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[IIoT 성공사례] 통합 아키텍처로 에너지를 절감한 병원

Hospital Saves Energy with Integrated Architecture

배경
York Teaching Hospital NHS Foundation Trust는 1960년대에 설계되어 1970년대에 건설되었기 때문에 에너지 인프라의 대부분이 현재 수명 종료 단계에 들어섰습니다. 이는 이 병원이 열과 전력을 생산하고 소비하는 방식을 대폭 개선할 계기가 되었습니다.

이 병원은 8,000여 명을 직원을 두고 연간 70만 명 이상의 환자를 치료하므로 작은 도시와 비슷한 수준의 에너지를 필요로 합니다. 실제로 2012/13년에 이 병원은 가스와 전기 요금을 합쳐 245만 파운드를 지불했고, 1만 3,586톤의 CO2를 배출했습니다.

경쟁 조달을 거친 후 Vital Energi Group이 선정되었는데, 이 회사는 다음과 같은 운영 회사를 통해 탄소 및 비용 저감을 보장하는 저탄소 에너지 솔루션을 제공했습니다.

* Vital Energi Utilities – 열, 전력 및 냉방을 현지에서 생산, 공급, 배분하기 위한 저탄소 기반의 에너지 솔루션을 설계, 구축 및 운영
* Vital Solutions – 병원, 대학, 대형 상업시설, 산업 현장을 위한 장기적인 에너지 성과 계약을 개발 및 구성
* Vital Efficienci – 에너지 소비를 줄이기 위한 솔루션을 측정, 관리, 제어, 구현하여 에너지 및 탄소 저감 솔루션을 설계 및 제공

Vital Efficienci는 병원의 에너지 수요를 줄이는 업무를 담당했습니다. 조달 단계에서 실제 운영을 시작하기까지의 기간이 20개월에 불과했기 때문에 프로젝트의 어려움이 가중되었습니다. 새로운 인프라로 절감된 비용은 현장의 임상 치료에 투자되어 서비스의 질을 높이고 요크셔 주민들에게 실질적인 혜택을 제공할 수 있게 될 것이었습니다.

Vital Efficienci는 로크웰 오토메이션과 협력하여 맞춤형 에너지 관리 및 제어 솔루션을 개발했습니다. 이 솔루션을 통해 Trust 병원은 에너지 소비를 측정 및 관리할 수 있으며, Vital Energi Group은 지속적인 관리, 균형 조정 및 모니터링을 위해 현장에 실시간으로 원격 액세스할 수 있게 될 것이었습니다.

Vital Energi Utilities는 전체 프로젝트를 담당했고, Vital Efficienci는 전체 SCADA 솔루션을 제공했습니다.
[사진: Vital Energi Utilities는 전체 프로젝트를 담당했고, Vital Efficienci는 전체 SCADA 솔루션을 제공했습니다.]

 

과제

York의 프로젝트는 NHS 및 광범위한 공공 부문의 복잡한 에너지 인프라 업그레이드를 촉진하고 관리하기 위해 만들어진 조달 프레임워크인 Carbon and Energy Fund의 지원으로 조달 및 제공되었습니다. CO2 저감 솔루션에 투자하는 비용은 절감된 비용으로 충당되었습니다. Vital Group은 매년 에너지 절감을 달성하기로 하는 15년의 운영 및 유지보수 계약을 맺었습니다. 보장된 절감치를 초과하게 되면 Trust와 Vital Energi Group이 초과 이익을 공유합니다.

Vital Energi Utilities는 전체 프로젝트를 담당했고, Vital Efficienci는 전체 SCADA 솔루션과 함께 운영 원칙 및 철학, 공장을 위해 개발된 최적화 방법론을 제공했습니다. 제어 솔루션은 다음과 같은 두 가지로 나뉩니다.

* BMS – 전문 공급 파트너가 공급하는 솔루션으로, 다운스트림 에너지 자산을 관리하고 최적화
* SCADA 시스템 – Vital Efficienci에서 공급하는 솔루션으로, 두 개의 메인 공장실이 있는 메인 에너지 센터(보일러실)를 관리하고 최적화하며, Allen-Bradley 아키텍처를 사용

Vital Efficienci의 기술 책임자인 Kenneth Kunz는 말합니다. ”15년 계약이기 때문에 수요가 많은 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 강력한 산업 시스템이 필요했습니다. 그래서 우리는 자체 SCADA 시스템을 활용하되 입증된 개방형 산업 시스템을 기반으로 하고, 로크웰 오토메이션 CompactLogix PAC를 핵심으로 삼기로 결정했습니다.”

Vital Energi Group은 Trust의 시스템에 원격으로 액세스할 수 있는 고유한 솔루션을 제공합니다. 즉, 백 액세스 또는 스마트폰 앱을 통해서입니다.
[사진. Vital Energi Group은 Trust의 시스템에 원격으로 액세스할 수 있는 고유한 솔루션을 제공합니다. 즉, 백 액세스 또는 스마트폰 앱을 통해서입니다.]

 

솔루션

기존 에너지 시스템은 가스 연료형 증기 보일러로 구성되어 있었는데, 이는 현재는 지원되지 않는 오래된 아키텍처로 제어되었습니다. Trust는 Allen-Bradley 통합 아키텍처 제품을 토대 삼아 흔히 SCADA라고 하는 Vital Efficienci의 ECS(Energy Control Solution)를 채택하기로 결정했습니다.

Trust는 사실상 이 새로운 시스템의 첫 번째 고객이었고, 새로운 제어 인프라를 완벽하게 업그레이드하고 설치해야 했습니다. ”우리는 ECS 시스템에 여러 모듈을 개발해 넣었습니다.” Kenneth의 설명입니다. ”Vital Energi Group만의 독특한 모듈이죠. 우리 솔루션은 평범한 다른 BMS 시스템과 달리 매우 개방적입니다. ‘블랙박스’ 같기도 하고 닫혀 있죠. 경보와 모니터링에는 만족스러운 수준이지만, 에너지 센터에는 최적화되지 않았습니다. 시장에서 차별화되는 독특한 제품으로 만들기 위해서 새로운 모듈을 개발했습니다.”

Vital Efficienci는 사내에서 코딩을 했고, 로크웰 오토메이션과 협력하여 MBus 프로토콜(통신)을 위한 소프트웨어를 설계 및 작성했습니다. 표준 산업 전력 측정기는 MBus 통신을 사용하는데, 이때 이러한 측정기를 CompactLogix PAC에 통합할 수 없었습니다. 따라서 로크웰 오토메이션의 글로벌 장비제조업체 기술 컨설턴트(GOTC)와 Kenneth는 전체 제어 시스템에서 특정 전력 측정기의 구현을 지원하는 새로운 소프트웨어를 만들었습니다.”

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MBus는 표준이 아닙니다.” Kenneth의 설명입니다. ”그러나 ProSoft Technology(로크웰 오토메이션 Encompass 파트너)에서 Logix 제품군에 속하는 직렬 통신 모듈을 찾았기 때문에 MBus 프로토콜과 통신할 ASCII 드라이버를 개발할 수 있었습니다. MBus는 열 측정기에만 사용되지만, 요즘에는 점점 더 많은 열 측정기가 Modbus를 지원합니다. York에서는 지금까지 MBus를 사용했지만 앞으로는 Modbus RTU/TCP-IP를 사용할 예정입니다.”

Vital Efficienci ECS 시스템은 Allen-Bradley® CompactLogix™ L33ER & L24ER 컨트롤러에서 실행됩니다. 이 컨트롤러는 여러 I/O 지점과 Stratix 5700™ 매니지드 이더넷 스위치로 지원되는 섬유 EtherNet/IP™ 네트워크에서 실행됩니다.

30분마다 수집되는 성능 데이터가 전문 소프트웨어에 입력되므로 운전자는 절감되는 지점을 확인하고 수치를 원하는 설정점과 비교할 수 있습니다.
[사진. 30분마다 수집되는 성능 데이터가 전문 소프트웨어에 입력되므로 운전자는 절감되는 지점을 확인하고 수치를 원하는 설정점과 비교할 수 있습니다.]

”에너지 센터 주변에 설정점을 측정하는 가스, 증기, 전기 및 열 측정기가 많기 때문에 이렇게 다양한 인터페이스가 필요하다”고 Kenneth가 덧붙입니다. ”이러한 데이터 지점을 통해 매일 CSV 파일을 원 데이터로 채울 수 있습니다. 이 파일은 자정에 블랙번의 본사로 전송된 후 클라우드에 저장됩니다. 30분마다 데이터를 수집해서 전문 소프트웨어에 입력함으로써 절감되는 지점을 확인하고 수치를 원하는 설정점과 비교할 수 있습니다.”

작년에 Kenneth는 더 나은 품질의 더 균일한 데이터를 수집하기 위해 Vital의 측정기 표준을 변경했습니다. ”이제 모든 것이 동일하고 일상적인 작업이 훨씬 더 쉬워졌습니다. 수많은 다른 시스템과 연결되는 유연한 솔루션인 SQL을 기반으로 데이터를 수집합니다. 이것은 앞으로 오랫동안 시장에서 판매될 제품을 사용하여 우수한 표준에 따라 구축한 시스템입니다.

”CompactLogix PAC는 우리가 설계하고 제공하는 전체 시스템이 견고하고 안정적이며 미래에도 경쟁력 있도록 보장하는 전체 서버 세트”라고 Kenneth가 이야기합니다. ”ECS 감독자 서버는 그래픽과 SQL 솔루션을 처리하고, ECS 보고서 서버는 데이터를 생성합니다. 모두 한 화면에서 키보드 하나와 마우스 하나로 제어할 수 있습니다. 또한 이러한 서버는 유지보수를 위해 서버 하나를 종료해야 하거나 서버 작동이 중지될 경우에도 안전합니다.”

 

또한 Kenneth는 Vital Energi Group이 일반적인 접근 방식에 비해 고유한 솔루션을 제공한다고 생각합니다. ”Trust의 시스템에는 백 액세스나 스마트폰 앱, 두 가지 방법으로 원격 액세스할 수 있습니다. 백 액세스에는 고정 IP를 사용하는 브라우저를 이용하는데요, 이를 통해 Trust의 ECS 감독자에 연결할 수 있죠. 모두 암호화되어 있으며 다양한 수준의 액세스를 제공합니다. 또한 우리 엔지니어가 설정점이나 알람과 같은 사항을 변경할 수 있는 운영자 인터페이스도 있습니다. 앱 액세스는 우리 엔지니어들을 위한 것이지만, 다른 사람들에게도 개방할 수 있습니다. 매우 인기가 좋은 우리의 오픈소스 앱은 Apple이나 Android에서 무료로 다운로드할 수 있습니다.”

또한 Vital Efficienci는 알람 관리 및 기록 시스템도 개발했습니다. 이 시스템은 Vital의 직원이 모니터링하고, 엔지니어가 비상진료시스템을 관리하기 위해 사용합니다. 이 시스템은 산업 모바일 모뎀과 SIM 카드(안테나 있음)를 사용합니다. Allen-Bradley PAC에서 알람이 생성될 때마다 패널에 깜박이고, ECS 감독자 서버에 표시되며, SMS, 전화, 이메일을 통해 당번인 엔지니어에게 전송됩니다. 그러면 Vital Energi 또는 Trust는 그들이 원하는 행동 유형을 결정하고, 문제의 심각도에 따라 우선 순위를 정할 수 있습니다.

”ECS 솔루션을 도입해서 설치하고 테스트도 완료했으니 이제 훨씬 더 다양한 프로젝트와 애플리케이션을 처리할 준비를 완벽히 갖추게 되었다”고 Kenneth가 들뜬 말투로 말합니다. ”병원뿐 아니라 모든 대형 시설도 혜택을 볼 수 있습니다. 우리는 곧 산업 단지를 살펴볼 예정입니다. 이 유연한 시스템으로 다양한 프로젝트를 처리할 수 있습니다.”

 

결과

Trust의 에너지 관리자인 Brian Golding은 이렇게 설명합니다. ”Vital이 우리의 근본적인 목표에 집중해 줄 것을 바랐습니다. 즉 탄소 발자국(배출량)을 줄이고, 에너지 소비를 절감하고, 전기 복원력을 강화하고, 앞으로 15년을 내다보고 프로젝트를 추진하는 것 말이죠.”

”Brian은 우리 솔루션에 깊은 인상을 받았다”고 Kenneth가 덧붙입니다. ”합의된 기간 안에 납품 및 설치를 마쳤고, 운영한 지 1년이 지난 현재까지 아무런 문제도 발생하지 않았습니다. 또한 원래 설계에서 예상했던 수준의 제어와 에너지 절감 효과를 달성하고 있습니다. 이 시스템은 계속 개발될 것이며, Allen-Bradley 통합 아키텍처의 유연성과 확장성 덕분에 York의 사례와 마찬가지로 기존 시스템에 손쉽게 배포할 수 있습니다.

”품질이 핵심입니다. 그리고 우리가 배포하는 장비를 신뢰할 수 있어야 합니다.” Kenneth의 설명입니다. ”우리는 고급 재료에 기반한 강력한 솔루션이 필요합니다. 우리가 맡는 모든 프로젝트의 품질을 보장해야 하고, 우수한 재료를 사용해서 우수한 결과를 내야 합니다.

”영국에서 로크웰 오토메이션의 지원은 탁월했다”고 Kenneth가 마지막으로 평가합니다. ”적절한 팀과 공급업체의 적절한 지원이 없다면 목표를 달성하거나 성공할 수 없습니다. 로크웰 오토메이션은 우리 팀에서 정말 큰 역할을 해 주었습니다.”

[출처. 로크웰오토메이션 www.rockwellautomation.co.kr]

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