고급 공정 제어

제어이론에서 **고급 공정 제어**(advanced process control, APC)는 산업 공정 제어 시스템 내에 구현된 광범위한 기술과 기술력을 의미한다. 고급 공정 제어는 일반적으로 기본 공정 제어 외에 선택적으로 추가 배치된다. 기본 공정 제어는 기본적인 운영, 제어 및 자동화 요구 사항을 용이하게 하기 위해 공정 자체와 함께 설계 및 구축된다. 고급 공정 제어는 일반적으로 공정에서의 특정 성능이나 경제적 개선 기회를 다루기 위해, 종종 수년에 걸쳐 후속적으로 추가된다.

공정 제어(기본 및 고급)는 보통 화학, 석유화학, 석유 및 광물 정제, 식품 가공, 제약, 발전 등을 포함하는 공정 산업을 의미한다. 이러한 산업은 자동차 및 전자 제품 제조와 같은 이산 부품 제조와 달리 연속 공정 및 유체 가공이 특징이다. 공정 자동화라는 용어는 본질적으로 공정 제어와 동의어이다.

공정 제어(기본 및 고급 모두)는 공정 제어 시스템 내에서 구현되며, 이는 분산 제어 시스템 (DCS), 프로그래머블 로직 컨트롤러 (PLC) 및 감독 제어 컴퓨터를 의미할 수 있다. DCS와 PLC는 일반적으로 산업용으로 견고화되어 있으며 결함 허용(fault-tolerant) 기능을 갖추고 있다. 감독 제어 컴퓨터는 종종 견고화되거나 결함 허용 기능이 없지만, 제어 시스템에 더 높은 수준의 계산 능력을 제공하여 가치 있지만 중요(critical)하지는 않은 고급 제어 애플리케이션을 호스팅한다. 고급 제어는 애플리케이션에 따라 DCS 또는 감독 컴퓨터 중 하나에 상주할 수 있다. 기본 제어는 PLC를 포함한 DCS 및 그 하위 시스템에 상주한다.

## 고급 공정 제어의 유형

다음은 잘 알려진 고급 공정 제어 유형의 목록이다.

* 고급 조절 제어(Advanced regulatory control, ARC)는 오버라이드(override) 또는 적응형 이득(adaptive gain)과 같은 검증된 여러 고급 제어 기술을 의미한다(그러나 모든 경우에 "조절 또는 피드백"이다). ARC는 또한 다른 카테고리에 속하지 않는 맞춤형 또는 복잡한 기술을 지칭하는 포괄적인 용어로도 사용된다. ARC는 일반적으로 DCS 레벨에서 기능 블록이나 맞춤형 프로그래밍 기능을 사용하여 구현된다. 어떤 경우에는 ARC가 감독 제어 컴퓨터 레벨에 상주하기도 한다.
* 고급 공정 제어(APC)는 피드포워드, 디커플링(decoupling), 추론 제어와 같은 검증된 여러 고급 제어 기술을 의미한다. APC에는 아래에 설명된 모델 예측 제어도 포함될 수 있다. APC는 일반적으로 DCS 레벨에서 기능 블록이나 맞춤형 프로그래밍 기능을 사용하여 구현된다. 어떤 경우에는 APC가 감독 제어 컴퓨터 레벨에 상주한다.
* 다변수 모델 예측 제어(MPC)는 대중적인 기술로, 보통 감독 제어 컴퓨터에 배치되어 중요한 독립 및 종속 공정 변수와 이들 간의 동적 관계(모델)를 식별하고, 종종 행렬 수학 기반의 제어 및 최적화 알고리즘을 사용하여 여러 변수를 동시에 제어한다. MPC의 한 가지 요구 사항은 모델이 제어기의 작동 범위 전체에서 선형이어야 한다는 것이다. MPC는 1980년대에 감독 컴퓨터가 제어 시스템에 필요한 계산 능력을 처음 제공한 이후 APC의 중요한 부분이 되었다.
* 비선형 MPC는 동적 모델과 행렬 수학 기반 제어를 통합한다는 점에서 다변수 MPC와 유사하지만, 모델의 선형성을 요구하지 않는다. 비선형 MPC는 변화하는 공정 이득 및 동역학(즉, 사시간(dead times) 및 지연 시간)을 가진 모델을 포함하는 공정을 수용할 수 있다.
* 추론 제어: 추론 제어 뒤에 숨겨진 개념은 실시간으로 직접 측정하기에는 너무 비용이 많이 들거나 시간이 많이 걸릴 수 있는 스트림 속성을 온도 및 압력과 같이 즉시 사용 가능한 공정 측정값으로부터 계산하는 것이다. 추론의 정확도는 실험실 분석을 통해 주기적으로 대조 확인할 수 있다. 추론 측정값은 운전자 정보용으로 사용되든, 기본 계층 공정 제어기에 종속(cascaded)되든, 다변수 제어기 제어 변수(CV)용으로 사용되든 실제 온라인 분석기를 대신하여 활용될 수 있다.
* 순차 제어(Sequential control)는 연속 공정 내에서 발생하는 불연속적인 시간 및 이벤트 기반 자동화 시퀀스를 의미한다. 이는 시간 및 로직 기능 블록의 집합, 맞춤형 알고리즘 또는 공식화된 순차 기능 차트 방법론으로 구현될 수 있다.
* 지능형 제어는 인공 신경망, 베이즈 확률론, 퍼지 논리, 기계 학습, 진화 연산, 유전 알고리즘과 같은 다양한 인공지능 컴퓨팅 접근 방식을 사용하는 제어 기술의 한 종류이다.

## 관련 기술

다음 기술들은 APC와 관련이 있으며, 일부 문맥에서는 APC의 일부로 간주될 수 있지만, 일반적으로 자체적인(또는 자체적인 문서가 필요한) 위키 문서를 가진 별개의 기술들이다.

* 통계적 공정 관리(SPC)는 그 이름에도 불구하고 연속 공정 제어보다는 이산 부품 제조 및 배치(batch) 공정 제어에서 훨씬 더 일반적이다. SPC에서 "공정"은 연속 공정 제어라기보다는 작업 및 품질 관리 공정을 의미한다.
* 배치 공정 제어(ANSI/ISA-88 참조)는 제약, 화학, 식품 등과 같은 비연속 배치 공정에서 사용된다.
* 시뮬레이션 기반 최적화는 동적 또는 정상 상태의 컴퓨터 기반 공정 시뮬레이션 모델을 통합하여 실시간으로, 즉 매시간에서 매일 단위로 더 최적화된 운영 목표를 결정한다. 이는 때때로 APC의 일부로 간주되기도 하지만, 실제로는 여전히 부상하는 기술이며 제조 계획 및 최적화(MPO)의 일부인 경우가 더 많다.
* 제조 계획 및 최적화(Manufacturing planning and optimization, MPO)는 최적의 운영 목표에 도달하기 위한 지속적인 비즈니스 활동을 의미하며, 이는 수동으로 운영 조직에 구현되거나 어떤 경우에는 공정 제어 시스템에 자동으로 전달된다.
* 안전 계장 시스템은 공정의 기본적인 안전을 보장하기 위한 목적으로 물리적 및 관리적으로 공정 제어 시스템과 독립된 시스템을 의미한다.

## APC 비즈니스 및 전문가

APC 애플리케이션의 설계, 구현 및 유지 관리를 담당하는 사람들은 종종 APC 엔지니어 또는 제어 애플리케이션 엔지니어로 불린다. 보통 이들의 교육 배경은 전문 분야에 따라 달라진다. 예를 들어, 공정 산업에서 많은 APC 엔지니어는 화학공학 배경을 가지고 있으며, 공정 제어와 화학 공정 전문 지식을 결합한다.

석유 정제소와 같은 대부분의 대규모 운영 시설은 현장 계기, 조절 제어 시스템(DCS 및 PLC), 고급 공정 제어, 제어 시스템 네트워크 및 보안에 이르는 다수의 제어 시스템 전문가 및 전문가를 고용한다. 시설 규모와 상황에 따라 이들 인력은 여러 분야에 걸쳐 책임을 지거나 각 분야에 전념할 수 있다. 많은 공정 제어 서비스 회사를 각 분야의 지원 및 서비스를 위해 고용할 수 있다.

## 인공지능 및 공정 제어
공정 제어에서 인공지능, 기계 학습 및 딥러닝 기술을 사용하는 것 또한 운영 매개변수를 더욱 최적화하기 위해 지능이 사용되는 고급 공정 제어 접근 방식으로 간주된다.

수십 년 동안 석유 및 가스 분야의 공정 제어 시스템의 운영 및 로직은 운영자의 경험과 운영 매뉴얼에 기반한 상호작용과 함께 매개변수를 규정하는 물리학 방정식에만 기반해 왔다. 인공지능 및 기계 학습 알고리즘은 동적인 운영 조건을 조사하고 분석하여 로직 매개변수를 직접 튜닝하거나 운영자에게 제안을 줄 수 있는 최적화된 매개변수를 제안할 수 있다. 이러한 지능형 모델에 의한 개입은 비용, 생산 및 안전의 최적화로 이어진다.

## 용어

* APC: 고급 공정 제어(Advanced process control). 피드포워드, 디커플링, 추론 및 맞춤형 알고리즘을 포함하며, 보통 DCS 기반임을 의미한다.
* ARC: 고급 조절 제어(Advanced regulatory control). 적응형 이득, 오버라이드, 로직, 퍼지 논리, 시퀀스 제어, 장치 제어 및 맞춤형 알고리즘을 포함하며, 보통 DCS 기반임을 의미한다.
* Base-Layer (기본 계층): DCS, SIS, 현장 장치 및 분석기, 장비 상태 시스템, PLC와 같은 기타 DCS 하위 시스템을 포함한다.
* BPCS: 기본 공정 제어 시스템 (Basic process control system, "기본 계층" 참조)
* DCS: 분산 제어 시스템(Distributed control system). 흔히 BPCS와 동의어로 쓰인다.
* MPO: 제조 계획 및 최적화(Manufacturing planning and optimization)
* MPC: 다변수 모델 예측 제어(Multivariable model predictive control)
* SIS: 안전 계장 시스템(Safety instrumented system)
* SME: 주제 전문가(Subject matter expert)

## 각주

## 외부 링크
* Article 고급 공정 제어에 관한 기사.

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