광업 분야의 RFID 기술 활용
정지후1)· 이동현1)· 최요순1)*
Utilization of RFID Technology in the Mining Industry
Jihoo Jung, Donghyeon Lee and Yosoon Choi*
(Received 10 June 2015; Final version Received 28 July 2015; Accepted 24 August 2015)
Abstract : This study investigated the utilization cases of Radio Frequency Identification (RFID) technology in the mining industry. The concept and characteristics of RFID technology were presented in this paper. For oversea cases, four mining sites(i.e., the Dendrobium coal mine in Australia, Norwich park coal mine in Australia, Pasir coal mine in Indonesia and Los Bronces copper mine in Chile) were investigated where the RFID technology is used to improve the efficiency of mining operations. In addition, this paper described the Daesung MDI limestone mine (Jecheon) and the POSCO magnesium smelting plant (Gangneung) as domestic cases of the RFID utilization.
Key words : Radio frequency identification, Mining industry, Productivity, Safety
요 약 : 본 연구에서는 광업 분야에서 무선식별시스템(RFID) 기술이 활용되고 있는 사례들을 조사하였다. 먼 저, RFID 기술의 개념과 특징에 대해 조사하여 논문에 제시하였다. 해외의 사례로서 호주 Dendrobium 석탄광산, Norwich 석탄광산, 인도네시아 Pasir 석탄광산, 칠레 Los Bronces 동광산에서 채광작업의 효율성을 개선하기 위해 RFID 기술을 현장에서 활용하고 있는 사례들을 소개하였다. 또한, 국내의 사례로서 대성 MDI 석회석 광산(제천)과 포스코 마그네슘 제련 공장(강릉)에서의 RFID 기술 활용사례를 조사하여 논문에 제시하였다.
주요어 : 무선식별시스템, 광업계, 생산성, 안전성
1) 부경대학교 에너지자원공학과
*Corresponding Author(최요순) E-mail; [email protected]
Address; Dept. of Energy Resources Engineering, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea
ISSN 2288-2790(online) Vol. 52, No. 4 (2015) pp. 422-428, http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2015.52.4.422
서 론
무선식별시스템(Radio Frequency IDentification, RFID) 은 무선주파수를 이용하여 사물을 자동으로 인식할 수 있 는 기술이다. RFID 기술은 당초 바코드 시스템을 대체하기 위한 목적으로 개발되었으나, 반도체와 인터넷의 등장으 로 인해 지난 20여 년 동안 꾸준한 발전을 해왔으며 유통, 물류, 의료, 교육 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 또한, RFID는 최근 주목 받고 있는 사물인터넷(모든 사물에 전자 칩 또는 센서를 부착하고 통신망을 이용해 실시간으로 정 보를 주고받는 기술)의 구현을 위한 핵심기술로서도 중요 한 역할을 담당하고 있다.
최근 광업 분야에서도 생산성 향상, 안전 관리, 물류 시스 템 개선을 위해 RFID 기술이 현장에 도입되어 활용되고 있
다. RFID를 이용하면 광산 내 작업자와 장비의 현황을 실 시간으로 파악할 수 있어 작업 효율을 개선할 수 있으며, 유 독가스 농도, 온도, 습도, 수위 등 광산 내 환경 변화를 실시 간으로 감지하여 위험상황 발생 시 작업자들을 신속하게 대피시킬 수 있기 때문이다.
최근까지 해외의 많은 연구자들이 RFID 기술을 광업 분 야에 효과적으로 적용하기 위한 다양한 연구를 수행하였 다. Chen 등(2008)은 갱내 채광장에서 최소 개수의 RFID 장비로도 원활한 무선통신을 할 수 있도록 Chain 형식의 무 선센서 배치법을 연구하였고, Zhang과 Wang(2009)은 RFID와 지리정보시스템(Geographic Information Systems, GIS)을 이용해 갱내 작업자의 위치를 실시간으로 추적할 수 있는 안전관리 시스템을 개발하였다. Feng 등(2010)은 RFID와 ZigBee기술을 융합하여 열악한 갱내 환경에서 원 활하게 무선신호를 전송할 수 있는 방법을 제시하였고, Lavigne 등(2010)은 RFID를 이용하여 갱내 채광장을 매핑 (mapping)하는 방법에 대해 연구하였다.
이와 같이 해외에서는 RFID 기술을 광업 분야에서 활용 하기 위한 연구가 활발하게 수행되고 있으나, 국내의 경우 기술보고
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(a) (b)
Fig. 1. Main components of the RFID system. (a) RFID reader (b) RFID tag (image source: Wikimedia Commons, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_Collection_of_RFID_Tags.jpg?uselang=ko).
현재까지 이와 관련한 연구가 거의 수행되지 않았다. 또한, 국내에서는 대부분의 광업 분야 종사자들이 RFID 기술에 대한 관심과 이해가 부족한 실정이다. 따라서 RFID 기술의 개념과 광업 분야 활용 사례들을 체계적으로 정리하여 국 내 광업계에 보고할 필요가 있다.
본 연구의 목적은 RFID 기술의 개념과 광업 분야 활용사 례를 조사하여 논문에 제시하는 것이다. 이를 위해 RFID 기술의 개념과 종류별 특징에 대해 조사하여 논문에 기술 하였다. 또한, 호주 Dendrobium 석탄광산, 호주 Norwich Park 석탄광산, 인도네시아 Pasir 석탄광산, 칠레 Los Bronces 동광산, 대성 MDI 석회석 광산(제천), 포스코 마그네슘 제 련공장(강릉)을 대상으로 국내외 광산 현장에서 RFID 기 술이 활용된 사례를 조사하여 논문에 제시하였다.
RFID의 개념 및 특징
RFID의 개념
RFID는 무선주파수를 이용하여 RFID 태그(tag)를 부착 한 사람이나 사물의 정보를 인식하는 기술이다. 식별이 필 요한 사람이나 사물에 RFID 태그를 부착하면 판독기에 해 당하는 RFID 수신기(reader)를 이용하여 태그의 정보를 실 시간으로 인식할 수 있다(Fig. 1). RFID는 수신기에 태그를 직접 접촉을 하지 않아도 태그의 정보를 인식할 수 있고, 접 근 방향의 영향을 받지 않는다. 또한, 원하는 시스템이나 환 경에 맞게 태그를 제작할 수 있다. RFID는 여러 개의 태그 정보를 동시에 판독하거나 수정, 갱신 할 수 있기 때문에, 기존의 바코드 기술이 극복하지 못한 여러 가지 문제점들 을 해결할 수 있었다(Lee et al., 2008).
RFID의 종류별 특징
RFID는 사용 주파수 대역, 태그 전원의 유무, 정보 입력 가능 여부, 센서 장치의 추가 여부에 따라 그 특징을 구분할 수 있다. RFID의 종류에 따라 기능이 다르기 때문에, 종류 별 특징을 파악하여 용도에 맞는 제품을 선택해야 한다.
사용 주파수 대역에 따른 특징
RFID가 사용하는 무선 주파수 대역은 저주파(Low Freq- uency, LF), 고주파(High Frequency, HF), 극초단파(Ultra High Frequency, UHF), 마이크로파로 구분된다(Fig. 2).
저주파 대역을 사용하는 RFID 시스템은 수신기와 태그간 의 인식거리가 짧고, 인식 속도가 비교적 느리다는 단점이 있다. 그러나 가격이 저렴하며, 환경에 의한 성능 저하가 거 의 없다는 장점이 있다. 저주파 대역 RFID는 공장 자동화, 출입 통제 및 보안 등 근거리 용도로 주로 활용된다.
고주파 대역의 RFID는 수신기가 다중의 태그를 인식할 수 있고, 데이터 전송상의 신뢰성이 높기 때문에 IC 카드나 신분증 등의 용도로 사용되고 있다. 극초단파 대역은 다른 주파수 대역에 비해 무선 인식과 원거리 인식 성능이 뛰어 나다. 따라서 극초단파 대역을 사용하는 RFID 시스템은 금 속이나 수분이 존재하는 환경에서도 인식률이 좋고 방향성 이 우수하여 유통 및 물류 분야를 비롯한 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 마이크로파 대역을 사용하는 RFID 시 스템은 다중 태그 인식 성능이 가장 뛰어나지만, 수분 등과 같은 환경조건에 의한 영향을 많이 받는다는 단점이 있다 (Jang et al., 2004).
태그 전원의 유무에 따른 특징
RFID 태그는 전원의 유무에 따라 능동형(active)과 수동
Fig. 2. Typical uses of the RFID systems with different frequency bands.
형(passive)으로 구분된다. 능동형 태그는 배터리가 부착되 어 있어서 인식거리가 길고 수신기에서의 전력소모가 작다 는 장점이 있으나, 주기적인 배터리 교환이 필요하며 가격 이 비싸다는 단점이 있다. 일반적으로 극초단파 대역 이상 에서 사용하며, 배터리 수명은 3-7년 정도이다.
수동형 RFID 태그는 전원을 공급하는 배터리가 없기 때 문에 수신기의 에너지에 의존하고 응답한다. 배터리를 충 전할 필요가 없기 때문에, 물리적인 결함이 발생하지 않는 한 반영구적으로 사용할 수 있고, 가격이 저렴하다. 반면 능 동형에 비해 인식거리가 짧고, 수신기에서 더 많은 전력을 소모해야 한다는 단점이 있다(Choi et al., 2007).
정보입력 가능 여부에 따른 특징
RFID 태그는 사용자가 태그에 직접 정보를 입력할 수 있 느냐에 따라 읽기 전용, 한번 쓰고 읽기 전용, 읽고 쓰기전 용의 세 가지 유형으로 구분된다. 읽기 전용 RFID 태그는 제조 시 정보가 입력되며 사용자는 이를 변경할 수 없다. 가 격이 저렴하며 주로 다수의 태그가 필요한 물류관리 분야 에 활용되고 있다. 한번 쓰고 읽기 전용 RFID태그는 제조 후에 일회에 한하여 사용자가 필요한 정보를 프로그래밍 하여 직접 입력할 수 있다. 읽고 쓰기 전용 RFID 태그는 사 용자가 필요할 때마다 데이터를 변경할 수 있다. 읽고 쓰기 전용 RFID 태그는 비교적 고가이지만, 유연성과 범용성이 뛰어나다는 장점이 있다.
센서 장치의 추가 여부에 따른 특징
RFID에 센서 장치를 추가하여 기본적인 태그 정보뿐만 아니라 온도, 습도, 압력 등의 주변 환경정보를 수집 및 저 장할 수 있는 장치를 RFID 센서 태그라고 한다. 주로 UHF 대역의 RFID 시스템에 사용되며, 능동형과 수동형 센서 태 그 모두 개발되어 있다. 주변 환경 정보가 필요한 혈액관리, 식품 및 의약품 관리, 자동차, 교통 및 환경 관리 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 2013년 볼보자동차에서는 차량에 RFID 센서 태그를 설치하였고, 온도와 압력에 따른 부품의 상태, 안정도 등 다양한 정보를 실시간으로 수집하여 생산 과정에서 발견하기 어려운 결함을 찾는데 RFID 기술을 활 용하고 있다(Hessman, 2013).
광업분야에서의 RFID 활용사례
해외사례
호주 Dendrobium 석탄광산
BHP Billiton이 운영하는 Dendrobium 석탄광산은 호주 New South Wales주에 위치한다. 이 광산에서는 2003년 RFID 시스템을 현장에 도입하였다. 광산현장에 433 MHz 능동형 RFID 태그와 수신기가 설치되었고, 그 결과 지하 1 km 갱도에서 광산입구까지의 모든 지점에서 RFID를 이 용한 실시간 데이터 전송이 가능하게 되었다. 수신기는 광 산 입구와 갱내 주요 작업장마다 설치하였고, RFID 태그는 광산장비는 물론 작업자의 안전모에도 설치하였다(Fig. 3).
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Fig. 3. A RFID tag attached to a worker’s helmet (image source: RFID Journal, http://www.rfidjournal.com/articles/
view?11615).
Fig. 4. RFID facillities in Pasir mine (image source: Industry Solutions, http://industrysolutions.co.kr/wp-content/uploads/
2014/03/2917_2829_820.jpg).
광산장비와 작업자의 정보는 부착된 RFID 태그의 고유 ID 와 연동되어 0.5초마다 수신기로 전송되며, 광산장비와 작 업자의 실시간 현황을 갱내 주요 지점에 설치된 LCD 스크 린을 통해 확인할 수 있다(Swedberg, 2011).
Dendrobium 석탄광산에서는 RFID 시스템을 도입한 이 후 광산 내에 위치한 작업자 및 장비들의 수와 이동 상황을 실시간으로 파악할 수 있었고, 어둡고 좁은 통로가 많은 갱 내에서 효율적으로 장비를 운영할 수 있었다. 갱내에서 운 행되는 차량의 동선 및 이동시간을 분석함으로써 운반 작 업의 개선방향을 찾을 수 있었고, 그 결과 채광 비용 중 큰 부분을 차지하는 연료비를 절감할 수 있었다. 또한, 실시간 위치 파악을 통해 장비 간의 충돌을 방지함으로써 작업자 의 안전성도 제고할 수 있었다.
호주 Norwich Park 석탄광산
BHP Billiton과 일본 기업 Mitsubishi 종합상사가 함께 운영하는 Norwich Park 석탄광산(호주 Queensland주)에 서는 2006년 물류 시스템을 개선하기 위해 RFID 시스템을 도입하였다. UHF 대역 수동형 태그를 물류창고 내에 있는 모든 장비에 부착하였다. 중장비에는 내구성이 강한 태그 를 부착하였고, 안전모와 같이 사람이 착용하는 장비에는 종이 재질의 라벨형 태그를 부착하였다. RFID 수신기는 물 류창고 입구와 출구에 설치하였으며, 출입하는 모든 사람 의 신원 및 위치 정보를 RFID 시스템을 통해 실시간으로 파 악할 수 있도록 하였다. Norwich Park 석탄광산에서는 RFID 시스템 도입 전 장비의 분실과 도난 등의 문제로 장비 관리에 어려움을 겪고 있었다. 그러나 RFID 시스템 도입 이후 장비의 분실률이 현저히 감소하였고, 작업 효율이 향
상되어 물류창고 관리 비용도 절감할 수 있게 되었다(Omni- ID, 2015).
인도네시아 Pasir Mine
국내 기업 삼탄이 운영하는 인도네시아 Pasir 석탄광산 에서는 2013년 RFID 기반의 차량운행관리시스템을 도입 하였다(Fig. 4). RFID 기반의 차량운행관리시스템에는 900MHz 대역의 RFID 태그가 사용되었다. RFID 태그를 덤프트럭 앞면 유리에 부착하였고, 광산 입구와 저탄장에 RFID 수신기와 LED디스플레이를 설치하였다. 따라서 태 그를 부착한 덤프트럭이 광산 입구를 지나가게 되면 차량 번호, 운송횟수 등의 데이터가 자동으로 PC에 저장되고 관 리자는 차량 운행 현황을 실시간으로 파악할 수 있다.
Pasir 석탄광산에서는 선탄장에서 약 39 km 떨어져 있는 항만 저탄장까지 30톤급 덤프트럭 100여대를 동원하여 광 석 운반 작업을 수행한다. RFID 기반 차량운행관리시스템 이 현장에 도입되기 전에는 석탄 운반 작업에 수반되는 채 탄량, 채탄종류, 저탄량, 운전자별 운송횟수 등의 정보관리 를 수작업으로 수행하였으며, 그 결과 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 정보 기재시 오류도 빈번하게 발생하였다. 그 러나 2013년 RFID 시스템을 도입한 이후 정보관리 시간 및 차량 대기 시간을 획기적으로 단축하여 광산내 물류 효율 을 개선할 수 있었다. 또한, 채탄 및 운송공정 차량운행 도 급업체들도 운행 상황을 실시간으로 확인하여 배차, 정산 등의 업무를 효율적으로 수행할 수 있게 되었다.
칠레 Los Bronces 동광산
칠레의 수도인 산티아고에서 북동쪽으로 65 km 떨어진 안
(a) (b)
Fig. 5. RFID system at the Los Bronces copper mine in Chile. (a) View of the Los Bronces mine (image source, Telegraph, http://www.telegraph.co.uk/finance/newsbysector/industry/mining/8907840/Anglo-American-hails-more-Chilean-copper-at-L os-Bronces.html). (b) Software for the RFID system (image source, Minesite, http://www.minesite.com.au).
(a) (b) (c)
Fig. 6. RFID system at the DaesungMDI limestone mine, Jecheon, Korea. (a) RFID receiver installed in the pit mouth. (b) RFID active tag. (c) Dashboard showing the locations of RFID tags.
데스 산맥에 위치한 Los Bronces 동광산은 Anglo American 과 Mitsubishi 종합상사가 운영하고 있으며, 연간 평균 35 만 톤의 구리를 생산하는 세계적인 규모의 동광산이다. Los Bronces 동광산에서는 수많은 협력업체에서 파견된 근로 자들의 이름과 소속, 직책, 근무시간, 근무현장 등의 정보를 수작업으로 관리해 왔다. 그러나 이러한 관리방식에서 발 생하는 오류로 인해 불필요한 비용과 시간이 낭비되고 있 었다. Los Bronces 동광산에서는 이러한 문제점을 해결하 고 체계적이지 못한 근태관리 시스템을 개선하기 위해 2008년 RFID시스템을 현장에 도입했다(Fig. 5). 광산 입구 와 주요 작업장마다 RFID 수신기를 설치하였고, 모든 근로 자들은 RFID 태그가 부착된 안전모를 착용하고 광산에 출 입하도록 하였다. 그 결과 광산 관리자는 현장에 출입하는 근로자의 이름, 소속, 근무시간, 근무현장 등의 정보를 실시 간으로 확인할 수 있었고, 이러한 정보를 바탕으로 효율적 인 근태관리를 수행할 수 있게 되었다.
국내사례
대성 MDI 제천사업소
충청북도 제천에 위치한 대성 MDI 석회석 광산에서는 작업자의 근태관리, 안전관리, 실시간 현장 상황 파악 등을 위해 2014년 RFID 시스템을 현장에 도입하였다. RFID 수 신기, 액세스 포인트(access point), 메인 컨트롤러, 터미널, 배터리, 환경감지센서로 구성된 수신 장치를 광산 입구를 포함하여 갱내에 일정한 간격으로 설치하였고, 433MHz 능동형 RFID 태그를 장비에 부착하거나 작업자가 착용할 수 있도록 하였다(Fig. 6).
작업자와 장비에 부착된 RFID 태그의 전원을 켜게 되면, 태그에서 5초마다 한 번씩 수신 장치로 신호를 전송한다.
수신된 신호는 서버로 전송되며, 관리자는 서버 PC를 통해 갱내 작업자와 장비의 위치정보 및 갱내 온도 습도와 같은 환경 정보를 실시간으로 확인할 수 있다. 또한, 갱내에 설치 된 수신 장치를 이용하여 사무실과 음성통화가 가능하며,
광업 분야의 RFID 기술 활용 427
수신 장치나 RFID 태그의 비상버튼을 누르면 LED가 켜지 면서 사이렌이 울려 갱내의 비상상황을 관리자에게 알릴 수 있다.
포스코 마그네슘 제련 공장
포스코는 2012년 강릉 옥계에 마그네슘 제련공장을 준 공하면서 RFID 기반의 물류 트래킹 시스템을 설치하였다.
마그네슘 제련 공정은 크게 소성공정, 환원공정, 정련공정 으로 구분된다. 특히, 환원공정은 제련공장의 생산량과 가 장 밀접한 관계를 가지므로 환원로의 온도, 환원시간, 원료 의 배합조건 등의 물류정보가 환원공정 단계에서 체계적으 로 관리되어야 한다.
포스코 마그네슘 제련공장에서는 환원로에 RFID 시스 템을 설치함으로써 공정의 자동화 및 체계적인 품질관리 체계를 구축하였다. 환원로의 개별설비 간 원료 및 생산물 의 이동 상황을 RFID를 장착한 이송장치를 통해 관리함으 로써, 소성공정, 환원공정, 정련공정으로 전달되는 동안의 조업조건 및 물류량을 실시간 추적할 수 있었다. 그 결과 제 련공장의 생산성 및 제품의 품질 향상을 도모할 수 있었다 (Kim et al., 2014).
결 론
본 연구에서는 현재 다양한 분야에서 광범위하게 활용되 고 있는 RFID 기술의 개념과 국내외 광업 분야에서의 활용 사례를 정리하여 논문에 제시하였다. RFID 기술의 개념과 종류별 특징에 대해 조사하여 논문에 기술하였으며, 호주 Dendrobium 석탄광산, 호주 Norwich Park 석탄광산, 인도 네시아 Pasir 석탄광산, 칠레 Los Bronces 동광산, 대성 MDI 제천 석회석 광산, 포스코 마그네슘 제련공장에서의 RFID 시스템 활용사례를 분석하였다. Dendrobium 석탄 광산에서는 장비 운영 효율의 개선 및 갱내 충돌사고 방지 를 위해 RFID 시스템을 활용하고 있었고, Norwich Park 석 탄광산과 Pasir 석탄광산에서는 RFID 시스템을 도입을 통 해 광산내 물류 체계를 개선하였다. 칠레 Los Bronces 동광 산에서는 작업자들의 근태관리를 위해 RFID 시스템을 도 입하였다. 국내에서도 갱내 작업장에서의 작업자 안전 확 보와 통신체계 구축을 위해 RFID 시스템을 도입한 사례를 대성 MDI 제천 석회석 광산에서 발견할 수 있었고, 포스코 마그네슘 제련공장에서는 공정 자동화와 품질 관리를 위해 RFID 시스템을 활용하고 있음을 알 수 있었다.
광업 분야에서 RFID 기술은 생산성 향상, 안전사고 방지 등 다양한 목적으로 활용되고 있으나, 실시간 위치 추적으 로 인한 개인 프라이버시 침해 문제, 열악한 갱내 환경에서 의 하드웨어 유지관리 문제 등 앞으로 해결해야할 과제들
도 다수 존재한다. 따라서 국내에서도 광업 분야에서 활용 가능한 RFID 시스템의 연구와 기술 개발을 지속적으로 수 행할 필요가 있다. 또한, 국내 광산 현장에 RFID 시스템 도 입을 확대하기 위한 다양한 노력들이 필요할 것이다.
사 사
본 연구는 세화엠피 주식회사의 “석탄 광산 자료의 효과 적인 3차원 가시화를 위한 새로운 이론․방법 등에 관한 연 구용역” 과제의 연구비 지원으로 수행되었다. 또한, 일부저 자는 산업통상자원부 2단계 자원개발특성화사업 산학협 력연구단(연구과제: 광물자원 탐사･개발)의 지원을 받았다.
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2014년 부산대학교 자연과학대학 지질학 과, 이학사
현재 부경대학교 환경해양대학 에너지자원공학과, 석사과정 (E-mail; [email protected])
최 요 순
2004년 서울대학교 공과대학 지구환경시 스템공학부, 공학사
2009년 서울대학교 공과대학 에너지시스 템공학부, 공학박사
2010년 미국 펜실베니아 주립 대학교 에너 지자원공학과, Post-Doc
현재 부경대학교 환경해양대학 에너지자원공학과 조교수 (E-mail; [email protected])
이 동 현
2014년 한국해양대학교 해양과학대학 에 너지자원공학과, 공학사
현재 부경대학교 환경해양대학 에너지자원공학과, 석사과정 (E-mail; [email protected])
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