에너지 소비 모니터링으로 OEM의 ROI를 높인다

Schneider

소비자가 제조업체의 친환경성을 요구함에 따라 비용 절감, 자원 사용 및 에너지 절감이 업계의 주요 이슈가 되고 있다. 기계 제작자와 OEM은 제조 과정의 최전선에 있고, 도전적인 시장을 위해 더 스마트한 기계를 만들어야 한다.

자동화 솔루션은 이미 에너지 및 자원 소비를 줄이는 효과와 이점을 입증했다. 에너지 효율 방식을 높일 수 있는 것은 설계에 있다. 본문은 에너지 효율 목표에 도움이 되고 애플리케이션에 따라 기계와 장비에 이점을 제공할 수 있는 주요 사항을 검토한 것이다.

1. 기계 설계의 기본 사항 수립

스마트하고 에너지 효율적인 자동화 장치 및 기술

설계 초기부터 적절한 자동화 장치를 구현하는 것이 기계의 에너지 소비를 개선하는 주요 원천이다. 보다 에너지 효율적인 기계를 설계하면 장비 수명을 늘려 비용을 절감할 수 있으며 회사의 경쟁력을 높이게 된다. 기계 설계를 최적화하는 스마트 자동화 기술은 다음의 사항으로 수립할 수 있다.

- 올바른 크기의 모터 선택
- 고효율 모터 사용
- 올바른 가변 속도 드라이브 선택
- 올바른 컨택터 및 보호 장치 선택
- 보다 효율적인 모션 제어 솔루션 구성
- 인클로저의 열 효율 향상
- 올바른 자동화 장치, 도구 또는 기술(HMI, 컨트롤러 크기, LED 등) 선택
- 올바른 자동화 아키텍처 및 관련 자동화 구성 요소 구현

모터 사이징

산업 및 인프라는 전 세계에서 가용 에너지의 31% 이상을 소비하며 전기 모터만으로도 에너지 소비의 60% 이상을 차지한다. 엑추에이터는 흔히 오버사이징 된다(전기 모터, 공압 작동기 등). 이는 필요한 것보다 더 많은 에너지를 소비하는 기계로 이어지며, 적절한 설계를 통해 쉽게 피할 수 있다. 기계가 얼마나 강력하고 안정적인지, 그리고 미래의 기계 진화가 필요한지 고려하려면 애플리케이션을 신중하게 평가해야 한다.

작고 간단한 모터가 큰 모터보다 낫다. 경험에 따르면 에너지 효율 측면에서 단순히 ‘필요 이상의’ 모터 대신 애플리케이션에 정확하게 맞는 모터를 사용하면 에너지 소비가 최적화된다.

이 기본 권장 사항으로 평균 3~4%의 비용 절감을 할 수 있다. 동시에 전력 제어 시스템의 크기(축소)에 영향을 줄 수 있다. 보다 나은 사이징은 기계 비용을 낮추면서도 장기적으로 비용을 절감한다

(그림1 참조).

고효율 모터 사용

글로벌 정보 회사 IHS의 최근 시장 조사에 따르면 IE3 모터가 점진적으로 시장을 넓히고 있다. 모터 규정이 엄격하게 적용되지 않기 때문에, 전환은 점진적으로 유지될 것으로 예상된다.
IE3 모터 및 보다 일반적으로 에너지 효율 솔루션에 대한 고객의 요구에도 불구하고 일부 OEM은 IE1을 계속 제공한다. 고객이 요구 사항에 IE3 모터를 포함시키기 시작함에 따라 시장은 필연적으로 이러한 모터로 전환할 것이다.

고효율 모터는 효과가 입증되었으며 일반적으로 1-2 년의 투자 회수 기간을 갖는다. 고효율 모터에 대한 새로운 표준 IEC 분류는 4가지 범주를 지정한다. 또 다른 이점은 고효율 모터의 기계 수명이 길수록 지속 가능성에 기여하며 약 10%의 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다는 것이다(그림 2 참조).

모터 스타터에 대한 생각: 가변 속도 드라이브는 필수다.

가변 부하가 있는 응용 분야의 경우, 속도 드라이브를 사용하면 즉각적인 이점을 얻을 수 있으며 최대 50%까지 에너지를 절약한다(펌프, 환기 팬 및 압축기 분야).

동시에, 반복적인 시동이 필요한 모든 애플리케이션, 기존 접촉기보다 속도 드라이브 선택은 시동 전류를 제한하므로 손실 및 부하 피크를 줄인다. 전기 요금의 비용 절감과 같은 최종 사용자의 즉각적인 이점은 1년 또는 2년 미만에 회수할 수 있다. 호이스팅 및 리프트와 같은 일부 응용 분야에서는 회생 드라이브와 같은 회생 장치를 활용할 수 있다.

올바른 컨택터 및 보호 장치 선택

컨텍터를 사용할 때 간단한 선택만으로 전력 소비를 크게 줄일 수 있다. 현재 TeSysTM U 모터 스타터와 같이 올바르게 선택된 컨택터의 조합에서 특정 기능(예: 래칭 릴레이)에 저소비 전력 컨택터 또는 컨택터를 사용하면 에너지 손실이 줄어 소비 전력을 최대 4배까지 줄일 수 있다.

실제로 TeSys U 모터 스타터는 기존 모터 스타터에 비해 에너지 소비가 75% 적다. 이는 전력 접점 수가 감소하고 제어 회로의 에너지 소비가 매우 낮기 때문에 달성된다.

Smartlink 통신 시스템과 결합된 Acti 9TM 보호 및 제어 시스템은 모든 에너지 관리 및 제어 시스템 아키텍처와 호환된다. 이 시스템은 기본 제어와 최적의 보호 기능을 통합하여 유연하고 안정적이며 사용하기 쉬운 Modbus 통신 시스템을 사용하여 모든 환경에서 에너지 효율적인 솔루션을 쉽게 관리한다.

TeSys 회로 차단기, 컨택터 및 열 릴레이를 사용하면 설치 및 최신 규정 준수를 위한 최적의 에너지 효율성을 보장한다. 올바른 장치를 선택하고 컨택터와 함께 사용할 장치를 아는 것이 중요하다. 올바른 회로 차단기와 과부하 릴레이를 선택하려면 다음을 수행해야한다:

- 모터 보호 제조업체의 권장 사항을 따른다.
- 케이블 치수가 지나치게 커지지 않도록 한다.
- 모터 제조업체가 명시한 전기 특성이 사용된 모터 스타터와 일치하는지 확인한다.
- 권장 구성표를 사용하지 않고 모터 스타터 구성품을 별도로 선택한 경우, 구성품의 구성을 확인한다.

Schneider ElectricTM TeSys 회로 차단기 및 열 릴레이는 IE3 모터와의 호환성을 보장하기 위해 실험실 조건에서 자기, 전기 및 열 내구성 테스트를 거쳤다.

보다 효율적인 모션 제어 솔루션 구성

모션 솔루션이 이동 마스터링을 가능 하게 한다. 전송 또는 이동이 있을 때마다 모션 기술(서보 모터, 모션 제어기)은 놀라운 이점을 제공한다. 동기식 모터와 관련하여 상당한 에너지 이점을 가져온다.

에너지 절약에서 최대 60%의 향상된 성능이라는 주요 이점 외에도, 더 빠른 기계 사이클은 출력을 증가시키고 보다 정확한 위치 지정은 결함을 줄인다. 동기식 모터 기술(수율 95%)이 비동기식 모터보다 뛰어나며, 모터의 구경도 더 작다.

동기식 모터는 단순한 기술 덕분에 비동기식 모터에 비해 최대 10%의 에너지 효율 이점을 제공한다(로터 손실 없음). 모션 솔루션은 다른 기술을 대체할 뿐만 아니라 에너지 효율성 측면에서 상당한 이점을 제공한다:

- 움직임 동기화를 위한 기계(캠, 기어 등)
- 공압 및 유압; 예를 들어 공압식 대체는 손실 및 누출과 같은 심각한 에너지 사용을 줄인다.

인클로저의 열 효율 향상

온도, 습도 및 이슬점은 모두 전기 및 전자 인클로저의 성능에 영향을 준다. 문제는 이러한 환경의 크기가 적절하지 않으면 열 조건이 패널 수명뿐 만 아니라 안정성, 안전성 및 효율성을 떨어뜨릴 수 있다는 것이다.

온도는 전기, 특히 전자 장비의 신뢰성과 수명에 직접적인 영향을 미친다. 실제로 인클로저의 장치 및 설치가 실패하거나 오작동하는 경우 거의 항상 열 문제이다. 제어판에서 관련 열 관리를 결정하면 환경에 대한 열 오염을 제한할 수 있다.

- 기계 신뢰성(전자 장비 수명 연장, 고장 감소)
- 잠재적인 기계 비용 절감(대형 냉각 시스템 억제)

ClimaSysTM 제품군은 모든 상업용 및 산업 환경에서 전기 배전반 및 제어 패널의 관련 열관리를 가능하게 한다. ProClima 소프트웨어는 제어판에 설치된 환경 및 전기/전자 장치에 맞는 올바른 열 관리 선택을 제안하기 위해 지정된 범위의 열 데이터를 처리한다.

올바른 자동화 장치, 도구 또는 기술 선택(HMI, 컨트롤러 크기, LED 등)

- HMI(그래픽 터미널 및 패널): HMI 패널에서 백라이트를 관리하면 기계가 공회전 모드(예: MagelisTM XBTGT)에 있을 때 디스플레이의 전원을 끄는 등 소비되는 전력의 65%를 절약 할 수 있다.
- LED 사용: LED 기술은 푸시 버튼 및 표시등의 백열등 대신 저소비 전력을 제공하며 체계적으로 적용해야 한다.
- 제어기 크기: 사용 중인 애플리케이션에 적합한 크기의 제어기는 에너지 소비를 줄이는데 도움이 된다.
- 역률 수정: 무효 전력을 수정하고 결국 제거하려면 소스에 더 가까이 배치하는 것이 가장 좋다. 이를 통해 장비의 에너지 사용을 최적화하고 최종 사용자가 전기 네트워크의 불이익과 오염을 피할    수 있다.

올바른 자동화 아키텍처 구현

자동화 제어 시스템도 전력을 소비하지만(액추에이터 수준이 아님), 올바른 제안과 결정으로 최적화를 구현할 수 있다. 애플리케이션에 따라 올바른 자동화 아키텍처는 전체 제어 시스템의 에너지 소비에 유리한 영향을 줄 수 있다. 예를 들어 분산 아키텍처는 중앙 아키텍처 소비를 두 배로 늘릴 수 있다.

또한, 24V 전원 공급 장치 수를 최적화하면 관련 손실까지 에너지 절약을 유도할 수 있다. 최첨단 자동화 솔루션은 컨트롤러, 모니터링 시스템, HMI 및 네트워크를 완벽한 솔루션으로 통합하여 에너지 사용량을 쉽게 파악할 수 있다. 개방형 표준을 기반으로 하는 스마트 자동화 아키텍처를 통해 프로세스는 장기적으로 지속 가능하며 정확한 요구에 맞게 확장 가능하며 생산성을 달성할 수 있다.

2. 기계 설계 최적화

자동화는 에너지 효율성을 달성하기 위해 매우 중요하다. 프로그래밍을 통한 성능은 많은 새로운 가능성을 제공한다. 새로운 알고리즘은 이미 자체 검증되었으며 애플리케이션 라이브러리에서 볼 수 있다.

예측 제어 루프: 새로운 에너지 효율 원

알고리즘이 프로그래밍 시스템에 통합되어 10% 이상의 잠재적 절감 효과가 있는 예측 제어 루프가 기존 PID를 능가할 수 있다(그림 3 참조).

자동화를 통한 작동 모드 및 상태 모니터링

사용자는 생산 목표에 따라 항상 기계 및 장비의 전체 용량을 사용하지는 않는다. 필요한 리소스만 활성화하기 위해 일부 주요 영역은 의도적으로 중지된다. 이러한 기술은 하중이 연속적으로 주행하지 않고 도착할 때만 활성화되는 것과 같이 이송에 효율적으로 적용될 수 있다.

정지, 공회전 또는 보류 기능은 액추에이터를 비활성화하고 최종 사용자의 이익을 위해 추가 에너지 효율을 생성하기 위해 프로그래밍에 통합되어야 한다. 연구에 따르면 기계가 100% 생산되는 경우는 거의 없으며, 이러한 정지 기간 동안 기계의 전원을 끄는 등 기계를 올바르게 관리하면 소비가 거의 37% 줄어든다.

기계를 끌 때 제어 시스템과 통신 버스의 전원을 유지하지 않는 것과 같은 안전한 정지 및 재시작 조건도 에너지 효율의 원천으로 고려해야한다. 이는 중지 시 매개 변수가 저장되고 이전 상태에서 다시 시작하여 활성화될 때 가능하다.

안전에 대한 제약이나 회선의 빠른 재시작과 같은 해결책이 명확하지 않은 경우가 있다. 최종 사용자는 바람직하게는 제어 시스템을 전력 상태로 유지하도록 선택해야 한다. 기계의 시작을 관리할 때 일부 최적화 및 이점에 도달할 수 있다. 순차적인 시동을 사용하면 시동 전류를 최소화하고 피크를 피할 수 있다.

전용 애플리케이션에서 에너지 효율 최적화

- 호이스팅: 매년 60,000kWh 절약했다. 재생 솔루션을 갖춘 컨테이너 크레인 컨테이너 크레인 호이스팅 애플리케이션의 경우다.

예) 250kW 하중
- 사이클 시간: 5분(1분 리프팅, 1분 하강, 3분 처리)
- 운행 시간: 8시간/일, 200일/년
- 에너지 비용: ? 0.12/kWh
- 저항 제동을 위한 투자: ? 23,000
- AFE(Active Front End) 솔루션에 대한 투자 촉진:
? 34,000

결과:

- 저항 제동 시 에너지 소비: -100,000kWh/년 = ? 12,000
- AFE를 사용한 에너지 소비: -40,000kWh/년 = ? 4,800
- 에너지 및 비용 절감: 60.000kWh/년 = ? 7,200
- 회수 시간: 1.5 년

- HVAC: 전용 솔루션으로 공랭식 냉각기에서 최대 30%를 절약한다. 외부 공기 온도 변화에 따라 팬 속도를 조정하여 에너지를 절약했다.
ATV212 드라이브 + 가변 속도 드라이브 기능 블록이 있는 플로팅 고압 제어를 사용하는 -Modicon M171/172 제어기:
- 온/오프 콘덴서 팬 제어보다 최대 20% 적은 에너지 절감

전자식 팽창 밸브 제어 최적화를 통한 에너지 절약:

- 냉각기의 전자식 팽창 밸브 제어를 위해 Modicon M171/172 제어기에 고급 ‘과열 제어’ 기능이 구현됨
- 높은 설정 점을 가진 표준 과열 제어에 비해 에너지가 최대 10% 감소하는 최 5°C의 과열 설정 점 감소

- 패키징: 제조된 유닛 당 소비 전력이 개선되어 기존 기계에 비해 최대 30%의 에너지 절약이 가능하다.

기계의 에너지 풋 프린트 계산:

- 모션 중심 머신을 위한 PacDrive 솔루션으로 모든 구성 요소의 에너지 요구 사항을 시뮬레이션
- 단일 모터 또는 다른 구성 요소를 연결하지 않고도 AFB(Application Function Block)를 사용하여 기계 속도에 따른 동적 에너지 풋 프린트 계산
- 통합 파워 미터(에너지 대시 보드)로 현재 측정 결과 모니터링

종합 컨설팅 서비스:

- Schneider Electric 컨설팅 서비스를 사용하고 최첨단 측정 기술을 갖춘 숙련된 엔지니어와 협력하여 power vampires 장비의 부품을 식별한다.
- 대기 에너지 소비를 줄이기 위한 옵션을 검토한다. PacDrive는 표준화된 PackML 호환 작동 모드를 구현하여 이 프로세스의 가장 중요한 전제 조건을 만들었다.

에너지 효율적인 기계 기술:

- PacDrive는 ECAM과 같은 도구를 사용하여 에너지 최적화 모션 설계를 위한 토대를 마련한다.
- ‘지능형 라인 샤프트’와 같은 AFB는 추가적인 최적화 가능성을 만든다. PacDrive는 클래스 IE3보다 높은 효율 계수를 갖는 고효율 서보 모터, DC 버스 공유가 있는 서보 드라이브를 통한다.

- 펌핑: 가변 속도 드라이브를 사용하여 최대 20%의 생산성 향상했다.

에너지 관리로 운영 및 에너지 비용 절감:

- 혁신적인 전력 기술
- 표준으로 내장 고조파 완화(THDi = 48 % @ 80 % 공칭 부하)
- 재생 솔루션

통합된 정확한(<5 %) 전력 측정: 직관적인 내장 펌핑 기능으로 프로세스를 보다 안전하고 효율적으로 만든다.
- 펌프 시스템 곡선 관리
- 전용 펌프 기능(자키 펌프, 파이프 필, 부스터, 레벨 제어 등)
- 펌프 보호 기능(건조, 고 유량, 저 유량/유량 등)

시스템 고장을 예측하고 실시간으로 조치를 취할 수 있는 정확한 진단 및 원격 서비스:

- 동적 QR 코드
- 예측 유지 보수 기능(마모 및 드리프트 감지)

3. 에너지 소비 측정 및 모니터링

에너지 측정 및 모니터링을 통해 에너지 소비에 대한 지식과 지식을 보유한 회사는 생산성 향상, 직원 참여 개선 및 중요한 경쟁 우위를 확보한다. 산업 에너지 효율을 개선하기 위해 소비되는 에너지도 실시간으로 로컬 장치 및 기계에서 측정해야 한다. 증가하는 스마트 자동화는 최상층에서 작업장까지 더 나은 가시성과 효율성을 제공할 수 있다.

기계 모니터링을 통해 구성 요소 장애, 다운 타임, 기계 구성 요소의 손상을 피할 수 있다. 또한 부가 가치 서비스에 대한 비즈니스 기회를 늘리면서 유지 보수 일정을 계획할 수 있다.

수명 동안 모니터링 및 제어

에너지 효율에 대한 적극적인 접근은 기계 작동 또는 수명 주기의 불일치를 조기에 감지하여 추가로 8%의 비용을 절감하는 데 도움이 된다. 운영자, 유지 보수 담당자 및 생산 관리 팀은 모두 기계의 에너지 효율을 저해할 수 있는 상황을 완화하기 위해 빠른 조치를 취할 수 있다.

기계 에너지 라이브러리 및 대시 보드

기계 에너지 효율 툴 세트는 에너지 및 생산 정보를 결합하여 에너지 지표를 모니터링하는 쉽운 방법론을 제공한다. 에너지 소비를 모니터링하면 사용자가 에너지 사용을 이해하고 최적화할 수 있다.

Schneider Electric의 OEM 솔루션 소프트웨어인 SoMachine은 중앙, 전자 장비(가변 속도 드라이브, 서보 모터 등)의 측정에서 에너지 정보 수집 전용 기능 블록을 제공한다. 정보는 에너지 측정(유효 전력, 에너지, 전력 등)을 기계 작동 모드(예: RUN 또는 STOP) 또는 단위 생산과 연관시켜 관련 정보를 추적하는 표시기를 제공하는 전용 기능 블록에서 사용된다. 수집된 모든 지표는 SoMachine 및 VijeoTM Designer와 함께 제공되는 사전 정의 그래픽 객체와 함께 HMI에서 사용될 수 있다.

에너지 소비 측정 및 모니터링은 제조 운영에 중요하다. 제조 산업의 경우 에너지 소비 추적 및 감소는 더 이상 선택 사항이 아니므로 OEE(Overall Equipment Effectiveness, 전반적인 장비 효율성) 방법론으로 에너지 관리 측면을 고려하는 게 좋다.

4. 결론

에너지 효율 접근법은 당연히 OEM 비용이 든다. 본문에 제시된 새로운 디자인과 새로운 기술 통합은 장비 비용에 영향을 미치며, 이는 애플리케이션에 따라 10% 미만으로 추정될 수 있다. 에너지 절약의 효과는 2년 이내에 ROI를 통해 새로운 혜택, 에너지 소비 감소, 폐기물 감소, 품질 향상 및 성능 향상 등으로 확인할 수 있다.

자료 제공: Schneider(www.schneider-electric.com)