2.1 FEMS와 추가 기능 요구사항

FEMS는 공장의 제조와 생산을 위해 사용하는 에너지를 계측하고 모니터링하며 이를 제어 관리하는 시스템이다^[3]. 이 시스템의 구성은 '센서 및 계측 장비', '데이터 수집 및 처리 시스템', '분석 및 모니터링 시스템', '제어 및 통신 시스템'으로 되어 있다.

먼저, '센서 및 계측 장비'는 전기, 가스, 증기, 냉난방 등의 에너지 사용량을 측정하기 위해 공장 내 각종 장비 및 설비에 설치되어 사용량 데이터를 수집하므로 공장 내 에너지 사용량을 파악할 수 있다. 그리고, '데이터 수집 및 처리 시스템'은 수집된 데이터를 저장, 처리 및 분석한다. 수집된 데이터를 실시간으로 처리하고, 필요한 경우에는 클라우드와 같은 외부 서버와 연결하여 데이터를 보관하고 분석하는 등의 역할을 수행하여 수집된 데이터를 효과적으로 활용할 수 있게 도와준다.

다음으로 '분석 및 모니터링 시스템'은 수집된 데이터를 기반으로 공장 내 에너지 사용 패턴을 분석하고, 에너지 사용의 효율성을 모니터링한다. 예측 모델을 이용하여 불필요한 에너지 사용을 방지하고, 에너지 효율성을 개선하도록 방안을 제시하기도 하며, 공장 내 에너지 사용에 대한 정보를 얻을 수도 있다. 그리고, '제어 및 통신 시스템'은 FEMS를 통해 분석된 데이터를 바탕으로 에너지 사용을 최적화하는 제어 시스템을 구축한다. 냉난방, 조명, 기계 등의 장비를 자동으로 제어하여 공장 내 최적의 에너지 사용을 실현한다.

FEMS는 이러한 구성 요소들을 통해 공장 내 에너지 사용을 최적화하여 에너지 비용을 절감하고, 환경 부담을 줄일 수 있는 기능을 제공하고 있어 기업은 에너지 비용뿐만 아니라 환경 문제 해결 방법으로도 활용할 수 있다. 이렇듯 FEMS는 전력 소비량을 비롯하여 공기, 가스, 용수, 스팀 등의 에너지 소비량을 설치된 계측기를 통해 수집하고 이를 종합하여 표시하여 사용자에게 현황을 보여주고, 이를 바탕으로 효율적인 사용과 절감을 유도하도록 하고 있다.

실제 산업 현장에서 FEMS는 다양한 형태로 적용되고 있다. 대표적으로 LS ELECTRIC은 자사의 스마트팩토리 솔루션에 FEMS를 통합하여 제조 설비의 전력, 가스, 용수 등을 실시간으로 모니터링하고 제어하는 시스템을 구축하였다^[3]. 이 시스템은 대시보드를 통해 공장 전체 및 설비별 에너지 소비 현황을 시각화하여 관리자가 즉각적으로 에너지 사용 패턴을 파악하고 이상 징후를 감지할 수 있도록 지원한다. 또한 국내 주요 철강, 화학, 반도체 제조 기업들은 FEMS를 도입하여 연간 에너지 비용을 5~15 % 절감하는 성과를 달성하고 있으며, 이는 탄소 배출량 감소로도 직결되어 환경 규제 대응에 효과적으로 활용되고 있다.

하지만, 현재까지 구현된 FEMS는 공장 전체 에너지 모니터링과 제어 관리를 중심으로 기능이 동작하고 있는 한계가 있으며, 이에 따라 공장의 제조 생산라인의 생산량과 연계한 기능을 반영하도록 요구받고 있다. 이를 반영한 FEMS의 기능 고도화를 통해 제조 공장에서 ESG 경영에 활용할 수 있는 시스템으로 확장이 필요한 상황이다.

2.2 설비종합효율의 개념 및 ESG 연계 필요성

제조 공장에서는 생산성 향상을 통해 효율적인 비용으로 제품을 생산하도록 노력하고 있으며, 이를 위해 중요한 지표 중 하나인 '설비종합효율(Overall Equipment Effectiveness, 이하 OEE)'을 적극 활용하고 있다. 설비종합효율은 생산 효율을 추적하기 위해 TPM(Total Productive Maintenance)의 창시자인 S.Nakajima에 의해 처음 사용되었다^[4]. 그는 전체 설비 효율을 최적화하기 위해 단순히 설비가 성능을 유지하는 것뿐 아니라 각각의 작업자들 사이에서 공동의 책임 의식을 만드는 데 초점을 맞추어 효율을 향상하도록 하였다.

설비종합효율은 현재 설비가 시간적, 속도적으로 어떠한가, 양품률은 어떤가를 종합하여 설비가 부가가치를 만들어 내는 시간에 얼마나 공헌하고 있는지를 나타내는 설비의 유효활용 비율이다. 설비종합효율은 단순히 설비의 효율뿐만 아니라 프로세스의 효율을 측정할 수 있다. 즉, 현재의 프로세스가 얼마나 효율적인가를 나타내는 것이다. 설비도 시간이 지남에 따라 관리시간, 정비시간, 부품 마모 등에 의한 교체 시간 등이 더 많이 필요하게 된다. 효율 관리를 꾸준히 해야 프로세스의 효율이 초기대비 얼마나 변해 가는지를 확인할 수 있으므로, 설비종합효율을 계산하는 것은 현장의 복잡한 고려 항목들을 단순하게 하는 방법을 제공하여 의사결정에 도움을 준다.

예를 들면, 설비종합효율에 의해 계산된 요인을 추적하면 설비가 예상한 것보다 더 오래 고장시간이 있었는지, 설비가 느린 속도로 가동되었거나 또는 경미한 중지 상태인지, 또는 더 많은 결함을 만들어 냈는지 알 수 있다. 설비종합효율은 '시간가동률, 성능가동률, 양품률'의 곱으로 계산된다. 이는 시간적, 성능적, 품질적으로 어떤 상태에 있는지를 종합해서 부가가치를 만들기 위해 얼마만큼 활용되고 있는지 판단하기 위한 지표이다.

설비종합효율의 요소에 대한 벤치마킹 수치는 시장에서 프로세스의 경쟁력을 나타내는 우수한 지표이다. 예를 들어, 공장에서 처음으로 설비종합효율을 계산할 때 배치 공정에 대해서는 40~70 %, 연속된 프로세스 공정에서는 50~80 %의 설비종합효율을 달성하고 있는 것으로 조사되고 있다. 이상적인 세계수준의 설비종합효율은 85 % 이상으로 이는 시간가동률 90 %, 성능가동률 95 %, 양품률 99 % 이상일 때 계산되는 값이다^[5].

국내외 제조 현장에서 OEE는 생산 효율 관리의 핵심 지표로 활용되고 있다. 도요타 자동차는 TPS(Toyota Production System)에 OEE를 통합하여 전 세계 공장의 생산 효율을 실시간으로 모니터링하고 있으며, 이를 통해 세계 최고 수준의 85 % 이상 OEE를 지속적으로 유지하고 있다. 국내 중소 제조기업의 경우 스마트 공장 도입과 함께 OEE 관리 시스템을 구축하여 초기 40~50 % 수준에서 60~70 % 수준으로 생산 효율을 향상시킨 사례가 보고되고 있다^[5]. 이러한 OEE 시스템은 일반적으로 생산 관리 화면을 통해 각 설비별 시간가동률, 성능가동률, 양품률을 실시간으로 표시하고, 목표 대비 달성률을 색상(녹색/황색/적색)으로 구분하여 관리자가 즉각적으로 문제를 파악하고 조치할 수 있도록 지원한다.

제조 공장에서 설비종합효율(OEE)을 활용하면 생산성 향상을 위해 사람 중심의 관리에서 설비 중심으로 관리하게 되어 생산 경쟁력 확보 우위를 가질 수가 있게 된다. 또한, 각 생산라인 간의 상호비교와 생산라인 자체의 실적 추이 비교 등을 통해 지속적으로 효율적인 생산을 유지할 수 있게 된다. 하지만, 현재까지 운영되고 있는 설비종합효율은 생산효율에 중심을 두고 운영되고 있으며, ESG 경영을 위해서는 FEMS와 연계하여 에너지 효율을 고려한 생산라인 운영에 대한 요구를 받고 있다.

2.3 OEE와 FEMS 통합을 통한 ESG 지표 향상 방안

앞서 설명한 FEMS와 OEE를 통합하면 ESG 경영의 세 가지 핵심 요소인 환경(E), 사회(S), 지배구조(G) 측면에서 다음과 같은 방식으로 성과 지표를 향상시킬 수 있다.

첫째, 환경(E) 측면: FEMS의 에너지 모니터링 기능과 OEE의 생산 효율 지표를 통합하면 단위 제품당 에너지 소비량을 정량적으로 측정할 수 있다. 예를 들어, OEE가 70 %에서 80 %로 향상되면 동일한 생산량을 달성하기 위한 가동 시간이 단축되어 에너지 소비가 감소하며, 이는 탄소 배출량 감소로 직결된다. 또한 FEMS를 통해 불필요한 에너지 소비를 실시간으로 감지하고 제어함으로써 RE100, CBAM 등 환경 규제에 효과적으로 대응할 수 있다. 실제로 국내 일부 제조 기업은 FEMS와 OEE를 연계하여 에너지 효율을 관리함으로써 연간 에너지 소비량을 10~15 % 절감하고 탄소 배출량을 동일 비율로 감소시킨 사례가 있다.

둘째, 사회(S) 측면: OEE 향상은 설비의 안정적 가동을 의미하며, 이는 작업자의 안전한 작업 환경 조성과 직결된다. 설비 고장이나 비정상 가동이 줄어들면 작업자의 돌발 상황 대응 부담이 감소하고, FEMS의 실시간 모니터링을 통해 에너지 관련 안전사고(과부하, 과열 등)를 예방할 수 있다. 또한 OEE와 FEMS 데이터를 통합 관리함으로써 작업자에게 명확한 목표와 피드백을 제공하여 동기부여와 업무 만족도를 향상시킬 수 있다.

셋째, 지배구조(G) 측면: FEMS와 OEE의 통합 데이터는 경영진에게 생산 효율과 에너지 효율을 동시에 고려한 의사결정 근거를 제공한다. 이는 기업의 투명한 경영 활동을 지원하며, 이해관계자(투자자, 고객, 규제 기관)에게 생산성과 환경성을 모두 고려하는 책임 있는 경영을 입증할 수 있는 정량적 지표를 제공한다. 또한 OE²E와 같은 통합 지표를 통해 ESG 성과를 객관적으로 측정하고 보고할 수 있어, ESG 평가 기관이나 투자자의 요구에 체계적으로 대응할 수 있다.

이처럼 FEMS와 OEE의 통합은 단순히 에너지와 생산을 별도로 관리하는 것을 넘어, ESG 경영의 핵심 요소들을 동시에 개선할 수 있는 실용적인 방법론을 제공한다. 특히 본 연구에서 제안하는 OE²E 지표는 이러한 통합 관리를 하나의 정량적 지표로 단순화하여, 중소 제조 기업도 쉽게 ESG 경영을 실천할. 수 있는 도구를 제공한다는 점에서 실용적 가치가 크다.

3.1 기존의 설비종합효율 및 FEMS 활용 방식

지금까지 제조공장에서는 각 공정별 제품의 생산량과 이를 위한 설비종합효율을 관리 운영하고 있으며, 이를 활용하여 생산성 향상에 집중하고 있다. 하지만, 생산성 향상에 따른 에너지 사용의 증가는 필연적으로 발생하게 되며 이는 생산 증가에 따른 당연한 과정으로만 인식하고 있는 형편이다. 그렇지만, 일부 제조공장 경영자는 에너지의 사용 증가에 따른 에너지 비용 증가를 단순히 받아들이지 않고, 에너지 관점의 관리에 대한 필요를 인식하게 되어 FEMS를 도입하고 있으며, 이를 통해 에너지를 효율적으로 사용하려는 다양한 시도를 진행하고 있다. 한편, 일부 연구에서는 설비의 에너지 데이터를 측정하여 설비종합효율을 예측하는 형태의 연구를 진행하기도 했었다^[6]. 그러나, 현재까지는 제조공장에서의 설비종합효율에 대한 활용과 FEMS 활용은 각각의 영역에서 별도로 구축 및 운영하고 있기에 제조와 이에 따른 효율적인 에너지 사용의 연계 및 통합적인 활용은 이루어지지 않고 있다. 이에 본 논문에서는 FEMS에 생산성 효율에 관한 설비종합효율을 함께 통합하여 볼 수 있는 기능 항목을 새롭게 제안하고 이를 ESG 경영 평가에 활용하고자 한다.

3.2 FEMS의 기능 개선을 위한 새로운 지표

위에서 기술한 제조 공장 운영에 있어서 에너지 관점의 FEMS의 활용과 생산 관점의 OEE를 상호 연계한 새로운 지표를 적용할 경우 FEMS는 생산에 관한 항목을 반영하는 개선된 시스템으로 ESG 경영에 활용될 수 있다. 이를 위해서는 OEE 지표를 반영하여 실제 제조 현장에서 제품 생산과 함께 즉각적으로 에너지 사용 및 효율에 대해 볼 수 있도록 하는 FEMS 기능 개선이 필요하다. 이에 FEMS 기능 개선을 위한 요구사항을 아래와 같이 제안하고자 한다.

3.3 OE²E를 이용한 설비 운영 관리 방법

설비종합에너지효율은 설비종합효율(OEE)과 설비에너지효율(Energy Efficiency, EE)의 곱으로 주어지는데, 이에 대한 효과적인 관리를 위해 계산한 테이블은 표 2와 같이 표시할 수 있다.

표 2. 설비종합에너지효율(OE²E) 계산

Table 2. Overall Equipment & Energy Efficiency calculation

표 2에 계산된 OE²E의 값에 따른 범위별 관리 방법은 아래와 같이 구분하여 제조공장의 ESG 경영을 위한 설비운영의 관리 지표에 활용하도록 제안한다.

1) OE²E: 64 % ~ 81 %, ‘지속 유지’ 영역

OEE와 EE가 높은 효율로 관리되는 영역으로, 현 수준을 지속적으로 유지할 수 있도록 관리가 필요하다. OEE의 경우에는 이상적인 세계 수준인 85 %에 가까운 영역이므로, 에너지 효율 측면에 중점을 두고 지속 유지하도록 운영하도록 관리한다.

2) OE²E: 36 % ~ 56 %, ‘개선 관리’ 영역

OEE와 EE가 일반적인 운영 영역에 속하는데, 각 영역에서 개선을 통한 효과가 바로 나타날 수 있으므로, 설비 종합 효율과 설비 에너지 효율을 개선할 수 있는 다양한 방법을 각각의 항목에 적용하고 이를 기본 관리할 수 있도록 한다.

3) OE²E: 25 % ~ 30 %, ‘개선 필요’ 영역

해당 영역은 각 영역에서 즉각적인 개선이 필요한 관리 영역이다. 설비 종합 효율과 설비 에너지 효율에 대한 빠른 개선을 통해 빠르게 기본 관리 영역으로 지표가 개선될 수 있도록 조치한다.

위에 제시한 OE²E 계산 영역에 대해 FEMS의 전체 설비 종합 화면 및 개별 설비 화면에서 표시하고, 이를 통해 경영진과 관리자가 빠른 판단과 조치를 할 수 있도록 지원할 수 있다. 이런 방법으로 FEMS에서는 ESG 경영에 효과적으로 활용할 수 있는 개선된 기능을 구현하고 이를 활용하도록 반영한다.

3.4 OE²E 기반 ESG 스코어 산출 방법

OE²E을 바탕으로 ESG 스코어를 산출하여 ESG 경영에 활용할 수 있다^[7]. 이 방법은 각 제조설비의 OE²E에 대해 일정한 주기를 정하여 일간, 주간, 월간 값을 구한 후 이전 기간의 값을 분모로 그리고 현재 기간의 값을 분자로 하여 구할 수 있다. 예를 들면, A 제조설비의 ESG 스코어는 다음과 같이 산출할 수 있다.

이 때, ESG 스코어는 다음과 같이 구분하여 ESG 경영에 활용하도록 한다.

각 단계별로 A, B, C, D 등급으로 정하고 이를 활용하여 ESG 경영의 활용 지표로 사용하도록 한다. 각 단계의 임계값의 구간(0.9, 1, 1.1)은 해당 제조공장 특성에 따라 임의로 조정할 수 있다.

본 연구에서 제안하는 임계값(0.9, 1.0, 1.1)은 다음의 논리적 근거와 산업 표준을 기반으로 설정되었다.

- 통계적 근거

• ±10 % 기준: 제조업 현장에서 일반적으로 허용되는 공정 변동 범위는 ±10 % 이내이며^[8], 이는 Six Sigma 관리 기법에서 공정 능력 지수(Cpk) 1.33을 달성하기 위한 변동 범위와 일치한다.

• 정규분포 기반: 제조 공정의 성능 데이터는 일반적으로 정규분포를 따르며, 1σ(표준편차) 범위가 약 68.3 %의 데이터를 포함하는 점을 고려하여 ±10 % 범위를 설정한다.

- 산업 표준 및 벤치마킹

• ISO 50001(에너지 관리 시스템): 연간 5%의 개선이 필요함을 제시함^[9].

• RE100 이행 가이드라인: 글로벌 기업들의 RE100 이행 계획에서 연간 평균 5~10 %의 에너지 효율 개선 목표를 설정하는 것이 일반적임^[10].

• ESG 평가 기관 기준: MSCI, Sustainalytics 등 주요 ESG 평가 기관들은 전년 대비 5~10 % 이상의 환경 성과 개선 시 긍정적 평가를 부여함^[11].

3.5 ESG 통합 관리: E-S-G 연계 방안

OE²E 기반 ESG 스코어는 환경(E) 영역에 직접적으로 연결되지만, 사회(S)와 지배구조(G) 영역과도 다음과 같이 연계될 수 있다.

3.6 FEMS를 활용한 ESG 경영관리 추가 고려사항

제조 공장의 경영진과 관리자는 제조 공장의 효율적인 관리가 매우 중요하며, 이를 통해 경영성과 달성을 위해 지속적으로 노력하고 있다. 이러한 요구사항을 반영하여 FEMS에서는 아래와 같은 관리 항목을 추가하여 표시할 수 있다. 또한, 각 산업 분야별, 에너지원별 추가 고려 사항으로 아래와 같은 항목을 구현할 수 있다.

3.7 FEMS를 활용한 ESG 경영관리 추가 고려사항

제안한 OE²E 개념의 실용성을 검증하기 위해 전자부품 제조공장의 설비종합에너지효율을 계산하고 시각화하는 분석 도구를 개발하였다. 이 도구는 A, B, C 제조라인의 OEE 구성요소(시간가동률, 성능가동률, 양품률)와 에너지효율을 입력받아 OE²E를 계산하고, 관리 영역을 판단하여 그래프로 시각화한다. 이를 통해 제조현장 관리자가 직관적으로 생산 효율과 에너지 효율의 통합 지표를 모니터링하고 개선 활동에 활용할 수 있다.

구현된 분석 도구는 아래와 같은 주요 기능을 제공한다.

- 각 제조라인별 OEE 요소(시간가동률, 성능가동률, 양품률) 및 에너지효율 데이터 입력(그림 1)

- OEE과 OE²E 계산 실행(그림 1)

- OE²E 기반 관리 영역 판단 ('지속 유지', '개선 관리', '개선 필요')(그림 2)

- 제조라인간 OEE, 에너지효율, OE²E 비교 그래프 시각화(그림 2)

- 관리 영역별 시각적 구분을 통한 의사결정 지원(그림 2)

다음의 그림 1과 그림 2는 개발된 분석 도구의 실행 화면을 보여준다.

그림 1. OE²E 계산,분석을 위한 OEE 구성요소, 에너지 효율 입력 화면

Fig. 1. OEE components, energy efficiency input screen for OE²E calculation and analysis

분석 도구 구현 결과, OE²E 지표를 통해 제조 현장에서 생산성과 에너지효율을 통합적으로 관리할 수 있음을 확인하였다. 특히 각 제조라인의 OEE와 에너지효율이 상이한 경우, OE²E를 통해 종합적인 성능을 평가하고 개선 우선순위를 결정하는 데 효과적임을 검증하였다.

구현된 분석 도구는 다양한 제조 산업 분야에 적용 가능하도록 설계되었으며, 향후 실시간 데이터 수집 기능과 예측 분석 기능을 추가하여 더욱 고도화된 의사결정 지원 시스템으로 발전시킬 계획이다.

그림 2. OE²E 계산 결과 및 분석표, 항목별 비교 그래프

Fig. 2. OE²E calculation results and analysis table, item-by-item comparison graph