부하 우선순위 지정, 런타임 계산 및 제어된 종료
산업용 백업 전원은 배터리 용량만을 기준으로 설계하는 것이 아니라, 정전 시에도 작동해야 하는 제어 기능을 중심으로 설계해야 합니다.
정전은 자동화된 공정에 차질을 일으키는 데 오랜 시간이 걸릴 필요가 없습니다. 순간적인 정전으로 PLC가 재설정되거나, 산업 네트워크가 중단되거나, HMI 화면이 꺼지거나, 생산 데이터가 불완전해질 수 있습니다. 정전이 장시간 지속되면 기계가 제어되지 않는 상태로 멈춰 서게 되고, 복구가 최초 정전보다 훨씬 더 어려워질 수 있습니다.
이러한 이유로 산업 제어 시스템의 배터리 백업 설계는 배터리 용량부터 시작해서는 안 됩니다. 오히려 전원 공급이 중단된 후 제어 시스템이 무엇을 수행해야 하는지와 같은 보다 실질적인 질문부터 시작해야 합니다.
해결책은 단기적인 장애를 견뎌내거나, 예비 발전이 시작될 때까지 공정을 계속 가동하거나, 제어된 종료를 위한 충분한 시간을 확보하는 것일 수 있습니다. 각 목표는 서로 다른 보호 부하, 가동 시간 목표 및 UPS 아키텍처를 필요로 합니다.
파트 1: 장애 발생 시 필요한 동작 정의
"백업 전원"이라는 표현은 매우 다양한 운영 목표를 나타낼 수 있습니다.
라이드스루 이 기능은 단기적인 전압 강하 및 정전을 다룹니다. 목적은 짧은 교란 발생 시 제어기, 통신 장치 및 운영자 인터페이스가 재시작되는 것을 방지하는 것입니다.
제어된 종료 정해진 순서대로 공정을 중단하고, 생산 데이터를 저장하고, 이동 장비를 적절한 위치에 정차시키고, 산업용 컴퓨터를 깔끔하게 종료할 수 있는 충분한 시간을 제공합니다.
계속 운영 선택한 장비를 지정된 기간 동안 계속 작동시킵니다. 이는 발전기 시동 중, 생산 공정이 안전한 종료 지점에 도달할 때까지 또는 작업자가 상황에 대응하는 동안 필요할 수 있습니다.
이러한 목표들을 생각 없이 결합해서는 안 됩니다. 컨트롤러 로직을 5분 동안만 유지하도록 설계된 시스템은 HMI, 네트워크 장비, 계측 장비 및 현장 부하를 1시간 동안 작동시키도록 설계된 시스템보다 훨씬 규모가 작을 것입니다.
재시작 전략 또한 중요합니다. 정상 전원이 복구되면 시스템이 자동으로 재개될지, 운영자가 조건을 확인할 때까지 정지 상태를 유지할지, 아니면 별도의 승인 절차를 거친 후에만 재시작될지 결정해야 합니다. 백업 지속 시간과 복구 동작은 동일한 설계 문제의 일부입니다.
버퍼링 기능이 있는 24VDC 제어 버스를 사용하면 PLC, HMI, 산업용 네트워크 및 필수 I/O를 계속 사용할 수 있으며, 드라이브와 모터로 가는 버퍼링 기능이 없는 AC 전원 경로는 백업 경계 외부에 유지됩니다.
파트 2: 전원을 계속 공급해야 하는 항목을 결정하세요
배터리 크기를 줄이는 가장 효과적인 방법은 안전 여유를 줄이는 것이 아니라, 보호 대상 부하를 정확하게 정의하는 것입니다.
일반적인 제어 시스템에는 다음이 포함될 수 있습니다.
- PLC 또는 프로그래밍 가능 자동화 컨트롤러
- HMI 또는 산업용 PC
- 로컬 및 원격 I/O
- 산업용 이더넷 스위치
- 통신 게이트웨이
- 필수 송신기 및 센서
- 기계 안전 설계에 필요한 경우 안전 관련 제어 장비
- 정의된 상태에 도달하기 위해 필요한 릴레이, 접촉기, 밸브 또는 브레이크를 중간에 배치합니다.
모든 장치가 백업 버스에 연결될 필요는 없습니다. 캐비닛 조명, 콘센트, 냉각 장비, 대형 솔레노이드, 모터 스타터, 드라이브 및 기타 고출력 부하는 에너지 계산에서 큰 비중을 차지할 수 있습니다. 이러한 장치 중 일부는 여전히 필수적일 수 있지만, 연결 여부는 편의성보다는 공정 목표를 기준으로 결정해야 합니다.
장비 종류만으로 추정하지 말고 정확한 장비를 문서화하십시오. 설치된 장비 PLC 및 산업용 컨트롤러 컨트롤러마다 정상 상태 소비 전력, 확장 모듈 요구 사항, 통신 부하 및 시동 동작이 다를 수 있습니다. 개조 과정에서 교체되는 구형 컨트롤러는 후속 컨트롤러와 전력 프로파일이 다를 수 있습니다.
안전 기능은 별도의 주의가 필요합니다. 백업 전원은 기계가 위험 평가 및 안전 설계에 따라 설정된 안전 상태에 도달하는 것을 방해해서는 안 됩니다. 안전 제어기, 제동 회로, 밸브 또는 기타 보호 장치가 계속 작동될지 여부는 작동 시간 계산만으로는 판단할 수 없습니다.
파트 3: 배터리 용량을 결정하기 전에 전력 아키텍처를 선택하세요
일반적인 접근 방식으로는 제어판 전원 공급 장치 상류에 AC UPS를 설치하는 것과 24VDC 제어 버스에 DC UPS를 설치하는 것이 있습니다.
An AC UPS UPS는 다양한 AC 입력이 필요한 장비를 지원할 수 있으며, 보호 대상 시스템에 산업용 PC, 모니터 또는 기타 AC 전원 장치가 포함된 경우 편리할 수 있습니다. 그러나 에너지 경로에는 배터리 DC를 AC로 변환한 다음 다시 AC를 24VDC로 변환하는 과정이 포함될 수 있습니다. 또한 보호 대상 분기 회로를 신중하게 분리하지 않으면 UPS가 백업이 필요 없는 부하까지 담당하게 될 수도 있습니다.
A 24VDC UPS 컨트롤러, HMI, 네트워크, I/O 및 계측 장비를 제어 전원 버스에서 직접 보호할 수 있습니다. 부하 분리를 용이하게 하고 유용한 상태 신호 또는 네트워크 진단을 제공할 수 있습니다. 하지만 적합성은 필요한 전류, 배터리 모듈, 충전 시스템, 출력 전압 범위 및 보호 대상 장치와의 호환성에 따라 달라집니다.
24V 제어 버스가 있다고 해서 "24V"로 판매되는 모든 배터리를 직접 연결할 수 있는 것은 아닙니다. 배터리의 전체 전압 범위, UPS 입력 및 출력 제한, 충전 프로파일, 저전압 차단 기능, 그리고 보호 대상 부하 각각의 허용 입력 범위를 반드시 확인하십시오. 승인된 배터리 모듈 또는 특별히 검증된 배터리와 전력 변환 장치 조합을 사용하십시오.
전원 전환 동작도 확인해야 합니다. 일부 부하는 짧은 정전을 견딜 수 있지만, 다른 부하는 백업 전원이 안정화되기 전에 재설정될 수 있습니다. 필요한 전원 전환 성능은 모든 UPS가 모든 조건에서 정전 없이 작동한다는 일반적인 가정이 아니라 연결된 장비와 공정의 동작에 따라 결정되어야 합니다.
AC UPS는 혼합 AC 부하를 지원할 수 있는 반면, DC UPS는 더 적은 변환 단계를 거쳐 특정 24V 제어 버스를 보호할 수 있습니다. 적절한 아키텍처는 연결된 장비와 정전 목표에 따라 달라집니다.
파트 4: 현실적인 적재 목록 작성
실행 시간 계산은 제공되는 부하 데이터만큼만 유용합니다. 제조업체 데이터로 시작하되, 가능하면 설치된 시스템을 측정하여 검증하십시오.
직류 장비의 경우, 전력은 전압과 전류로부터 추정할 수 있습니다.
전력(W) = 전압(V) × 전류(A)
교류 부하의 경우 와트(W)와 볼트암페어(VA) 모두 중요합니다. 와트는 실효 전력을 나타내고, VA는 실효 전압-전류 곱을 나타냅니다. 무정전 전원 공급 장치(UPS)는 와트 및 VA 정격 범위 내에 있어야 합니다. 따라서 평균 와트가 허용 가능한 것처럼 보이더라도 역률, 비선형 입력 전류 및 단기 피크는 장비 선택에 영향을 미칠 수 있습니다.
가능한 경우 다음 값들을 구분하세요:
- 정상 상태 부하
- 최고 신뢰도 작동 부하
- 스타트업 또는 급증하는 수요
- 전원 차단 중에만 활성화되는 부하
- UPS 자체 소비
- 향후 확장 허용
각 장치의 최대 정격 전류를 자동으로 합산하여 정상 부하로 간주하지 마십시오. 그렇게 하면 불필요하게 큰 시스템이 될 수 있습니다. 반대로 편리한 평균값만 사용하는 경우 통신 시작, 릴레이 작동, 디스플레이 밝기, 히터 작동 또는 기타 중요한 부하 피크를 놓칠 수 있습니다.
대표적인 제어 패널의 경우, 초기 부하 스케줄은 다음과 같을 수 있습니다.
| 보호된 하중 | 계획력 |
|---|---|
| PLC 및 로컬 I/O | 32 승 |
| HMI | 24 승 |
| 원격 I/O 스테이션 | 28 승 |
| 산업용 이더넷 스위치 | 12 승 |
| 통신 게이트웨이 | 8 승 |
| 필수 센서 및 릴레이 | 26 승 |
| 총 보호 부하 | 130 승 |
파트 5: 배터리 용량을 실제 사용 시간으로 변환하기
배터리 뱅크의 공칭 에너지량은 일반적으로 와트시(Wh)로 표시됩니다.
공칭 배터리 에너지(Wh) = 배터리 뱅크 전압(V) × 용량(Ah)
해당 값은 에너지 공급량의 시작점일 뿐, 보장된 작동 시간을 의미하는 것은 아닙니다. 실제적인 예측에는 변환 효율, 배터리의 허용 사용 가능 용량, 방전율의 영향, 온도, 배터리 수명, 차단 전압, 배선 손실 및 UPS 자체의 소비 전력 등이 모두 고려됩니다.
유용한 계획 모델은 다음과 같습니다.
작동 시간(시간) = 사용 가능한 배터리 에너지(Wh) ÷ 총 백업 부하(W)
여기서
사용 가능한 배터리 에너지 = 공칭 Wh × 효율 × 사용 가능 용량 계수 × 방전 계수
아래 요소들은 예시적인 가정일 뿐, 보편적인 값은 아닙니다. 노화, 온도, 방전율 영향, 차단 손실 및 배선 손실이 중복 계산되지 않도록 각 요소에 포함되는 항목을 명확히 정의하십시오. 마찬가지로, UPS 자체 소비 전력은 한 번만 계산하고, 선택한 변환 경로 및 부하에 해당하는 효율 데이터를 사용하십시오.
보호 부하 및 배터리 뱅크에 대한 가정이 파악되면 실질적인 접근 방식을 취할 수 있습니다. UPS 작동 시간 계산기 이상적인 에너지 상한선을 변환 효율, 사용 가능 용량, 방전 특성 및 UPS 자체 소비를 포함하는 감산 추정치와 비교하는 데 사용할 수 있습니다.
위의 130W 제어 부하를 지원하는 24V, 18Ah 배터리 뱅크를 예시로 들어 보겠습니다. 다음과 같이 가정합니다.
- 92% 변환 효율
- 85% 가용 용량
- 88% 배출률
- 15W UPS 자체 소비 전력
명목상 저장 에너지는 다음과 같습니다.
24V × 18Ah = 432Wh
정격 출력 감소 후 사용 가능 에너지는 다음과 같습니다.
432 Wh × 0.92 × 0.85 × 0.88 ≈ 297 Wh
총 운전 부하는 다음과 같습니다.
130W + 15W = 145W
따라서 예상 실행 시간은 다음과 같습니다.
297Wh ÷ 145W ≈ 2.05시간
이 결과는 계획 추정치로 간주해야 합니다. 불확실성을 15% 추가로 고려하면 계획 수치는 약 1.74시간, 즉 약 1시간 44분으로 줄어듭니다. 그런 다음 제조업체의 방전 곡선 또는 구성 도구를 사용하여 예상 부하 및 온도에서 선택한 배터리와 UPS 조합을 검증해야 합니다.
두 번째 검증이 중요한 이유는 암페어시 용량이 모든 방전율에서 작동 시간으로 선형적으로 변환되지 않기 때문입니다. 배터리 단자 전압, 내부 저항, 배터리 화학적 특성, 차단 임계값 및 온도는 UPS가 부하를 차단하기 전에 사용할 수 있는 저장 에너지의 양에 영향을 미칩니다.
파트 6: 배터리 화학, 환경 및 노화를 고려하십시오
배터리 종류는 UPS 시스템의 일부로 선택해야 하며, 단순히 배터리를 교체하는 독립적인 결정으로 여겨서는 안 됩니다. VRLA 배터리와 리튬 기반 배터리는 질량, 수명 주기, 온도 특성, 충전 요구 사항, 보호 기능, 보관 및 유지 관리 측면에서 차이가 있습니다.
UPS 충전기와 배터리 관리 시스템은 선택한 배터리와 호환되어야 합니다. 충전 전압, 전류 제한, 온도 보상, 보호 임계값, 통신 및 인증 요구 사항은 배터리 종류에 따라 그대로 적용될 수 없습니다.
산업용 캐비닛에서는 주변 온도에 특히 주의를 기울여야 합니다. 온도가 높으면 배터리 노화가 가속화될 수 있고, 온도가 낮으면 사용 가능한 용량이 감소할 수 있습니다. 인접한 전원 공급 장치, 드라이브 및 접촉기에서 발생하는 열로 인해 배터리 주변의 온도가 실내 다른 곳에서 측정된 온도와 달라질 수 있습니다.
정상 작동 조건에서 새 배터리를 사용해야만 목표를 달성하는 설계는 운영 여유가 거의 없습니다. 배터리 노화 방지 정책을 포함하십시오. 배터리 상태를 어떻게 모니터링할지, 용량을 언제 테스트할지, 그리고 어떤 임계값에서 배터리를 교체할지 정의하십시오.
파트 7: 종료 및 복구 순서 계획
런타임은 제어 시스템이 런타임을 사용하는 방법을 알고 있을 때만 유용합니다.
지원되는 경우, UPS는 컨트롤러, 산업용 PC 또는 감독 시스템에 주 전원 장애 또는 배터리 모드 표시를 제공해야 합니다. 그러면 제어 로직은 다음과 같은 일련의 절차를 시작할 수 있습니다.
- 운영자에게 알리고 해당 이벤트를 기록하십시오.
- 새로운 생산 주기의 시작을 방지하십시오.
- 프로세스 설계에 따라 현재 작업을 완료, 보류 또는 중단합니다.
- 레시피, 수량, 기록 및 기타 변동성이 큰 데이터를 저장하세요.
- 안전 설계가 허용하는 범위 내에서 장비를 정해진 상태로 이동시키십시오.
- 산업용 컴퓨터와 필수적이지 않은 부하를 모두 끄십시오.
- 전원이 복구되거나 배터리 용량이 한계에 도달할 때까지 필요한 제어 및 통신 기능만 유지하십시오.
부하 차단은 유용한 백업 시간을 상당히 연장할 수 있습니다. 초기에는 운영자 대응을 위해 HMI가 필요할 수 있지만, 전체 정전 시간 동안 필요한 것은 아닙니다. 필수적이지 않은 네트워크 세그먼트 또는 패널 액세서리는 정전 완료 후 연결을 해제할 수도 있습니다. 각 단계는 의도적으로 계획하고 테스트해야 합니다. 예상치 못한 릴레이 차단이나 통신 두절은 계획된 순서를 무효화할 수 있습니다.
복구 과정 또한 검증이 필요합니다. 정상 전원이 복구되었을 때 UPS가 어떻게 작동하는지, 배터리 재충전에 얼마나 시간이 걸리는지, 그리고 부분 종료 후 기기가 안전하게 재시작될 수 있는지 확인해야 합니다.
제8부: 대표적인 조건에서 시스템 시운전
최종 설계 검증은 승인된 현장 절차에 따라 수행되는 통제된 정전 테스트입니다.
시험 전에 보호 부하 경계, 안전한 장비 상태, 배터리 충전량, 예상 작동 시간 및 담당자의 책임 사항을 확인하십시오. 시험 중에는 다음 사항을 관찰하십시오.
- 배터리 작동으로 전환
- 가장 멀리 떨어진 보호 부하의 전압
- PLC, HMI, I/O 및 네트워크 연속성
- 전환 및 정지 동작 중 최대 전류
- UPS 경보 및 상태 신호
- 종료 시퀀스 작동
- 정의된 엔드포인트까지의 실제 실행 시간
- 정상 전력 복구 후 복구
정의된 종료 시점은 항상 배터리 완전 방전일 필요는 없습니다. 종료 시퀀스 완료, 발전기 전원 공급 시작 또는 지정된 최소 충전 상태 마진 도달 등이 될 수 있습니다.
반복 가능한 주기적 테스트는 성공적인 시운전 테스트 후 재검토가 이루어지지 않는 것보다 훨씬 더 가치가 있습니다. 부하 변동, 배터리 노후화, 캐비닛 온도 변화, 유지보수 변경으로 인해 보호 버스에 장비가 추가되거나 제거될 수 있습니다. 제어 아키텍처가 변경될 때마다 부하 스케줄과 런타임 가정을 업데이트해야 합니다.
파트 9: 훌륭한 백업 설계는 프로세스에서 시작됩니다
배터리 용량은 산업용 백업 전원 설계의 한 부분일 뿐입니다. 더 중요한 결정 사항은 어떤 기능이 유지되어야 하는지, 얼마나 오랫동안 유지되어야 하는지, 시스템이 어떻게 대응해야 하는지, 그리고 그 동작을 어떻게 검증해야 하는지입니다.
정전 목표를 정의하고, 중요 부하를 분리하고, 적절한 AC 또는 DC 아키텍처를 선택하고, 현실적인 에너지 감쇠를 적용하고, 전체 차단 및 복구 시퀀스를 테스트함으로써 엔지니어는 명목상의 배터리 사양을 신뢰할 수 있는 운영 전략으로 전환할 수 있습니다.
기고자에 대하여: ParttoGo 산업 자동화 분야의 소싱 지원과 제어 시스템, 전기 패널 및 유지보수 팀을 위한 실질적인 엔지니어링 리소스를 제공합니다.
