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[무인 시스템] 인화성 가스 환경에서 사람을 대신해 정보 수집과 작업을 하는 무인 모빌리티의 방폭 설계

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오오니시 켄, 미쓰비시중공업주식회사

 

우리 주변에서는 인화성 가스를 취급하는 경우가 많이 있다. 라이터나 가스렌지 등과 같이 “의도적으로” 불을 붙이는 것을 제외하고, 주유소 등에서는 “우연히” 불이 붙는(폭발하는) 일이 없는 구조로 되어 있으며, 이를 위한 조치를 “방폭”이라고 한다. 전기를 사용하는 기기는 모두 인화성 가스 폭발의 원인, 즉 점화원이 될 가능성이 있으므로 폭발을 예방하기 위해 방폭의 엄격한 규격에 따라 방폭 형식 검정을 취득할 필요가 있다.

 

 

필자 등은 이전에 석유가스 플랜트에서 로봇에 요구되는 기능과 시장에 대해서 설명했다(그림 1). 여기서 석유가스 플랜트란 업스트림이라고 불리는 플랫폼(리그라고도 한다)이나 배에 굴착과 생산설비․저장설비를 갖춘 FPSO(Floating Production, Storage and Offloading system), 다운스트림이라고 하는 정제 공장이나 화학제품 공장, 그 사이를 잇는 파이프라인이나 비축 탱크 등을 가리킨다. 거의 모든 설비가 인화성 가스 환경 하에 있어 위험하기 때문에 사고(예를 들면 폭풍설이나 인화성 가스 누출 검지 시 등) 후의 상황 확인은 물론이고 일상적인 점검 업무 등에서도 로봇에 의한 무인화에 대한 기대가 높다.

 

이 석유가스 플랜트에서 요구되는 로봇화는 산업경쟁력간담회(COCN)가 2011년부터 4년 간 논의해 온 ‘재해 대응 로봇을 일상사에도 공용으로 사용해 로봇의 비용대비 효과를 개선함으로써 사회 구현을 도모한다’는 비즈니스 모델에 일치, 언뜻 보면 시의적절하다. 그러나 인화성 가스 환경에서 동작하는 로봇은 방폭 형식 검정의 취득이 필요하며, 기술적인 벽이 로봇의 현장 적용을 막아 왔다.

 

이 글에서는 석유가스 플랜트의 인화성 가스 환경에서 사람을 대신해 정보 수집과 작업을 하는 로봇을 어떻게 방폭화할 것인가, 그 설계 기법에 대해서 설명한다. 이후 도장용 방폭 매니퓰레이터 등과는 다른 용도와 특징을 명확하게 하기 위해 로봇을 무인 모빌리티라고 부른다.

 

방폭의 기본 (무인 모빌리티에 적용할 수 있는 방폭 방식)

 

무인 모빌리티에 탑재되는 배터리와 컨트롤러, 서보 모터와 센서 등의 전기품은 모두 점화원이 될 수 있다. 무인 모빌리티를 방폭화하는 기본적인 개념은 석유가스 플랜트에서 상용되는 조명이나 펌프와 같은 통상적인 방폭 기기와 다를 바 없으나, 적용할 수 있는 방폭 방식은 제한된다.

 

 

예를 들면 휴대용 가스검지기 등에 적용되는 본질 안전 방폭 방식은 기기 전체의 에너지를 점화에 이르지 않는 낮은 레벨로 제한하는 방법인데, 이동이나 매니퓰레이션 등 어느 정도 큰 에너지를 필요로 하는 무인 모빌리티에 적용하는 것은 어렵다. 또한, 소형 센서 등에 적용되는 수지 충전 방폭 방식은 전기품을 모두 수지로 싸서 인화성 가스와 접촉하지 않게 하는 방식인데, 모터 등의 가동부를 완전히 수지로 충전하는 것은 어렵고 유지보수도 할 수 없게 된다. 그 결과, 무인 모빌리티에는 방폭 구조로서 가장 일반적인 내압(耐壓) 방폭 방식 및 내압(內壓) 방폭 방식을 (어떻게든 고안해서) 채용하게 된다. 내압(耐壓) 방폭 방식의 구조를 그림 2에, 내압(內壓) 방폭 방식의 구조를 그림 3에 나타냈다.

 

 

일반적으로는 내압(耐壓) 방폭 구조는 그 자체가 무겁고 크기가 커지지만, 일단 만들게 되면 특별히 신경 쓰지 않고 사용할 수 있어 편리하다. 한편, 내압(內壓) 방폭 구조는 기밀성이나 인터록의 유지관리 등 취급이 어려운 반면, 용기의 경우는 규정된 최저 내부 압력 50[Pa]의 내압을 견디기만 하면 되므로 매우 가볍게 만들 수 있는 장점이 있다.

 

여러 층의 석유가스 플랜트를 이동하는 무인 모빌리티는 자신의 치수와 질량을 작게 억제할 필요가 있으므로 내압(內壓) 방폭 구조가 적합하다고 생각된다. 한편, 무인 모빌리티가 연속적으로 가동하기 위해 자동 충전하는 고정 설비(이하 ‘스테이션’이라고 한다)는 무게나 크기보다 취급성을 우선해야 하므로 내압(耐壓) 방폭 방식이 적합하다고 생각된다.

 

무인 모빌리티 본체의 방폭화 기술

 

필자 등은 국립연구개발법인 신에너지 산업기술종합개발기구(NEDO)의 ‘인프라 유지관리․갱신 등의 사회 과제 대응 시스템 개발 프로젝트’(2014~2017년도) 개발 위탁과 조성을 받아 대용량 배터리를 탑재한 원격 조작형 모빌리티로서 일본 국내 최초로 방폭 형식 검정을 취득했다. 현재 이것을 무인화해 석유가스 플랜트를 자동 순회하는 타입을 개발 중이다. 개발 중인 무인 모빌리티의 외관을 그림 4에, 그 내압(內壓) 방폭 시스템의 개요를 그림 5에 나타냈다. 이 글에서는 이 무인 모빌리티를 예로 들어 방폭화 기술에 대해서 설명한다.

 

 

내압(內壓) 방폭 방식은 원래 내압(耐壓) 방폭 방식으로 할 수 없는 대형 현장제어반에 적용하는 방식으로, 내압 유지에 필요한 보호 가스를 비위험 장소에서 호스로 공급하는 경우가 많다. 그러나 무인 모빌리티의 경우, 호스를 끌고 다닐 수 없기 때문에 특별히 고안된 방법이 필요하다.

 

앞에서 말한 무인 모빌리티에서는 본체 내에 소형(약 200[cc])의 탱크를 장비하고, 스테이션으로 귀환할 때마다 보호 가스로서 석유가스 플랜트에서 상용되는 압축 공기(약 0.5[MPa])를 탱크에 자동 충전함으로써 무인 모빌리티 활동 중에는 이 탱크로부터 레귤레이터를 통해 저압(앞에서 말한 50[Pa] 이상)의 보호 가스를 내압 방폭 용기인 무인 모빌리티 본체 내로 계속 공급한다.

 

 

만일 내압이 저하되었을 경우에는 내압 보호 감시 인터록이 작동하고, 내압 방폭 용기 내의 전기품에는 전기 공급을 끊도록 규정되어 있다. 통상적인 내압 방폭 시스템(예를 들면 그림 3에 나타낸 현장제어반)에서는 비위험 장소로부터 공급되는 원래의 전기를 차단하는데, 무인 모빌리티의 경우는 용기 내의 배터리에서 무인 모빌리티 내부 전기품에 공급되는 전기를 차단하는 것밖에 할 수 없으며, 배터리의 셀 자체는 대전 상태를 그대로 유지한 채 무인 모빌리티 안에 남아 있다가 그대로 발화원이 되어 버린다. 따라서 배터리만 다른 방폭 방식으로 보호할 필요가 있어, 이 무인 모빌리티에서는 내압(耐壓) 방폭 방식을 채용했다.

 

내압(耐壓) 방폭 방식의 배터리 케이스를 내압(內壓) 방폭 방식의 무인 모빌리티 본체에 외장하는 것도 생각할 수 있는데, 내압(耐壓)과 내압(內壓)의 방폭 용기 간의 케이블이나 커넥터가 인화성 가스 분위기에 놓이게 되므로 추가 방폭화 조치가 필요해 무인 모빌리티가 대형화된다. 이것을 피하기 위해 내압(內壓) 방폭 방식의 무인 모빌리티 본체 내에, 그림 6에 나타낸 내압(耐壓) 방폭 방식의 배터리를 내장한 구조로 했다.

 

 

스테이션의 방폭화 기술

 

스테이션에는 무인 모빌리티 본체를 자동 충전하는 기능이 필요하다. 석유가스 플랜트는 보통 옥외에 있으므로 내환경성을 고려한다면 비접촉으로 충전하는 것이 좋다. 그러나 스테이션의 급전 측이나 무인 모빌리티의 수전 측도 방폭 기기이고, 비접촉 급전의 전자파를 방해하지 않는 비도전 재료로서 정전기가 대전하는 플라스틱 재료는 사용할 수 없어 유리만 후보가 된다. 내압(耐壓) 방폭 방식의 송전 코일 케이스와 내압(內壓) 방폭 방식의 무인 모빌리티에 내장된 수전 코일부의 외관을 그림 7에 나타냈다.

 

 

방폭 지침으로 규정하는 용기 외부의 충격시험(지정 끝단 형상의 1[kg] 무게를 대상 소성에 따른 높이에서 던져서 건전성을 확인하는 시험)과 스테이션 송전 측의 내압 방폭 요건에 일치하는 유리는 풍냉 강화했다고 해도 각각 약 10[mm] 두께가 필요하며, 자연히 송전과 수전의 코일 간 거리는 30~40[㎜]로 길어지게 된다. 방폭 기기에 비접촉 급전을 채용하기 위해서는 이 거리에서 높은 전력 전송 효율을 달성해야 하며, 동시에 누출되는 전자계가 방폭 성능에 영향을 주지 않는다는 것을 평가해야 한다.

 

장거리의 고효율 전력 전송을 실현하기 위해 트랜스 등에 오래전부터 채용되고 있던 자계 결합(전자 유도) 방식 중에서도 송수전에 이용하는 코일을 ‘공진(공명) 상태’로 함으로써 코일 간의 거리가 길어도 고효율로 전력을 전송할 수 있는 자계 공명 방식을 채용했다.

 

또한, 누출되는 전자계의 방폭 성능에 대한 영향은 다음의 두 가지로 나눠서 평가했다.

 

첫 번째는 누출 전자계에 의해 주위의 자성 재료에 발생하는 와전류 열이 인화성 가스를 폭발시키지 않는가이며, 비접촉 급전의 최대 출력의 발열을 실측해 방폭 규정에 가스 종류별로 정해져 있는 최고 온도 이하인 것을 확인했다.

 

두 번째는 누출 전자계에 의해 루프 모양의 도전성 구조물의 갭에 생기는 스파크가 인화성 가스를 폭발시키지 않는가이며, 방폭 규정에 인용되어 있는 가이드에 따라 평가를 실시했다. 이 가이드에는 가스 종류별로 점화에 이르지 않는 “안전”한 전자계의 주파수와 강도가 제시되어 있으며, 비접촉 급전의 최대 출력으로 발생하는 전자계를 실측해 평가했다(그림 8).

 

 

맺음말

 

사례를 바탕으로 무인 모빌리티의 방폭화에 대해서 주요 기술 과제에 초점을 맞춰 자세히 설명했다. 최근 일본의 경제산업성에서는 석유가스 플랜트 등의 설비 노후화와 고령화에 의한 인재 부족을 IoT나 AI 등을 활용해 보완할 수 있도록 스마트 보안을 추진 중에 있으며, 로봇이나 드론 등의 방폭화 기술 개발뿐만 아니라 규제 완화에도 힘쓰고 있다.

 

방폭 인증 제도는 국제적으로는 IEC(국제전기표준회의) 하에서 IECEx 시스템(IEC 방폭기기규격적합시험제도)으로 운용되고 있으며, 일본에서는 이 IEC 60079 시리즈에 일본 고유의 특수 사정을 가미한 전기설비 방폭 지침이 규격으로 운용되고 있다.

 

기본적인 기술 사항에 대해서는 IECEx와 일치하고 있으며 국제적인 상호 인증도 진행되고 있지만, IECEx의 형식 검정만으로 방폭 기기의 사용을 자국 내에서 허가하고 있는 나라는 세계적으로 소수이며 지금도 나라마다·지방마다 (일본에서도) 검정을 다시 취득해야 한다.

 

예로 든 방폭 무인 모빌리티는 일본 국내에서 유효한 전기설비 방폭 지침에 의거한 방폭 형식 검정뿐만 아니라, IECEx와 유럽에서 유효한 ATEX에 의거한 방폭 형식 검정을 취득해 2022년에 세계 스마트 보안 시장에 투입할 수 있도록 개발을 가속화하고 있다. 검정 취득에 드는 수고가 조금이라도 줄어들어 활발한 산업 활동으로 이어질 수 있도록 더 많은 규제를 완화하기 위한 의견 수렴과 국제화에 노력해 갈 것이다.

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