에스컬레이터 원격 상태 감시 및 고장예측 장치 개발에 관한 연구

에스컬레이터 원격 상태 감시 및 고장예측 장치 개발에 관한 연구
에스컬레이터 원격 상태 감시 및 고장예측 장치 개발에 관한 연구

기고 : 한국승강기안전기술원 서상윤·최동원·김승태·박승태·이선순


1.  서론
국내 에스컬레이터 운영대수는 점차 늘어나고 있으며, 그에 따라 점차 늘어나고 있는 에스컬레이터 사고는 전체 승강기 사고의 40%를 차지하고 있을 정도로 높은 사고 비율을 나타내고 있다.
또한 기존의 안전검사 및 정기점검으로 발견하기 힘든 권상기의 고장은 기어 소손 시 역주행 사고의 위험이 있고 고장 시 수리시간 소요 과다로 이용자의 불편이 초래될 가능성이 크다.
따라서 불특정 다수가 이용하는 공공장소에 설치된 에스컬레이터의 권상기 고장을 사전에 예측할 수 있는 상태감시 및 고장예측장치의 개발이 필요하다. 본 논문에서는 현재 개발 중인 에스컬레이터 상태감시 및 고장예측 장치 개발과 주요 기능에 관하여 소개한다.


2.  본론
2. 1 에스컬레이터 모니터링 시스템 개요

2.1.1 에스컬레이터 모니터링 시스템 구성
에스컬레이터 모니터링 시스템의 하드웨어 구성은 에스컬레이터의 주요부에 부착하여 상태신호를 받는 ‘센서’, 센서에서 나온 신호를 처리하는 ‘DAQ(Data Acquisition)’, DAQ에서 처리된 신호를 관리자에게 에스컬레이터의 운행상태 정보를 제공하고 이상 발생 시 경고 할 수 있는 ‘디스플레이 부’로 구성되어 있다.
또한 소프트웨어의 구성은 각 센서에서 취득되는 데이터를 모니터링할 수 있는 ‘상황 모니터링 부’와 이상이 발생한 부분을 진단하는 ‘진단 부’로 구성되어 있다. 이는 <그림 1> 모니터링 시스템의 HW 구성도와 SW 구성도에서 살펴볼 수 있다.


2. 2 에스컬레이터 모니터링 시스템의 개발
2.2.1 진동분석 및 모니터링 개발
에스컬레이터의 전동기 및 감속기 진동을 분석하면, 일반적인 유지보수 및 검사에서 확인하기 힘든 에스컬레이터 권상기의 이상 징후를 감지할 수 있다.
따라서 에스컬레이터 모니터링 시스템에 가속도 센서를 <그림 2, 3>과 같이 에스컬레이터 전동기(부하, 반부하) 및 감속기(부하, 반부하) 측에 부착하여 진동을 측정할 수 있다.
본 연구에서 진동 이상 판별 방법은 총 3가지 방법을 사용하는데 진동 이상 판별 방법은 총 진동값 평가, 가속도 주파수 경향 분석, 협대역 스펙트럼 Envelope 감시방법을 사용하며 자세한 내용은 <표 2>에 정리하였다.
가속도 주파수 경향 분석에서 주파수 창의 패턴관리를 통해 주요결함 주파수 패턴을 확인할 수 있다. <그림 4>는 실제 에스컬레이터에서 발생한 주요 결함 주파수 패턴의 예이다.
<그림 5>와 같이 주파수 창을 설정하여 진동값이 기준치를 초과하거나 이상 진동패턴이 발생하면 관리자에게 경고하도록 하였으며, 각 부위별 총 진동값의 경향을 확인할 수 있도록 하였다. 또한 이상 주파수 성분의 진동값 경향을 확인 및 분석할 수 있다.
2.2.2 운행속도 모니터링 개발
에스컬레이터의 운행속도가 정격속도의 1.2배 이상이 되면, 에스컬레이터를 이용하는 승객이 전도되어 사고가 발생하기 쉽기 때문에 에스컬레이터의 메인 스프라켓에 엔코더를 부착하여 운행속도를 모니터링한다.
에스컬레이터의 운행속도가 정격속도의 1.1배를 초과할 때와 1.2배를 초과할 때 관리자에게 경고하도록 하였으며, 에스컬레이터 운행속도 변화의 경향을 확인할 수 있다.

2.2.3 역주행 감지 모니터링 개발
에스컬레이터의 역주행 사고가 발생할 경우 대형 인명사고가 발생할 가능성이 크다. 따라서 메인 스프라켓에 부착한 엔코더를 이용하여 역주행 여부를 모니터링한다.
에스컬레이터 역주행은 <그림 7>과 같이 에스컬레이터 속도가 점차 감소하다 0㎧가 되는 시점으로 판정할 수 있으며, 다른 모니터링 경향 그래프와 중첩되게 볼 수 있도록 하여 역주행 사고의 원인을 보다 명확하게 밝힐 수 있다.
2.2.4 비정상 출발 모니터링 개발
에스컬레이터 중 진출입부 감지를 통한 절전기능이 있는 에스컬레이터의 경우, 비정상 출발에 따른 승객의 전도 사고가 발생하기 쉽다. 따라서 진입부의 진입신호와 메인스프라켓의 엔코더를 이용하여 속도를 확인하여 비정상 출발을 관리할 수 있도록 개발하였다.
본 연구에서는 ‘비정상 출발’에 대한 정의는 ‘에스컬레이터 검사기준(5.12.2.1.2)’에 따라 “이용자가 들어오는 것(준비 운전)에 의해 자동으로 기동되거나 가속되는 에스컬레이터 또는 무빙워크는 사람이 콤 교차선에 도착할 때 공칭속도의 0.2배 이상으로 움직여야 한다. 그러고 나서 0.5㎨ 미만으로 가속되어야 한다”로 정의하였다.
따라서 진입부와 에스컬레이터의 콤 사이의 거리를 측정 한 후 사람의 평균 걸음 속도를 활용하여 측정 기준시간을 설정한 후, 기준 시간에 공칭속도의 0.2배 이상으로 운행하는지 여부를 확인할 수 있도록 하였고, 출발 시 운행속도 경향을 확인할 수 있다.
2.2.5 과부하 모니터링 개발
전동기에 이상이 있는 경우 과부하가 발생할 수 있으며, 전동기의 소손 등으로 인해 에스컬레이터 고장 및 안전사고가 발생할 가능성이 있다.
따라서 전류센서를 제어반 3상(R, S, T)에 부착하고 에스컬레이터 운행 시 소요되는 전류를 측정하여 에스컬레이터 운전 시 과부하 여부 및 전류 소모의 경향을 확인할 수 있다.
2.2.6 에스컬레이터 온도 모니터링 개발
전동기의 과부하나 결함 등에 의해 과열이 되면 에스컬레이터 전동기 및 제어반에서 화재가 발생할 수 있다. 따라서 온도센서를 전동기 케이스 및 제어반에 부착하여 에스컬레이터 운행 시 온도를 측정할 수 있도록 하였으며, 전동기 및 제어반 온도 변화 경향을 확인할 수 있다.


2. 3 에스컬레이터 모니터링 시스템 소프트웨어 개발
모니터링 시스템 소프트웨어는 <그림 8>과 같이 역사 내 전체 모니터링 화면(1단계), 개별 호기 상태 모니터링 화면(2단계), 진단 화면(3단계)로 구성되어 있다.
공통적으로 관리자가 직관적으로 모니터링할 수 있도록 색상으로 상태를 구별하도록 했으며, 설비트리를 구성하여 역사 내 전체 설비의 상태를 한눈에 파악하기 쉽게 하였다. 또한 이벤트 로그를 구성하여 이벤트가 발생했을 시 기록이 되며, 처리결과를 확인할 수 있다. 모니터링 시스템 소프트웨어를 각 단계별로 살펴보면 다음과 같다.
1단계 화면에서는 역사 내의 전체 호기에 대한 상태를 한눈에 파악할 수 있고, 2단계 화면에서는 개별 호기의 상태를 모니터링할 수 있다. 3단계 화면에서는 진단화면과 경향 그래프를 표현하였으며, 경향 그래프에서는 다른 모듈의 경향 그래프가 중첩되도록 표현하여 이상 발생 원인을 파악하기 쉽다.


 3. 결론
본 연구에서는 에스컬레이터에서 발생할 수 있는 사고를 예방하기 위해 개발 중인 진동·운행속도·정지거리·역주행 감지·비정상출발·과부하·온도를 감시할 수 있는 모니터링 시스템을 소개하였다.
에스컬레이터의 운행대수가 많고 불특정 다수가 에스컬레이터를 이용하는 지하철 역사 등에서 본 에스컬레이터 모니터링 시스템을 도입한다면, 고장 및 안전사고에 대한 선제적 대응이 가능하여 인적·물적 피해가 줄어들고 대국민 안전확보에 기여할 것으로 기대된다. 


2016년 9월경 마무리되는 본 연구는 국가기술표준원 2015년도 제품안전기술기반조성사업(과제번호 10054856)의 지원으로 이루어졌음을 밝힙니다. <편집자 주>