화학생물공학부 : 공정제어 및 설계

안녕하세요~ 공우 14.5기 화학생물공학부 김소은입니다.

오늘은 화학생물공학부에서 배우는 공정제어 및 설계에 대해 소개해드리려고 합니다.

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

화학 공학이라는 말을 들으면 가장 먼저 떠오르는 이미지가 무엇인가요? 아마 플랜트, 공장이 가장 먼저 떠오를 것입니다. 공정은 화학 공학이 대표적으로 다루는 부분이고 화학 공학의 꽃이라고 할 수 있을 만큼 중요합니다. 공정제어 및 설계에서는 원하는 product를 생산하기 위한 공정의 과정을 어떻게 안전하게 구동하고 제어할 것인지, 나아가 어떻게 설계할 것인지를 배우는 과목입니다.

공정제어를 배우기 전에 앞서, 공정의 목적은 무엇일까요?

가장 중요한 목적은 ‘안전하게’ 구동하는 것입니다. 반응기의 온도, 압력, 유체의 흐름 등을 전체적으로 고려하여 안전한 생산을 가능하게 하는 것이죠! 안전이 보장되고 난 이후, 공정은 높은 질의 생산품을 적절한 속도로 만들고, 최소 비용으로 구동하려는 목적을 가집니다.

강의 초반에는 제어의 전반적인 내용을 배웁니다. 공정 변수, 제어의 방법, 제어에 필요한 센서 종류와 같이 공정 제어를 위해 필요한 기본 언어를 배우게 됩니다.

이후에는 간단한 공정 모델링 방법을 학습합니다. 공정 과정에서 input에 변화가 생기면 output이 어떻게 변하는지가 중요하기 때문에 공정을 시간에 따른 함수로 표현하는 것이 굉장히 효과적입니다. 그렇기에 governing equation을 세우고 output을 해석하는 과정을 학습합니다. 이때 물질 및 에너지 수지나 반응공학 등에서 배운 내용이 많이 사용됩니다.

모든 공정에 맞는 모델링을 하여 공정을 제어하면 좋겠지만 모델링 과정에서 많은 시간이 소요되므로 비효율적입니다. 그러므로 복잡한 공정을 낮은 차수의 모델로 회귀하여 input에 대한 output을 예측하고 이러한 함수를 Transfer function이라고 합니다.

Fig1. Input, Transfer function, output의 관계

위 도식에서 가운데 부분이 Transfer function입니다. Input이 변할 때 transfer function에 대한 정보만 있다면 output이 어떤 식으로 변할 것인지를 쉽게 알 수 있게 되는 것입니다.

후반부에서는 PI 컨트롤, PID 컨트롤러 등에서 Transfer function을 이용하여 공정을 제어하고 예측하는 방법들을 학습하게 됩니다. 이때는 Transfer Function이 여러 개로 연결되어있을 때 어떤 식으로 제어할 것인지를 배울 수 있습니다.

Fig2. 실습 세션

이론뿐만 아니라 실습 세션도 포함되어 있습니다. 위 그림에서 보이는 것처럼 공정을 설계하고 이 공정이 잘 작동되는지, input을 변화시키면 output이 어떻게 변화하는지를 직접 실습 프로그램을 통해서 알 수 있습니다. 이러한 과정은 플랜트 현장과 닮아있습니다. 공정 설계 엔지니어는 플랜트에서 input을 변화시켜보고 이에 따른 output이 어떻게 변하는지를 관찰하여 공정을 개선하거나 문제를 해결하는데 이를 실습 프로그램을 통해 느껴볼 수 있어 더욱 유익합니다.

2. 선배의 조언

공정제어 및 설계 과목은 공학수학1, 반응공학1, 물질 및 에너지 수지 과목에서 배운 내용들을 기본 도구로 수업을 진행합니다. 반응공학1과 물질 및 에너지 수지의 내용이 공정에서 output을 계산하는 방법을 학습했다면 공정제어 및 설계 과목은 이 output을 최소 비용으로 안전하게 구동하는 제어시스템을 학습합니다. 그러므로 Governing equation을 세우고, 질량 balance, 에너지 balance를 계산하고, 반응기에서 일어나는 반응식을 작성하는 등 이전 과목의 핵심 내용들이 요구됩니다. 또 미분방정식이 많이 등장하기 때문에 이를 풀기 위한 라플라스 변환이 자주 사용됩니다. 그러므로 공학수학1을 수강하지 않으면 수강에 어려움이 있을 수 있습니다.

공정을 해석할 때 governing equation을 세우고 미분방정식을 풀어야하기에 수학을 좋아하는 분들은 재미있게 강의를 들을 수 있습니다. 반응공학1에 흥미를 느꼈다면 공정제어 및 설계도 흥미있게 들으실 수 있습니다.

3. 진로 선택에 도움 되는 점

플랜트가 혼자 구동될 수 없기 때문에 모든 플랜트에는 공정 제어 엔지니어가 필요합니다. 또 공정 조건을 바꾸고 싶다거나 문제가 생겼을 때 공정 엔지니어의 역할은 더 중요해집니다. 또한 꼭 공정 엔지니어가 아니더라도 모든 엔지니어들은 공정을 사용하므로 공정이 어떤 식으로 제어되고 작동되는지를 학습한다면 어떤 플랜트에서든지 도움이 될 것입니다.

현재 AI가 점점 주목을 받고 AI가 많은 것을 대체할 것이라고 하지만 공정 제어는 플랜트 전체를 아우르는 지식과 공정에서 문제가 생겼을 때 문제 원인을 파악하고 해결하는 능력이 필요하기 때문에 AI가 대체할 수 없는 분야입니다. 그렇기에 관심이 있다면 파고들어보는 것도 좋을 것같습니다!

4. 맺음말

화학공학의 꽃이라고 할 수 있는 공정을 제어하고 설계하는 과목이니만큼 어렵지만 2,3학년때 학습한 내용들을 다 사용할 수 있어서 “화학공학이란 이런 학문이구나”를 느낄 수 있습니다. 공정제어 및 설계를 통해 졸업 전에 화학공학의 아름다움을 느낄 수 있으셨으면 좋겠습니다.