[테마특강] 엘리베이터 기술 동향

엘리베이터는 이제 주거용 아파트에도 필수적으로 사용될 정도로 일반화됐다. 현대식 개념의 승객용 엘리베이터는 1857년 오티스사가 미국 뉴욕에 설치한 것이 처음이다. 이후 사회적인 요구와 함께 엘리베이터의 기술은 급격 히발달됐는데 1970년대에는 건물의 고층화에 따른 주행속도의 향상이 이루어졌고 1980년대에는 세계 에너지위기에 따라 에너지절감을 위한 기술개발과 각종 기능을 향상시키는 방향으로 발전해왔다. 1990년대 들어서는 컴퓨터 및통신기술이 엘리베이터의 기술에 반영돼 주행의 고속화에다 쾌적한 승차감, 고효율성 및 인공지능 운전으로 나타나고 있다. 이는 엘리베이터의 기술이 정보화.고속화.인공지능화되고 있음을 의미한다.

승객이나 화물을 수직으로 수송하는 엘리베이터는 기계기술과 전기.전자기 술이 복합된 시스템이다. 기계는 승객이나 화물을 직접 수송하는 케이지(cag e), 트랙션 머신(Traction Machine)으로 불리는 추력부, 케이지가 이송하는 경로인 가이드 레일(guide rail) 및 안전장치들로 구성된다. 수직으로 중량 물을 이송하는데 필요한 에너지를 절약하기 위해 종전 케이지와 로프로 연결 된 반대편에 평균 중량에 비례하는 카운터웨이트(counterweight)를 설치했으나 최근에는 리니어방식의 유도전동기를 이용해 추진력을 내는 엘리베이터가 실용화됐다. 전기.전자분야는 제품의 구성측면에서 볼 때 하나의 케이지를 구동하는 호기제어기와 다수의 호기제어기를 최적으로 관리운용해 승객의 대기시간을 최소화하는 군관리제어기, 엘리베이터 운용 감시와 고장을 진단하는 지능진단 원격관리시스템으로 구분할 수 있다. 이처럼 전기.전자기술은 고객의 다양한 욕구를 충족시키고 서비스의 만족도를 높일 수 있어 최근 엘리베이터의 기술 이 전력전자.제어.통신 및 전산기술분야에서 괄목하게 발전하고 있다.

엘리베이터의 호기제어기는 종전 릴레이제어기에서 최근 마이크로프로세서로구성된 제어기로 급격히 변화되고 있다. 최근에는 32비트 CPU와 ASIC기술 을이용해 더욱 고기능화되고 있다. 또 기존 시퀀스 프로그램에서 범용 운용 체계를 이용한 실시간제어기법으로 변화하고 있다. 특히 지능제어기법의 사용으로 고장의 진단 및 예측까지 수행하는 사전고장예방시스템으로 발전하고 있다. 모터구동기술의 발전은 고속 스위칭소자인 IGBT를 채택한 VVVF인버터와 32 비트 DSP의 사용으로 소비전력의 절감과 안락한 승차감(진동 저감, 저소음) 및정밀제어까지 가능하게 하고 있다. 일본 미쓰비시는 요코하마 랜드마크 타워에 설치한 엘리베이터가 이중구조로 설계된 케이지의 바닥에다 안전장치를 혁신, 분속 7백50m로도 안락한 느낌을 갖게한 것으로 기존 고속 엘리베이터 와 차별성이 있다고 자랑하고 있다. 또 히타치 제작소도 분속 8백10m의 인버 터 엘리베이터를 개발했다. 국내에서는 분속 2백40m급이 상품화됐으며, 분속 3백60~4백20m급 인버터 엘리베이터는 개발, 완료 단계에 있다.

마이크로 프로세서를 기능별 특성에 맞게 배치하고 데이터 통신 네트워크 를이용, 정보까지 공유할 수 있는 네트워크 구조의 엘리베이터도 상품화되고 있다. 예컨대 승강장에 마이크로 프로세서가 내장된 조그마한 전자회로 기판 을 설치, 승강장에서 사용되는 모든 입.출력 처리를 담당케 하고 주제어기와 는 단지 2개의 통신 선로를 이용해 데이터를 주고 받게 설계된 분산제어형 엘리베이터가 그것이다.

이 제품은 설치 및 보수문제를 획기적으로 개선한 것은 물론 신뢰성 및 확장성까지 보장해 준다. 또 사용자의 다양한 정보 욕구에 대한 대응이 용이하다. 이러한 분산구조의 엘리베이터 제어기는 일본이91년 상용화했으며 미국 도 개발을 완료한 상태이다. 국내에서도 이미 개발이완료되어 상품화 단계에있어 앞으로 모든 엘리베이터가 분산 제어방식으로이뤄질 것임을 예고하고 있다. 엘리베이터는 정보사회에 대응 네트워크 구조의 유연성을 이용해 개발되고 있기도 하다. 승강장 및 케이지 내에 음성 및 화상 정보까지 제공하는 멀티미디어 기능을 채택, 건물의 소개 및 홍보는 물론 일상생활 정보도 제공되는 엘리베이터가 선보이고 있다.

앞으로도 멀티미디어는 사용자의 욕구를 충족시키는 방향으로 엘리베이터 에 계속 사용될 것이며 빌딩 자동화시스템 등과연계되어 건물내 방재 및 보안과도 통합될 것으로 예상된다. 현재 일부 정보장치 등이 개발돼 기존 엘리베이터와 접속되어 사용되고 있으나 완전한 데이터 네트워크 구조를 이용, 통합시스템을 구성한 완전분산제어 개념의 엘리베이터는 아직 상용화되지 않았다. 건물 내의 다양한 교통 수요를 효과적으로 처리할 수 있는 제어 시스템이 군관리 제어기다. 일반적으로 통신 처리부, 통계 처리 및 예측부, 할당 및추론 제어부로 구성되어 있다. 통신 처리부는 각 호기와 군관리 제어기간 호기정보 및 명령의 전달을 담당하고 통계 처리 및 예측부는 현재의 각종 운행 데이터를 통계처리, 가까운 미래의 교통 수요를 예측해 할당 및 제어부로 데이터를 보낸다. 할당 및 제어부에서는 승객의 호출에 대해 최선의 서비스가 가능한 호기를 선택해 승객이 대기하고 있는 층으로 보내는 지령을 내리는역할을 한다.

최선의 서비스라는 것은 수송 능력의 극대화, 승객대기시간의 최소화, 장시간 대기 확률의 최소화, 전력소비의 감소, 승차 시간의 최소화, 엘리베이 터내부 혼잡도의 감소 등이라 할 수 있다. 또 승객의 불안감 해소를 위한 예보체계와 예보의 신뢰성 확보 등 승객의 편리를 위한 기능과 건물의 특성 및교통 수요의 변화와 건물주의 다양한 요구 사항 등을 모두 수용할 수 있도록하는 시스템 유연성 보장 등도 포함된다.

엘리베이터업체들은 이를 위해 각종 데이터를 기초로 최선의 제어를 할 수있게 하는 앨고리듬에 관한 연구를 하고 있다.

초기의 군관리 시스템은 릴레이 구동방식에 의한 시퀀스제어가 주종을 이뤘다. 80년대에는 마이크로프로세서를 채용, 앞으로의 교통 수요 패턴을 예측함으로써 최적의 군관리 제어를 가능하게 하는 기술이 개발됐다. 90년대들어서는 신경망이론 등 인공지능 관련 이론을 교통 수요의 학습 및 예측에 접목시켜, 그 적용 범위를 점차 늘려나가는 추세다. 또한 최적 할당을 위한 의사 결정 문제에 전문가 시스템 또는 퍼지 추론 등의 인공지능 이론을 이용하려는 연구가 활발히 진행중이다. 선진국에서는 이미 실용화했으며 국내에 서도 일부 상용화가 이루어질 상황이다.

이러한 각종 군관리 관련기술의 발전에도 불구하고 최근 군관리 시스템의 성능 향상이 점차 둔화되고 있다. 이는 엘리베이터 자체의 물리적인 한계 때문으로 분석된다. 따라서 앞으로 군관리의 대기시간 단축 등 성능개선 측면뿐아니라 승객에 대한 정보제공 기능, 건물주의 다양한 요구를 수용할 수 있도록 하는 기능에 대한 연구개발이 필요하다.

이와 함께 각 엘리베이터의 상황을 모니터링하고, 고장을 신속하게 감지하는관리보수체계의 편이성 증대와 방범 기능 등과 같은 주변기능이 점차 강조 될것이다. 또한 건물의 부가가치를 높이고 관리의 편리성 및 경제성을 추구 하고자 하는 사회적 요구에 부응, 군관리 제어기의 기술은 빌딩자동화시스템 BAS 과의 연계를 통한 인텔리전트 빌딩의 중요한 시스템으로 발전될 전망이 다. 엘리베이터 제어기에 마이크로 프로세서가 채용되기 전에는 로비층이나 방재실에 엘리베이터의 상태나 정전시 관재운전을 할 수 있게 입.출력 조작반을갖춘 디스플레이 판넬을 설치 운용했다. 건물 관리인은 이를 통해 엘리베이터의 정상운행 여부와 각종 운행성능을 직접 감시하는 것이 일반적이었으며현재도 일부 소규모 건물에서 이같은 방식이 이용되고 있다. 이러한 디스 플레이 판넬관재방식은 각종 감시 정보가 기록되지 않아 엘리베이터 관리자 가디스플레이 판넬을 항상 감시해야 하며 또 고장 발생시 어떤 원인에 의해 발생되었는지 추적이 어렵고 운행 성능에 대한 정확한 측정도 불가능하다는 단점이 있다.

마이크로 프로세서가 보편화되면서 엘리베이터 원격감시분야에서도 이러한 문제점을 보완하고자 마이크로 컴퓨터가 도입됐다. 마이크로 컴퓨터를 이용해 기존 내용들은 물론 디스플레이 판넬에서는 불가능했던 엘리베이터 전체 의 운행 효율(대기시간.에너지효율.가감속시간.불가동시간.승객발생추이 등) 에 대한 모니터링이 가능하게 된 것이다. 엘리베이터 고장과 운행에 대한 모든 이력이 컴퓨터에 기록됨으로써 고장 발생시 고장 원인의 추적과 운행 효율의 개선에도 효과적으로 활용할 수 있게 됐다.

이같은 엘리베이터 원격 감시가 전통적인 디스플레이 판넬에 비해 그 기능 과역할면에서 모니터링 수준을 한 단계 올려 놓은 것은 사실이다. 하지만 엘리베이터 운행도중 화재나 지진과 같은 재난 및 정전, 고장발생으로 승객이 엘리베이터 안에 갇히는 사고가 발생할 경우 건물 관리자가 부재중이면 속수 무책이다. 그런만큼 관리자가 없더라도 구조조치를 취할 수 있는 24시간 상시감시체계를 갖춘 신뢰성있는 원격감시시스템이 필요했다.

그래서 모든 엘리베이터의 운행 상태.성능.환경 등을 종합적으로 원격 모니터링 하기 위한 센서와 데이터 수집장치(DAU)를 설치, 자동감시체계를 구축하게 됐다. 원격감시시스템에서는 DAU를 통해 수집된 각종 누적 자료를 분석함으로써 엘리베이터의 전체 운행효율이 최적화되도록 군관리 방식과 파라 미터 조정을 하고 고장발생시 그 원인을 진단, 분석해 고장의 재발 방지와 수리시간 감축을 꾀하고 있다. 또 소음, 진동, 과전류 같은 고장 전조증상을 측정하게 함으로써 고장을 예측하고 운행 환경에 따른 각종 부품이나 설비의 내구연한을 측정, 잔여 수명을 예측해 고장을 예방하는 예방 중심의 유지.보 수 개념으로 전환하고 있다.

세계 엘리베이터시장 점유율이 가장 높은 오리스사의 경우 2만1천여명의 관리 요원이 70만대의 엘리베이터.에스컬레이터 및 무빙 워크(Moving Walk) 를관리하는데 이들은 오티스라인(OTISLINE)이라고 하는 네트워크를 이용해 24시간 감시.진단.보수를 수행하고 있다. 국내에서도 엘리베이터 보급 대수가 급격히 늘어나면서 엘리베이터의 유지.보수를 전담하는 회사들이 속속 출현 하고 있다. 이 회사들은 엘리베이터 이용자와 관리자의 고장 신고를 24시간 접수하고 즉시 수리원을 출동시켜 최단시간내에 문제가 해결되도록 하는 서 비스콜 제도를 운영하고 있다. 이와 함께 인터폰이나 전화기를 엘리베이터 내에 설치, 탑승객이 갇히거나 위험을 느끼면 엘리베이터 내에서 탑승객이 직접 원격감시센터의 관리자를 호출하도록 하는 비상 통화 장치를 설치, 운영하고 있기도 하다.

최근 건물들이 대형화.고급화.지능화되면서 엘리베이터를 비롯한 건물내 냉난방 설비를 통합해 무인으로 관리 운영하고자 하는 요구가 점증하고 있다. 이에 따라 엘리베이터 원격감시를 위한 각종 기능을 확장, 건물내 각종 설비를 자동 감시하게 하는 지능형 빌딩의 통합서비스 개념으로 발전하고 있다. 엘리베이터 분야에 대한 사회적인 요구는 *에너지 및 공간 절약형 *쾌적 하고 개성화된 디자인 *정보사회에 대응한 시스템 *군관리 제어기 등의 서비스 증대 *복지화에 따른 고령자 및 지체 부자유자의 고려 *자동 진단 및원격 감시로 고장이 없는 엘리베이터이다. 또 시장적인 측면에서는 약 30억 달러에 달하는 현대화 시장에 대한 대응이 업계의 주된 관심사가 될 것이다.

전기.전자분야에서는 고층화와 고밀도화에 따라 건물의 공간 활용과 에너지절약 서비스 효율의 극대화를 위한 군관리 제어기의 개발, 고장 방지 및보수를 위한 예방 보전 시스템의 개발 등이 연구의 주된 테마가 될 것이다.

즉인버터제어에 의한 고효율화 및 기계 기술분야에서 최적화에 의한 전달효율의 극대화 등으로 에너지 절약을 추구하며 운용의 최적화에 의한 효율성 증대와 더블데크(Double Deck)및 로프리스 엘리베이터 등과 같은 공간 절약 을 감안한 엘리베이터의 설계가 요구된다.

속도 측면에서 인간의 감성을 고려하면 엘리베이터의 탑승 시간은 약 1분 정도가 적당하다고 한다. 건물의 높이가 약 5백m가 된다고 보면 분속 1천m급 엘리베이터가 필요하게 된다. 그러나 이같은 로프식 엘리베이터는 현재 연구 결과로는 분당 8백~1천m가 한계이다.

고층화에 따른 엘리베이터 점유면적의 증가는 초고층의 경우 약 30%를 초과하는 것으로 연구되고 있다. 이에따라 업계에서는 현재 자주식 로프리스 엘리베이터에 대한 연구가 진행중이다. 이 엘리베이터는 기술적으로 가능성이입증됐으나 안정성 대한 보완, 건축구조 변화와의 연계 및 과다한 에너지 사용 등을 고려할 때 약 10년 정도 이후에나 실용화가 가능할 것으로 예상된 다.