Beckhoff, PC 기반 제어를 통한 지속 가능한 성장 실현 - Technical Report

에너지를 절약하는 것은 매우 가치 있는 일이다. 환경에 도움이 될 뿐만 아니라 일차 에너지원의 대폭적인 가격 인상에 대처하는 데도 도움이 된다. 에너지 소비량 절감은 곧 이산화탄소 배출량 저감으로 이어진다. 이를 염두에 둔 Beckhoff는 탄소 중립성을 달성한다는 궁극적인 목표에 중점을 두고 꽤 오래 전부터 생산 공정과 기존 건물 전체에 걸쳐 필요한 대비들을 왔다.

Beckhoff는 SCT 변류기와 EtherCAT 전력 측정 터미널 EL3433을 포함한 광범위한 에너지 모니터링 제품을 제공한다. © Beckhoff

그동안의 조치를 살펴보면, 2016년에 에너지 관리 시스템을 성공적으로 구현했으며, 같은 해에 ISO 50001 표준에 따라 TÜV Süd 인증을 취득했다. 에너지 관리 시스템은 모든 관련 소비량을 연속적으로 기록함으로써 회사의 비용 및 에너지 소비량을 지속적으로 절약하는 데 도움이 된다. 이러한 정보를 분석하면 에너지 소비량을 줄일 잠재적인 추가 조치를 식별할 수 있다. 이를 통해 Beckhoff는 법적 요건을 준수할 뿐만 아니라 기후 및 환경 보호에 대한 책임을 실천하고 있다는 사실을 잘 보여주고 있다. 결국 에너지 소비량 절감은 자연스럽게 대폭적인 탄소 배출량 저감으로 이어지며, 이는 우리 세계가 기후 중립적인 경제를 실현하는 과정에서 앞으로 모든 업체가 추구해야 할 중대 과제이기도 하다. Beckhoff는 이러한 과제를 위해 노력하고 있으며 다음과 같은 목표를 설했다.

•매년 에너지 관련 성과 0.5%씩 개선

•탄소 배출량 저감 및 상계를 통해 Beckhoff Automation 사업장의 기후 중립성 달성

Beckhoff의 에너지 팀에서 전반적인 에너지 관리를 담당하고, XPlanar 제품 관리자 역할을 맡고 있는 Johannes Beckhoff는 회사의 에너지 효율성 향상을 위해 노력하고 있다고 얘기한다. 이러한 노력의 구체적인 예를 살펴보면, 에너지 관련 성과(매출 1,000 유로당 kWh 기준 에너지 소비량)의 지속적인 개선 및 장기적인 재생 에너지원 사용량 증대가 포함된다. 2018년 기준 Beckhoff Automation Germany의 에너지 성과는 14.32 kWh/1,000 유로였는데, 2021년 이 핵심 지표를 13.35 kWh/1,000 유로로 낮출 수 있었다.

한편 독일 내 Beckhoff 그룹(Beckhoff Germany, Smyczek, Fertig Motors)의 총 에너지 수요에서 “회색 에너지”의 비중은 1% 미만(2021년 기준)이다. Beckhoff는 1,100만 kWh에 달하는 친환경 전기 사용량 중 약 10%를 태양광 발전 시스템(현재 최대 설치 용량: 1,081 kWp)을 통해 이미 자체적으로 충당하고 있으며, 그 비중이 증가하고 있는 추세이다. 올해 개최된 하노버 메세(Hannover Messe)에서 Hans Beckhoff는 Verl 사업장에 태양광 발전 패널을 추가로 설치하는 최신 프로젝트를 발표했다. 이 프로젝트의 목표는 170개 태양광 발전 차고에 총 509 kWp의 출력에 달하는 모듈을 설치하는 것이다. 생산동에 650 kWp 용량의 추가 태양광 발전소를 설치하는 계획도 진행 중이다. 계획된 확장 사업이 완료되면 Beckhoff, Smyczek, Fertig Motors의 총 태양광 발전 설치 용량이 2,240 kWp에 이를 것으로 예상된다. 이에 더해, 천장 난방 패널, 냉방 패널, 열펌프로 기존 건물의 난방 시스템을 부분적으로 개조하고 확장했으며, 다른 부분은 지역 난방으로 완전히 전환했다. 조명도 가능한 경우 LED로 전환했으며 가급적 수요 지향적이고 일광 종속적인 제어 기술을 적용했다.

현재까지 이행한 조치들이 이미 매우 오랜 기간 동안 좋은 성과를 보이고 있다. 국제적으로 인정받은 “온실가스 프로토콜 기업 회계 및 보고 기준(GHG Protocol Corporate Accounting and Reporting Standard)”에 따른 평가 결과에 의하면, Beckhoff의 CO2 수치는 2019~2020년 기간 동안 매출 100만 유로당 23.7 t CO2e(CO2 환산톤)에서 14.9로 대폭 감소(37%)하였다. 결과적으로 총 13,763 t CO2e가 배출되었는데, Beckhoff는 이러한 불가피한 배출량을 myclimate gGmbH의 이산화탄소 인증서를 통해 상계한다. Beckhoff에서 에너지 관리를 담당하는 Anne Schaper는 다음과 같이 강조했다. “우선 순위는 물론, 먼저 탄소 배출을 피하는 데 중점을 두고 배출량을 지속적으로 저감하는 방안을 모색하는 것입니다”

에너지 관리 과정에서 알게 된 개선 잠재력은 대폭적인 에너지 소비량 감축과 그에 따른 탄소 배출량 저감으로 이어졌다. © Beckhoff

투명한 에너지 데이터를 통한 최적화 모색

에너지모니터링 은 탄소 배출량 저감에 있어 중요한 역할을 한다. 결국 현재 상황을 지속적으로 파악하는 것이 목표 달성을 위한 기본적인 요건이다. 이를 위해 Beckhoff는 수 년 동안 Stuttgart 지역에 기반을 둔 Optenda사의 소프트웨어를 사용해 오고 있다. Johannes Beckhoff는 다음과 같이 설명한다. “목표 지향적인 방식으로 에너지 소비량을 파악하고 결과적으로 이를 감축하기 위한 첫 단계는 최대한 많은 부하 지점에서 소비량을 측정한 다음 중앙에서 통합하는 것입니다” Beckhoff 및 Smyczek에서는 2019년부터 DIN ISO 50001과 관련된 모든 공정에 Optenda의 Energy Monitor 소프트웨어를 사용해 왔다. 이 툴은 PC 기반 제어와 광범위한 측정 터미널 및 전류 센서를 통해 회사 현장에서 다양한 에너지 흐름(전기, 열, 압축 공기, 질소 소비량)을 투명하게 기록한다. 범용 및 시스템 통합 에너지 측정 기술은 주요 생산 수치의 개관을 지속적으로 파악하고 시스템, 건물의 수치적 목표와 실제 상태를 제어 시스템 내에서 비교할 수 있도록 하는 토대를 제공한다. 이러한 방식으로 시설의 손상 위험도나 부적절한 사용을 조기에 감지하여 문제를 보다 쉽게 식별하고 최적화 조치를 취할 수 있다.

모니터링을 통해서 조명 및 실내 에어컨 가동 시간대 제어와 같은 자체 효율성 측정을 MWh 기준으로 정량화할 수 있다. 실제로 Beckhoff 소유 생산 건물에 대한 최적화 조치를 통해 210 MWh/a의 에너지를 절약하는 데 성공했다.

연속 모니터링을 통해 생산 시 소비량을 측정하여 압축 공기 네트워크에서의 누출과 같은 부적합 상태를 초기 단계에 식별하여 시정할 수 있다. 생산 수준에서의 소비량을 기록함으로써 제품당 에너지 소비량을 정량화하고 모니터링할 수 있다.

콤팩트한 임베디드 PC와 에너지 측정 터미널을 사용하여 생산 공정에서의 에너지 소비량을 기록한다. © Beckhoff

데이터 투명성을 뒷받침하는 완전한 측정 체인

연속적인 데이터 모니터링에는 일반적으로 비용이 많이 들고, 특수한 구성품을 포함하는 추가 센서의 통합 작업이 필요하기 때문에 매우 많은 지출이 수반된다. 하지만 Beckhoff의 전력 측정 터미널, 변류기, 과전류 보호 터미널, 전력 공급 장치를 사용하면 개조가 필요한 상황에서도 상대적으로 낮은 비용으로 실현할 수 있다.

자동화 전문 기업인 Beckhoff는 관련된 전력 공급 구성품의 통합을 통해 투명하고 완벽한 시스템을 구현하였다. 이와 같은 통합 어플리케이션만이 개별 기계에서 생산동 및 사무동까지 에너지 공급에 대한 종합적인 개관을 제공할 수 있을 것이다.

Beckhoff는 SCT 시리즈의 변류기를 사용하여 물리적 수치를 측정하고 취합된 데이터를 클라우드로 전송하는 전력 측정 체인을 완성하였다. 광범위한 변류기 포트폴리오는 1A에서 5,000A까지 관련된 모든 어플리케이션을 망라한다. 사용자는 두 가지 유형의 디바이스 중에서 선택할 수 있는데, 각각 확장성이 뛰어나 여러 어플리케이션에 적합한 다양한 디자인과 성능으로 구성할 수 있다. SCT 포트폴리오는 건물용을 포함한 저가형 3상 변압기 세트에서 기계 구조물에 사용되는 표준 산업용 변압기와 특히 높은 정확도를 요구하는 테스트 벤치용 솔루션까지 광범위하다.

분산형 전력 측정 컨셉은 더욱 복잡한 시스템에서도 정밀한 전력 측정 데이터를 효율적이고 경제적으로 확보할 수 있는 방법을 제공하는데, 그와 같은 콘셉트의 핵심적인 요소가 최대 1 A의 AC/DC 측정 전류에 적합한 6 채널 전류 입력 터미널 EL3446이다. 이를 사용하여 공간적으로 분리된 전압 및 전류 측정치로도 정밀한 전력 수치를 판단할 수 있다. 단순한 전류 측정 터미널인 EL3446으로 실제 전력 측정치를 포함하여 전력 공급망에서 취합한 모든 관련 전기 데이터를 파악할 수 있다는 것이 핵심이다. 그러나 이러한 터미널은 별도의 3상 전력 측정 터미널 EL3443으로부터 EtherCAT을 통해 전력 데이터 계산에 필요한 전압 수치를 수신하는데, 이는 네트워크당 한 번만 설치하면 되고 EtherCAT의 분산형 클럭 기능에 의해 시간도 정밀하게 동기화된다. 이러한 분산형 전력 측정 컨셉을 통해 하드웨어 및 설치 비용을 최소화할 수 있다.

SCT 시리즈의 분할 코어 변류기를 통해 기존 플랜트 및 건물을 쉽게 개량하고 종합적인 에너지 관리 시스템과 쉽게 통합할 수 있다. © Beckhoff

OPC UA 및 PC 기반 제어를 통한 투명성 개선

TwinCAT 3 Building Automation은 건물 자동화를 위한 종합적인 펑션블록 패키지를 제공한다. BACnet 및 OPC UA를 통한 통신이 직접 통합되기 때문에 제어 시스템을 관리 및 운영 수준으로 통합할 수 있다. PC 기반 제어의 개방성 덕분에 Optenda는 자사의 Energy Monitor를 OPC UA를 통해 기존의 Beckhoff 측정 인프라에 바로 연결할 수 있었다. Optenda의 영업 및 사업 개발 관리자인 Dennis Ulke는 다음과 같이 강조했다. “관련 데이터 지점이 200개가 넘는 상황에서 프로젝트를 이행하는 동안 이것이 얼마나 큰 이점을 제공하는지 바로 알게 되었습니다”

PC 기반 제어 솔루션은 조명, 자외선 차단, 창문 제어, 난방, 환기, 공조를 중앙 플랫폼 상에서 연계하여 모든 기술 시스템을 지능적으로 제어한다. 따라서 개별 물리적 데이터 지점의 수가 축소되고 오류 위험도 완화된다. 이에 더해 모든 데이터를 단일 시스템에서 이용할 수 있는데, 이는 성공적인 에너지 모니터링의 기본적인 전제 조건이다. 자외선 차단, 열 관리 자동화, 일광 종속적 조명 제어와 같은 기능은 에너지 절약에 크게 기여한다. 하절기 야간 냉방, 하절기 보정, 백업 운영, 타임 스케줄과 같은 TwinCAT 패키지의 HVAC 기능도 여기에 추가로 포함된다. 건물 시스템의 점유 상태 기반 제어와 HVAC 모듈을 통해 추가적인 에너지 절감을 모색할 수 있다.

다양한 임베디드 PC(CX9020, CX5100, CX7000 시리즈)가 제어 센터를 형성하여 에너지를 모니터링한다. 팬리스 타입의 ARM Cortex™-A8 프로세서(1 GHz 클럭 주파수)가 장착된 임베디드 PC, CX9020은 건물 자동화 분야의 소규모 및 중간 규모 프로젝트에 적합하다. CX9020은 TwinCAT 3 Lighting Solution(적용 분야: 전체 홀의 조명 관리 등) 및 TwinCAT 3 Building Automation(적용 분야: 차양, 조명 제어, 사무실 공조 등)과 함께 사용할 수 있다. 보다 강력한 임베디드 PC, CX5100은 다수의 데이터 지점을 지닌 건물의 자동화에 최적화된 제어 플랫폼이다. 예를 들어, 이 시리즈를 사용하면 2000개가 넘는 BACnet 객체를 손쉽게 제어하고 관리할 수 있다. 임베디드 PC, CX7000은 소형 환기 시스템 또는 실내 자동화 시스템과 같이 건물에 사용되는 소규모 독립형 솔루션에 맞게 설계되었다. 8개의 통합 다기능 입력과 4개의 다기능 출력을 지닌 이 임베디드 PC는 합리적인 가격일 뿐만 아니라 콤팩트한 컨트롤러이다.

단 3개월 만에 식별된 강력한 에너지 절약 가능성

Beckhoff는 이러한 구성품을 사용함으로써 소비량 모니터링을 시작한 후 자체 사업장 및 시설의 환기, 공조 시스템에서 63 t CO2에 달하는 매우 많은 양의 에너지 절감 가능성을 식별할 수 있었다. Energy Monitor의 사용자 친화적인 인터페이스를 통해 분석 및 초기 최적화 잠재력을 시각적으로 명확히 파악하고 추후 결과에 상응하는 제어도 수행할 수 있었다. Dennis Ulke는 다음과 같이 얘기했다. “시운전 후 3개월이 지나자 연간 약 20,000 유로의 비용 절감 효과를 식별하고 실현할 수 있었습니다. 이러한 효과는 시간이 지나도 계속되므로 지속 가능한 것으로 볼 수 있을 것입니다. 아무 조치도 취하지 않았더라면 20,000 유료의 절감액은 계속하여 비용으로 발생했을 것입니다. 에너지 가격이 상승하고 있는 상황에서 이는 점점 더 큰 비용 부담이 되었을 것이기에, 비효율성을 추적하고 신속하게 해소하는 것은 정말로 가치 있는 일입니다. 우리 소프트웨어와 함께 이상적인 툴을 제공할 수 있어 기쁘게 생각합니다”

Energy Monitor 소프트웨어는 전기 소비량을 기록할 뿐만 아니라 열 및 압축 공기와 같은 다른 형태의 에너지와 관련된 소비 데이터도 모두 기록한다. 이 소프트웨어를 사용하면 해당 유형의 에너지의 이산화탄소 배출량을 빠르게 감축할 수 있다. 이를 통해 탄소 중립성을 달성하는 데 필요한 전체적으로 균형 잡힌 프로세스를 매우 간편하고 신속하게 실현할 수 있다. 결국 효율적인 에너지 관리가 효율적인 탄소 배출량 관리로 이어지기 때문이다.

링크:

www.optenda.de/en

www.beckhoff.com/building

www.beckhoff.com/current-transformers