A chemical process is represented by a large scaled and complex system complex system composed of many interacting variables and unit operations. Nowadays the structure of a chemical process tends to become increasingly complex, due to the requirement of better management of energy and raw materials, thus there exist more incentives to design better control systems for chemical plants. The design of control systems for new and existing chemical plants now constitutes the focal point of interest rather than controller design for single processing units.
The control system structure of a chemical process can be synthesized by selecting controlled variables to satisfy product quality specifications, safety aspects, operational requirements, and manipulated variables to affect those controlled variables and finding the appropriate interconnection among them. These procedures have long been relying on experience and intuition of some special control engineers. Those few experts have a large body of knowledge which they utilize in designing control systems, but which is not readily available to others.
Hence the design and analysis of control systems can greatly benefit from the use of computer-aided design environments, especially knowledge based expert system which is capable of dealing with chemical processing systems rather than a simple adaptation from other control fields. It is expected that knowledge based expert systems containing the knowledge in process control design will thus promote effective transformation-the specialized and intuitive heuristic knowledge to general process engineers.
This work describes a comprehensive model for the process of plant-wide control system design and an expert system for synthesis and design of control systems for overall chemical processing plants.
We also outlines the knowledge representation schemes for the expert system with object oriented programming concepts on control system design, control objectives and their relationships to the knowledge structure shaped in this study, Task Frame Net Model.
Based upon various control objectives, shortcut calculations, and several heuristics including control idioms, $Intellite^3$, the expert system developed in this study, synthesizes interactively the plausible control structures on a specified chemical processing plant and screens effectively those alternatives to find out the most reasonable one in the context of overall plant control objectives, operability, and other operational requirements.
오늘날 화학공정에서의 제어시스템 설계는 공정산업분야의 주요 논의 대상의 하나로서 공정의 제반 경제성 문제 및 새로운 공정기술 도입에 의해 보다 나은 제어구조의 설계가 요구되고 있으나, 현재까지는 좋은 제어 시스템의 설계는 해당 분야의 광범한 지식과 경험을 가진 전문가에 의해 주도 되고 있으며 이러한 전문가의 축적된 경험적 지식 및 판단 능력이 일반 공정 엔지니어에게 효과적으로 전달되기는 어려운 실정이다.
본 연구에서는 지난 수년간 급격한 발전을 보이고 있는 인공지능의 핵심 기술 중 인간 전문가의 경험적 지식과 과학적 해석에 의한 이론들을 컴퓨터에 구현, 종래의 수치적 알고리즘에 의한 데이터 처리기법이 제공해 줄 수 없는 비 수치적이고 논리적인 symbolic processing 기법 및 의미론 (semantics) 에 집중하는 개념적 의존성 (conceptual dependency) 을 이용하여 지금까지 추상적 개념으로만 여겨오던 인간의 지식과 사고 과정을 효과적으로 emulate 할 수 있는 전문가 시스템 기술을 응용 하여 복잡한 화학공정의 비 수치적 특성을 논리적으로 규명하며 공정설계의 초기단계에서, 효율적인 제어 시스템 설계를 병행할 수 있는 Expert System "$Intellite^3$" 를 개발 하였다.
복잡한 현대 화학공정의 특징인 많은 수 의 개개 processing unit 및 블록단위의 단위공정과 그 집합에 의한 전체 공정의 특성 및 공정의 설계, 운전 시 축적된 많은 경험적 지식과 수치적 정보를 효과적으로 표현, 이를 병렬적으로 access 하여 최적의 제어 시스템을 설계하기 위해 $Intellite^3$는 production rule 및 frame 에 의거한 Object Oriented Programming 기법으로 구현되었으며, Hybrid 형 inference scheme 을 채택 하였고 효율적인 heuristic knowledge 와 공정에 대한 수치적 modeling 결과를 함께 이용하고 각 설계 단계마다 적절한 Process Idiom 과 Control Objective를 설정 하여 제어 시스템 설계와 같은 synthesis 문제에서, 종종 발생할 수 있는 combinatoric explosion 및 불필요한 search space 를 효과적으로 제거하도록 설계되었다.
현대 장치공정의 특성인 많은 수의 제어변수와 조작변수 및 그 상호작용, 공정 전체의 제어목표들 (control objectives), 그리고 조업성 등의 조건으로 인해 공정 전체의 제어구조 합성은 종종 가능한 제어 구조 후보의 수가 기하급수적으로 증가 될 수 있으며 이러한 combinatoric explosive space 에서의 search 문제를 효율적으로 해결하기 위하여, $Intellite^3$에서는 지식표현 구조로서 Task Frame Net Model 이 개발, 구현 되었다. Task Frame Net Model 은 제어구조 합성 문제에서 만족되어야 하는 개개의 제어목표와 그의 구현방법을 체계적으로 통합 표현할 수 있으며, Production Rule 및 Frame Base의 사용으로 공정 및 제어구조 합성에 대한 지식의 객체 지향적 (Object Oriented) 구조화를 가능하게 하였다.
효율적 Heuristic Knowledge 의 이용과 함께 수치적 정보의 이용 또한, 제시되는 제어구조에 대한 신뢰도를 증진시킬 수 있도록 정상상태 모사기를 포함한 많은 수의 Numerical Routine 들이 Object Module 로서 설계되었으며, 유용한 사용자 interface 기능으로 인해, $Intellite^3$는 실제 공정 엔지니어에의 활용뿐 아니라, 제어구조 합성에 대한 교육용 프로그램의 일환으로서도 활용될 수 있도록 하였다.
$Intellite^3$에서 다룰 수 있는 공정은 Binary Distillation Column, Complex Columns, Reactor 및 다양한 형태의 Process Column 과 Vessels, Heat Exchanger, Furnaces, Compressor 등을 포함하는 25가지의 공정으로서, 이들의 조합에 의해 많은 수의 Complex Process Flowsheet 에 대한 제어구조의 합성이 가능하게 되었으며, Binary Distillation Column, Williams-Otto Plant, HDA Process 및 UOP Sulfolane Process 에 실제 적용하여, 그 유용성을 확인 하였다.
$Intellite^3$ 의 개발과정을 통해 현재 활발하게 진행되고 있는 전산학분야의 신기술과 전통적 화학공정 및 첨단 화학공정 과의 새로운 접목이 성공적으로 이루어 졌으며, 여러 다른 화학 공정기술에 대한 전문가 시스템의 사용에 대한 기술축적이 가능하게 되었다.
