What Is a Batch Process?
Why Have Batch Processes?
Typical Batch Processing Configurations
Batch versus Continuous Process Control
What Is the ANSI/ISA-88 Standard?
Principles
The Modules
Recipe
Schedule
Recipe Linkage
Tying It All Together
14.1 배치 공정(Batch Process)이란 무엇인가?
Control of Batch Processes 배치 프로세스 제어
배치 공정은 일반적으로 일정한 양의 물질을 단계적으로 처리하거나 가공하는 방식으로 간주됩니다. 장비는 매우 다양할 수 있지만, 배치 화학 처리 시설은 일반적으로 용기(Vessel)와 기타 처리 장비로 구성되며, 적절한 배관망(Piping Network)으로 연결되어 있습니다. 배관망은 일반적으로 밸브, 호스, 또는 기타 전환 장비로 구획되어 있습니다. 펌프, 공정 압력, 또는 중력과 같은 힘이 물질의 이동을 유도하며, 교반기(Agitator), 열교환기(Heat Exchanger), 용기 재킷(Vessel Jacket) 등의 장비를 통해 에너지가 공급되거나 제거됩니다.
일부 배치 공정은 단일 제품 또는 제품군에 전용되어 있으며, 다른 공정은 다양한 제품을 처리할 수 있도록 유연하게 설계되어 있습니다. 고정된 처리 장비 세트를 사용하는 공정도 있고, 하나 이상의 처리 장비를 선택적으로 포함하거나 제외할 수 있는 공정도 있습니다. 일부 공정은 배관망을 변경하거나 고정된 배관망 내의 밸브를 재설정함으로써 정기적으로 재구성됩니다.
배치 공정은 매우 다양한 형태를 가지며, 이러한 다양성은 배치 공정의 강점이자 동시에 복잡성의 핵심입니다.
14.1.1 배치 공정을 사용하는 이유
공정 산업에 대한 일반적인 관점은 대규모 연속 화학 처리 플랜트의 효율성과 경제성에 크게 영향을 받아 왔습니다. 대량의 물질을 처리하고, 공정을 제어 및 최적화하며, 에너지 및 기타 운영 비용을 최소화하고, 생산성을 극대화하며, 물질 요구량을 정확히 예측할 수 있는 능력은 연속 공정 기술을 매우 매력적인 선택지로 만듭니다. 그러나 연속 공정 기술이 가진 명백한 장점에도 불구하고 배치 또는 단계별 처리에 대한 필요성은 여전히 존재합니다.
배치 공정이 기술적으로 선호되는 경우는 여러 가지가 있습니다. 제조해야 할 물질의 양이 적은 경우, 다양한 제품을 생산할 수 있는 다목적 장비를 사용하는 것이 경제적으로 유리할 수 있습니다. 어떤 경우에는 단순히 배치 기술을 사용하는 것이 더 적합합니다. 예를 들어, 와인은 하나의 로트(Lot) 단위로 발효되며(경우에 따라 매우 큰 로트일 수 있음), 콩은 세척, 절단, 조리, 통조림 과정을 순차적으로 거치지만 하나 이상의 로트 단위로 처리됩니다. 특수 색상의 페인트는 한 번에 하나의 로트씩 생산됩니다.
기존의 유연한 장비를 활용하면 제품 출시 시간이 일반적으로 더 짧아집니다. 이 외에도 배치 방식을 매력적으로 만드는 다양한 요인이 존재합니다. 이러한 이유들이 다양함에도 불구하고, 대부분의 결정 요인은 기술보다는 비즈니스적 필요에서 비롯됩니다.
14.1.2 일반적인 배치 처리 구성
배치 플랜트는 일반적으로 플랜트의 토폴로지(Topology)와 생산되는 제품 수에 따라 분류됩니다. 처리 활동의 유형에 따라 플랜트를 세 가지 일반적인 범주로 나누는 것이 편리합니다.
첫 번째 유형은 가장 단순한 형태로, 단일 제품을 생산하기 위해 설계된 동일한 순서를 매번 반복적으로 수행하는 플랜트입니다.
두 번째 유형은 보다 일반적이며, 동일한 일반 절차를 따르되 파라미터를 변경하여 공통 특성을 가진 제품군을 생산합니다. 이 유형의 대표적인 예는 다양한 색상이나 등급의 페인트를 본질적으로 동일한 작업 순서로 생산하는 페인트 제조 공정입니다.
세 번째 유형은 유연하고 종종 재구성 가능한 플랜트로, 다양한 제품을 생산할 수 있으며 세 가지 유형 중 가장 일반적이면서도 가장 복잡한 형태입니다. 이 유형은 제품 고유의 처리 절차를 설명하기 위해 처방 정보(Formula Information)와 특정 절차(Specific Procedure)를 모두 사용합니다. 제품 제조 규칙은 일반적으로 레시피(Recipe)로 정의되며, 이는 작업 순서뿐만 아니라 물질, 수량, 속도, 온도 등의 파라미터를 명시합니다. 하나의 제품에 대한 절차가 다른 제품의 절차와 유사할 필요는 없습니다. 이 유형의 공정은 다른 두 유형보다 제어가 훨씬 더 어렵고, 다양한 이유로 가장 일반적인 형태입니다.
14.1.3 배치 공정 제어 vs 연속 공정 제어
배치 제어와 전통적인 연속 공정 제어의 근본적인 차이는 배치 공정에서는 절차 제어가 필요하다는 점입니다. 물론 연속 공정에도 시동(Start-up)과 종료(Shutdown) 절차가 존재하지만, 이는 일반적으로 수동으로 수행되며 제어의 주요 대상에서 제외됩니다. 연속 공정에서는 전체 운전 시간의 95% 이상을 정상 상태(Steady State)로 유지하며, 시동 및 종료 절차는 전체 운전의 사소한 부분으로 간주됩니다.
반면 배치 공정에서는 공정이 작동하는 동안 절차가 100% 활성화되어 있으며, 이를 무시하기 어렵습니다.
과거에는 대부분의 배치 제조에서 절차 제어가 수동으로 이루어졌습니다. 간단한 배치 시스템은 때때로 고정된 순서를 기반으로 자동화되었으며, 이는 PLC(Programmable Logic Controller), 드럼 프로그래머(Drum Programmer), 기타 고정 순서 장치로 구현되었습니다. 유연한 공정을 위한 가변 순서를 처리할 수 있는 시스템은 1985년 이후에야 널리 보급되기 시작했습니다. 당시 여러 독자적인 배치 제어 제품들이 출시되었지만, 용어, 유연성, 기능은 매우 다양했습니다. 관심은 많았지만, 배치 제어에 대한 보편적으로 받아들여지는 접근 방식은 등장하지 않았습니다.
ISA-88 배치 제어 표준의 첫 번째 부분인 ISA-S88.01은 1995년에 발표되었으며, 이러한 상황을 변화시켰습니다. 이후 미국 국가표준협회(ANSI)에 의해 채택되어 ANSI/ISA-88.01-1995로 명명되었지만, 여전히 널리 S88로 알려져 있습니다.
S88은 표준화된 용어, 내부적으로 일관된 원칙 집합, 그리고 거의 모든 배치 공정에 적용 가능한 계층적 모델(Hierarchical Model)을 제공합니다. 실제로 S88은 절차 제어가 필요한 다양한 제조 공정에도 적용되어 왔습니다.
14.2 ANSI/ISA-88 표준이란 무엇인가?
일반적으로 S88이라 불리는 이 표준은 ANSI에서 제정한 다섯 부분으로 구성된 표준입니다. 첫 번째 부분인 모델과 용어(Models and Terminology)는 가장 중요한 원칙들을 정의하며, 본 절의 주요 논의 대상입니다. 이 외에도 응용 중심의 두 부분이 완료되어 있으며, 각각 Part 2: 데이터 구조 및 언어 지침(Data Structures and Guidelines for Language), Part 3: 일반 및 사이트 레시피 모델과 표현(General and Site Recipe Models and Representation)입니다. 2005년 기준으로 Part 4: 배치 생산 기록(Batch Production Record)**은 아직 발표되지 않았으며, 이후 발표될 예정인 Part 5: 레시피와 장비 간 인터페이스(Recipe to Equipment Interface)**도 아직 공개되지 않았습니다. ANSI/ISA 버전 외에도, 국제전기기술위원회(IEC: International Electrotechnical Commission)는 이에 상응하는 국제 표준인 IEC 61512-1을 발표하였습니다.
이 표준은 모델과 용어를 통해 공통된 배치 제어 언어를 제공하며, 계층적 레시피 관리(Hierarchical Recipe Management) 및 공정 분할(Process Segmentation)을 위한 프레임워크를 정의합니다. 기존의 제어 기술을 대체하는 것이 아니라, 개별 장비 제어에 초점을 둔 기존 기술 위에 두 개 이상의 제어 및 기능 계층을 정의합니다. 기존 제어는 루프(Loop)와 장치(Device)에 거의 전적으로 집중되어 있는 반면, 배치 제어는 이러한 루프와 장치의 상태나 목표 조건을 설정하는 절차적 및 조정 기능(Procedural and Coordinating Functions)에 중점을 둡니다.
배치 제어는 또 다른 중요한 기능을 수행합니다. 제조 데이터의 수집 및 전송은 기존 제어에서도 오랫동안 일반적인 기능이었지만, 배치 제어는 전체 공정을 비즈니스와 연결하는 데 있어 중요한 진전을 이룹니다. 절차 제어의 필요성이 명확해지면서 제어의 역할은 크게 변화하였습니다. 절차가 주요 제어 유형으로 추가되면서, 제품을 어떻게 만드는지를 무시할 수 없게 되었고, 제어 기능은 언제 어떤 제품을 만들어야 하는지도 인식해야 하게 되었습니다. 이러한 인식은 제어 엔지니어들이 더 이상 개별 장비나 소수의 공정 변수만을 다루는 “편안한 동굴”에 머물 수 없다는 점을 의미합니다. S88은 자동화 및 제어뿐만 아니라 비즈니스 프로세스(Business Process)도 설명하며, 자동화는 공정과 비즈니스 간의 연결이 잘 이루어질 때 가장 효과적으로 작동합니다. 좋든 싫든, ANSI/ISA-95.00.01-2000 – 기업-제어 시스템 통합(Enterprise-Control System Integration), 즉 ISA S95의 등장으로 인해 제어(자동화)는 더 이상 고립된 기술이 아니라 비즈니스의 주류(Mainstream)가 되었습니다. 배치 공정에서 비즈니스 요구사항을 제대로 인식하지 못하면 제어를 잘하거나 못하거나 상관없이 실패는 확실합니다.
14.2.1 원칙(Principles)
S88 표준은 배치 공정을 제어하는 데 필요한 제어 기능과 관련 용어를 일관된 방식으로 정의하는 것을 목표로 하였습니다. 이 과정에서 여러 가지 원칙이 도출되었으며, 배치 제어 구조를 살펴보기 전에 몇 가지 주요 원칙을 검토할 가치가 있습니다.
원칙 #1
가장 첫 번째이자 중요한 원칙은 제어는 기능(Function)이다라는 점입니다. 기능은 어떤 방식으로든 발생합니다. 제어를 이해하기 위해서는 어떻게 발생하는가보다 무엇이 발생하는가가 더 중요합니다. 제어는 장비가 어떤 동작을 하도록 만드는 기능이며, 그것이 어떻게 구현되었는지는 중요하지 않습니다. 수동일 수도 있고, 자동일 수도 있으며, 둘의 혼합일 수도 있습니다. 어떤 방식으로 구현되었든, 제품을 만들기 위해서는 반드시 어떤 형태로든 존재해야 합니다. 이러한 이해를 바탕으로 보면, 배치 제어는 새로운 것이 아닙니다. 오랫동안 존재해 왔으며, 대부분 수동으로 수행되었기 때문에 제어처럼 보이지 않았을 뿐입니다. 자동 제어가 잘 훈련된 사람이 할 수 있는 일을 수행하려면, 수동 제어로 구현된 제어 기능을 이해하는 것이 도움이 됩니다.
원칙 #2
레시피와 장비 제어를 분리하라. 모든 배치 공정에는 제품을 어떻게 만들 것인지 정의하는 레시피(Recipe)가 존재합니다. 초기 배치 자동화 시도에서는 레시피 정보를 장비를 조작하는 순차 제어(Sequential Control)의 일부로 포함시키는 경우가 많았습니다. ISA S88은 장비 제어가 공정 중심의 작업을 수행하도록 설계될 수 있으며, 레시피는 어떤 작업을 수행해야 하는지, 그 순서, 그리고 작업에 필요한 값이나 파라미터를 지정할 수 있다고 인식합니다. 레시피 정보를 장비 제어와 분리함으로써, 레시피가 공정을 주도할 수 있도록 할 수 있습니다. 이는 또한 레시피만 변경함으로써 장비 제어에는 아무런 변경 없이 다양한 제품이나 제품 버전을 생산할 수 있다는 의미이기도 합니다. 이러한 방식은 유연성, 비용, 신뢰성 측면에서 큰 이점을 제공합니다.
원칙 #3
레시피와 공정은 모두 더 작은 단위로 구성됩니다. 공정은 유닛(Unit)으로 구성되며, 레시피는 유닛 레시피(Unit Recipe)로 구성됩니다. 유닛 레시피는 유닛 내에서 공정 중심의 작업을 시작하도록 지시합니다. 이로 인해 제어에 대한 관점은 공정이 모듈(Module)로 구성되어 있으며, 각 모듈은 고유한 절차 제어를 가지고 있어 독립적으로 여러 공정 작업을 수행할 수 있다는 형태로 바뀝니다. 이러한 작업은 일반적으로 제품에 특화된 것이 아닙니다. 제품에 특화된 별도의 레시피가 모듈이 실행되어야 할 순서를 설정하고, 실행 시 사용할 값을 제공합니다.
원칙 #4
장비 모듈화(Equipment Modularity). 공정 셀(Process Cell)은 공정에 필요한 모든 장비를 포함하지만, 레시피는 유닛을 지시합니다. 유닛은 주요 모듈이며, 장비 모듈(Equipment Module)과 제어 모듈(Control Module)이라는 하위 모듈로 구성됩니다. 그 결과, 그림 14-1에 나타난 것처럼 각 모듈은 하위 모듈로 구성된 계층 구조를 가지게 됩니다. 장비 계층의 각 수준은 그림 14-1에 표시된 제어 기능 계층(Control Functionality Hierarchy)과 연계되어 있으며, 각 계층은 서로 다른 기능적 목적을 가지고 있습니다.
원칙 #5
장비 엔터티(Equipment Entities). 기존에는 제어와 장비를 별도로 바라보는 것이 일반적이었으며, 이는 그림 14-1에서도 나타납니다. 대부분의 제어가 단일 장비 또는 소규모 장비 그룹에 연결되어 있었던 시기에는, 공정 전체에서 하나의 자동 장비 제어 수준만 존재한다고 볼 수 있었습니다. 공정을 장비가 작업을 수행하고, 제어는 밸브나 모터 같은 최종 제어 요소를 설정하거나 조절하여 작업을 돕고 안정성을 유지하는 별개의 요소로 간주할 수 있었습니다. 그러나 장비와 제어의 계층 구조에서는 각 계층이 고유한 기능과 절차 제어를 가지며, 이는 대규모 장비 그룹에 영향을 미칩니다. 따라서 제어를 장비와 별개의 단일 요소로 보는 것은 더 이상 적절하지 않습니다. 이로 인해 장비 엔터티(Equipment Entity)라는 개념이 도입되었습니다. 장비와 제어를 하나의 통합된 엔터티로 생각하면, 해당 엔터티는 명령을 받을 수 있고, 명령된 기능을 수행할 수 있으며, 수행 결과를 보고할 수 있는 장비로 간주할 수 있습니다.
장비 계층의 각 수준에서, 정의된 장비와 해당 수준에 필요한 모든 제어 기능을 통합한 객체를 하나의 단위로 생각할 수 있으며, 이를 표준에서는 장비 엔터티라고 정의합니다. 이 개념은 모든 계층에 적용되며, 따라서 장비 엔터티의 계층 구조가 형성됩니다. 즉, 공정 셀 엔터티(Process Cell Entity), 유닛 엔터티(Unit Entity), 장비 모듈 엔터티(Equipment Module Entity), 제어 모듈 엔터티(Control Module Entity)가 존재합니다. (참고: 이는 개념이지 구현 방식은 아닙니다. 제어는 수동으로 구현되거나 원격 장치에서 실행될 수도 있지만, 특정 장비 그룹을 제어하기 위한 기능은 해당 장비 그룹에 직접 매핑될 수 있도록 구현되어야 합니다.)
모든 수준의 장비 엔터티는 독립적인 기능을 가지며, 단독으로 존재할 수 있습니다. 장비를 포함하고 있으며, 제어 방식이 어떻게 구현되었든 해당 제어에 의해 정의된 기능을 수행합니다. 수동일 수도 있고, 자동일 수도 있으며, 둘의 혼합일 수도 있지만, 제어와 장비가 모두 있어야 장비 엔터티가 성립됩니다.
14.2.2 모듈(Modules)
ISA S88 표준 전체는 어떤 공정이든 이 표준에서 설명하는 모듈로 분해할 수 있다는 전제에 기반합니다. 실제로 공정을 최적으로 분할하여 모듈 경계를 정의하려면 공정과 제어에 대한 깊은 이해가 필요하며, 경험이 있으면 더 쉽게 수행할 수 있습니다. 이는 본 개요의 범위를 벗어나지만, 계층 내 모듈에 대한 충분한 이해는 필수적인 첫걸음입니다. 장비 엔터티의 계층 구조는 그림 14-2에 나타나 있습니다.
공정 셀(Process Cell)
공정 셀은 전체 시스템을 의미하며, 하나 이상의 제품을 생산하는 데 필요한 모든 장비 엔터티(모듈)를 포함합니다. 이는 비즈니스와의 인터페이스 역할을 합니다. ANSI/ISA-95.00.01-2000 – 기업-제어 시스템 통합(Enterprise-Control System Integration)에서는 이를 작업 센터(Work Center)라고 부르며, 이는 모든 유형의 제조를 포괄하는 일반 용어입니다. 그러나 배치 공정에 대해서는 여전히 공정 셀(Process Cell)이라는 용어를 사용합니다. 공정 셀은 대부분 유닛(Unit)과 그 구성 요소들로 이루어져 있으며, 동시에 하나 이상의 배치(Batch)가 활성화될 수 있습니다. 각 배치는 동일하거나 서로 다른 장비 경로를 따를 수 있으며, 하나의 배치가 공정 셀 내 모든 장비를 사용할 필요는 없습니다. 동일한 제품의 모든 배치가 동일한 경로를 따라야 하는 것도 아닙니다. 공정 셀의 주요 기능은 적절한 시점에 적절한 유닛에 적절한 유닛 레시피 정보를 전달하고, 배치와 유닛을 질서 있게 정리된 공정 흐름으로 유지하는 것입니다.
하위 모듈(Subordinate Modules)
유닛(Unit)은 독립적으로 제품을 생산할 수 있는 유일한 장비 그룹입니다. 이는 자동 제어를 위한 S88의 주요 모듈입니다. 하나의 배치를 생산하려면 일반적으로 여러 유닛이 필요하지만, 단일 유닛에서도 배치를 완료할 수 있습니다. 유닛은 장비 모듈(Equipment Module)과 제어 모듈(Control Module)로 구성됩니다. 제어 모듈은 필수이지만, 장비 모듈은 선택 사항이며 많은 경우 필요하지 않을 수도 있습니다. 장비 모듈을 사용하는 경우, 유닛의 영구적인 구성 요소일 수도 있고, 공통 자원(Common Resource)으로서 일시적으로 유닛에 연결되었다가 작업이 끝나면 다른 유닛에서 사용할 수 있도록 해제될 수도 있습니다. 그러나 일단 공통 자원이 유닛에 연결되면, 해당 유닛의 영구적인 객체처럼 작동합니다.
유닛(Unit)
유닛은 자동 제어를 위한 S88의 기본 모듈입니다. 최소한 하나의 유닛 없이는 어떤 것도 생산할 수 없습니다. 유닛의 주요 기능은 유닛 절차(Unit Procedure), 작업(Operation), 단계(Phase)와 같은 절차적 요소를 구성하고 실행하는 것입니다. 유닛 절차는 작업과 단계의 계층 구조로 구성되며(그림 14-3 참조), 작업은 순서가 지정된 단계 집합으로 구성됩니다. 작업은 단계들을 실행하거나 실행을 유도하여 공정 작업을 수행합니다.
유닛에서는 한 번에 하나의 배치(Batch)만 활성화될 수 있지만, 해당 배치에 대해 여러 작업을 동시에 수행할 수 있습니다. 이는 유닛이 동시에 둘 이상의 단계를 실행할 수 있기 때문입니다. 유닛은 S88에서 가장 핵심적인 모듈입니다.
장비 그룹이 유닛인지 어떻게 판단할 수 있을까요? 장비 그룹이 작동하기 위해 가변적인 절차나 작업 순서를 필요로 한다면, 그것은 유닛입니다. 그렇지 않다면 대부분 유닛의 일부일 가능성이 높습니다. 유닛은 일반적으로 혼합 탱크(Mixing Tank)나 반응기(Reactor)와 같은 주요 처리 장비를 중심으로 구성됩니다. 유닛은 물질 혼합, 화학 반응 개시, 배치 냉각 등 제품 관련 처리 절차를 수행합니다. 유닛은 한 번에 하나의 배치 또는 배치의 일부만 처리할 수 있으며, 이는 한 번에 하나의 유닛 절차만 실행할 수 있기 때문입니다. 유닛은 레시피의 일부인 유닛 레시피(Unit Recipe)를 받아 단일 제품을 생산하는 소규모 공정으로 작동합니다.
유닛의 구성 요소
레시피는 유닛만을 대상으로 하지만, 유닛은 더 작은 모듈들로 구성됩니다. 유닛을 여러 작은 구성 요소로 조립함으로써 모든 장비를 모듈화할 수 있으며, 이는 블록처럼 조립하여 유닛을 “구성”할 수 있게 합니다. 모듈화된 장비 엔터티는 유닛 정의를 쉽게 할 수 있을 뿐만 아니라, 재사용성을 가능하게 하여 큰 가치를 창출하고 기능의 일관성을 높일 수 있습니다. 유닛의 하위 구성 요소는 절차 제어를 중심으로 작동하는 유닛의 특성상 필수적입니다. 유닛은 장비 모듈(Equipment Module)이 존재할 경우, 해당 모듈에 언제 어떤 단계를 실행할지를 지시하며, 제어 모듈(Control Module)에는 어떤 상태나 조건을 어떤 순서로 설정할지를 지시합니다. 제어 모듈은 밸브나 제어 루프와 같은 장비를 실제로 제어합니다. 유닛 또는 장비 모듈은 제어 모듈에 특정 조건을 설정하라고 명령하며, 제어 모듈은 해당 조건을 설정하고 유지하려고 노력합니다. 제어 모듈은 장비를 조작하고 공정 조건을 측정하는 물리적 액추에이터(Actuator)와 센서(Sensor)를 포함합니다.
제어 모듈(Control Modules)
제어 모듈 자체는 새로운 개념이 아닙니다. 제어 모듈은 전통적인 공정 제어(Process Control) 영역에서 오랫동안 사용되어 왔습니다. S88에서의 차이점은 제어 모듈 엔터티를 하나의 모듈로 간주하여, 해당 수준에서 수행되는 모든 기본 제어를 재사용 가능한 모듈로 캡슐화한다는 점입니다.
제어 모듈은 공정 액추에이터와 센서뿐만 아니라 다른 단순한 제어 모듈들과 직접 연결되어 있습니다. 이러한 단순 제어 모듈은 본질적으로 전통적인 제어에서 오랫동안 존재해온 루프나 장치입니다. 기본 제어는 대부분 이곳에서 이루어지며, 실질적인 제어가 수행되는 지점입니다. 제어 모듈에 포함된 모든 요소는 하나의 엔터티로 간주됩니다. 제어 모듈의 주요 목적은 공정 상태나 조건을 설정하고, 가능한 한 그 상태를 유지하는 것입니다. 루프 구성에서는 공정 값을 설정하고 유지하는 것이며, 장치 구성에서는 장비 상태를 설정하고 유지하는 것입니다. 제어 모듈은 다른 제어 모듈을 포함할 수도 있으며, 단순하든 복합적이든 기능은 동일합니다. 상태를 설정하고 유지하는 것입니다. 복합 제어 모듈의 일반적인 예는 네 개의 밸브가 목적지를 선택하는 밸브 헤더(Valve Header)입니다. 각 밸브는 표준 단순 제어 모듈로 구성되며, 전체 제어 모듈은 적절한 밸브를 열고 나머지를 닫는 역할을 합니다. 전체 제어 모듈에 대한 명령은 목적지일 수 있으며, 보고되는 상태는 “전환 중”, “상태 x에 도달”, 또는 “알람”일 수 있습니다.
최종 제어 요소(Final Control Element)를 직접 조작할 수 있는 것은 제어 모듈뿐입니다. 다른 모든 모듈은 하나 이상의 제어 모듈에 명령을 내림으로써 장비에 영향을 줄 수 있습니다. 모든 물리적 장비는 하나의 제어 모듈에 의해 제어됩니다. 센서의 경우는 다릅니다. 측정 장비가 어떤 제어 모듈에 포함되어 있든 관계없이, 모든 모듈은 해당 정보를 공유할 수 있습니다. 제어 모듈은 단계를 실행하지 않으므로 공정 중심의 작업을 수행하지 않습니다. 제어 모듈은 상태나 조건을 설정하고 유지하는 데 집중합니다. 그러나 제어 모듈은 명령된 상태로 전환하기 위해 필요한 중간 단계들을 장비에 수행시킬 수 있습니다. 이는 절차가 아니라 상태 전환 로직(State Transition Logic)입니다. 일반적인 상황에서는 제어 모듈이 특정 상태로 전환하라는 명령을 받습니다. 그러면 장비를 해당 상태로 도달하기 위한 단계들을 거치게 하며, 명령된 상태를 유지하려고 노력하고, 상태 유지가 불가능할 경우 상태를 보고하고 알람을 발생시킵니다.
장비 모듈(Equipment Modules)
장비 모듈은 유닛과 제어 모듈을 이해한 후에 보면 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 장비 모듈은 본질적으로 자체 단계(Phase)와 제어 모듈을 포함한 유닛의 일부입니다. 이러한 모듈은 유닛이 공통 자원(Common Resource)을 획득하여 공정 중심의 작업을 수행할 수 있도록 하기 위해 필요합니다.
예를 들어, 여러 유닛에 원료를 공급할 수 있지만 한 번에 하나의 유닛에만 공급할 수 있는 원료 공급 시스템이 이에 해당합니다. 이 시스템은 특정 유닛에만 속할 수 없기 때문에, 자체 절차(단계)를 포함한 하나의 독립된 모듈로서 일시적으로 유닛에 연결되어야 합니다. 연결되면 특정 목적지에 특정 물질을 공급하라는 명령을 받고 이를 수행한 후, 다음 공급 명령을 기다리거나 해제됩니다. 해제되면 어떤 유닛에도 속하지 않으며, 다시 연결되기 전까지는 배치 생산에 기여할 수 없습니다.
장비 모듈은 제어 모듈 엔터티와 자체 제어(하나 이상의 단계)로 구성됩니다. 장비 모듈은 최소한 하나의 단계를 가져야 기능할 수 있으며, 단계가 없다면 그것은 제어 모듈입니다. 장비 모듈은 유닛의 영구적인 구성 요소로 설정될 수도 있습니다.
일시적으로 연결되든, 유닛의 영구적인 일부로 설정되든, 장비 모듈은 유닛에 서비스를 제공하기 위해 존재합니다. 이들은 자체 제어 모듈을 사용하여 비교적 단순하고 전용적인 절차 작업을 수행합니다. 유닛은 단계를 실행할 수 있고 제어 모듈을 포함하고 있기 때문에, 장비 모듈이 영구적으로 구성되어 있지 않아도 동일한 공정 작업을 수행할 수 있습니다.
따라서 많은 유닛은 장비 모듈 없이도 공정을 수행할 수 있으며, 장비 모듈을 유닛의 영구 구성 요소로 사용하는 것은 특정 단계를 장비 모듈 외부의 제어 모듈이 명령하지 못하도록 분할하는 데 유용할 수 있습니다.
14.3 레시피(Recipe)
유닛(Unit)은 공정 중심의 작업을 수행합니다. 레시피는 어떤 작업을 실행할지, 어떤 순서로 실행할지, 실행 중에 사용할 파라미터나 값을 지정함으로써 공정을 특정 제품을 생산하는 기계로 전환시킵니다. 레시피는 비디오 게임의 카트리지와 비슷한데, 새로운 카트리지를 삽입하면 게임 컨트롤러의 제어 회로에는 아무런 변경이 없어도 게임 자체가 완전히 바뀌는 것과 같습니다.
레시피는 제어 코드보다 작성하기 쉬우며, 초보자가 잘못된 선택을 하더라도 심각한 문제가 발생하지 않도록 제어 코드에 보호 장치를 내장할 수 있기 때문에 훨씬 더 안전합니다. 일반적으로 장비 제어는 제어 엔지니어(Control Engineer)의 영역이며, 공정에는 익숙하지만 제어 전략에는 익숙하지 않은 공정 엔지니어(Process Engineer)나 기타 담당자가 레시피를 작성할 수 있습니다.
ISA S88은 레시피를 다음의 다섯 부분으로 정의합니다:
- 헤더(Header) — 레시피 ID, 설명, 작성자 이름, 작성 및 수정 날짜, 참조 문서, 변경 이력 등 관리 정보를 포함합니다.
- 절차(Procedure) — 제품을 생산하기 위해 필요한 작업(Operation)과 단계(Phase)의 순서를 정의합니다.
- 포뮬러(Formula) — 단계 실행 시 필요한 투입 물질, 예상 산출물, 기타 파라미터를 정의합니다.
- 장비 요구사항(Equipment Requirements) — 제품을 생산하는 데 필요한 장비 또는 장비 클래스(Class)를 정의합니다.
- 기타 정보(Other Information) — 제품별 안전 및 규제 관련 정보 등을 포함합니다. (물질안전보건자료(MSDS)나 표준 운송 요구사항 등과 같은 전사적 정보는 포함되지 않습니다.)
표준에서는 다음과 같은 네 가지 유형의 레시피도 정의합니다:
- 일반 레시피(General Recipe) — 조직 또는 기업의 최고 수준에서 존재하는 처리 계획의 형태입니다. 제품 및 화학적 특성에 따라 정의되며, 파라미터와 처리 단계는 일반적이고 제한 없이 기술됩니다. 배치 크기나 특정 장비 선택과 같은 정보는 이후 단계의 레시피에서 정의됩니다.
- 사이트 레시피(Site Recipe) — 일반 레시피와 유사하지만 특정 플랜트 사이트에 맞게 조정된 버전입니다. 경우에 따라 레시피에 변경이 없을 수도 있고, 지역 규정, 보고서 언어, 운영자 디스플레이 언어 등과 같은 정보가 추가될 수도 있습니다.
- 마스터 레시피(Master Recipe) — 특정 공정 셀(Process Cell) 또는 본질적으로 동일한 공정 셀 집합에 맞게 작성된 레시피 형태입니다. 원료는 현지 코드로 지정되며, 수량은 공학 단위로 표시됩니다. 이는 해당 공정 셀에서 실행 가능한 레시피의 템플릿 역할을 합니다.
- 제어 레시피(Control Recipe) — 실행 가능한 레시피입니다. 마스터 레시피를 복사하여 시작되며, 특정 배치에 맞게 추가로 수정됩니다. 배치 ID나 원료 로트(Lot) 등의 정보는 이 단계에서 정의될 수 있습니다. 제어가 수동일 경우, 이를 “배치 카드(Batch Card)” 또는 유사한 용어로 부르기도 합니다. 제어 레시피와 마스터 레시피의 차이점은, 마스터 레시피에서 선택 사항이었던 내용이 제어 레시피에서는 확정된 실행 항목이 된다는 점입니다.
14.3.1 일정(Schedule)
전통적인 제어에서는 일정(Schedule)이 운영 부서에서 관리되는 요소로 간주됩니다. 그러나 배치 제어에서는 일정이 동일한 부서에서 제공되더라도 제어의 핵심적인 부분으로 작용합니다. 레시피가 제품을 만들기 위해 실행되어야 할 작업을 지시하는 것처럼, 일정은 비즈니스 요구사항을 충족시키기 위해 실행되어야 할 레시피를 지시합니다.
일정에는 제어 레시피(Control Recipe)를 특정 배치에 맞게 수정하는 정보도 포함될 수 있습니다. 일정은 공정과 비즈니스를 연결하는 주요 수단이며, 공정을 비즈니스에 연결하는 대부분의 정보를 포함합니다. 배치 환경에서는 일정이 공정의 성능에 큰 영향을 미치며, 잘 설계된 일정은 품질, 비용, 처리량, 재고 및 기타 생산 지표를 직접적으로 개선할 수 있습니다. 반대로, 잘못 설계된 일정은 이러한 지표를 최대 50%까지 악화시킬 수 있습니다.
14.3.2 레시피 연결(Recipe Linkage)
레시피는 공정 셀(Process Cell) 내의 고수준 제어 활동을 통해 유닛(Unit)과 연결됩니다. 절차 제어 모델은 분리되어 있으며, 일부 절차(제품 관련 부분)는 레시피에 포함되고, 나머지(제품과 무관한 부분)는 유닛에 포함됩니다.
절차 모델의 어느 수준에서든 연결이 이루어질 수 있지만(그림 14-3 참조), 가장 일반적인 연결 수준은 그림 14-4에 나타난 바와 같이 단계(Phase) 수준입니다. 이 예시에서는 레시피 단계가 장비 단계(Equipment Phase)와 연결됩니다. 장비 단계는 장비 제어에 내장된 제어 기능으로, 절차를 수행합니다. 이 제어는 제어 코드로 구현될 수도 있고 수동으로 구현될 수도 있지만, 공정 중심의 작업을 수행하는 장비 단계라는 점은 동일합니다.
14.3.3 통합(Tying It All Together)
배치를 시작하기 위해 공정 셀 수준에서 일련의 논리적인 절차가 수행됩니다. 먼저, 배치가 일정에 따라 계획되어야 하며, 해당 정보는 공정 셀의 일부인 공정 관리 기능(Process Management Function)에 전달되어야 합니다.
공정 셀은 적절한 마스터 레시피(Master Recipe)의 복사본을 요청하고, 해당 복사본에 고유한 배치 ID를 부여하여 제어 레시피(Control Recipe)로 전환합니다. 이후, 해당 배치에 맞게 제어 레시피를 추가로 수정합니다.
그 다음, 제어 레시피를 유닛 레시피(Unit Recipe)로 분할하고, 적절한 유닛이 사용 가능할 때 해당 유닛에 유닛 레시피를 전달합니다. 이 시점부터 실제 공정 처리가 유닛 내에서 수행됩니다. 유닛이 필요한 처리를 모두 완료하면, 유닛은 유휴 상태가 되어 공정 셀이 다음 배치에 할당할 수 있게 됩니다.
14.4 요약(Summary)
배치 공정의 자동 제어는 공정이자동으로 올바르게 작동하도록 만드는 것을 의미합니다. 이를 위해서는 공정이 어떻게 운영되어야 하는지에 대한 지식이 필요합니다. 따라서 배치 자동화의 첫 단계는 공정을 어떻게 운영해야 하는지에 대한 근본적인 이해를 요구하며, 이는 매우 상세한 수준까지 파악해야 합니다. 또한 비즈니스 요구사항이 변경될 수 있음을 인식하고, 공정 운영 방식도 이에 따라 변경될 수 있어야 합니다.
이는 일반적인 엔지니어링 제어 문제를 넘어서는 영역입니다. 제어 루프나 밸브에만 집중해서는 해결할 수 없습니다. 해결책은 필요한 기능에 초점을 맞추어야 하며, 배치 제어가 비즈니스와 연결되어 있다는 점을 인식하고, 비즈니스 요구사항을 충족시킬 수 있을 만큼 유연해야 합니다.
규제 제어(Regulatory Control)는 1980년대부터 존재해온 기술로, 플랜트를 운영하는 사람들이 더 나은 작업을 수행할 수 있도록 도와줍니다. 이는 오늘날의 처리 플랜트에서 필수적인 구성 요소이며, 이제는 선택적인 기술이 아니라 안전 및 위생과 관련된 필수 기술로 간주됩니다.
배치 제어는 규제 제어에 의존하며, 이를 지시하는 기술입니다. 또한 플랜트가 어떻게 운영될지를 정의합니다. 배치 제어는 곧 자동화(Automation)입니다.