 및 설계”,“연속공정의 자동화 시스템”,“필드 디바이스”등의 작업 그룹에 전문가들이 참여하여 주요 요소 기술에 대해 연구한다.
① NOA(Namur Open Architecture) : 기존 핵심 프로세스 제어 도메인과 모니터링 및 최적화 도메인 사이의 개방형 인터페이스 표준이며,
통신 채널은 기존 필드 장치의 정보에 직접 접근할 수 있음
② MTP(Module Type Package) : 통신, 서비스, 인적 기계 인터페이스(HMI) 설명 및 유지관리 정보와 같이 모듈을 모듈식 발전소로 통합하는 데 필요한 모든 정보를 포함하는 표준
③ OPA(Open Process Automation) : MPT와 NOA를 OPA 참조 아키텍처에 통합하여 기존의 DCS, PLC 및 기존 계측기를 새로운 개방형 실시간 서비스 버스와 통합하기 위한 표준
그리고 연속공정 분야의 국제표준화는 ITU, ISO, IEC 그리고 ETSI에서 중점적인 역할을 수행하고 있다.

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3. 결 론

연속공정을 포함한 스마트 제조 분야의 표준 기술 개발 및 적용에 대한 필요성은 다음과 같이 세 가지의 측면에서 살펴볼 수 있다.

1) 국제표준 경쟁력 강화 측면
스마트 제조를 주도하고 있는 독일·미국 등의 선도 국가는 다국적 기업 대학 및 연구기관 간 협력으로 시범 공장 구축과 표준화를 추진하고 있어 표준을 선점할 경우 무역장벽으로 활용될 수 있으므로 스마트 제조의 기술표준 개발과 국제표준화 활동에 적극 참여가 필요하다.

2) 중소기업 경쟁력 강화 측면
중소기업의 스마트 제조 혁신을 위해 공장 내외부의 다양한 기기 및 사물들의 연결성을 높이고, 제조 데이터 수집 분석 활용이 가능한 빅데이터·CPS·AI 등의 신기술 적용을 지원하는 데이터 표준화 및 업무 표준화를 추진한다.

3) 국민 행복·안전 보장 측면
제조 산업은 타 산업과의 연계성이 매우 높은 산업 분야로써 투자 생산성 노동 비용 등 제조업의 근본적인 문제점을 해결하여 국가 경쟁력의 동력인 제조업의 부활 및 창조적 아이디어를 가진 국민의 새로운 서비스 창출과 창업을 통한 제조 시장 확대가 가능하다.


<참고문헌>
1. ABB, Understanding modular automation, 2018년
2. Rainer Drath, Idar Ingebrigtsen, AutomationML in the Oil&Gas Industry, 2018년 10월
3. DECHEMA, Modular Plants, 2016년 12월
4. ZVEI, Module-Based Production in the Process Industry – Effects on Automation in the “Industrie 4.0” Environment, 2015년 3월
5. ZVEI, Process INDUSTRIE 4.0 : The Age of Modular Production, 2019년 3월
6. NAMUR, Christian Klettner, NOA–NAMUR Open Architecture, 2017년
7. Frank Stenger, Leon Urbas, The Age of Modular Production : Standardization of Processes and Interfaces, 2019년
8. 한국정보통신기술협회, ICT 표준화전략맵, 2021년
9. 한국산업지능화협회, 연속공정 모듈화/스마트화 기반 표준기술 적용 로드맵, 2020년 12월


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