<테마특강> 차세대 승강기-분산제어형 엘리베이터

서종호



◇78년 부산대 전기기계공학과 졸업

◇78~87년 금성사 엘리베이터 설계실

◇87~90년 금성산전 창원연구소장

◇91~95년 LG산전 엘리베이터 설계실장

◇95~98년 LG산전 엘리베이터 공장장

◇현재 LG산전 빌딩시스템 연구소장(상무보)

　1857년 미국 뉴욕시에 최초로 승객용 엘리베이터가 설치된 이후 1백40년이 지난 지금까지 지구상에는 약 5백만대의 엘리베이터가 가동되고 있다. 일일사용인구도 7천만명에 이르는 등 엘리베이터는 중요한 공공설비 가운데 하나로 자리매김하고 있다. 국내에는 1940년 화신백화점에 승객용 엘리베이터가 설치된 것이 효시라 할 수 있다. 이어 60년대 말부터 실질생산을 시작, 눈부신 성장을 거듭해온 이래 국내업계에서는 지난해 9월 누적생산 10만대를 돌파하는 회사도 등장하게 됐다.

　엘리베이터 제어기술의 발전과정은 승차감의 향상 및 소비전력을 절감시키기 위한 과정이라고 해도 과언이 아니다.

　최근에 이르러서는 건물의 개성화·인텔리전트화 추세에 따라 기본적인 성능향상은 물론 승강기 설비운용의 유연성에 관한 문제가 대두되고 있다. 엘리베이터 제어시스템은 고객들의 요구사항을 충족시킬 수 있어야 하는데 이러한 제어시스템의 유연성을 확보키 위해 새로 개발된 것이 바로 분산제어구조 엘리베이터 제어장치다.

　분산제어 엘리베이터란 기계실·카(C ­

ar)·승강장 등 제어기기별로 독립된 마이컴 장치를 분산 배치하고 각각의 마이컴 장치간의 정보공유를 위해 적절한 통신규약에 따라 네트워크 시스템으로 결합시킨 구조의 엘리베이터 제어시스템을 의미한다.

　분산제어시스템 분야는 현재 공정 및 제어 문제를 해결하는 방법론뿐만 아니라 이와 관련한 재정적·구조적 문제를 해결하는 방법으로도 사용된다. 따라서 최근 건설되는 공정제어 플랜트에는 분산제어시스템이 일반화되고 있다. 소형시스템에서도 기능별 분산제어에 의한 시스템의 신뢰성이나 기능의 추가에 따른 유연성 확보를 위해 분산제어 개념을 사용하고 있다.

　지난 75년 미국 하니웰사에서 처음 발표한 분산제어 컴퓨터시스템은 다수의 마이크로 컴퓨터를 이용한 계층적인 제어구조를 갖는다.

　80년대 들어 하드웨어의 표준화와 소프트웨어(SW)의 범용성이 확보됨에 따라 백플레인(Back Plane) 및 네트워크를 이용한 제어회로가 복잡하고 계층적인 시스템을 분산제어시스템으로 구성해 기존의 중앙집중시스템보다 안정되고 확장성이 좋은 지능화시스템으로 발전하게 됐다. 더욱이 응용제어 및 신호처리를 위한 SW의 표준화로 인해 다양한 응용이 가능하게 됐으며 표준화된 SW는 라이브러리 및 함수로서 많은 응용분야에 재사용되고 있다.

　분산제어시스템은 거의 모든 자동화시스템에 응용되고 있으며 향후 지능화 부문과 접목돼 단순한 기능분산뿐만 아니라 논리적 기능분산에 의한 완전한 자율구조의 분산제어시스템으로 발전할 것으로 전망된다. 분산제어이론을 응용한 제품으로는 공정제어에 사용되는 DCS·스카다·자판기 및 엘리베이터 등이 있다. 이밖에 발전소시스템 등의 분야에서 산·학 협동연구가 진행되고 있다.

　70년대 엘리베이터의 핵심기술은 건물의 고층화에 따른 고속화였으나 80년대는 에너지 절약과 서비스 기능의 강화 등으로 바뀌었다. 90년대 들어서는 정보화와 인공지능을 이용해 건물 특성에 맞는 다양화가 기술개발의 주된 목적이 되고 있으며 고효율, 쾌적한 승차감 및 안전성이 보장되는 고속화가 진행되고 있다. 최근 들어 사회가 다원화하면서 저가형 저속 엘리베이터에도 쾌적한 승차감과 다양하고 개성적인 디자인의 표시장치, 고장없는 시스템 그리고 신속한 고장처리 등의 요구가 대두되고 있다. 이러한 추세에 대응해 다양한 신기술을 채택, 기본 기능에 충실하면서도 확장성과 높은 성능을 가진 엘리베이터가 개발돼야 한다는 요구에 따라 분산제어형 엘리베이터가 나타나게 됐다.

　현재 선진 엘리베이터업체는 단순 기능적 분산에 의한 분산제어형 엘리베이터가 구현·시판되고 있으며 향후 다양한 센서와 지능적 알고리듬을 이용해 정보 및 성능의 분산화가 이뤄진 분산제어형 엘리베이터로 발전해 나갈 것으로 보인다.

　종래 네트워크 구조에 의한 분산제어시스템으로 개발된 분산제어형 엘리베이터 제어부의 시스템 구성 및 특징을 살펴 보자. 분산제어시스템의 운전방식은 단독운전 및 여러 대의 병렬운전이 가능토록 하기 위해 제어 기능별 특성에 맞도록 별개의 마이크로 프로세서를 분산 배치시키고 이들을 네트워크라는 전송 매체를 통해 각 기기간에 필요한 정보를 직렬 전송하는 한편, 전송된 정보에 의해 독립적으로 제어신호를 처리하게 함으로써 시스템의 신뢰성·안정성 및 건물의 특성에 따라 기능을 추가하고 변경에 대한 유연성을 갖도록 구성했다.

　그러나 최근 개발된 분산제어형 엘리베이터는 제어반의 수직 계열화를 통한 생산성 향상을 위해 외형적으로 두가지의 형태를 두고 설계된다. 주요 설계 착안사항으로는 △속도 및 인승별로 21개의 유형으로 구분 △설치 및 보수성을 고려해 기능별 블록화로 설계 △대부분의 보수가 전면에서 가능토록 한 부품배치 설계 △전기·전자장치로부터 발생되는 전자파 환경에 대처하기 위해 전자파장해(EMI) 및 전자파내성(EMC)대책 적용 △제품의 신뢰성을 확보하기 위해 IEC규격·CISPR규격·엘리베이터용 전자장치 검사기준을 토대로 철저한 환경시험 기준을 마련하고 이에 대한 기준을 만족시키도록 하는 것이다.

　주제어기는 범용 운용체계(OS) 및 32비트 마이크로 프로세서를 채택해 전체의 속도 범위에 해당하는 영역에 대해 운전제어 프로그램을 하나의 체계로 개발함으로써 운전프로그램을 표준화하고 있다. 또 다양한 통신회로를 구비함으로써 외부 인터페이스를 확장하고 유연성을 최대한 부각시키고 있다. 프로그램 개발 및 운용에 있어 네트워킹 자원이 가능한 범용OS를 채택하고 주제어기에 32비트 근거리통신망(LAN) 컨트롤러와 인터페이스가 가능한 구조로 설계해 고속 엘리베이터 운전제어 프로그램의 개발 및 디버깅 환경을 향상시켜 향후 운전제어 프로그램의 유지 및 보수에 대한 신속한 대응이 이뤄질 수 있도록 하고 있다.

　속도제어기는 안정된 속도제어와 안정성 있는 승차감, 전력절감 요구에 따라 고성능 32비트 DSP(Digital Signal Processor)를 사용, IGBT를 채택한 인버터 제어방식으로 기계실 소음을 최소화하는 형태다. 속도제어를 위한 프로그램도 인승 및 속도에 관계없이 하나의 체계로 표준화하고 있는 추세이며 인승 및 속도에 따라 모터와 파워스택(Power Stack)만 구분해 적용할 수 있도록 계열화시키고 있다.

　운전조작반에 설치되는 카제어기는 통신전용 CPU인 LON(Local Operating Network)을 이용해 카에 설치되어 있는 운전조작반의 스위치와 행선층 부름버튼, 카탑승 부하상태 등을 제어반으로 전송하며 카의 위치 표시, 운전방향 신호, 부름 등록램프 신호 등의 정보를 제어반으로부터 수신해 표시하도록 하고 있다. 또한 통신방식으로 LON 프로토콜에 의해 송수신되므로 통신의 신뢰성과 통신 정보확장 및 변경에 유연성을 갖추고 있어 고객의 요구조건에 신속히 대처할 수 있도록 설계됐다.

　승장제어기도 통신전용 CPU인 LON을 사용하며 승장에서 탑승객의 호출 부름을 제어반으로 송신하고 부름 등록신호, 카위치 신호, 운전방향 신호, 상태표시 램프 및 홀 랜턴 그리고 홀 차임 등에 대한 정보를 수신하여 제어하도록 구성돼 있다. 고속 엘리베이터는 건물의 고층화 및 고객의 요구조건에 신속하게 대응하기 위해 승장제어기를 단독운전하는 경우 그룹 네트워크에 접속시키고 병렬운전 및 군관리 운전시에는 전용홀 네트워크에 접속될 수 있도록 설계하는 추세다.

　네트워크로 구성된 병렬운전시스템을 채택한 고속 엘리베이터의 경우 승장제어기들이 전용홀 네트워크에 접속되어 운용되므로 건물의 특성에 맞도록 추가 변경 및 확장이 용이한 구조로 설계되어 있고 승장제어기의 국부적인 고장에서도 엘리베이터의 운행에 지장이 없도록 제어하는 것이 가능하다.

　엘리베이터의 기능은 매우 다양한 고객의 요구조건에 따라 수시로 변경될 수 있으므로 고장을 줄이고 혹시 발생할 수 있는 고장에 신속하게 대처하기 위해 많은 노력을 기울여야 한다. 이러한 조건을 수용하기 위해 시스템의 국부적인 고장에도 엘리베이터의 비가동 시간을 최소화하도록 하드웨어적으로는 네트워크 구조에 의한 분산제어시스템으로 구성하고, 소프트웨어적으로는 2백56가지의 고장코드를 세분화해 운행중 발생하는 고장내용을 상세하게 검출할 수 있는 구조를 가져야 한다.

　엘리베이터는 이용 목적과 운행 상황별로 운전 및 제어분야에서 여러 기능을 구비해야 한다. 운전기능이란 엘리베이터의 운행에 있어 필수적 또는 선택적으로 갖춰야 할 운전형태를 의미하고, 제어기능이란 운전 형태별로 제어 및 서비스 효율을 향상시키기 위해 요구되는 부가적인 기능을 의미한다.

　또 주제어기는 리얼타임 클록기능을 내장하고 있어 운행중 고장의 발생시간 및 복귀기간을 기억할 수 있으므로 보다 상세한 고장이력 관리기능뿐만 아니라 탑승객이 행선층 부름을 잘못 입력한 경우 이를 취소할 수 있는 기능도 구비함으로써 탑승객의 조작오류로 인한 불필요한 운행상태도 방지할 수 있다.

　이처럼 엘리베이터는 건물의 고층화 및 개성화, 첨단기술에 대한 고객 요구조건의 급증에 따라 계속적인 기술의 변천이 요구되며 사회복지화에 따른 고령자 및 지체 부자유자를 위한 보다 편리하고 다양한 서비스 질을 요구하고 있기 때문에 지속적인 기술개발의 필요성이 절실하다.

　앞으로 인간을 수송하는 이동수단으로서 엘리베이터는 첨단기술과 다양한 서비스뿐 아니라 보다 안정되고 고장이 없는 시스템으로 발전이 더 시급한 과제라 할 수 있다. 향후에는 현재까지 개발돼 있는 분산제어시스템의 장점을 최대로 활용하는 한편 이를 첨단기술과 접목시켜 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있어야 할 것이다.