통계에 따르면 우리나라는 OECD 회원국 중 제조업을 통한 부가가치 생산 비중이 가장 높다. 그런 만큼 전체 산업군 중 제조업의 비중이 압도적으로 크다는 얘기다. 이번 글에서는 제조업 생산 시설에 있어 핵심 설비 중 하나로 꼽히는 에어 컴프레서의 대수제어를 통한 운용 효율성 향상에 대해 두텍 제품을 중심으로 얘기해 보고자 한다. 

 

 
에어 컴프레서 운용 효율성 제고의 필요성

 

에어 컴프레서는 제조업 시설 내 각종 부설 장비의 동력이 되는 압축공기를 생산하는 주요 설비 중 하나이다. 적게는 손으로 들고 사용하는 에어 공구에서부터 공장 자동화 시스템 전반에 이르기까지 다양한 부문에서 사용되고 있다. 이러한 이유로 규모에 따라 50마력 이하의 에어 컴프레서 한 대만 운용하는 시설이 있는가 하면 100마력 이상 대형 장비를 5대 이상 동시에 운용하는 시설도 많다. 

에어 컴프레서는 대형 모터를 기반으로 만들어진 장비인 만큼 에너지 소비량이 높을 수 밖에 없다. 그럼에도 불구하고 제조업 시설 내 생산 시스템의 동력원을 만드는 장비이기 때문에 에어 컴프레서를 24시간 운용하는 경우도 다반사이다. 이러한 이유로 에어 컴프레서 운용을 위한 에너지 비용이 보통 생산 시설 전체 에너지 소비량의 약 30% 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다. 

특히, 대규모 제조업 시설의 다채널 압축공기 생산 시스템은 더욱 더 체계적인 관리가 필요한 것이 사실이다. 수동으로 제어되는 시스템은 일반적으로 압축공기 수요량에 관계 없이 모든 장비를 상시로 돌리거나 규칙을 정해 각 장비를 일일이 사람이 조작하는 방식으로 운용된다. 여러 장비를 한 곳에서 조작할 수 없어 통합제어가 불가능하기 때문에 각 에어 컴프레서를 개별적으로 운전할 수 밖에 없다. 결과적으로 일부 장비는 불필요한 공회전을 하면서 에너지를 낭비시킬 확률이 높아지게 된다는 것이다. 이럴 경우 제조 시설 전체의 에너지 효율성이 크게 떨어지는 것은 불을 보듯 뻔한 일이다. 

 

 

[다체널 에어 컴프레서 수동 제어 개통도]

 

 

다채널 에어 컴프레서를 위한 대수제어 시스템

 

반면 각 장비를 한 곳에서 통합적으로 운용한다면 다양한 측면에서 운용의 효율성을 높일 수 있다. 다수의 에어 컴프레서를 시설 전체의 압축공기 수요량에 맞춰 탄력적으로 운용함으로써 운용 효율 증대를 꾀하는 대수제어(臺數制御) 방식이 그것이다. 대수제어는 다중으로 설치된 장비의 개별 운전을 부하 변동에 따라 중앙에서 통제함으로써 전체 장비의 운용 효율성을 높이고 에너지 절감 효과까지 창출해 낼 수 있는 방식이다.

에어 컴프레서 대수제어 시스템은 기본적으로 다수의 에어 컴프레서로 구성되는 압축공기 생산 네트워크를 관리하기 위한 통합관제 컨트롤 패널이라고 얘기할 수 있다. 두텍이 개발한 에어 컴프레서 대수제어 시스템 DX380-30은 다채널 에어 컴프레서를 메인 컨트롤 패널로 통합 관리하기 위한 시스템이다.

 

 

[에어 컴프레서 대수제어 시스템 DX380-30]

 

이 시스템은 각 에어 컴프레서의 제어반에서 운전, 정지를 비롯한 주요 신호를 가져오고 압축공기 저장 탱크 내 전자식 압력센서를 추가해 압축공기의 실시간 수요량을 감지할 수 있도록 구성되어 있다. 최대 8대의 장비를 원격으로 운전함과 동시에 운전 상태를 통합 관리해 각 장비의 부하, 무부하 손실을 최소화시켜 준다. 운용 현황을 실시간으로 모니터링해 운전시간이 적은 장비를 우선 작동시키는 방식으로 전체 설비의 유지보수 관리가 가능하도록 프로그램 되어 있다.

 

 

[다체널 에어 컴프레서 대수제어 개통도]

 

DX380-30은 세밀한 운전, 정지 압력 설정 및 각 장비 별 사용 유무 설정을 통해 압축공기 생산네트워크의 운용을 통합적으로 제어해 준다. 특히, 장비 가동 스텝(step)을 8단계로 나눠 시스템 효율을 극대화시킬 수 있다. 스텝은 전체 네트워크에서 개별 장비가 운전을 시작해 정지되기까지의 주기를 의미하는 하나의 단계이다. 8개의 스텝이라 함은 최소 압축공기 수요 시(minimum loading)부터 최대 압축공기 수요 시(full loading)까지 네트워크에 소속된 장비들을 8단계의 순번을 정해 작동시킨다는 말이다. 

1순위로 선정된 장비가 동작을 시작한 이후 압축공기 수요량에 따른 라인 내 공기압의 변화를 0.1bar 단위로 감지해 수요가 늘 때마다 다음 순번의 장비를 추가로 작동시키는 방식이다. DX380-30은 스텝 간 편차를 최소 0.1bar로 설정해 관리할 수 있다. 대수제어 시스템이 각 장비의 교대 주기 및 운전 누적 시간을 고려해 운전 순번을 유동적으로 결정하게 된다. 이를 통해 모든 장비의 내구성을 비슷한 수준으로 유지시킴과 동시에 운용 효율을 높일 수 있는 것이다.

 

 

 

[대수제어 시스템의 스텝 간 편차 제어 개통도]

 

대수제어 시스템을 적용하면 수동 제어 시스템 대비 압축공기 라인 내 압력 변화의 대역폭을 크게 줄여 추가적인 에너지 절감을 꾀할 수 있다. 수동제어의 경우 라인 압력을 ±2bar 정도의 대역폭으로 제어하는 반면 DX380-30의 대수제어 시스템은 압력 대역폭을 ±1bar 이내로 유지할 수 있다. 그 만큼 전체 장비의 불필요한 운전을 제거함으로써 에너지 낭비를 막을 수 있다는 얘기이다. 각 스텝 간 정밀 제어를 통한 라인 내 압력의 대역폭 감소로 이론상 약 7% 가량의 에너지 절감을 실현할 수 있다.

 

 

[라인 압력 대역폭 감소를 통한 에너지 절감 그래프]

 

정리해 보자면 대수제어 시스템 도입을 통해 ▲급격한 압축공기 수요에 대한 즉각적 대처 가능 ▲세분화된 로드, 언로드 관리를 통한 에너지 절감 ▲설비 유지보수 시간 및 비용 감소 등의 효과를 얻을 수 있다. 이는 곧 생산 비용 절감 및 생산물의 품질 향상에 직접적인 요인으로 작용할 수 있기 때문에 대규모 제조업 시설에 도입을 추천한다.

 

 

대수제어 시스템 운영 방법 예시

 

에어 컴프레서 대수제어 시스템 구성 시 다수의 에어 컴프레서 중 일부에 인버터 제어 장치를 설치해 가변형으로 운용할 경우 더욱 더 효과적인 에너지 절감을 실현할 수 있다. 압축공기의 최소 수요량 생산에 할당된 장비들은 대수제어를 통해 통합관리하고 그 이상의 수요에 대응하는 장비에는 인버터 기반의 에너지 절감 제어 장치를 장착해 관리하는 방식이다. 일반형 에어 컴프레서에 인버터 기반의 에너지 절감 제어 장치를 적용하면 압축공기 수요량에 따른 실시간 변속 운전으로 평균 30~40%대의 에너지를 절감할 수 있다. 아래 그림은 DX380-30과 두텍의 에어 컴프레서 에너지 절감 제어장치인 VSD+를 연계해 구성한 압축공기 생산 네트워크 구성 예시이다.

 

[가정 상황]

• 최대 부하율에 맞춰 100마력 컴프레서 4대 동시 운용

• 장비 3대를 DX380-30(대수제어)로 통합관리 운용

• 장비 1대에 VSD+(인버터제어)를 설치해 가변형으로 운용

 

- 3대의 장비에는 DX380-30을 적용해 로딩, 언로딩 손실을 제검함으로써 가동 효율 최적화

- 나머지 1대에 VSD+를 설치해 압축공기 수요량에 맞춰 가변형 에어 컴프레서로 운용