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승강기 스마트 유지보수 및 계측기술 동향
 승강기 스마트 유지보수 및 계측기술 동향 기고 : 한국승강기대학교 승강기 전기설계과/스마트전기제어 이상훈 교수 사람들의 주거환경이 수직형으로 변모함에 따라 승강기의 중요성이 점차 높아지고 있다. 국내 승강기 운행현황은 약 47만4,000여대로, 세계 8위 보유국이며 신규설치대수로는 연간 약 2만5,000여대로 신규설치 세계 3위를 차지하고 있다. 국내 승강기 시장 규모 또한 매년 증가세를 보이고 있다. 2004년 연간 2조원의 시장을 형성, 이후 다소 감소세를 유지하다가 2007년부터 연간 2조원 규모를 다시 회복했고 안정된 시장 유지에 힘입어 2011년 기준 연간 2조5천억 규모(신규설치 1조원, 유지보수 1.5조원) 시장으로 성장했다. 현재 국내 승강기 산업은 국내 총생산(GDP) 대비 0.21%의 비중을 보이며 전 기계산업에 있어 0.58%을 차지하고 있다. 이는 타 산업에 비해 연간 시장규모는 작지만 지속적으로 국민의 편의성과 안전성이 요구되는 복지편의산업이고 문명사회의 확산과 더불어 도시기반의 초고층화 추세로 첨단기술을 필요로 하는 사업 성향을 보이기 때문에 향후 승강기의 신규 수요는 꾸준히 증가할 것으로 전망된다. 현재 승강기는 IT 융합의 Smart 기술, 전동기, 에너지저장 및 변환의 그린기술, 경량화 신소재, 디자인, 권상기 설계·가공, 소음진동 등 타 산업 융합성이 뛰어난 산업으로 많은 기술들이 적용되고 있다. 이에 따라 각 부품의 유지보수 및 수명 예측에 대한 기술도 IT 기술과 융합해 보다 신속하고 정확하게 점검이 가능하도록 발전하고 있다. 본고에서는 산업에서 다양하게 사용되고 있는 센서 및 IT 융합기술 중 승강기 부품의 유지 보수 및 점검에 필요한 계측장비에 적용 가능한 기술을 소개하고자 한다. 회전기기 결함탐지 및 수명예측 시스템 승강기는 사람을 수직으로 이동하는 교통수단으로서 회전기기를 이용해 동력을 얻고 있다. 회전기기는 승강기 부품 중 가장 핵심이 되는 부품으로 이에 대한 유지보수 관리는 사람의 안전과 직접적으로 연관되기 때문에 정기적 검사 및 부품 수명 예측에 대한 관심은 점차 높아지고 있다. 회전기의 경우 전기적 입력은 주로 3상 전압을 입력받고 전기적 출력은 3상 전류로 출력한다. 즉 모터 회전력 및 모터 상태에 대한 정보는 주로 3상 전류를 통해 얻게 되고 3상 전류 분석을 통해 모터의 토오크 및 진동 소음을 예측할 수 있다. 3상 전류를 분석하는 방식에는 크게 FFT(Fast Fourier Transform), Power Spectral Density를 적용해 주파수 응답특성을 이용한다. 회전기의 주요 고장 원인은 ▲Stator Stresses ▲Rotor Assembly Stress ▲Bearing Stress ▲Shaft Stress 등 4종류로 분류되며, Stress 요소로는 Thermal, Electrical/Dielectrical shock, Mechanical shock, Dynamic shock, Shar, Vibration, Residual, Electro Magnetic, Enviromental 등이 있다. 이같은 Stress 요소는 각 Part에 개별적 또는 복합적인 고장을 유발하게 된다. 이러한 고장원인 진단을 위해 유도 전동기에 경우 다음과 같이 9가지 고장 검출 및 진단 기술이 알려져 있다. ① Artesis Model Based Fault Detection ② Vibration Monitoring ③ Motor Current Signature Analysis (MCSA) ④ Electromagnetic Field Monitoring using search coils ⑤ Chemical Analysis (Lubricating oil debris; cooling gas) ⑥ Infrared Temperature Measurement ⑦ Acoustic Noise Measurement ⑧ Radio Frequency Emission Monitoring ⑨ Partial Discharge Measurement 본고는 이 중 Smart Multi Sensor를 이용한 Artesis Model Based Fault Detection 알고리즘과 진단기술을 포함한 SCADA 시스템을 살펴보고자 한다. Smart Multi Sensor란 전압(PT), 전류(CT)를 이용해 3상 전동기의 전기적 상태 및 결함 그리고 기계적인 결함 상태를 동시에 진단하는 센서를 말한다. 이 센서는 Motor의 내·외부 전기적인 문제 진단 및 알람, 기계적인 Unbalnace, Misalignment, Rotor 이상, Bearing Housing 이상 예측, 전기역률, 유효· 무효전력, 3상간 전압, 전류 실효치, 전압·전류 불균형, 하모닉스 진단, 모터 상태 평가 및 Warning을 가능하게 한다. Smart Sensor를 이용한 Fault Detection 원리를 살펴보면, 모터 및 부하, 회전장치에 이상이 발생하면 전류 Analog 출력이 변하게 되고, 그 신호를 주파수 변환해 정상 주파수 변환값과의 차이를 Sensor 알고리즘을 통해 기존의 축적된 DB와 분석해 이상상태를 감지한다. 또한 MBFD(Model Base Fault Detection) 모델기반 고장검출 기법을 적용해 다양한 형태의 기준값(Model)을 학습하고 현재 입력값을 기준값(Model)과 비교해 변화상태(e)를 파악, 변화요인을 모니터링해 변화상태의 증감에 따라 회전기기 설비에 이상 진행과정을 분석한다. Smart Multi Sensor인 MCM은 3상 전압·전류를 입력으로 하고 22개의 모델 파라메터는 크게 Electrical Parameters(8종), Mechanical Parameters(12종), Fit Parameters(2종)인 3개의 그룹으로 구성돼 있다. 또한 Physical Parameters로는 Vrms, Irms, power factor, power, Harmonics 등과 같은 운전상태를 나타내는 20종으로 구성돼 있다. 진단 기능을 포함한 SCADA(Supervisory Contol And Data Acquisition)는 사용자가 필요한 정보를 간편하게 판단할 수 있도록 구성해야 한다. 현재 개발된 SCADA 시스템은 고장진단 및 심각성 정도, Motor 운전상태, 고장상태, 고장에 대한 응급처치사항, 실측 데이터 및 Report 출력 등으로 구성돼 있다. Smart Multi Sensor를 이용한 Model Based Fault Detection 진단기술 및 SCADA 시스템은 별도의 회전기기에 진동, 온도 Sensor 설치 및 Cable 공사 없이 전기 Panel의 전력 공급선에서 전압·전류를 직접 인출함으로써 경제적인 진단시스템을 구성할 수 있다. 전압·전류만을 분석해 전기적 결함과 기계적 결함을 동시에 진단하기 때문에 검사자의 회전기기 접근이 불필요해 검사자의 안전 효율성 또한 제고할 수 있다. 진단기술을 포함한 SCADA 시스템에 무선통신망을 구축할 경우, 전체 설비에 대한 통합관리가 가능하고 이는 전문지식이 없는 사람들도 고장진단에 따른 조치 사항을 처리할 수 있어 운용이 쉬워지는 장점을 가진다. 이같은 장점을 승강기 구동 시스템에 적용·관리함으로써 업무 효율성 및 예측 관리를 통한 보다 나은 안전성 확보가 가능할 것으로 판단된다. 안드로이드 스마트폰을 이용한 엘리베이터 유지관리 웹 설계 현재 국내의 승강기 유지보수 중 자체점검업무를 살펴보면, 중소기업 여건상 대부분 점검자가 점검양식에 의해 수작업으로 점검결과를 기록하는 방법을 사용하고 있다. 이는 관련 점검자료 수집과 평가가 점검표에 작성되기 때문에 수집 후 자료가 분석되지 못하는 단점을 가진다. 현 점검 프로세서의 이같은 문제점 개선을 위해 안드로이드 기반 스마트폰에서 효율적인 자체점검업무를 진행 수 있는 앱 프로그램(사진 참조) 개발이 이루어지고 있다. 기존에 수작업으로 행해지던 승강기 자체점검에 스마트폰에 내장된 센서를 활용함으로써 승강기 자체점검의 품질을 향상시킬 수 있다. 또 점검항목 데이터를 데이터베이스로 구축해 기존의 승강기 설비와 점검에 대한 유지보수 자료로 활용될 수 있으며, 점검항목과 관련된 다양한 자료를 활용해 국내 승강기 산업 발전을 위한 통계 및 정책 자료로도 활용이 가능하다. 승강기 점검항목은 설비의 종류에 따라 대략 50여종이 있으나 이러한 점검 결과는 엘리베이터 관리업체가 유지보수를 위해 참고할 수 있도록 제공하기에는 한계가 있다. 이에 승강기에서는 안드로이드 기반 승강 안전 진단 앱 프로그램을 이용해 진동과 소음을 측정 분석함으로써 설비의 주요부품의 상태를 쉽게 파악하고 있다. 현재 승강기 운행 시 진동과 소음을 측정하고 승차감을 분석하기 위해 미국 PMT사의 EVA-625 모델과 독일의 Lift Pc-Diagnosis System이 사용되고 있지만, 장비 가격이 높고 장비의 분해능 저하, 장비 조작을 위한 전문적인 교육 부재 등으로 실질적인 보급은 어려운 실정이다. 이러한 고장 장비를 현재 사용하고 있는 스마트폰에 내장된 가속도 센서와 마이크를 이용해 진동과 소음을 측정하고, 이를 앞서 소개한 승강기 진동 소음 애플리케이션을 통해 D/B를 처리함으로써 장비의 저가격화 및 보급화가 가능해질 수 있다. 현재 스마트폰에 내장된 3축 가속도센서는 소형의 작은 모듈이지만 성능면에서는 기존의 고가 장비에 탑재된 가속도 센서와 동일한 수준의 성능을 만족하고 있어 기존 엘리베이터의 진동 측정 계측장비의 성능을 충분히 만족시킬 수 있다. 앞서 살펴 본 바와 같이 스마트폰에 내·외장된 다양한 센서들과 안드로이드 기반의 애플리케이션을 이용해 승강기의 자체검사 및 안전검사를 실시할 경우, 검사 효율을 높일 수 있으며 검사 결과에 대한 다양한 D/B 확보 및 활용이 가능해질 것이다. |
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