배경
미국 켄터키주 클레몬트(Kentucky, Clemont)에 자리한 짐 빔(Jim Beam)의 위스키 양조장은 지난 75년 동안 세계 최고 품질을 자랑하는 위스키들을 생산해왔습니다. 클레몬트 양조장에서는 해마다 9천만 병이 넘는 위스키가 생산되며, 생산된 위스키들은 전 세계 200여 개국으로 수출됩니다. Jim Beam Bourbon, Jim Beam Black, 그리고 소량씩 제조되는 프리미엄 Bourbon Basil Hayden, Knob Creek, Baker’s, Booker’s 등 여러 유명한 버번(Bourbon) 브랜드들이 이 시설에서 양조됩니다.
양조장 부지에 위치한 27곳의 숙성 창고에서는 60만 개가 넘는 오크통에서 위스키가 숙성되고 있습니다.
공정
버번의 경우, 색의 100%, 맛의 60%는 오크통에서 숙성되는 동안 결정된다는 말이 있습니다. 맛의 나머지 40%는 원료 곡물, 이스트, 발효 환경, 로우 와인과 하이 와인의 알콜 도수로 결정됩니다. 알콜 도수가 유지되어야, 도수가 높은 위스키에서 원하는 칸저너(Congeners)를 보존하고 바람직하지 않은 칸저너를 제거할 수 있습니다. 칸저너는 발효 과정에서 생성되는 알콜 이외의 성분으로 풍미에 영향을 줍니다.
먼저, 원료 곡물을 익힌 후 이스트를 사용해 발효시켜 맥주처럼 거품이 있는 '워시(wash)'를 만듭니다. 알코올 도수가 9도 정도 되는 이 워시를 워시스틸(wash still)이라 불리는 다단계 기둥 모양의 증류기에 연속적으로 통과시켜 물을 증발시키고 남은 기체를 모아 냉각하면 도수가 높은 알코올을 얻을 수 있습니다. 이 액체를 모은 것이 바로 "로우 와인(low wine)"입니다. 알코올 도수가 약 60% 정도 되는 로우 와인은 보관 창고에 저장됩니다.
워시의 나머지 부분으로 워시스틸의 바닥에 남는 것을 "씩 슬롭(thick slop)"이라고 합니다. 로우 와인은 "더블러(doubler)”에서 최종 단계를 거칩니다. 더블러의 증기가 농축되고, 그 결과로 알코올 도수가 약 65% 정도 되는 "하이 와인(high wine)”이 만들어집니다. 하이 와인을 원하는 농도로 희석하여 불에 그을린 새 오크통에 담습니다.
알코올 손실을 방지하기 위해 워시스틸의 측면, 더블러의 바닥은 물론 증류기에서 나온 폐증기까지 탱크에 수집하여 "헤드 및 테일 스틸(heads and tails still)"이라 불리는 작은 증류기에 주입합니다. 이 증류기의 상단으로 나온 증기를 농축해 얻은 알코올은 다시 응축되어 로우 와인이 됩니다.
도전과제
최근 몇 년간, 전 세계적으로 버번 위스키에 대한 소비가 증가되었습니다. 짐 빔(Jim Beam)은 장비와 공정 조건은 그대로 유지하면서 생산량을 극대화할 수 있도록 시설의 일부 영역을 최첨단화하는 방법을 모색하고 있었습니다. 공정과 품질 변동을 줄이고 공장의 생산용량을 최대한 활용하여 제품의 무결성을 유지하면 생산량 목표를 달성이 가능합니다. 이를 위해서는 기술 컴포넌트를 구현해 실시간 모델 예측 제어를 제공할 필요가 있습니다.
솔루션
Pavilion8® 컨트롤러는 제약사항 처리, 피드 포워드, 디커플링 및 데드타임을 보상하기 위해 다변수 제어를 구현합니다. 컨트롤러의 움직임을 최적화하기 위해 프로세스 모델이 사용됩니다. 기존의 모델 예측 제어(MPC)가 선형 모델을 사용하는 반면, Pavilion8 컨트롤러는 비선형 모델을 사용할 수 있도록 합니다.
Pavilion8 컨트롤러는 낮은 레벨의 공정 제어 루프 (대부분 PID 루프)를 위한 제안 설정점을 계산하여 실시간 제어 성능을 최적화합니다. 이 컨트롤러는 보드 작업자의 MPC 컨트롤 위에 또는 옆에 위치시킬 수 있습니다. Pavilion8 컨트롤러 1대가 다른 Pavilion8 컨트롤러의 제어 변수에 설정점을 쓰기할 수 있도록 설정함으로써 보다 복잡한 전략을 구현할 수도 있습니다.
