계측시스템을 이용한
자동 강재 적치 관리 시스템 개발에 관한 연구
유 지 헌†*, 김 호 경*, 임 래 수*, 신 헌 주*
*STX 조선 주식회사 조선해양연구소
A study on Development of Auto Steel-Plate Pile System Using Measurement System
Ji-Hun Yu
†*, Ho-Kyoung Kim
*, Rea-Soo Kim
*, Hun-Joo Sin
**
Shipbuilding & Ocean Research Institute, STX Shipbuilding Co., Ltd, Korea
ABSTRACT: On processing of the shipbuilding, Various steel plates are used as the important material in many fields including the shell plate, a structure, etc. Therefore, the proper steel plate management system like a warehousing, pile, delivery is very important. Presently Operators manage the steel plate by using the software program, but they manage many parts manually, so many problems are generated on the steel plate check, management, and operator safety. In order to solve this problem, we developed Auto Steel-Plate Piling System. Also this system automatically manages and traces the steel-plate from warehousing to delivery.
Key words: Steel-Plate(강재), Magnetic-Crane(강재 운송용 마그네틱 크레인), Load-Cell(로드 셀), Encoder(엔코더), DB(데이터 베이스)
†responsibility author
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1. 서 론
선박의 건조과정에서 강재는 가장 중요한 재료 로 선박의 여러 부분에 다양한 종류가 사용되고 있다. 선박 제조업체는 선박을 설계하면서 특성 에 맞게 강재를 발주하고 강재 생산업체는 그에
맞게 강재를 생산, 납품한다. 선박 제조업체는 강 재 생산업체로부터 강재를 납품 받은 후 마그네 틱 크레인을 이용하여 Fig. 1과 같은 강재 적치 장에서 선박에 사용되기까지 적치 관리한다.
선박 제조 시 설계에 맞게 생산된 고유의 강재 가 사용되기에 그런 강재의 입고, 적치, 출고에 이르는 강재 관리 시스템은 매우 중요하다.
그러나 선박 제조업체의 작업자들은 아직 많은 부분을 수작업으로 관리하고 있기에 강재 확인, 관리, 작업자 안전 등에서 많은 문제점과 어려움 이 발생하고 있다.
08-W-072
대한설비공학회 2008 동계학술발표대회 논문집 pp. 424 ~ 428
실질적으로 선박 제조업체의 작업자는 강재 선 별, 이동 작업 후 그 결과를 수기 또는 프로그램 에 다시 입력, 관리, 확인해야 하고 실제 강재 현 황 파악을 위해서는 강재 이동을 직접적으로 확 인하는 작업자가 필요하다.
Fig. 1 마그네틱 크레인 및 강재 적치장
Fig. 2는 실제 마그네틱 크레인을 이용하여 강 재를 이동하는 모습이다. 크레인 운전자는 마그 네틱 크레인의 정격 용량에 맞게 적절히 마그네 틱의 전류를 조절해 강재를 리프팅하고 이동하고 있다.
(a) (b)
Fig. 2 1차 하역장에서의 마그네틱 크레인을 이용한 강재 이동
강재의 입고에서 적치까지의 작업 방법을 살펴 보면 강재 생산업체들에서 당일 출하되어 입고되 는 강재들은 우선 1차 하역장 Fig. 2(a)에 모두 하역하게 된다. 작업자는 1차 하역장에 당일 강 재들이 다 입고되고 나면 적절한 개별 적치장에 강재들을 선별하여 Fig. 2(b) 이동 적치 한다.
이런 강재 관리에 있어서 각 개별 적치장의 강 재 현황 파악을 위해서는 Fig. 2와 같이 이동 작 업 때마다 지속적인 수정, 확인 방법이나 일정 정지 시간마다 각 적치장 별로 강재를 수정, 확 인하는 방법을 이용해야만 실시간 현황 파악이 가능하기에 강재 관리 공정은 어렵고도 불편한 점이 많다. 구체적으로 보면 선박 제조업체들은 강재 입고, 출고 등 하루 처리량만 해도 수백장
에 이르고 있다. 이러한 과다 처리 물량으로 인 해 처리 오휴 및 작업 효율성이 떨어져 선박 생 산성이 저하되고 있다. 그리고 수십개에 이르는 개별 적치장의 강재 정보를 확인하는데도 많은 인원이 투입되고 있어 안전상에도 문제가 많다.
이에 본 시스템에서는 1)마그네틱 크레인의 위 치 확인, 2)강재의 무게 확인, 3)강재 관련 정보 를 이용해 자동으로 강재를 적치 관리하는 시스 템을 개발하였다. 이를 통해 강재의 적치 상태, 이동 결과 등을 실시간으로 수작업 없이 확인, 추적 가능하게 하였다.
2. 시 스 템 프 로 세 스
본 시스템에서는 1)강재 정보 입력 시스템, 2) 적치 계획 시스템, 3)강재 추적 시스템, 4)적치 관리 시스템으로 구성되어 전체 시스템이 운영된 다. 상기 시스템들의 프로세스는 Fig. 3과 같다.
Fig. 3 강재 적치 관리 시스템 프로세스 2.1 강재 정보 입력 시스템
선박 제조업체는 강재 입고 시 강재 생산업체 로부터 직접적으로는 송장을 그리고 전산적으로 출하데이터를 제공받는다. 강재 입고 확인은 이 를 토대로 이루어지며 이와 함께 실물확인을 하 고 있다. 이때 작업자는 확인 작업과 동시에 강 재 정보들을 전산 정보화 시킨다. 본 시스템에서 는 강재 마킹 정보(호선, 블록, 재질, 계열, 사이 즈등)와 함께 강재 무게 정보와 1차 하역장의 적 치 순서를 추가로 정보화 한다.
2.2 적치 계획 시스템
선박은 제조 공정을 계획하고 그에 따라 제조하
기에 작업자들은 강재들을 공정에 맞게 전처리(도 장) 및 절단하여 사용한다. 적치 계획 시스템은 이 런 공정의 계획을 이용하여 현재 강재 입고 상태, 적치 상태, 비어있는 개별 적치장 등 여러 요소들 을 고려하여 어떤 적치장에 어떤 강재들을 모아서 적치할 것인가를 계획할 수 있게 한다. 본 시스템 에서는 이런 적치 계획 시스템을 프로그램으로 개 발하여 강재를 이동하기 위해 크레인이 강재를 리 프팅하면 어떤 적치장으로 이동하여야 하는지 작업 자들에게 알려줄 수 있다.
2.3 강재 추적 시스템
강재 추적 시스템은 마그네틱 크레인을 이용하여 강재를 이동하였을 때 강재이동을 자동으로 확인한 다. 마그네틱 크레인의 위치 변화와 강재를 리프팅 했을 때 무게 변화를 확인하여 어떠한 강재를 어디 로 이동하였는지 확인한다. 2.1의 강재 정보 입력 시스템의 강재정보, 계측시스템을 이용한 마그네틱 크레인의 위치 변화 정보와 무게 변화 정보를 이용 하여 강재를 추적한다.
2.4 적치 관리 시스템
적치 관리 시스템은 전체적인 강재 적치 상태를 실시간으로 확인 가능한 프로그램이다. 강재의 호 선, 블록별로 입고된 상태 및 각 적치장의 적치 상 태, 강재 공정에 맞게 출고된 것까지 확인 가능하 다.
본 시스템의 상기 4가지 프로세스는 서로 상호 정보 교환을 통해 실시간으로 강재 적치 관리를 가 능하게 한다.
3. 시스템 설계
본 시스템의 전체적인 블록다이어그램은 Fig.
4와 같다.
Fig. 4 전체 시스템
여기서 Mill Server는 강재 생산업체의 강재 생 산 정보를 관리하는 Server이고 이 정보는 사전에 각 선박 제조업체에서 발주 의뢰한 정보를 기반으 로 한다. 그리고 강재 생산 업체는 강재 생산, 출고 를 하면 선박 제조업체의 FTP Server에 강재의 여 러 정보들을 전송하게 된다. 선박 제조업체의 Server내 강재 관리 프로그램은 FTP Server에 들 어온 여러 정보들 중 Filtering을 통하여 입고 날짜 별로 강재 마킹 정보들을 DB화 시킨다.
강재 생산업체로부터 입고되는 강재는 우선 하역 장에 1차적으로 하역되어 입고 확인 작업을 하게 된다. 이때 Input System을 이용하여 앞서 DB화된 정보와 실제 입고된 강재를 확인하는 기능과 동시 에 적치 순서를 입력할 수 있는 시스템이다. 입고 확인 된 강재 정보는 Server System으로 전송되고 Server System내의 적치 계획, 추적, 관리 프로그 램들과 연동되어 처리된다. 또한 Crane System은 Server System과 연동되어 상기 적치 계획, 추적, 관리 프로그램으로 실시간 강재 적치 관리가 가능 해 진다.
Fig. 5 Magnetic Crane 및 적치장
다음은 Magnetic Crane 및 적치장의 전반적인 모습으로 Fig. 5와 같이 구성되어 있다. 이때 마그 네틱 크레인은 X,Y 2축으로 적치장 위치를 이동하 며 강재를 리프팅하여 옮기기 위해 마그네틱 부분 을 Z축으로 상하이동 시켜 작업을 한다.
크레인의 위치를 확인하기 위하여는 GPS, 거리 센서 등 여러 방법을 이용할 수 있으나 환경적 영 향에 따라 위치 확인의 어려움이 있을 수 있다. 본 크레인 전체의 이동 및 작동 방법은 X축으로 2EA 의 동기화 모터를 이용하여 작동하며 Y축으로는 상부 크레인 부분과 마그네틱 부분이 1EA 모터를 이용해 작동하고 있다.
이에 본 시스템에서 위치 확인을 위해 크레인 구
동 모터 회전축에 엔코더를 설치하여 거리를 환산
하였고 그 값을 이용하여 구분된 개별 적치장에 맞
게 정보화 시켰다. X축 부분은 2EA의 엔코더 중
1EA 엔코더를 이용하여 처리하다 고장이나 문제 발생에 따라 다른 엔코더로 전환이 가능하게 하였 다. 그리고 엔코더 오차에 따른 보정으로 일정 구 간마다 근접센서를 사용하여 센싱과 함께 각 구간 의 고정 거리 값을 엔코더에 의한 정보와 병행해 위치 확인을 할 수 있게 하였다. Y축 부분도 엔코 더 값을 이용해 2구간의 개별 적치장을 확인 하게 하였으며 마찬가지로 개별 구간에 2EA의 근접센서 를 설치하여 엔코더에 의한 값과 근접센서의 값을 병행해 위치 확인을 할 수 있게 하였다. Fig. 6는 크레인 부에 설계한 시스템의 블록다이어그램이다.
Fig. 6 Crane System
강재 무게 확인을 위해서는 Load Cell을 사용하 였다. Load Cell을 이용한 측정 시스템은 다음 Fig.9와 같은 원리이다.
Fig. 7 Load Cell Measurement Process
마그네틱 용량을 조절하는 전류값의 측정으로도 무게 측정이 가능하나 마그네틱 사용 숫자에 따른 오차와 노이즈 신호에 의해 측정치 오차가 발생하 기에 Load Cell을 사용하였다. 그러나 Load Cell은 마그네틱 부분의 높이 차이에 의해 기본값이 변한 다. 이에 본 시스템에서는 높이 차이에 따른 보정 을 위해 마그네틱 부분의 높이를 조절하는 모터에 엔코더를 설치해 Load Cell측정치를 보정하였다.
크레인 위치 확인과 무게 확인 측정 장비들은 Data Converter와 Data Controller를 이용해 크레 인 운전석에 설치된 Main Controller로 실시간 데 이터 처리 되며 Communication Module을 통해 Server System으로 데이터를 송신하고 Server로부 터 데이터를 수신한다.
(a) (b)
(c) (d) Fig. 8 로드셀 및 엔코더 설치부
Fig. 9 로드셀 설계도
다음 Fig. 8은 X축(Fig. 8b), Y축(Fig. 8c), Z축 (Fig. 8d)의 위치 정보를 확인하기 위해 체인스프라 켓식 엔코더의 설치 위치이다. 그리고 마그네틱 부 분의 높이 조절을 위한 와이어 회전부와 이를 지탱 하는 빔(Fig. 8a)을 나타낸다. 본 시스템에서는 이 빔을 로드셀로 교체하고 그와 같은 사이즈로 설계 하였다. 로드셀의 설계도면은 Fig 9와 같다.
전체 Server System에서는 작업자가 적치 계획
프로그램을 이용해 효율적인 강재 적치장 사용 계
획을 세울 수 있다. 그리고 Server System은 Input
System으로 입고 완료 작업한 데이터를 전송 받아
1차 하역 DB 테이블을 만들며 Crane System에 의
해 측정되는 무게 데이터를 주기적으로 전송받아 1
차 하역 DB 및 기존의 적치장 DB와 강재 정보를 매칭 시킨다. 또한 마그네틱 크레인의 위치 정보를 수신 받아 현재 개별 적치장 이름을 매칭시켜 실시 간 강재 관련 정보를 확인할 수 있게 된다.
지금까지의 시스템 분석 및 설계를 통해 개발한 실시간 강재 적치 관리 시스템의 프로세스 및 데이 터 흐름은 Fig.9와 같다.
Fig. 10 Data Flow
4. 결 론본 연구는 선박건조에 있어서 가장 중요한 재 료인 강재의 적치 관리 시스템에 관한 것이다.
현재 작업자들의 수작업 부분을 자동화 시키고 작업간의 안전 문제등 여러 문제를 해결할 수 있 을 것으로 본다. 구체적으로는 강재 이송용 마그 네틱 크레인에 계측시스템을 적용해 기존의 설비 를 그대로 이용하였으며 위치 확인을 위해 모터
의 회전축을 이용한 엔코더를 설계하였고 무게 측정을 위해 로드셀을 설계하여 개발하였다. 또 한 강재 계획, 적치, 추적등의 운영 프로그램을 개발하여 적치 관리가 가능하게 하였다. 향후 본 시스템과 연계하여 크레인 운영에 있어서 강재 적치 알고리즘을 개발하여 보다 더 효율적인 적 치장 관리 시스템 및 더 나아가 크레인의 무인화 연구도 진행할 예정이다. 또한 가장 중요한 작업 의 신뢰성과 안전성에 더욱 더 초점을 맞추어 연 구할 예정이다.
참 고 문 헌
