제조공장 생산설비 최적운전을 통해 에너지소비, 탄소배출, 운전비용 등을 절감하기 위해 추진된 ‘생산정보 연계 제조환경 설비에너지 통합 운영관리시스템 개발 및 실증’ 연구단은 실증을 포함한 4년간의 연구를 통해 통합플랫폼인 EEMS를 개발했다.

2세부는 ‘제조설비의 변동부하 대응형 에너지효율화 모듈 및 제어기술 개발’을 주제로 생산성을 저해하지 않으면서 에너지효율을 극대화하는 전동기기반 효율화모듈과 AI기반 제어시스템을 개발했다. 2세부를 총괄한 강용태 한솔코에버 연구소장을 통해 연구성과와 사업화 계획에 대해 들었다.

 

■ 2세부 연구필요성은

기존 제조현장은 전동기(펌프, 팬 등의 구동기)의 사용에너지가 산업전력의 약 56%에 달하며 이는 직접 생산설비 전력이 35%, 시설공조 소요전력이 21%를 차지하는 만큼 많은 에너지가 사용되고 있다.

특히 많은 에너지를 소비하는 제조설비나 공조설비 내에 수많은 전동기가 요소기기로 설치·구동되고 있다. 이러한 전동기는 우리나라 제조업 역사와 더불어 노후화가 진행됨에 따라 태생적인 저효율이 에너지낭비의 근본적인 문제가 되고 있다는 점을 눈여겨봐야 한다.

이에 따라 단순한 EMS에서 접근하기 쉬운 모니터링 중심 해결책으로는 효과적인 에너지절감이 어려워 기존 FEMS 한계를 극복할 필요성이 제기됐다.

그러나 전력사용의 중심이 되는 노후 전동력 설비를 최신의 고효율 장비로 전면 대량교체하면 에너지절감 효과는 크지만 소요비용 과다 및 기축공정 휴지기 발생 등 사업자의 심리적 부담감 등이 저해요소로 작용할 수 있다.

따라서 기축 노후자산의 전면적인 교체에 따른 비용매몰 및 기축자산 좌초화를 극복하고자 노후화된 핵심부분을 교체하거나 낙후된 요소기술을 고도화된 기술로 교체도입해 개선하는 효율적인 전략을 구상하게 됐다.

이와 함께 에너지수급 전 주기모델 기반 상황인지, 스마트센싱 및 제어기술을 적용해 전동력 기기 중심의 생산·에너지·환경 세 가지 지표에 대한 최적화 방안을 도출해 적용하고자 했으며 기존 저효율 정속형 기반의 전동력 기기를 고효율화 개조하고 인공지능 기반 스마트센싱을 통한 지능형 제어를 통해 기존 공정의 동일 생산성대비 에너지절감을 할 수 있도록 실질적 효과를 목적하는 연구개발을 기획 및 진행하게 됐다.

 

 

■ 주요 연구개념 및 방향성은

2세부 연구그룹에서는 제조공정의 변동부하 대응 기축 전동력 기기의 문제점을 도출했다. 현재 제조설비 환경에서는 각종 펌프, 송풍, 교반, 사출, 반송 등 다양한 전동력 기기를 중심으로 공정이 진행되는데 생산계획 및 공정 운영계획 등 변동하는 생산수요에 따른 부하변동에 대응하지 못하는 근본적 문제에 주목했다.

정속형으로 구동하는 전동기 기반의 설비구성의 한계점, 신규 도입비 및 유지보수 비용이 과하게 소요되는 인버터의 도입부담 등 난점을 해결하고자 기축 노후 유도기(IE1~IE2급)를 사용하는 설비의 공통적인 문제, 즉 초기 기동효율 저하, 낮은 정격효율, 부분부하 효율저하, 에너지 상태측정 미흡 등 문제를 해결하고자 했고 이를 위해 변동부하 대응형 에너지효율화 모듈(전동력 기기 개조)을 개발 및 적용하고자 했다.

 

■ 연구내용별 참여기업·기관 역할은

연구단은 제조설비 변동부하 대응형 에너지효율화 모듈기술 개발을 목표로 각 그룹별로 세부 연구목표와 추진 내용을 설정했다.

2세부 주관인 한솔코에버는 제조공정 전동력설비의 에너지데이터 및 설비상태 데이터의 관제망 플랫폼을 구축하며 이를 통해 기축 제조공정에서 생산활동에 소요되는 전력, 유량, 압력, 진동, 온도 등 다양한 지표들을 계측 분석했다.

변동부하 대응 에너지효율화 모듈의 개발주체인 한국전자기술연구원의 역할은 4개 파트의 요소 기술개발을 담당했다. 먼저 부분부하 드라이브모듈(SLDM) 파트는 기축 유도전동기의 외부에 적용가능한 SLDM을 설계해 다양한 부분부하 조건에서 에너지손실을 최소화하는 모듈형 구동 시스템을 개발했다. 이와 협업하는 알에스오토메이션은 모듈시험 및 성능진단을 통해 신뢰성을 확보하고 중소·중견 제조현장에 즉시 적용 가능한 형태로 실증을 추진했다.

둘째로 최적 운전제어 알고리즘 파트는 제조공정별 부하특성을 반영한 최적 운전제어 소프트웨어를 개발해 변동부하 상황에서 전력사용 효율을 극대화한다. 2세부 주관인 한솔코에버와 협업해 실증데이터 기반 알고리즘 고도화를 통해 기존 설비대비 최소 10% 이상의 에너지절감 효과를 검증했다.

셋째로 디지털 전동기 IoT모듈 파트는 전력, 진동, 토크, 속도, 온도 등 상태진단용 센서를 IoT화해 전동기 운전상태를 실시간 모니터링했다. 한솔코에버에서 개발하는 Mid-level 플랫폼과 연계해 설비상태 데이터관리 체계를 구축하고 EMS와의 통합을 통해 공정단위 에너지최적화를 지원했다.

넷째로 회전자 효율향상 개조그룹(LSPM, PMSM)은 기존 유도전동기의 회전자 구조를 LSPM(Line Start Permanent Magnet), PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) 형태로 개조해 구조적 효율개선을 달성했다. 서강대학교와 연계해 회전자 손실 방열구조 개선기술을 적용함으로써 기계적 신뢰성 및 안전성을 확보하고 장기적 설비효율 향상을 유도했다. 개발된 모듈의 상업적 성과활용을 위해 개조 전동기의 통합제작, 시험 및 종합 성능진단은 태양전기가 담당했다.

 

 

■ 연차별 개발과정은

1차연도에는 실증 사이트 설계를 통해 에너지 데이터셋 및 전동기 특성 데이터 정형화 기반을 마련하고 운전제어 알고리즘 및 SLDM(변동부하 드라이브 모듈) 시작품 설계를 진행했다. 또한 개조 전동기 설계와 방열·냉각구조 해석개념을 정립해 기초 연구 기반을 구축했다.

2차연도에는 실증 사이트에 계측 인프라를 구축했으며 SOH 진단 데이터셋 및 전력사용 패턴분석을 기반으로 운전제어 알고리즘을 적용했다. 개조 전동기 및 SLDM/IoT 시제품을 제작·평가했으며 방열특성맵과 냉각구조 상세설계를 통해 실증적용을 준비했다.

3차연도에는 빅데이터 기반 에너지효율화 분석 및 온라인 서비스모델을 개발했으며 실증환경에서 개조 전동기·SLDM·IoT 모듈의 성능검증을 수행했다. 또한 공인 시험평가와 방열 특성데이터 구축을 통해 제품신뢰성과 실증효과를 확보했다.

4차연도에는 수요처 현장에서 통합테스트를 수행했으며 사업모델 및 Smart Factory Alliance서비스 프로세스를 마련했다. 실증결과 분석을 기반으로 개조 전동기·SLDM·IoT 모듈 성능을 고도화했으며 최종 사업화전략과 마케팅방안을 도출했다.

 

■ 연구성과 및 사업화 계획은

연구단은 제조공정 실증현장을 중심으로 변동부하 대응형 에너지효율화 모듈(SLDM)과 회전자 개조기술을 적용해 가시적인 성과를 도출했다. 구미 소재 공장에서는 11kW급 SLDM과 5.5kW급 회전자 개조 전동기 여러대를 설치해 실제 공정 운전조건에서 에너지절감 효과를 검증했으며 청주 소재 제조공정에서는 5.5kW급뿐만 아니라 30kW 설비에서도 효율화 가능성을 확인했다. 적용 전에 비해 평균 10% 이상 에너지절감을 달성해 기술적 타당성과 산업적 파급효과를 입증했다.

향후 사업화 계획으로는 중소·중견 제조업 현장에 적용가능한 표준 패키지솔루션 보급, 에너지관리시스템(EMS) 및 스마트팩토리 연계 확장, 공인시험성적 기반의 신뢰성 검증을 통한 상용화 가속화, SLDM·IoT 모듈·개조 전동기 통합시스템의 제품화 및 서비스사업모델 구축을 추진할 계획이다. 이를 통해 국내 제조업의 에너지효율 혁신을 선도하고 글로벌시장 진출가능성까지 모색하고자 한다.