카길(Cargill)의 지속 가능한 공정 최적화 방법

카길(Cargill)의 지속 가능한 공정 최적화 방법

미국의 한 농업기업은 제어 루프 성능 모니터링 및 고급 진단 솔루션을 전세계적으로 구현하여 효율성, 처리량 및 산출량을 향상시켰습니다.

카길(Cargil)은 영양 제품 분야에서 글로벌 리더가 되겠다는 큰 목표를 세웠습니다. 전 세계 70여개국에 155,000명의 직원을 두고, 농장, 소매점, 레스토랑까지 아우르는 완전한 통합 공급망을 보유하고 있는 이 글로벌 농식품 기업은 그 목표를 향해 성큼 다가가고 있습니다.

소규모 유지종자 분쇄 공장에서, 콩기름 정제시설, 전분 정제소, 소금 생산 공장, 그리고 보다 복잡한 에탄올 증류와 옥수수 발효 시설에 이르기까지, 식품 가공은 카길의 비즈니스에서 큰 비중을 차지합니다.

공장 전반에서 공정을 최적화하기 위해, 카길에서는 체계적인 글로벌 연속 개선(CI) 이니셔티브가 한창 진행 중입니다.

이러한 상황에서 공정 제어가 높은 우선 순위를 갖는 것은 당연한 일입니다. 공정 제어는 처리량, 산출량, 에너지 소비, 생산 품질에 영향을 미치기 때문입니다. 카길의 기업 엔지니어링 & 데이터 사이언스팀에서 정제 공정 제어를 담당하는 크리스 크리스티(Chris Christie)는 “CI 프로그램의 일환으로, 공정 제어에 대한 조사를 수행했고, 효율성을 향상시키기 위해 공장 전반의 유사 공정들에 대한 제어 전략을 표준화해 구현했다”고 말합니다.

결과는 어느 정도까지 상당히 고무적이었습니다. 크리스티는 “이 여정을 통해, 제어 루프를 구현하였고 루프가 제공하는 가치를 확인했다”며 “그런데 결과들이 다양한 구조적 및 기술 한계로 인해 지속 가능하지 않다는 사실을 곧 발견했다”고 설명합니다.

카길의 공정 최적화 이니셔티브에서 얻은 성과를 보다 잘 유지하기 위해, 제어 루프 성과-모니터링 및 고급 진단 솔루션이 필요했습니다. 크리스티와 팀은 옵션들에 대한 평가를 수행하고 선정 및 파일럿 개념 증명(PoC)을 주도했습니다. 그리고 로크웰 오토메이션의 Encompass™ PS(Product Partner)인 컨트롤 스테이션(Control Station)의 PlantESP를 전 세계에 위치한 70여 곳의 제조 현장에 구현하기 시작했습니다.

한계에 도달한 진보

카길의 전형적인 제조시설은 그 크기에 따라 수십에서 수백 또는 수천 대의 PID 컨트롤러를 사용해 생산을 제어합니다. 모든 컨트롤러가 자동 모드로 작동되도록 설정되어 있지만, 자동으로 공장을 가동하는 경우, 일부 컨트롤러가 도중에 수동 모드로 전환된다는 사실이 발견되었습니다. 결과적으로 최적화로 얻어진 이득이 물거품이 된 것입니다.

 당시에는 모드 상태를 추적할 수 있는 방법이 없었고, 공장 레벨에서 책임자도 분명하지 않아, 성능 분석이나 PID 튜닝과 같은 조치는 이슈가 발견된 후에야 시작되었습니다. 크리스티는 “유지종자 분쇄와 정제처럼 보다 간단한 공정의 경우, 공정 제어 담당자가 없었기 때문에, 하나의 합의된 방식으로 이러한 사항들을 살펴볼 수가 없었다”고 설명합니다.

조사 과정은 복잡하고 시간이 많이 걸렸으며, 패턴을 파악하기 위해 트렌딩된 데이터를 살펴보고 어떤 컨트롤러가 문제를 야기하는지 수동으로 다수의 트렌드를 직접 비교해야 했습니다. 컨트롤 스테이션의 엔지니어링 부사장 밥 라이스(Bob Rice)는 “분석에 대한 수동적 접근방식은 신호 잡음(Signal Noise)도 고려해야 해서 패턴을 파악하는 게 한층 더 어려웠다”고 말합니다.

전체 생산 시설에서 성과를 보다 효과적, 일관적으로 유지하기 위해, 카길은 제어 루프 모니터링 툴을 구현했습니다. 이 툴은 루프 성과에 대한 가시성을 향상시켜 주고, 임박한 문제를 감지하며, 문제 진단과 조치 제안을 위한 진단 정보를 제공해주었습니다.

공장 전반에서 공정 최적화를 지원하고 고급 진단을 제공하는 새로운 제어 루프 모니터링 툴은 카길(Cargill)이 다수의 로컬 공장 히스토리언에서 데이터를 수집해 실행 가능한 정보로 전환하여 중앙 제어실에서 단일한 대시보드로 조회할 수 있도록 지원했습니다.

솔루션 모색

2015년도 중반에, 크리스티는 타당성 조사를 실시해 9개의 다른 솔루션을 비교했습니다. 그 중 두 솔루션이 카길의 기능 및 사용자 인터페이스 요구사항을 충족하였고 원하는 기술 지표를 제공하였기 때문에, 그 두 솔루션이 사용 중인 OSIsoft PI 데이터 히스토리언과 호환되는지 여부를 평가했습니다. OSIsoft PI는 로크웰 오토메이션의 Encompass™ PI(Product Partner) OSIsoft, LLC가 공급한 것이었습니다.

 궁극적으로 카길은 컨트롤 스테이션의 PlantESP를 선택했습니다. 구현, 설정 및 사용이 간단하고 OSIsoft PI-SDK를 통해 카길의 데이터 히스토리언에 직접 연결되었으며, 중앙화된 서버가 다수 공장으로의 연결을 지원했기 때문입니다.

이외에도, PlantESP의 기능들은 로크웰 오토메이션의 솔루션을 보완해주었습니다. 카길은 Allen-Bradley ControlLogix 컨트롤 시스템을 주로 사용해 유지종자 공장을 가동하고 있었으며, 일부 PLC는 PLC-5 버전까지 거슬러 올라갑니다. 카길은 또한 로크웰 오토메이션의 프로세서, 인버터, HMI 소프트웨어를  사용하고 있습니다.

이 소프트웨어는 핵심 성과 지표 (KPI)를 사용해 제어 루프 성과 문제를 파악, 분리 및 특징화하여 고급 진단을 제공하고 공장 전반에서 공정을 최적화해줍니다. 이 소프트웨어는 카길이 여러 현지의 공장 히스토리언에서 수집하는 원료 가공 데이터를 한데 모아 대시보드로 액세스할 수 있는, 실행 가능한 정보로 전환하는데 도움을 줄 것이었습니다.

소프트웨어는 PID 컨트롤러의 성능 특징을 분석하여 기계적 PID 튜닝이나 공정 상호작용 이슈로 야기된 변화를 파악합니다. 또한 고급 포렌직 유틸리티를 제공하여 근본적인 원인을 간단하게 분석할 수 있게 해주며 카길의 관리팀이 모든 공장에서 공장의 관련 성능에 액세스할 수 있도록 해주는 툴을 제공합니다.

컨트롤 스테이션의 CEO겸 사장 데니스 내쉬(Dennis Nash)는 “고급 분석 툴을 도입하는 것과 관련된 작업자들의 두려움을 본질적으로 제거해주기 때문에, 사용의 편의성은 이 기술에서 중요한 측면”이라고 말합니다.

입증(Proof Point)을 위한 파일럿 서비스

2015년 후반 카길의 공장 세 곳의 핵심 루프에서 파일럿 프로그램이 시작되었습니다.

  • 미주리주 캔자스시티에 위치한 유지종자 분쇄 공장에는 104개의 루프가 있고,
  • 네브라스카주 블레어에 위치한 옥수수유 정제 공장에는 250개의 루프가 있습니다.
  • 그리고 네덜랜드에 위치한 전분 정제 공장의 장치 운영은 23개의 루프가 있었습니다.

두 가지 활동이 동시에 이루어졌습니다.

  1. 전 세계 70여 개 공장을 위한 청사진이 될 중앙 아키텍처를 개발하는 것과
  2. 각 현장의 로컬 데이터 히스토리언을 중앙 서버로 끌어다 분석을 할 수 있도록, 중앙 서버에 공장들을 설정하는 것이었습니다.

2016년 초 무렵, 세 공장 모두 단일한 중앙 서버에서 단일한 인스턴스로 성공적으로 가동되고 있었습니다.

이에, 카길은 2020년 완료를 목표로 전체적인 구현을 시작했습니다. 지금까지, 유지종자 분쇄, 정제, 소금 제조 시설 등 60여 곳의 공장에 PlantESP가 구현되었습니다. 각 현장에서, 전체 공장팀은 데이터가 어디에서 생성되며 그 결과로 무엇을 할 지에 대한 교육을 받습니다.

일관성 있는 공정 최적화 실현

PlantESP를 사용하는 시설에서, 이제 카길은 PID 컨트롤러의 성능을 표준으로 유지할 수 있게 되었습니다. 일관적인 루프 폐쇄 표준이 유지되지 않는 경우, 자동으로 보고서가 생성되어 컨트롤러가 수동 모드로 전환되기 전에 현지 직원이 적절한 조치를 취할 수 있습니다.

라이스는 “이 덕분에 카길은 컨트롤러들의 가동시간 95% 이상을 정상 모드에 유지시킬 수 있고, 더불어 자동화에 대한 투자 가치도 인정을 받았다”고 말합니다.

크리스티는 “제어 루프의 성능에 대한 가시성과 공정이 향상되어, 제어 전략으로부터 효과적으로 가치를 지속할 수 있게 되었다”며 “이로 인해, 생산량과 효율성은 물론 공정 처리량을 향상시킬 수 있었다”고 말합니다.

현지 공장 운영팀의 여러 직원들은 이제 정상 모드 시간 비율, 전체 루프 상태 등의 간단한 지표를 확인하고 상부에 보고할 수 있습니다. 진동 가능성, 정치 마찰 가능성 등의 고급 지표는 상위 레벨 문제를 해결하는데 사용할 수 있습니다.

일일 및 주간 공장 생산회의에는 카길의 이슈 발견 시의 조치 지침과 함께 이러한 지표들이 사용됩니다.

현지 및 중앙 관제 리소스의 활용이 향상되었습니다. 불일치가 파악되면 소프트웨어가 사전적으로 경보를 발생하기 때문에 특정 루프가 켜지는 현상이 감소했습니다. 그리고 이는 새로운 파라미터에 대한 추천과 함께 튜닝 평가를 제공합니다.

소프트웨어가 자동으로 매일 산출량의 변화를 수집 및 모델링하기 때문에, 엔지니어링 팀은 더 이상 기능 테스트를 수행할 필요가 없어졌습니다. 3~4개월이 소요되던 수동 분석 대신, 이 툴의 포렌직 기능은 카길의 공장 전반에 걸친 최적화 노력을 간소화하는데 도움을 주었습니다.

이외에도, 이제 비정상적인 프로그래밍을 탐지할 수 있습니다 매우 유사한 컨트롤러와 제어 루프로 이루어진 스트리퍼-데크 레벨의 벨브에서, PlantESP는 특정 데크의 레벨이 다른 데크보다 자주 바뀐다는 사실을 발견하고 공장 작업자에게 알렸습니다. 그 데크가 다른 방식으로 프로그래밍 되었다는 사실이 밝혀져, 프로그램을 수정하여 문제를 해결했습니다.

또한 모르고 지나쳤을 수도 있는 문제들을 이제는 발견할 수 있습니다. 공장 작업자가 밤새 중대한 공정 문제를 해결한 후, 다음날 지표에 오류 메시지가 표시되었습니다. 근본적인 원인이 작업자의 오류와 교육 누락으로 파악되어 즉각 시정되었습니다.

크리스티는 비슷한 성과를 달성하길 원하는 제조업체들에게, 이해관계자들이 공정 제어의 가치를 이해하고, 현장팀이 지표에 책임을 지도록 만들며, 가치가 높은 제어 루프로 먼저 시작을 해 본 후 다른 루프를 추가하라고 조언합니다.

문의처

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