황현숙
(Technical Research Center, New Communication Infotech)
,
서영원
(Technical Research Center, New Communication Infotech)
,
김태연
(Technical Research Center, New Communication Infotech)
전 세계적으로 지구 온난화 및 에너지 비용 상승으로 인해서 에너지 절감에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히, 단조 공장들은 에너지를 많이 사용하기 때문에 에너지를 절감하면서 생산성을 향상시키는 방법에 대한 연구가 필요하다. 이러한 진입을 위한 한 가지 해결책으로 IoT 기반으로 각 설비의 에너지 사용량을 실시간으로 파악할 수 있는 시스템을 제안한다. 본 시스템은 생산 공장에서 사용하는 기존 기업자원관리시스템과 생산실행시스템과의 연동으로 작업일지 입력/관리, 설비/에너지 관리, 실시간 에너지 모니터링, 이력 검색, 데이터 분석 등으로 구성된다. 중심이 되는 실시간 에너지 모니터링 프로세스는 각 설비별로 기존 설치되어 있는 가스계량기와 전력계에 IoT 디바이스를 연결시켜 데이터를 실시간으로 수집한다. 그리고 수집된 에너지 사용량을 웹 또는 모바일에서 실시간으로 화면에 표출한다. 본 시스템의 장점은 생산 공정 단계에서 설비별 도시가스 및 전력 에너지 사용량의 변화, 사용요금, 에너지 환산, 온실가스 등의 정보를 웹 기반에서 실시간으로 파악할 수 있다는 것이다. 향후, 빅 데이터 기반에서 에너지 사용량을 수집하여 생산 공정별로 에너지 사용량을 분석함으로써 제품 생산 소요시간을 최소화할 수 있는 에너지 절감 방안 수립에 사용될 수 있다. 또한, 모바일 작업일지시스템과 생산 공정 최적화 모델과 융합하면 에너지를 절감하면서 생산성을 향상시키는 방안이 마련될 수 있다.
전 세계적으로 지구 온난화 및 에너지 비용 상승으로 인해서 에너지 절감에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히, 단조 공장들은 에너지를 많이 사용하기 때문에 에너지를 절감하면서 생산성을 향상시키는 방법에 대한 연구가 필요하다. 이러한 진입을 위한 한 가지 해결책으로 IoT 기반으로 각 설비의 에너지 사용량을 실시간으로 파악할 수 있는 시스템을 제안한다. 본 시스템은 생산 공장에서 사용하는 기존 기업자원관리시스템과 생산실행시스템과의 연동으로 작업일지 입력/관리, 설비/에너지 관리, 실시간 에너지 모니터링, 이력 검색, 데이터 분석 등으로 구성된다. 중심이 되는 실시간 에너지 모니터링 프로세스는 각 설비별로 기존 설치되어 있는 가스계량기와 전력계에 IoT 디바이스를 연결시켜 데이터를 실시간으로 수집한다. 그리고 수집된 에너지 사용량을 웹 또는 모바일에서 실시간으로 화면에 표출한다. 본 시스템의 장점은 생산 공정 단계에서 설비별 도시가스 및 전력 에너지 사용량의 변화, 사용요금, 에너지 환산, 온실가스 등의 정보를 웹 기반에서 실시간으로 파악할 수 있다는 것이다. 향후, 빅 데이터 기반에서 에너지 사용량을 수집하여 생산 공정별로 에너지 사용량을 분석함으로써 제품 생산 소요시간을 최소화할 수 있는 에너지 절감 방안 수립에 사용될 수 있다. 또한, 모바일 작업일지시스템과 생산 공정 최적화 모델과 융합하면 에너지를 절감하면서 생산성을 향상시키는 방안이 마련될 수 있다.
Due to global warming and increased energy costs around the world, interests of energy saving and efficiency have been increased. In particular, forging factories need methods to save energy and increase productivity because of needing amounts of energy uses. To solve the problem, we propose a syste...
Due to global warming and increased energy costs around the world, interests of energy saving and efficiency have been increased. In particular, forging factories need methods to save energy and increase productivity because of needing amounts of energy uses. To solve the problem, we propose a system, which includes collection, monitoring, and analysis process, to monitor energy uses each facility in realtime based on the IoT devices. This system insists of worksheets management, facility/energy management, realtime monitoring, history search, data analysis through connecting with existed ERP/MES Systems in manufacturing factories. The energy monitoring process is to present used energy collected from IoT devices connected with installed gasmeter and wattmeter each facility. This system provide the change of energy uses, usage fee, energy conversion, and green gas information in realtime on Web and mobile devices. This system will be enhanced with energy saving technology by analyzing constructed big data of energy uses. We can also propose a method to increase productivity by integrating this system with functions of digitalized worksheets and optimized models for production process.
Due to global warming and increased energy costs around the world, interests of energy saving and efficiency have been increased. In particular, forging factories need methods to save energy and increase productivity because of needing amounts of energy uses. To solve the problem, we propose a system, which includes collection, monitoring, and analysis process, to monitor energy uses each facility in realtime based on the IoT devices. This system insists of worksheets management, facility/energy management, realtime monitoring, history search, data analysis through connecting with existed ERP/MES Systems in manufacturing factories. The energy monitoring process is to present used energy collected from IoT devices connected with installed gasmeter and wattmeter each facility. This system provide the change of energy uses, usage fee, energy conversion, and green gas information in realtime on Web and mobile devices. This system will be enhanced with energy saving technology by analyzing constructed big data of energy uses. We can also propose a method to increase productivity by integrating this system with functions of digitalized worksheets and optimized models for production process.
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문제 정의
특히, 단조는 원재료를 투입하여 가열, 프레스, 절단, 열처리 등의 가공 과정을 거쳐서 제품을 생산하는 공정 작업으로 에너지 소비를 많이 필요로 한다. 본 논문에서는 단조 공정회사를 테스트 베드로 해서 기존 설치되어있는 가스계량기와 전력계에 산업용 IoT 무선 센서 노드를 설치하여 사용 에너지를 실시간으로 조회하는 실시간 모니터링 시스템을 개발한다.
본 절에서는 에너지관리시스템 중에서 특히, 설비 공장의 에너지 사용량을 모니터링하고 분석하는 시스템에 필요한 요소들로 구성된 프레임워크를 제안한다. 공장에너지시스템 또는 스마트공장 관련 소프트웨어를 개발하기 위해 구성되어야 할 단위 프로그램을 포함한다.
스마트 공장은 제품 기획부터 시작하여 설계, 공정, 생산, 제품 출시까지의 제품 개발 가치 사슬을 기준으로 공장의 생산 설비 관련 시스템을 통합하여 고객이 요구하는 제품 생산을 효율적으로 하기 위한 것을 목표로 가진다. 그림 1은 제안하는 설비 에너지 모니터링 시스템을 다른 생산 설비와 관련되는 시스템과의 계층도를 도시한 것이다.
스마트공장과 공장에너지 관리시스템 구축이 이슈화가 되고 있지만 중소기업들은 비용 측면에서 구축 작업을 시작하지 못하고 있는 실정이다. 이러한 진입 장벽을 열어주기 위한 하나의 방법으로 공장 설비들의 에너지 사용량을 웹과 테블릿 화면에서 실시간으로 모니터링할 수 있는 프레임워크을 제시하였다. 제시한 프레임워크를 기반으로 설치된 IoT 센서 네트워크로부터 수집된 설비 별 에너지 사용량을 분석하기 위한 실시간 모니터링 시스템을 개발하였다.
마지막인 데이터 분석 계층으로, 에너지 사용량을 설비별, 기간별, 시간대별로 비교 분석하여 에너지 소비 패턴을 추출하여 에너지 손실을 발견하게 된다. 최종적으로 생산 공정을 최적화하는 모델을 제공하여 에너지 사용 효율을 높이는 것이 목표이다. 즉, 이러한 설비 에너지 모니터링의 역할은 생산 공정 정보를 연결하면서 에너지 데이터를 실시간으로 수집하여 분석함으로써 에너지 절감 방법을 제시하도록 해야 한다.
제안 방법
공정 설비별 에너지 사용을 효율적으로 관리하기 위한 실시간 데이터 수집, 검색 및 분석 기능을 갖는 통합 모니터링 시스템을 설계한다.
향후 연구과제로는 수작업으로 사용하고 있는 작업일지를 디지털화하여 생산 공정 단계를 실시간으로 검색할 수 있는 기능을 구현하는 것이다. 또한, 수집한 데이터를 이용하여 빅 데이터를 구축하여 제품 완성에 따른 에너지 사용 및 소비 패턴을 분석하는 기능을 제공하여 에너지 절감 정책에 대한 의사결정을 지원하는 시스템을 구축하는 것이다.
본 시스템은 기존 단조 공정회사에서 구비하고 있는 가스계량기와 전력계를 IoT 디바이스로 연결시켜 데이터를 수집함으로써 웹 기반에서 실시간으로 에너지 사용량을 모니터링, 검색, 분석할 수 있는 장점을 가진다.
본 장에서는 설비 공장에서 에너지를 효율적으로 관리하기 위한 IT 접근 방법인 공장에너지관리시스템과 스마트공장 구축에 대한 기술과 연구동향을 기술하고 설비 에너지 사용에 대한 모니터링 시스템의 프레임워크 제시에 필요한 개념적인 요구항목을 선정한다.
그림 10은 시스템, 원재료, 설비, 에너지, 사용자, 접속자 통계 등 시스템 관리를 위한 화면이다. 설비 관리에서 새로운 설비를 추가하면 설비별 모니터링 화면에서 추가된 설비의 데이터를 바로 확인하도록 구현하였다.
스마트 공장을 구축하기 위한 기본 기술로서 IoT 기반에서 설비 에너지 사용에 대한 모니터링 시스템 개발에 대한 필요한 요소를 기반으로 프레임워크를 제안한다.
그림 8은 각 설비 로별로 가스 사용량을 10초 단위로 차트와 표출하는 설비별 모니터링 화면이다. 에너지 사용량에 따라 계산한 에너지 환산과 온실가스 정보를 제공한다. 향후, 작업지시 입력/관리 프로세스 구현이 완성되면 각 로별 작업공정 진행상황을 실시간으로 파악할 수 있게 된다.
데이터베이스는 실시간 데이터 수집을 원활히 하기 위해 접근 성능이 뛰어난 Mongo 데이터베이스를 사용하고 일반 검색을 위해 관계형 데이터베이스를 사용한다. 우선 IoT 디바이스로부터 수집되는 데이터를 몽고 데이터베이스로 관리하고 가스와 전력로그 테이블에 저장하고 시간별로 가스와 전격 집계 테이블에 저장한다. 전력요금을 계산하기 위해 전력기본요금, 계절별, 월구분 코드 등이 필요하고 가스 요금을 계산하기 위해 가스 요금 계수, 용도/월 구분 테이블이 필요하다.
이러한 진입 장벽을 열어주기 위한 하나의 방법으로 공장 설비들의 에너지 사용량을 웹과 테블릿 화면에서 실시간으로 모니터링할 수 있는 프레임워크을 제시하였다. 제시한 프레임워크를 기반으로 설치된 IoT 센서 네트워크로부터 수집된 설비 별 에너지 사용량을 분석하기 위한 실시간 모니터링 시스템을 개발하였다.
대시보드, 알람, 각 설비별 에너지 사용 모니터링 기능이 포함된다. 최종적으로 수집된 에너지 사용량 데이터를 일, 월 단위로 검색하고 결과를 저장하는 이력검색과 에너지 사용량, 소비패턴 분석, 생성공정 최적화 모델을 위한 프로세스로 구성된다.
대상 데이터
그림 6은 기존 MES 데이터베이스로부터 원재료 및 설비 정보를 가지고 설비별 에너지 사용량을 실시간으로 모니터링 및 분석을 위해 사용하는 데이터베이스 구조이다. 데이터베이스는 실시간 데이터 수집을 원활히 하기 위해 접근 성능이 뛰어난 Mongo 데이터베이스를 사용하고 일반 검색을 위해 관계형 데이터베이스를 사용한다. 우선 IoT 디바이스로부터 수집되는 데이터를 몽고 데이터베이스로 관리하고 가스와 전력로그 테이블에 저장하고 시간별로 가스와 전격 집계 테이블에 저장한다.
그림 5는 실시간으로 수집된 데이터를 모니터링 및 검색하기 위한 구현 환경이다. 서버는 톰캣 WAS 서버를 사용하고 IoT 디바이스로 들어오는 데이터를 수집하기 위해 Mongo 데이터베이스와 검색 및 분석을 위한 오라클 데이터베이스를 사용한다. 웹 기반으로 구현하고 현장 작업자가 작업현장에서 실시간으로 편리하게 입력 및 검색 할 수 있게 태블릿 환경에서 구동되도록 한다.
후속연구
그림 9는 전체설비에 대한 월별 가스 사용량에 대한 검색 결과 화면이다. 각 설비에 따른 세부 로별 사용량 분석을 비롯하여 데이터를 다량 수집하면 월별, 제품 완성 회차별 에너지 소비패턴 분석에 대한 결과를 제공할 수 있다.
본 시스템은 테스트 베드 회사와의 데이터 사용에 대한 비밀유지계약으로 인해서 모든 설비별로 실제 데이터를 표출하지 못하는 한계점을 가진다. 하지만 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 모니터링 및 분석 시스템 개발에 대한 가이드로 사용할 수 있을 것이다 .
본 시스템은 테스트 베드 회사와의 데이터 사용에 대한 비밀유지계약으로 인해서 모든 설비별로 실제 데이터를 표출하지 못하는 한계점을 가진다. 하지만 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 모니터링 및 분석 시스템 개발에 대한 가이드로 사용할 수 있을 것이다 .
향후 연구과제로는 수작업으로 사용하고 있는 작업일지를 디지털화하여 생산 공정 단계를 실시간으로 검색할 수 있는 기능을 구현하는 것이다. 또한, 수집한 데이터를 이용하여 빅 데이터를 구축하여 제품 완성에 따른 에너지 사용 및 소비 패턴을 분석하는 기능을 제공하여 에너지 절감 정책에 대한 의사결정을 지원하는 시스템을 구축하는 것이다.
에너지 사용량에 따라 계산한 에너지 환산과 온실가스 정보를 제공한다. 향후, 작업지시 입력/관리 프로세스 구현이 완성되면 각 로별 작업공정 진행상황을 실시간으로 파악할 수 있게 된다. 원재료 장입위치와 원재료 정보, 가열 및 종료 예상시간 등에 대한 정보를 제공할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
단조는 무엇인가?
국내 공정 설비 회사들은 여러 품종을 소량 생산함으로써 다수개의 설비로 제품 생산을 효과적으로 하기 위해서는 생산 공정을 개선[9]하고 설비별로 사용에너지를 실시간으로 조회하는 모니터링 시스템이 필요하다고 한다[10]. 특히, 단조는 원재료를 투입하여 가열, 프레스, 절단, 열처리 등의 가공 과정을 거쳐서 제품을 생산하는 공정 작업으로 에너지 소비를 많이 필요로 한다. 본 논문에서는 단조 공정회사를 테스트 베드로 해서 기존 설치되어있는 가스계량기와 전력계에 산업용 IoT 무선 센서 노드를 설치하여 사용 에너지를 실시간으로 조회하는 실시간 모니터링 시스템을 개발한다.
효율적인 에너지 사용에 대한 필요성이 증가되는 이유는 무엇인가?
전 세계적으로 급격한 경제 성장으로 인하여 에너지 비용이 지속적으로 상승하고 있어, 효율적인 에너지 사용에 대한 필요성이 증가되고 있다[1,2,3,4]. 국내에서는 2011년 IT기반 ESCO 시범 사업을 통해 생산정보와 다양한 에너지 정보를 관제하고 분석하여 공장에 최적 에너지 패턴을 적용할 수 있도록 하는 공장에너지 관리시스템(FEMS: Factory Energy Management System)을 개발하여 보급 확산이 추진되고 있다[1].
공장에너지 관리시스템(FEMS)이 대기업 위주로 도입이 확산되는 이유는 무엇인가?
국내에서는 2011년 IT기반 ESCO 시범 사업을 통해 생산정보와 다양한 에너지 정보를 관제하고 분석하여 공장에 최적 에너지 패턴을 적용할 수 있도록 하는 공장에너지 관리시스템(FEMS: Factory Energy Management System)을 개발하여 보급 확산이 추진되고 있다[1]. 그러나 이러한 제도는 석유, 화학, 철강, 시멘트 등 에너지 소비를 많이 하는 대기업 위주로 도입이 확산되고 있고, 설치 확인 기준 가이드가 에너지 데이터의 측정과 분석, 제어가 가능한 공장에 유리하게 되어 있기 때문에 중소기업에게는 FEMS 시스템 구축의 기회가 쉽지 않은 실정이다[5,6].
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