본 자료에서는 프로세스 분석 및 제어 공정 자동화 내 작업에서 보다 효율적인 방법을 채택하는 맥락으로 온라인 입도분석기의 가능성을 소개하고 있습니다.
오늘날 시장의 상업적, 환경적, 입법 상의 요건들을 충족하기 위해 제조사는 새로운 것을 수용해야 합니다. 자동화는 분석과 관리 측면에서 계속해서 논의되는 주제이다.
다양한 재료물성 규명 기법 탐사 시리즈 중 하나인 본 자료 문서는, 이러한 맥락에서 온라인 입도 분석의 잠재력을 검토한다.
온라인 분석 기기 투자 타당성을 부여하려면 기술에 대한 확신이 필요하고 잠재적 이득을 신뢰성 있게 평가할 수 있어야 한다. 일반적으로 사용자는 레이저 회절에 기초한 온라인 입도 분석기를 통해 6개월에서 1년 사이에 투자금을 회수하는 것으로 보고된다. 경제적 이점은 폐기물 감소, 인력, 에너지, 재료, 공장 생산능력, 제품 품질 향상, 자동화된 관리, 공정 개발 가속화 및 최적화 등 여러 부분에서 얻을 수 있다. 타당성 부여와 관련한 세부적 논거는 개개 공장별로 다르지만 그 주제는 잘 이해되고 있고 모두에 공통적이다. 이러한 이점을 증명하는 사례 연구 데이터베이스는 전 산업 부문에 걸쳐 매년 증가하고 있다. 이동식 입도 분석 기술을 제공하는 컨설팅 서비스는 개개 공장의 잠재력 파악을 더욱 용이하게 해준다.
온라인 입도 분석 투자는 위험도가 낮다. 연구를 통해 레이저 회절 입도 측정은 ‘버튼 조작’으로 조업이 가능한 정도까지 수십 년에 걸쳐 간소화되었다. 이에 따른 지식은 공정 시스템의 상용화를 강화하고 제조 환경까지 합리적인 영향을 미친다. 설치가 용이하며 견고하게 설계된 이 시스템은 믿을 수 있고 일관적이며 연중무휴로 작동하고 최소한의 유지보수만을 필요로 한다. 또한 점성 습식 농축 현탁액에서 유상액, 그리고 다양한 농도의 건식 입자 흐름에 이르는 여러 응용분야에 대하여 그 성능이 입증되었다.
에너지 소비 절감을 위한 온라인 입도 분석은 특히 절삭 작업에서 널리 사용되고 있다.
절삭은 고도의 에너지 집약적 작업으로, 목표 입도가 감소할수록 에너지 소비는 기하급수적으로 증가한다. 시멘트, 광물, 토너 등과 같은 여러 산업 부문에서 고급 제품의 입도는 훨씬 더 미세하다. 따라서 절삭이 제대로 되지 않을 경우에는 종종 품질관리에 문제가 발생하지만, 과잉 절삭, 지나친 에너지 소비로 인한 불이익은 상대적으로 덜 심각하다. 관리가 부실한 공장에서 과잉 절삭은 제품 사양을 일관되게 유지하기 위한 대가로 용인될 수도 있을 것이다.
수동이든 자동이든 실시간 입도 분석을 할 경우에는 더욱 엄격한 절삭 관리가 이루어지는데, 이렇게 하면 조업 결정의 영향을 즉시 알 수 있고 따라서 그러한 결정은 더욱 효과적이다. 공장은 안정되고 조업 자신감은 증대하며, 지나치게 세밀한 사양을 맞추는 데 따른 안전 여유(safety margin)는 더 이상 필요하지 않게 된다. 정해진 제품 성능의 목표점에 정확히 맞는 절삭은 에너지 사용을 최소화한다.
제조 부문의 현대적인 추세인 자동화 관리는 적절한 데이터 흐름이 필요로 한다. 의약품에서 금속분말에 이르기까지, 무수히 많은 입자 제품에서 입도는 성능을 결정하는 변수이다. 따라서 이들 제품에 대해서는 실시간 입도 측정을 기초로 하는 자동화 관리가 합리적이다.
레이저 회절은 신속한 분석 방법이다. On- 과 in-라인 시스템이 초장 네 개의 완전한 입자 크기 분포까지 측정하고 빠른 역동성을 가지며 그 과정을 추적할 수 있다.
마찬가지로 중요한 것은 사용이 편리한 소프트웨어가 제공됩니다. 다변량 공정 제어를 가능하게하는 분석이 가능합니다. 분석기기 통합에 관한 최신 OPC 기준을 고수하는 패키지들은 공통적인 플랫폼을 제공하여 입도와 입자 구성 등의 측정에 기초한 관리 전략의 시행을 간소화한다. 이 방식을 통해 조업팀은 모든 가용 정보를 이용할 수 있게 된다.
문제 해결은 탐지 작업이며 그 성공 여부는 단서의 질에 달려 있다. 시간 측정을 주기적인 오프 라인 분석과 비교하는 것은 비디오와 스냅 사진을 비교하는 것과 같다. 지속적인 입도 측정을 통해, 의도된 것이든 아니든, 발생하거나 실제로 발생했던 모든 조치의 결과를 관찰할 수 있다. 이는 문제의 근본 원인을 추적할 때와 잠재적 해법의 평가 시에 매우 중요하다.
공장을 최적 조업점으로 유도하기 위해서는 제품 성능에 영향을 미치는 수단을 관리할 필요가 있다. 제조업의 지속적인 과제는 생산비 최소화라는 제약 내에서 제품의 품질 목표를 달성하는 것이다. 다수의 입자/고형 제품의 경우 입도가 성능에 크게 영향을 미치기 때문에 어떤 변수가 어떤 식으로 입도에 영향을 미치는지에 대해 상세히 파악하는 것이 매우 중요하다.
오프라인 분석을 사용하여 이런 정보를 얻는 데는 상당한 시간이 걸린다. 변화가 이루어지고 마침내 몇 개의 시료를 채취해서 분석하게 되면, 다른 변수가 일정하게 유지될 경우에만 그 영향을 분명히 알 수 있게 된다. 이와는 대조적으로, 실시간 측정이 이뤄질 경우 새 조업 시나리오를 평가할 수 있는 속도는 새로운 정상상태(steady state)가 확립될 때까지 소요되는 시간에 의해서만 제한을 받는다. 변화는 시간이 아니라 분으로 평가될 수 있으며 원인과 결과 간의 상관성이 명확해지고 계량화가 가능하게 된다. 이렇게 얻은 정보는 최적화를 가속화하고 업스트림 성능의 변화와 같은 예기치 않은 변화에 더욱 스마트하게 대응할 수 있게 해준다.
정보 수집은 공정 개발의 일차적 기능이며 온라인 분석은 이점에도 중요한 역할을 할 수 있다. 실제 공장과 비교했을 때 파일럿 공장은 흔히 조업 여지가 더 넓어 실현 가능한 조업 전략을 충분히 모색할 수 있고 발전할 수 있는 최상의 방식을 찾을 수 있게 해주지만. 파일럿 공장의 운영에는 비용이 많이 든다.
설계 공간 주변을 효율적으로 배치하면 실험 생산성이 극대화된다. 실시간 측정 정보 수집 과정을 가속화하고 향상시키며 시간과 비용을 절약해준다. 뿐만 아니라, 조기에 효과적으로 공정 처리 문제를 탐지하고 해결하면 궁극적으로는 상용화의 시간과 비용을 줄일 수 있게 되고. 이로써 공정 개선을 더욱 신속히 추진할 수 있게 된다
사양 이외의 제품 생산에 시간을 소비하는 것은 시간 낭비이다. 과도기적 조업 기간은 특히 문제가 될 수 있는데, 그러한 시기에 공장을 양호하게 관리하는 것이 가장 어렵기 때문이다. 모든 조업 개시나 제품 변경이 필요 이상으로 오래 걸릴 경우 처리량은 그만큼 줄어든다. 복합 제품군의 경우 이는 중대한 손실이 될 수 있다.
조업 개시나 제품 변경 기간의 목표는 공장의 역학이 허용하는 한 최대한 신속하게 새로운 목표 설정치를 신속히 달성하는 것이다. 온라인 분석을 실시하면 이 목표를 향한 진척도를 실시간으로 지켜보면서 적절한 관리 조치를 신속히 취할 수 있다. 과도한 작업의 가능성은 훨씬 감소하고 최종 제품 저장고로 생산품을 옮기는 것이 안전한지 여부를 확인하기 위해 생성된 시료를 기다릴 필요도 없게 된다.
공장의 문제점을 시정하는 첫 번째 단계는 문제 발생을 탐지하는 데 있다. 실시간 입도 측정으로 즉각 문제 탐지가 이루어지며, 필요 시 운전자에게 경고하는 공정 경보 제공 설비가 포함되어 있다. 이 외에도 설정치로부터 벗어나 변화하는 속도와 정도가 문제의 진단에 도움을 줄 수 있다.
이는 매 시간 시료 채취가 있고 그 결과 보고에 30분이 걸리는 주기적 오프라인 분석을 실시하는 일반적인 상황과는 뚜렷한 대조를 보인다. 여기서 최악의 상황을 가정해보면, 발생한 문제점이 1시간이 넘도록 탐지되지 않을 수 있다는 것이다. 이러한 상황이 배치(batch) 가동이나 최종 제품의 저장고를 손상시킬 정도로 오래 지속될 경우, 처리량과 폐기물에 미치는 영향은 심각하다.
제품 품질에는 두 가지 핵심적 측면이 있다. 하나는 최적의 성능을 제공하도록 제품사양을 설정하는 것이고 다른 하나는 그러한 사양을 계속 유지하는 것이다. 온라인 입도 분석은 이 두 가지 문제를 모두 해결할 수 있다.
종래의 입도 기법은 시료 간 차이를 민감하게 나타내지 못하는 경우가 종종 있다. 이는 이러한 기법들이 수동으로 이뤄지고 운전자에 따라 달라질 수 있기 때문이거나, 또는 단일의 평균적 시료 수치를 산출하기 때문일 것이다. 멘트 업계가 이러한 문제의 좋은 예가 된다. 여기서 제품 사양/QC에는 대체로 수동식 특정 표면영역 기법인 블레인(Blaine) 측정법이 선택된다. 블레인은 제품 성능 표시에 있어서 수용할 만한 수치를 제공하지만, 입도 분포가 상이한 시료들은 구별하지 못하기 때문에 현장에서의 성능이 달라질 수 있다는 중대한 문제점이 있다.
시멘트 업계의 선도업체들은 레이저 회절 입도 분석법을 이용하여 상이한 입도 부분의 비율을 조절하고 조기강도(early strength)와 같은 핵심 성능 지표를 더욱 정밀하게 설정할 수 있다는 사실을 확인했다. 레이저 회절 기법은 제품 성능을 더욱 정확히 나타내는 제조 설정치의 개발을 촉진하기 때문에 이 부문에서 블레인 기법을 빠르게 대체하고 있다.
어느 제품이든 최적의 사양이 결정되면 고객은 이와 일관되게 부합하는 재료를 원한다 여러 부문에서 입도 사양은 더욱 미세해지고 있으며, 고급 제품 군으로 선점하기 위해서는 입도 분포의 엄격한 관리 필요성 또한 요구될 수 있다. 이러한 제품사양은 종종 실시간 공정 모니터링이 제공하는 엄격한 관리의 적용을 통해서만 성공적이고 경제적으로 달성할 수 있다.
온라인 측정은 수동 분석을 둘러싼 보건 및 안전 문제를 동시에 제거하며 데이터 오류 가능성을 줄인다.
특히 재료의 휘발성과 독성이 높은 공정의 경우, 시료 추출과 생성은 보건과 안전에 심각한 잠재적 위험을 가져올 수 있다. 이러한 위험은 전체적으로 자동화된 온라인 시스템으로 없앨 수 있다. 안전이 개선되면 운전자는 시간을 좀 더 생산적인 활동에 사용할 수 있다. 다수의 예에서 이러한 인건비 절감은 기타 경제적 이득과 안전 강화의 이점을 계량화하지 않고도 온라인 시스템 투자의 타당성을 입증하는데 충분하다.
더욱이, 온라인 레이저 회절 분석기로 생성되는 분석 자료는 오프라인 시스템의 자료보다 그 완성도가 크게 개선되어 부정확한 관리 조치에 따른 위험을 줄일 것이다. 이는 온라인 시스템이
자동화된 온라인 분석은 분석 과정 전체에 걸쳐 수동 개입의 필요성을 없애고 측정 빈도를 크게 증가시킴으로써 가장 신뢰할 수 있는 데이터 흐름을 산출하여 효율적인 공정 관리를 가능하게 한다.
