예측하고자 하는 공정과 앞서 진행된 공정의 데이터를 함께 활용해 모델링할 수 있는 기능으로 이전 공정의 영향을 많이 받는 식각 공정에 이 기능을 활용하면 가상 계측의 정확도를 높일 수 있다.
멀티스텝 모델링(Multi-step Modeling) 개념
멀티스텝 모델링은 시간에 따라 변하는 데이터를 예측할 때, 한 번이 아닌 여러 시점 이후까지 예측하는 기법입니다. 일반적인 시계열 예측이 한 스텝(다음 시점)만 예측하는 것과 달리, 멀티스텝 모델링은 미래의 여러 시점을 동시에 예측하는 것이 특징입니다.
멀티스텝 예측에는 크게 두 가지 방법이 있습니다:
1. 직접 예측(Direct Multi-step Forecasting)
– 개별 모델을 학습해 특정 시점(y_t+1, y_t+2, …)을 각각 예측.
2. 재귀적 예측(Recursive Multi-step Forecasting)
– 한 스텝 예측 결과를 다시 입력하여 다음 시점을 예측.
배터리 스웰링 시험은 배터리의 부피 변화와 관련된 안전성을 평가하는 중요한 과정이다. 이 시험을 통해 배터리의 내구성과 안정성을 검증하며, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
배터리 스웰링 시험 방법
■압력 측정 센서 사용
배터리 셀 내부에 압력 측정 센서를 장착하여 부피 변화에 따른 압력을 실시간으로 측정한다. 비정상적인 스웰링이 발생하면 센서가 이를 감지하여 경고를 제공한다.
■전류 감지 회로
배터리 하우징에 결합된 감지 회로를 통해 전류의 흐름을 모니터링한다. 스웰링이 발생하면 하우징과 감지 회로 간의 접촉 상태가 변화하여 전류 흐름이 달라지므로 이를 통해 스웰링 여부를 판단할 수 있다.
■사이클링 테스트
배터리를 반복적으로 충전하고 방전하여 성능과 수명을 평가한다. 이 과정에서 스웰링 현상이 발생하는지 관찰한다.
■환경 스트레스 테스트
온도와 습도를 조절할 수 있는 챔버에서 배터리를 테스트하여 극한의 환경에서 스웰링이 발생하는지를 확인한다.
이러한 다양한 방법을 통해 배터리의 스웰링을 정밀하게 감지하고 평가할 수 있으며, 이를 통해 배터리의 안정성을 높이고 제품의 신뢰성을 확보할 수 있다.
PID 제어는 Proportional-Integral-Derivative의 약자로, 주로 자동화 시스템에서 목표값에 맞추어 출력을 조절하는 방법입니다. 간단히 말해, 어떤 값을 정확하게 맞추기 위해 사용하는 방법입니다. 이 방법은 우리가 실제 시스템에서 원하는 값(예: 온도, 속도, 압력 등)을 유지하기 위해 시스템의 오차를 계속 감지하고 수정하는 방식입니다.
1. PID 제어의 세 가지 주요 요소
PID 제어는 세 가지 요소를 조합하여 시스템을 제어합니다:
1) 비례(Proportional, P)
• 현재 오차(목표값과 실제값의 차이)에 비례하여 조정을 합니다.
• 예: 목표 온도가 30도인데 현재 온도가 25도라면, 오차는 5도입니다. 이 오차에 비례하여 조정값을 더합니다.
• 비례 제어의 특징: 오차가 클수록 더 많이 조정하지만, 너무 크게 조정하면 과도한 진동이나 불안정이 발생할 수 있습니다.
2) 적분(Integral, I)
• 시간에 따른 누적 오차를 고려하여 조정을 합니다. 작은 오차들이 시간이 지남에 따라 쌓이는 문제를 해결하는 데 유용합니다.
• 예: 처음에는 오차가 작지만 시간이 지날수록 오차가 조금씩 쌓여 나중에 더 크게 보상해야 할 경우, 적분이 이를 잡아줍니다.
• 적분 제어의 특징: 지속적인 작은 오차를 해결하는 데 유리하지만, 과도하게 조정하면 시스템이 오버슈트(목표값을 지나쳐버림) 될 수 있습니다.
3) 미분(Derivative, D)
• 오차가 변하는 속도를 보고 예측하여 조정을 합니다. 오차가 빠르게 커지면 그에 따라 빠르게 반응하여 오버슈트를 방지하는 역할을 합니다.
• 예: 현재 오차가 크지 않더라도, 오차가 빠르게 커지고 있다면 미분 제어는 예측하여 조정합니다.
• 미분 제어의 특징: 오차가 변하는 속도를 미리 예측하고 반응하여, 급격한 변화나 과도한 반응을 방지합니다.
2. PID 제어가 작동하는 방식
• 목표값(예: 온도, 속도)과 실제값(센서로 측정한 값) 사이의 차이를 오차(error)라고 합니다.
• 이 오차를 P, I, D가 각각 다르게 반영하여 출력을 조정합니다. 이 조정된 출력이 시스템에 적용되면, 실제값이 목표값에 점점 가까워집니다.
3. PID 제어 예시
• 예를 들어 온도 조절기가 있다고 가정해 봅시다.
• 목표 온도는 25도, 현재 온도는 22도라고 할 때, P는 오차(25도 - 22도 = 3도)에 비례하여 히터의 출력을 증가시킵니다.
• I는 시간이 지나면서 누적된 작은 오차를 해결하려고 조금씩 히터 출력을 조정합니다.
• D는 온도가 상승하는 속도를 보고, 너무 빠르게 오를 경우 히터 출력을 줄여서 안정되게 만듭니다.
4. PID 제어의 목적
PID 제어의 목적은 시스템의 안정성을 유지하면서 최적의 성능을 발휘하는 것입니다. 각 요소(P, I, D)가 조화를 이루어야 과도한 반응을 피하고, 목표값에 정확히 도달할 수 있습니다.
5. PID 제어의 장점과 단점
1) 장점:
• 다양한 시스템에 적용 가능하고, 정확하게 목표값을 유지하는 데 유리합니다.
• 과거와 현재, 미래를 반영하여 제어할 수 있어 빠르게 안정될 수 있습니다.
2) 단점:
• 파라미터 튜닝이 어렵습니다. P, I, D 값이 적절하지 않으면 시스템이 불안정해질 수 있습니다.
• 복잡성이 있을 수 있으며, 과도한 조정(특히 I와 D)이 발생하면 오히려 시스템이 불안정해질 수 있습니다.
결론
PID 제어는 자동화 시스템에서 목표값을 정확하게 유지하고자 할 때 매우 중요한 제어 방식입니다. 각 요소인 P, I, D가 서로 조화를 이루며 작동하여 시스템의 오차를 최소화하고, 원하는 상태로 유지할 수 있습니다. 이 방식은 간단하면서도 매우 효과적이고, 여러 분야에서 널리 사용됩니다.
가열 재생 방식(Heated Regeneration) 흡착식 에어 드라이어는 흡착제가 포화된 후 외부에서 열을 공급하여 재생하는 방식으로, 히터와 블로워(송풍기)를 활용합니다. 하지만 재생 과정에서 많은 에너지가 소비되므로, 최적화 전략을 통해 에너지를 절감할 필요가 있습니다.
1. 가열 재생 방식의 주요 에너지 소비 요인
가열 재생 방식의 에너지 소비를 최적화하기 위해서는 재생 과정에서 가장 많은 에너지를 사용하는 요소를 분석해야 합니다.
1) 히터(Heater)의 에너지 소비
•흡착제의 수분을 증발시키기 위해 고온(100~200°C)의 열을 공급해야 하므로, 히터의 전력 소비가 크다.
•히터의 동작 시간이 길어질수록 에너지 소비가 증가.
2) 블로워(Blower)의 에너지 소비
•블로워가 외부 공기를 흡입하여 히터를 통해 가열한 후 흡착탑 내부로 공급하는 방식.
•고온 공기를 지속적으로 순환시키므로, 블로워의 전력 소비가 발생.
3) 재생 공기의 낭비
•재생 과정에서 일부 공기가 배출되므로, 불필요한 공기 손실이 발생할 수 있음.
2. 가열 재생 방식에서 에너지를 절감하는 방법
1) 스마트 제어 시스템 적용 (온도 및 습도 기반 제어)
•기존의 타이머 방식(Time-based Control)은 정해진 시간 동안 재생을 수행하여, 실제 필요보다 더 많은 에너지를 소비할 가능성이 큼.
•스마트 센서(온도·습도 센서) 기반 제어 시스템을 도입하면, 흡착제의 실제 상태에 따라 재생 시간을 최적화할 수 있음.
- 습도 센서 적용: 흡착제 내부의 습도를 실시간 감지하여 필요할 때만 재생
- 온도 센서 적용: 히터의 과도한 가열을 방지하고 적절한 온도로 유지
2) 히터 에너지 절감 전략
•히터의 온도 최적화: 필요 이상의 고온으로 가열하지 않고, 최적 온도로 유지
•히터 가변 제어: PID(비례-적분-미분) 제어를 통해 히터 출력을 세밀하게 조절
•히터 단열 강화: 열 손실을 줄이기 위해 히터 및 배관의 단열재 적용
- 기대 효과: 불필요한 히터 작동을 줄여 최대 10~20% 에너지 절감 가능
3) 폐열 회수 시스템(Heat Recovery System) 적용
•히터에서 발생하는 열을 재활용하여 추가적인 에너지 소비를 줄일 수 있음.
•폐열을 흡착제 예열에 활용하거나, 공장 난방 및 온수 공급 시스템으로 전환 가능.
- 기대 효과: 폐열을 활용하면 히터의 추가 전력 소비를 줄일 수 있어, 10~30% 에너지 절감 가능
4) 블로워 효율 최적화
•고효율 블로워(IE3/IE4급 모터) 사용: 기존 모터보다 에너지 소비가 낮은 고효율 모터 적용
•가변 속도 드라이브(VFD, Variable Frequency Drive) 적용: 블로워 속도를 자동으로 조절하여 불필요한 전력 소비 감소
- 기대 효과: 블로워의 전력 소비를 10~25% 절감 가능
5) 재생 공기량 최적화
•일반적으로 총 공기량의 5~10%가 재생 공기로 사용되지만, 과도한 재생 공기 사용은 에너지 낭비를 초래함.
•모듈형 재생 공기 제어 시스템을 도입하여, 흡착제 포화 정도에 따라 필요한 재생 공기량을 조절할 수 있음.
- 기대 효과: 불필요한 공기 손실을 줄여 5~15% 에너지 절감 가능
3. 에너지 절감 효과 분석 (예상 절감율)
4. 결론 – 최적의 에너지 절감 전략
가열 재생 방식의 흡착식 에어 드라이어는 에너지를 많이 소비하는 설비이므로, 최적화 전략을 적용하면 상당한 비용 절감 효과를 기대할 수 있음.
- 스마트 제어 시스템(온도·습도 센서) 적용하여 불필요한 재생 방지
- 히터 온도 최적화 및 폐열 회수 시스템 적용하여 히터 전력 소비 절감
- 고효율 블로워 및 가변 속도 드라이브(VFD) 도입하여 전력 소비 절감
- 재생 공기량을 최적화하여 불필요한 공기 낭비 방지
이러한 방법들을 조합하면 가열 재생 방식에서도 40~50%의 에너지 절감 효과를 달성할 수 있으며, 장기적으로 운영 비용을 절감하고 환경 친화적인 공정 운영이 가능해집니다.
1. 흡착식 Air Dryer란?
흡착식 Air Dryer(흡착식 에어 드라이어)는 압축 공기에서 수분을 제거하는 장치로, 주로 흡착제를 이용해 공기 중의 수분을 흡수하는 방식으로 작동합니다.
1) 원리 및 구조
흡착식 에어 드라이어는 두 개의 흡착탑(Twin Tower System)으로 구성됩니다.
• 한쪽 탑(Tower A)에서 압축 공기의 수분을 제거(흡착)하는 동안,
• 다른 탑(Tower B)은 포화된 흡착제를 재생(탈착)하는 방식으로 교대 운전됩니다.
2) 주요 구성 요소
• 흡착제(Desiccant): 수분을 흡수하는 재료로, 일반적으로 알루미나(Activated Alumina), 실리카겔(Silica Gel), 제올라이트(Molecular Sieve) 등이 사용됨.
• 컨트롤러(Control System): 습도 센서 및 타이머를 이용하여 흡착 및 재생 사이클을 자동 조절.
• 재생 시스템: 흡착제가 포화되면, 일정한 방식으로 수분을 제거(재생)함.
2. 흡착식 Air Dryer의 재생 방식
재생 과정에서 에너지가 많이 소비되므로, 재생 방식에 따라 에너지 절감 가능성이 결정됩니다.
1) 무열 재생(Heatless Regeneration, PSA 방식)
• 건조한 압축 공기의 일부(15~20%)를 감압하여 흡착제의 수분을 제거.
• 장점: 별도의 가열 장치가 필요 없고, 설치가 간단함.
• 단점: 압축 공기의 일부를 재생에 사용하여 에너지 손실 발생.
2) 가열 재생(Heated Regeneration, Blower 방식)
• 외부 히터 또는 송풍기(Blower)를 사용하여 흡착제를 가열하여 재생.
• 장점: 압축 공기 손실이 적어 에너지 효율이 높음.
• 단점: 전기 히터나 가열 공기가 필요하여 전력 소비 증가.
3) 히트리스 블로우어 재생(Heated Blower Purge)
• 블로워(Blower)를 이용해 주변 공기를 가열하여 재생.
• 장점: 압축 공기를 사용하지 않아 에너지 절감 효과가 큼.
• 단점: 히터와 블로워의 운영 비용이 필요.
4) 히트 오브 컴프레션(Heat of Compression, HOC 방식)
• 압축기에서 발생하는 열(Heat of Compression)을 이용하여 재생.
• 장점: 추가적인 히터가 필요 없으며, 가장 높은 에너지 절감 효과.
• 단점: 초기 설치 비용이 높고, 특정한 압축기 시스템에서만 적용 가능.
3. 흡착식 Air Dryer의 에너지 절감 방법
1) 최적의 재생 방식 선택
• 사용 환경에 맞춰 가열 재생(Heated Regeneration) 방식이나 HOC 방식을 적용하면 에너지 절감 가능.
• 무열 재생(PSA 방식)은 압축 공기 손실이 많아 비효율적일 수 있음.
2) 스마트 제어 시스템 도입
• 기존의 타이머 기반 제어에서 습도 센서 기반 제어(듀얼 타워 컨트롤 시스템)로 변경.
• 습도에 따라 자동으로 재생 주기를 조절하여 불필요한 에너지 낭비 방지.
3) 에너지 회수 시스템 적용
• 흡착제 재생 시 발생하는 폐열을 회수하여 다른 공정(예: 난방, 온수 공급)에 활용하면 효율적.
• HOC 방식 적용 시, 압축기 열을 이용하여 별도의 전력 소비 없이 재생 가능.
4) 흡착제 교체 주기 최적화
• 오래된 흡착제는 수분 제거 성능이 저하되어 재생 시간이 증가하고, 에너지 소비가 늘어남.
• 흡착제 교체 주기를 최적화하여 재생 시간을 단축하면 에너지 절감 효과 기대 가능.
5) 공기 손실 최소화
• 압축 공기 누출을 방지하고, 불필요한 재생 공기 손실을 최소화하도록 배관 및 밸브 유지보수 필요.
• 기존의 개방형 밸브(ON/OFF 방식) 대신 가변 제어 밸브(Modulating Valve)를 적용하면 재생 공기 사용량을 줄일 수 있음.
4. 결론
흡착식 Air Dryer는 압축 공기에서 수분을 제거하는 필수 장치이지만, 재생 과정에서 상당한 에너지가 소비됩니다.
• HOC(Heat of Compression) 방식이나 히트 블로우어 방식을 적용하면 에너지를 절감할 수 있음.
• 습도 센서를 이용한 스마트 제어 시스템 도입으로 불필요한 재생 주기를 줄일 수 있음.
• 폐열 회수 시스템 및 흡착제 유지보수를 최적화하면 추가적인 절감 효과 기대 가능.
흡착식 에어 드라이어의 재생 공정 최적화 및 스마트 제어 시스템 도입이 에너지 절감의 핵심입니다.