새로운 공기 압축기 제어로 에너지 비용을 절감한 Toyota 엔진 공장

배출량 감축을 위한 제동

배출가스 없는 차량에 대해 들어보셨을 것입니다. 그렇다면 배출가스 없는 차량 생산은 어떨까요?

세계 최대 자동차 제조업체 중 하나인 Toyota의 비전은 Toyota Environmental 2050 Challenge를 통해 2050년까지 전 세계 생산 공장에서 CO₂ 배출을 제거하는 것입니다.

이러한 야심찬 목표를 달성하기 위해 Toyota는 에너지 사용량을 줄이고 재사용 가능한 에너지로 전환하는 조치를 취하고 있습니다. 앨라배마주 헌츠빌에 있는 Toyota의 공장에서 입증된 바와 같이 이러한 노력은 Toyota가 환경 발자국을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 수익성에도 긍정적인 영향을 미치고 있습니다.
 

에너지 비용 상승

헌츠빌 공장은 Tacoma, Tundra, Highlander 등 인기 있는 Toyota 차량용 엔진을 생산합니다. 공장 직원들은 다른 시설에서 주조된 엔진 부품을 받아 가공한 후, 또 다른 시설에서 차량에 장착될 엔진으로 조립합니다.

공장의 공기 압축 시스템은 생산 프로세스에 매우 중요합니다. 주로 5개의 대형 원심 공기 압축기로 구성된 이 시스템은 1200000ft²의 공장 전체에 걸쳐 다양한 기계 프로세스, 자동화 및 건조 엔진 구성요소에 공기를 공급합니다.

압축 공기(CA) 시스템은 본질적으로 에너지를 많이 소비합니다. 헌츠빌 공장의 시스템도 예외는 아니어서 공장의 연간 에너지 비용의 25%를 차지합니다.

기존 제어 시스템은 시스템이 필요 이상으로 많은 에너지를 사용하게 만들었습니다. 노후된 제어 시스템은 압축기를 느리게 가동했고, 통합 시스템으로서 함께 작동할 수 없었으며, 높은 피크 공기 수요가 있을 때 사용할 수 있는 충분한 CA 저장 공간이 없었습니다.

이러한 제한으로 인해 팀원들은 공장에서 발생하는 짧고 가끔씩 발생하는 수요 급증을 견딜 수 있는 충분한 공기 용량을 확보하기 위해 하루 대부분의 시간 동안 압축기를 필요 이상으로 가동해야 했습니다.

“장비가 중단 없이 작동하려면 최소 81PSI가 필요합니다.”라고 Toyota의 시설 전문가인 Eddy Kiggen은 말합니다. “하지만 압축기를 시작하는 데 너무 많은 시간이 걸렸기 때문에 81PSI의 낮은 CA 압력에서 오류가 발생하지 않도록 91PSI를 유지해야 했습니다.”

공장의 전기 계약은 더 많은 문제를 야기했습니다. 계약에 따라 피크 시간대에 소비되는 에너지에 대해 더 많은 요금이 부과됩니다. 팀원들이 공장을 최대 용량으로 유지하기 위해 이 시간 동안 대형 압축기 중 하나를 가동해야 할 때, 단일 기계 가동으로 인해 공장의 전기 요금이 하루 에너지 요금의 100%까지 증가할 수 있었습니다.
 

로컬 및 공장 전반 업그레이드

에너지 비용을 억제하고 2050 에너지 이니셔티브를 지원하기 위해 Toyota Motor Manufacturing, Alabama(TMMAL)은 공장의 공기 압축기 제어 시스템을 업그레이드하기로 결정했습니다.

이 작업을 위해 Rockwell Automation PartnerNetwork 프로그램의 장비 제조 업체 파트너인 IZ Systems와 Case Engineering에 의뢰했습니다. 이 회사는 로컬 및 공장 전반의 제어를 포함하는 2부 솔루션을 제공했습니다.

로컬에서는 Case가 5대의 대형 압축기에 있는 컨트롤러를 AirLogix 제어 솔루션으로 마이그레이션했습니다. 이 솔루션은 CompactLogix 제어 플랫폼을 기반으로 하며, 각 압축기에서 작업자에게 성능 및 진단 데이터를 제공하는 PanelView Plus 7 운영자 인터페이스를 포함합니다.

공장 수준에서는 Case가 AirMaster 부하 분산 솔루션을 사용하여 마스터 공기 제어 시스템을 구축했습니다. 이 솔루션은 ControlLogix 플랫폼을 기반으로 하며 데이터 수집 및 시각화를 위해 FactoryTalk View SE 소프트웨어를 사용합니다. Case는 IZ Systems와 협력하여 500PSI의 부스트 CA를 위한 5000갤런 저장 탱크도 설치하여 시스템 복구 시간을 오류 없이 허용했습니다.

모듈레이팅 밸브는 공기 수요가 많은 기간에 공기를 공급합니다. 저장된 공기는 공장의 공기 수요를 충족하기 위해 추가 원심 기계가 필요할 때 원활한 전환을 제공합니다.
 

절약 가속화

새로운 고효율 공기 압축기 제어는 헌츠빌 공장이 연간 에너지 사용량을 거의 1000000kWh 절감하는 데 도움이 되었습니다. 여기에는 피크 사용 시간대에 시동을 피함으로써 실현된 절감액은 포함되지 않습니다.

그 결과, 공장은 2년이라는 목표보다 더 빠르게 새로운 제어 시스템에 대한 투자를 회수할 수 있었습니다.

“시스템의 설정점을 91에서 85PSI로 낮출 수 있었습니다.”라고 Kiggen은 설명했습니다. “이 프로젝트에서 대부분의 절감 효과가 여기에서 나왔습니다.”

업데이트된 로컬 제어는 각 장비의 스로틀 용량을 증가시켜 기존 제어보다 더 효율적으로 압축기를 작동할 수 있도록 합니다. 새로운 마스터 컨트롤러는 압력과 공기 흐름을 모니터링하여 수요에 맞게 압축기를 시작하거나 중지합니다. 압축기가 온라인 상태가 되는 동안 고압 저장 탱크에서 CA를 끌어오고, 수요 급증을 처리하며, 잠재적인 문제로부터 보호합니다.

“현재 설정 방식으로는 저장 탱크에 항상 충분한 압력이 있어 압력 저하나 압축기 고장이 발생해도 괜찮습니다.”라고 Kiggen은 말했습니다. “다음에 시동하려는 압축기가 고장 나더라도 또 다른 압축기를 시동할 수 있고, 생산 현장 직원들은 아무 일도 일어나지 않은 것처럼 느낄 것입니다.”

새로운 시스템은 작업자에게 각 장비의 공기 압력 및 흐름, 에너지 사용량, 진동 등 중요 데이터의 트렌드 정보를 모니터할 수 있게 해줍니다. 그리고 이 정보는 거의 실시간으로 제공되기 때문에 팀원들이 이전에는 가질 수 없었던 정보를 제공하여 CA 시스템을 분석하고 문제 해결을 지원합니다.

팀원들은 일상적인 운영 모니터링의 일환으로 각 장비에서 로컬로 정보를 확인할 수 있습니다. Toyota와 Case Engineering은 원격 액세스를 통해 어디서나 정보를 확인할 수 있습니다.

“전기 다음으로 중요한 유틸리티가 공기이기 때문에 이를 면밀히 모니터링하고 있습니다.”라고 Kiggen은 말했습니다. “시스템의 성능을 확인하고 효율성을 검토하기 위해 매일 데이터를 확인합니다. 압력 강하나 저장 탱크가 특정 수준 아래로 떨어지는 등의 문제가 발생하면 문자 메시지를 받습니다. 또한 Case와 연결하여 문제를 알려주면 즉시 온라인으로 문제를 해결할 수 있습니다.”

Toyota는 제로 CO₂ 배출을 향해 계속 나아가면서 유사한 에너지 절약을 위해 이 프로젝트를 다른 곳에서도 복제하는 방안을 모색하고 있습니다.

“차량을 생산하는 과정에서 CO₂ 배출을 제로로 만드는 것은 매우 큰 과제입니다.”라고 Kiggen은 말했습니다. “지금은 재생 에너지로 전환하기 전에 가능한 한 많은 에너지를 절약하려고 노력하고 있습니다. 그리고 이 공장의 경우, 이러한 제어 업그레이드는 우리가 오랜 시간 동안 수행한 가장 성공적인 에너지 프로젝트입니다.”

위에서 언급한 결과는 Toyota가 Rockwell Automation의 제품 및 서비스를 다른 제품과 함께 사용한 경우에 해당합니다. 다른 고객의 경우 구체적인 결과가 다를 수 있습니다.