Technical Report

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배치 프로세싱, 동력을 얻다
보다 나은 데이터 분석과 프로세스 제어는 많은 이점을 제공한다.

Sean Ottewell 
Large에디터

 분석과 자동화의 발전은 배치 프로세싱(batch processing) 과정에 존재하는 어려움을 극복하는데 있어 효과적인 영향을 제공한다.
2011년 CP는 프랑스의 Rouen에 위치한 Lubrizol의 플랜트에서 (Online Analytics Improve Batch Operations) 에머슨과 Lubrizol가 프로토 타입 온라인 다 변수 배치 분석 소프트웨어에 대해 6 개월간에 걸쳐 실시한 현장 테스트 결과를 발표했다. 데이터를 분석한 결과, 생산에 대한 이점이 상당히 존재하는 것으로 밝혀졌다. 구성요소 밀도에서의 배치 간 변수로 인하여 발생되는 막힘 현상(plugging)과 관련된 문제를 극복하는 것과, 리액터(reactor) 냉각 시스템과 관련된 문제를 확인하는 것이 이러한 이점에 포함된다.  

성공적인 테스트의 현장
 DSM-Martek, Kingstree, S.C.,는 유아 이유식에 들어가는 전매특허의 DHA 영양 오일 생산을 위한 조류(algae) 발효 프로세스에 대한 실험을 수행했다. 배치 분석 소프트웨어로 생산된 새로운 데이터를 기반으로, 프로세스의 발전도 이룩할 수 있었다. 예를 들어, 엔지니어는 프로세스 내의 모든 핵심 제어 루프를 분석하였으며, 프로세스 제어의 향상을 위해 온도 및 용존 산소량을 위한 설정을 조절했다. DSM-Martek 또한 제품의 품질이 여러 프로세스의 매개변수 간의 상호작용에 굉장한 수준으로 의존한다는 것을 알아냈으며, 여기에는 접종(inoculation) 환경과 거품억제 추가의 범위, 그리고 용존 산소량의 레벨이 포함되어 있다. 또한 소프트웨어에서 발생한 초기 오류의 감지는 핵심적인 프로세스 매개변수와 비 핵심적인 프로세스 매개변수를 유지하는 제어실의 작업자를 보조한다.

 “이러한 프로젝트는 Batch Analytics 소프트웨어의 프로토 타입을 테스트합니다. 이것은 2013년 중반기 즈음에 DeltaV 12의 일부로서 완전히 출시될 예정입니다”라고 Texas의 Round Rock에 위치한 에머슨 프로세스 매니지먼트 DeltaV 배치 제품 매니저 및 CP의 공동 저자인 Dawn Marruchella는 말한다.
현재 오하이오 Wickliffe의 Lubrizol과 시카고의 MillerCorrs, 그리고 미국을 기반으로 하는 주요 제약회사인 세 기업이 Batch Analytics의 베타 버전을 테스트하고 있다.
MillerCoors는 현재 베타 버전을 완전하게 설치한 유일한 기업이다. 또한 이미 프로세스 상의 이점을 경험하고 있다. 예를 들어, 소프트웨어를 사용하는 하나의 라인을 소프트웨어를 사용하지 않는 라인과 비교함으로써, 이 기업은 핵심적인 피드(feed)가 프로세스에 추가되는 방식으로 중요한 제어 관련 문제를 확인했다. 또한 프로세스의 단계를 개시하는 트리거(trigger)가 라인의 효율에 있어 전체적인 감소를 유발했다는 점을 발견했다. 이러한 방식으로 이 기업은 증기 압력의 변수와 관련하여 두 가지 유사한 생산 기기 운용 비율상의 차이점을 정확하게 밝혀낼 수 있었다. 또한 MillerCoors는 운영되는 코스 전체적으로 핵심 프로세스 매개변수가 너무 낮다고 결론 내렸다. 결과적으로, 이 기업은 현재 사용 현장에서 열 교환기를 사용하고 있다. 마지막으로 Batch Analytics 소프트웨어는 공급수 시스템의 pH 측정기의 검교정에 문제가 생겼으며, 이것이 제어와 관련된 문제의 원인이라는 것을 밝혀냈다. 

 모든 사용자들이 성공을 거둘 수 있는 핵심 중 하나는 수많은 배치 비교 데이터를 신속하게 발생시킬 수 있는, 조제탱크(preparation tanks)와 같은 단순한 소형기기에 초점을 맞추기 시작하는 것이었다. “시작 시 사용할 발효기를 선택하였다면 프로세스는 배치 실행에 2주라는 시간을 소비합니다. 따라서 결과를 얻기 시작하는 데는 긴 시간이 걸립니다. MillerCoors는 이러한 과정의 진행을 원했으나, 이후 각기 다른 프로세스 기기에 대한 소프트웨어를 적용한 후 일주일에 50개 이상의 배치를 운영하면 유용한 데이터에 더욱 신속하게 접근할 수 있을 것이라 결론을 내렸습니다.”

 베타 테스터 중 하나에 대해 비즈니스 시스템과의 첨단 간(end-to-end) 통합은 프로젝트의 핵심적인 부분이었다. “기업이 ERP(전사적자원관리) 시스템과 LIMS(실험실 정보 관리 시스템)에 저장된 데이터에 자동으로 접근하고 이를 이용할 수 있는 방식으로 배치 분석 제품을 통합하는 데는 많은 작업이 요구되었습니다. 그러나 모든 테스터는 기업의 히스토리안(historian), LIMS 또는 ERP 시스템과 같은 외부 시스템에 데이터의 일부를 보유하고 있었습니다”라고 Marruchella는 언급한다.
사용의 용이성 역시 중요한 문제이다. “제품 운영을 위해 통계적 프로세스 제어 분야에 박사 학위를 필요로 하지 않는 제품을 생산하는 것이 중요합니다. 사용자들이 보다 자세한 정보를 제공받고 자신의 프로세스에 대해 보다 잘 이해할 수 있도록 단순화하는 것이 목표입니다”라고 그녀는 덧붙인다.

배치 자동화
 단순화는 배치 자동화에 있어 핵심적인 역할을 한다고 Phoenix의 Ariz에 위치한 Honeywell Process Solutions는 강조한다. “저희는 자동화에 있어서 인간이라는 요소에 대해 많은 연구를 해 왔습니다. 예를 들어, 작업자가 잠재적인 문제에 관심을 갖는 경우, 제품 정보 및 세부사항을 살펴보는 일은 매우 용이합니다. 수단(recipes)이 다양해짐에 따라 이 중요성은 증대됩니다. 매우 엄격한 제품 세부사항을 지님으로써 가격과 이윤 상의 이득을 증대시킬 수 있습니다”라고 영국 기반의 Chris Morse의 매치 제품 매니저인 Reading은 설명한다.

“작업자의 이동성은 또 다른 중요한 문제이며, 작업자가 아이패드(ipad)를 통해 프로세스의 정보에 어떻게 접근하는가 하는 문제가 이에 속합니다. 이는 유용성의 중요성과도 관련이 있습니다. 관련된 모든 작업자의 작업을 훨씬 용이하게 함으로써, 생산성을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 저희는 인간이라는 요소에 매우 집중하고 있습니다.”
그러나 새로운 배치 솔루션을 도입하는 가장 큰 동력은 이용 가능성이다. 지난 몇 년 간, Honeywell은 배치 활동의 보관 및 실행을 Windows 서버에서 DCS[분산 제어 시스템] 컨트롤러로 이동시켰다. Morse는 이것이 독특한 결정이었다고 표현한다. 이동의 계기는, 운영 중 Windows 서버에 문제가 발생하면, 사용자는 서버가 다운된 동안 배치에 무슨 이유 때문에 어떤 일이 일어났는지 실제로 알지 못한다는 것이다. 이는 배치의 품질 상태에 대한 암시이기도 한다. DCS가 보다 견고하다. 특히 여분(redundancy)의 역할인 경우에는 더욱 그러하다.

“서버가 중요한 또 다른 이유는 화학물질과 관련이 있습니다. 컨트롤러와 배치 서버 간의 커뮤니케이션을 상실하면 굉장히 위험한 상황이 발생될 수 있습니다. 또한 컨트롤러의 배치 프로세스를 운영할 수 있는 라이프사이클의 비용이라는 문제 역시 존재합니다. 예비용 컨트롤러에 의해 교체되는 서버의 스탠바이(standby) 형을 기준으로 보통 연간 22,000 달러에 달합니다”라고 Morse는 덧붙인다. 

 이와 같은 이동의 흥미로운 장점 중 하나는 DCS 컨트롤러가 신속하여 배치 간의 사이클 시간(cycle time)이 감소될 수 있다는 점이다. 이로 인하여 연간 3%의 제품을 추가로 생산할 수 있다고 그는 언급한다.
이처럼 중간 정도의 가치를 지니는 전문 화학약품의 제조사는 연간 94 개의 추가 배치를 관리했으며, 연간 이익은 연간 $564,000 증대되었다.
제어 시스템의 기능은 다른 이익을 창출하고 있다. 델라스에 위치한 Kronos Worldwide는 Honeywell Experion Process Knowledge System (PKS) 자동화 플랫폼과 ACE-T 설치 후 독일의 Leverkusen에 위치한 산화타이타늄 플랜트에서 중요한 여러 가지 이점을 얻었다. 여기에는: 생산 가능성을 확대하는 새로운 레시피 시스템; 배치의 진행에 대한 작업자의 보다 향상된 인식; 문제 발생 시의 반자동화 모드; 가동 중단 중 플래그(flag)와 수(numerics) 검색이 불필요해짐; 그리고 새로운 사용자 친화적인 작업자 스크린이 속한다.

 서류작업의 실행, 검토 및 유지에 소요되는 비용이 불필요해짐에 따라 제약 분야와 같은 산업에서는 지출을 상당히 감소시킬 수 있다. 독일 Bibrach에 위치한 다제품 생물 약제 플랜트인 Boehringer Ingelheim은 사무 자동화와 미국의 U.S. Title 21 CFR 11에 적합한 데이터 수집 및 보관을 위하여 Experion PKS를 사용하고 있다. “Boehringer 및 다른 일반적인 고객들은 Experion PKS의 사무자동화 솔루션에 의해 연간 $100,000의 비용을 절감할 수 있습니다”라고 Morse는 예상한다. 또한 그는 전체적으로 향상된 프로세스 제어 능력으로 인해 화학약품 산업이 보다 제어된 환경에서, 가능한 일종의 첨단 간(end-to-end) 제어를 실행하기 위해 유의미한 변화를 보일 것으로 예상하고 있다. 특히 그는 컨트롤러 환경설정의 관리와 배치의 실행 후 분석(post-execution analysis), 회계 감사가 가능한 작업자 행위 및 비-자동 재료 추가에 대한 바코드 확인을 핵심적인 문제, 특히 전문 화학 약품 부문의 핵심적인 문제로 언급하고 있다. 

 
“이는 특히 품질과 관련하여 엄청난 가치를 제공합니다. 예를 들어, 5 년 전 서로 다른 300 가지의 제품을 생산하던 저희 고객 중 하나는 현재 700 가지의 제품을 생산하고 있으며, 곧 1,000 가지의 제품을 생산할 예정입니다. 우리의 솔루션으로 이러한 많은 수의 제품을 훨씬 더 용이하게 관리할 수 있습니다. 단일 아키텍처는 보다 유연한 레시피 환경설정, 예를 들어 제품의 차이를 위하여 계산을 통해 수치에 변화를 줌으로써 이를 시행 시간 중 단일의 주요 레시피에 실행할 수 있습니다. 이는 일반적으로 서버에서 가능한 기능이 아닙니다. 두 번째로, 주요 레시피는 특정한 기기 클래스에 반하여 실행될 수 있습니다. 이전 세대의 배치 자동화는 모든 기기의 클래스가 동일하다고 가정하였으나, 사실 이러한 경우는 극히 드뭅니다. 저희의 제품은 서로 다른 기기를 관리할 수 있습니다. 마지막으로 네이밍(naming)과 분리 및 레시피 구조를 위한 도구를 보유함으로써 엄청난 수를 간단하게 처리할 수 있습니다.”
Morse는 앞으로는 통합을 확장하는 일이 훨씬 더 중요해질 것이라고 주장하고 있다. 예를 들어 하나의 자동화 플랫폼이 원재료의 적재 구획부터 규제 관련 기록까지 모든 것을 아우를 것이라고 한다.

더 긴밀한 통합을 위하여

이미지1. 전체적인 생산 계획에 배치 운영으로 인하여 엄청난 수준의 이익이 보장된다.

맥락화 (CONTEXUALIZATION)
 보다 강력한 분석을 통해 훨씬 많은 정보를 생산한다. 엄청난 양의 데이터를 관리하는 핵심은 이것들을 맥락화하는 것이라고 Invensys의 Michael Schwarz는 말한다. 그는 독일 Dusseldorf를 기반으로 하는 MES(제조 실행 시스템), EMI(기업 제조 인텔리전스) 및 배치 소프트웨어 제품 마케팅 매니저이다.
“이는 배치 계획수립 및 실행 정보를 다른 관련 정보에 대해 맥락화합니다. 관련 정보에는 LIMS나 품질 관리 시스템에서 관리되는 품질 관련 결과; 히스토리안(historian)에서의 고해상도 프로세스 행위 관련 정보; 비즈니스 시스템에서만 존재하며, 배치에서 유래한 제품의 포장 및 선적과 같은 비배치 프로세스 정보를 포함하는 비용 관련 정보가 여기에 포함됩니다”라고 그는 언급한다. 

 
 Invensys는 Wonderwave Intelligence 소프트웨어(MES, InBatch 등)에서 여러 시스템에 상황 인지 모델링(context modeling)을 제공한다. 이는 사전에 정의된 정보 모델과 상호적인 대시보드 보고서와 함께 제공된다. 이 모델에는 계획수립/일정관리를 위한 ERP와 비용 정보와 같은 요구되는 시스템으로부터의 입력이 포함될 수 있다.
“제조 인공지능 접근법으로 이전에는 플랜트나 기업 운영을 위해 존재하지 않았던 정보를 분석하고 모니터링 할 수 있게 됩니다. 동시에 배치 운영을 위한 상황 인지(context)와 품질, 비용 및 자산 성능을 추가합니다. 이는 각각의 애플리케이션 내에서는 분석 및 이해가 불가능한 잠재적인 발전을 이룩해낸 것입니다”라고 그는 설명한다. 
예를 들어 소비재 제품(CPG)과 식음료 부문의 경우, 첨단 간 생산 제어의 어려움은 아무도 전체적인 제조 운영 시스템에서 배치 운영을 적절하게 표현하는 일일 것이다(이미지1).

 “저희는 배치 단계와 저희 시스템 플랫폼 플랜트 모델에서의 배치 도구를 나타낼 플랫폼 애플리케이션 요소에 투자하고 있습니다. 이는 InBatch 환경설정으로부터 모델을 자동 생산하는 데 도움을 줄 것입니다. 이러한 기능이 이용 가능해지면 시스템 플랫폼에서 발생된 배치 모델은 MES 기능에 의해 향상 가능하여, 상세 데이터를 배치 단계에 제공하거나 실행, 이벤트, 소비, 생산 및 배치 운영에서 얻은 양질의 데이터를 수집할 수 있습니다. 이러한 플랫폼 애플리케이션 요소는 2013년 4월이나 5월경에 출시될 예정입니다. 이는 격이 다른 독창적인 솔루션으로 저는 이것이 플랫폼 접근법에 의해 독특한 솔루션이라고 생각합니다”라고 Schwarz는 말한다.   
양 끝단 간(end-to-end) 생산 제어의 통합 및 표준화에 대한 수요가 증대됨으로써, 이 기업은 Wonderware MES 소프트웨어 제품에서의 운영으로서, InBatch와 포괄적인 배치 실행을 개발하기 위하여 연구 중이다. 이러한 첨단 간 정보 관리로 인해 생산에 대한 요청이 배치 운영에 전달될 수 있으며, 향후 생산 제어와 양 끝단 간 추적성(traceability) 및 제품의 계보(product genealogy)에 대한 모든 관련 생산 반응을 수집할 수 있다. 이는 약 2 년 정도 후에 이용 가능할 것이라고 그는 덧붙인다. 
“일반적으로 서로 다른 플랜트 시스템 간에는 맥락화(contextualization)가 존재하는 경우가 많지 않습니다. 그러나 작업자에게 자산 성능 및 이윤을 얻게 될 품질과 같은 여러 영역을 아우르는 통합 환경을 제공해 보십시오. 이러한 인텔리전스(intelligence) 접근법은 배치 간 정보를 추출하는 데 도움을 주어 전체적인 처리량이 향상될 수 있습니다”라고 그는 결론을 내린다. 자료제공 : 한국 에머슨 프로세스 매니지먼트