미래지향적인 자동화시스템(인더스트리4.0)을 위해서는 에너지 절감과 안전 데이터 관리가 필요하다. 여기서 중요한 포인트는 ‘측정’이다. 측정하지 않으면 에너지를 절감할 수 없기 때문이다.
지난 10월 30일 열린 바이드뮬러코리아 로드쇼에서 기술지원팀 박기홍 과장이 발표한 ‘액티브 파워메니지먼트 솔루션’에 대한 강연 내용을 정리했다.
▲ 바이드뮬러코리아 박기홍 과장
에너지 절약을 위한 자동화 시스템으로는 3단계 플랜이 실행되어 왔다. 1단계로 2006년에 ISO 5001이 제정됐고, 2단계로 2011년부터 2014년까지 ISO 5001 국내 인증제도가 실행됐다. 3단계로는 2015년부터 EnMS(에너지메니지먼트시스템) 정부지원제도를 국가 차원으로 진행됐으며, 에너지관리공단이 시행 중이다. 2015년에는 총 31억원의 예산이 지원됐다.
에너지 절약 트렌드
에너지 절감을 위한 실천 구성방식은 지속적인 추진과 기술적인 측면의 조화를 이끌기, ISO 5001을 추진하기, 피크 부하를 감소하기, 3가지가 있다.
먼저, ISO 5001의 개요를 정리해 본다. 기본적으로 에너지경영시스템을 기반으로 에너지 절감 요구사항을 제공해 에너지 효율성을 높이는 데에 의의가 있다. CO2 배출량 감소에도 목적이 있다. 또한, 환경부담금 환급 등의 비용절감을 가질 수 있다.
다음으로 ISO 5001의 프로세스를 살펴본다. 에너지 방식, 에너지 기회, 실행 및 운영, 모니터링 및 측정·분석, 시장에 대한 적합성을 판단하며, 이를 순환적이고 지속적으로 체크한다. 또한, 모니터링과 측정 분석이 가장 중요하다. 에너지 측정 후에는 시각화하고(PC 등을 통해 즉시성을 가진다), 이를 데이터 작성한 후에는 최적화 제품을 선택하면 된다.
전기제품에서 전압과 전류를 체크하는 기능은 기본적이다. 여기서 소비 전력은 전압×전류라고 할 수 있지만, 이외에도 유효 전력, 무효 전력, 피상 전력, 역률, 고조파, 결합 불균형까지 체크해야 실질적인 에너지 소비량을 알 수 있다. 이를 파워모니터링에서 확인할 수 있다. 이를 통해 피크 부하를 관리할 수도 있다.
상호모니터링을 통해 데이터를 작성하는데, 산전에서 제공하는 부하율을 살펴보자. 전기 기본요금은 산업용, 교육용, 가정용 등에 따라 다르다. 이것을 계산해 보면, 24시간 작동하는 공장에서는 부하가 많이 걸리므로 밤에 생산하는 게 효율적이며, 부하가 적게 걸리는 제품은 낮에 생산하는 것이 에너지 절감 방식이 되겠다. 이는 모두 측정과 데이터화를 바탕으로 한다.
유효 전력, 무효 전력, 피상 전력, 역률에 대해 간단히 설명하면, 피상 전력이란 어떠한 장비를 작동시키기 위해 실질적으로 공급되는 에너지량이고, 유효 전력이란 피상 전력을 사용함에 있어 실질적으로 소비되는 전력값이다. 실질적으로 소비하지 못하는 전력은 무효전력이다. 역률은 유효 전력에서 피상 전력을 나누고 100을 곱하면 나오는 값이다. 따라서 무효 전력이 높을수록 역률은 나빠진다.
무효 전력에 따른 경비를 보면, 전류가 전압보다 느린 부분은 유효성 부하가 큰 것이다. 즉, 변압기, 모터 등에 의한 부하이다. 반대의 경우를 영향성 부하라고 한다. 즉, 히터, 다리미 등이 있다. 이를 통해 에너지 절감 방식이 바뀐다.
다음으로 고조파에 대해 살펴보면, 1고조파~5고조파로 나뉘는데, 총체적으로 보면 기본파의 찌그러짐 현상, 일명 노이즈이다. 히터, 변압기 등에서 발생을 하고, 이에 따라 역률 감소나 오차 증가가 있을 수 있다. 파워모니터에서 고조파를 측정한다는 가정 하에 역률이 줄어듦을 발견하면 에너지 소비가 많아지는데, 이때 변압기가 과열되거나 출력 감소, 소음 증가가 발생하는 것을 놓고 볼 때 에너지 절감보다는 제품의 수명 손실 방지와 관련된다. 이러한 부가적 기능으로 사용할 수도 있다고 본다.
전체적 시스템을 먼저 보겠다. 실질적으로 부하를 이끌어내고, 부하를 발생시키는 센서 위치가 있을 것이다. 이것과 관련된 전력 값을 측정하기 위해 파워모니터를 앉힌다. 또한, 컨트롤러가 있겠고, 파워모니터가 전체적으로 상위로 데이터를 올려주는 모델을 구상해보았다. 이러한 방식에 의해서 전체적인 감시를 한다고 보면 된다. 간이 솔루션으로는 CT(전류계)를 부착하고, 데이터를 상위로 올리고자 할 때는 컨버터/이더넷을 이용해 데이터 관리를 한다.
구체적인 애플리케이션으로 넘어가보자. 앞서 파워모니터링이 유효 전력, 무효 전력 뿐만 아니라 고조파도 감지 할 수있다고 했다. 이를 이용해 출력 감지 부분에 파라미터를 설정하고 접점을 이용해서 컨트롤러 필요 없이도 시스템 관련 알람 등의 활용 방법이 있다. 파워모니터에 대한 제품 부분을 각종의 PLC로 받아서 신호를 다시 상위로 올려주는 경우도 있을 것이다. 여기에 대한 솔루션은 메인차단기에 붙어 있다.
이는 공장 전체의 셧다운을 관장하는데, 예전에는 공장에 대기전력이 충분했지만 이러한 소비전력을 절감하기 위해 20분내지 30분 정도 같은 전력이 돈다면 생산 시간이 아님을 감지해 자동으로 셧다운하는 애플리케이션도 가능하다. 이를 활용해 통신 관련 어드래스를 맵으로부터 가져다 쓰면 그에 적합한 데이터 값을 얻을 수 있다. 특히 전압 불균형 감지를 알람식으로 띄우는 방식의 활용도 가능하다.
에너지 절감 애플리케이션
에너지 절감을 위해 바이드뮬러에서 제공하는 솔루션의 특징은 다음과 같다. 바이더뮬러의 파워모니터링 제품군은 어떠한 곳에도 적용이 가능하다. 이들은 유효 전력, 무효 전력, 고조파, 역률 등을 측정한다. 추가적으로 파라미터값 설정과 통신, 디스플레이 설정이 가능하다는 장점이 있다. 심지어 온도까지 측정할 수 있다.
또한, 패널 전면에는 CPU와 LCD모니터로 구성돼 있고, 관련된 평균값을 타이머로 출력할 수 있다. 실제로 파워모니터링에 전류가 측정되기 시작하면 순차적으로 돌면서 전류값, 온도값 등을 시간에 따라 모니터링하는 기능을 가지고 있다.
그리고 PCB로 이뤄져 파워를 공급하는 방식이 쉽고, 알람으로 사용하는 부분, 전류 측정 CT 부분, 배터리 등으로 구성돼 있다. 여기에 USB 인터페이스가 있다. PC와 케이블을 이용해서 모니터링할 수 있는 솔루션도 제공한다. 또한, USB를 통해 파라미터값을 설정할 수 있다. 뿐만 아니라 실시간 모니터링이 가능하다. 에너지 절감에 있어서 모니터링 시스템 구축이 가장 중요하기 때문에 실시간 기능이 중요하다.
그리고 파워모니터링을 설치하고 구동시켰을 때 설정값과 데이터 전송 모습을 볼 수 있다. 데이터로고는 분 단위나 초 단위로 설정할 수 있다. 모니터링하고자 하는 디바이스마다 실시간 기록을 체크할 수 있다. 따라서 피크 부하를 그래프로 확인 가능하다.
임근난 기자 (fa@hellot.net)
