엘리베이터 - 부하측정장치와 과부하방지장치
엘리베이터에는 여러가지 장치가 탑재되어 있는데 그중에 하나가 부하(load)를 측정하는 장치이다. 부하감지장치라고 하는데 특히 과부하(overload)를 감지하여 카가 운행되지 않도록 하는 기능이 중요하다.
여기에서는 엘리베이터 부하측정장치에 대해서 알아보고자 한다.
1. 카 부하의 종류
부하는 빈카(empty car)에서 만차(full car)까지 다양하나 이를 나누면 다음표와 같다.
| 구분 | 설명 | 비고 |
| 무부하 (No Load) | 카내에 부하가 0인상태를 말한다. | "빈카"상태라고도 한다. |
| 전부하 (Full Load) | 카내에 정격용량의 100%가 탑재한 상태를 말한다. | "만차" "풀카"상태라고도 한다. |
| 균형부하 (Balanced Load) | 카내에 균형추의 오버밸런스율의 양만큼이 탑재한 상태를 말한다. | 오버밸런스율은 대략 정격용량의 40~50%정도를 균형추에 실는다. |
| 과부하 (Over Load) | 카내에 정격용량의 110%이내의 부하가 탑재된 상태를 말한다. 이경우 카는 운행되지 않는다. |
2. 부하측정장치의 종류
엘리베이터에서 적용되는 부하측정장치의 종류는 양중기에 적용되는 과부하방지장치의 종류와 유사하다(주1 참조). 다만, 전기식은 출발후 부하를 감지하기 때문에 적용하지 못한다.
| 기계식 | 리미트 스위치 (Limit Switch) |
- 비연속적인 특정한 단일 무게의 검출 - 과부하검출, 통과부하검출(ABP운전), 거짓콜소거운전용 부하검출에 응용 - 각 검출 무게마다 각각의 스위치 사용 - plunger식 limit switch 사용 - 대부분 카 하부에 장착 - 비용이 (대단히) 낮고 가장 간단한 부하측정기이나 부정확하여 자주 조정이 필요함. |
 |
|
| 전자식 |
차동트랜스 (Differential Transformer) |
- Induction 원리를 이용한 부하측정기로 연속적인 무게 검출 가능
- 실제 카내 적재무게 측정 ⇒ 다양한 기능을 수행
- 부하적재 ⇒ 방진고무수축 ⇒ 차동트랜스 검출로드삽입 ⇒ 깊이에 비례한 전압발생 ⇒ 무게환산, 방진고무의 수축을 이용함으로 시간이 지남에 따라 부정확해짐.
- 카 하부틀에 장착
- 차동트랜스는 주로 대각선방향으로 2개이상 설치
- 과부하검출, 통과부하검출(ABP운전), 거짓콜소거운전용 부하검출, 부하보상기동등에 응용
|
 |
과부하검출로 적용하지 않는 제조업체가 많음. |
| 로드셀 (Load cell) |
- 압전기(壓電氣)(Piezoelectricity)효과를 이용한 부하 측정기(전자저울에 사용)로 연속적인 무게 검출 가능
- 부하에 따른 cell의 휨이 발생 ⇒ 휨의 정도에 따라 미세전압 발생 ⇒ 증폭 연산 ⇒ 무게 계산
- 실제 카내 적재무게 측정 ⇒ 다양한 기능을 수행
- 과부하검출, 통과부하검출(ABP운전), 거짓콜소거운전용 부하검출, 부하보상기동
- 군관리 승장호출의 할당 연산에도 활용됨
- 카하부틀, 카상부틀, 메인로프 등에 장착
- 고가이며 정확도가 높으나 히스테리시스가 큰 부재에 장착시 부하변동의 응답속도가 더딘 단점이 있다.
|
 |
과부하검출로 적용하지 않는 제조업체가 많음. |
* ABP운전: Automatic By Pass(자동통과기능), 카내에 80%이상이 탑승하고 있다고 검출하면 '만원'등의 표시를 하고 통과한다.
3. 측정부하의 응용
측정된 부하는 엘리베이터의 제어의 여러 곳에 응용된다. 특히 안전의 목적으로 과부하방지장치로 활용되며 부하보상기동을 통해 출발시 카내 쇼크를 최소화하는데 역할을 한다.
| 항목 | 측정부하 | 활용 | 측정방법 | 측정장치 | 동작 | 역할 |
| 과부하검출 (over load hold) |
정격적재량의 110%이하(최소 75kg초과전) | 도어오픈⇒기동제한 | 설정값 검출 | 기계식 전자식 |
과부하검출-도어닫힘불가-기동불가 | 과부하에 의한 카 슬립사고 방지 |
| 거짓콜소거 (false call cancel) |
100kg검출 | 행선등록수(5개이상)와 비교하여 장난 콜 소거 | 설정값 검출 | 기계식 전자식 |
행선버튼5개이상이고 적재부하 100kg이하를 검출 행선버튼 소거 | 불필요한 운전에 의한 에너지소비 방지 |
| 만원통과 (load weighing bypass) |
정격적재량의 80%이상 | 승장호출 통과(등록유지) | 설정값 검출 | 기계식 전자식 |
승장호출에 정지하지 않고 행선버튼 우선서비스 | 에너지절감, 대기시간 단축 |
| 부하보상기동 (load compensation start) |
카내 적재무게 측정 | 카와 CWT무게편차 보상전류 공급(roll back방지) | 적재무게 측정 | 기계식 전자식 |
카내 적재무게 측정 – 모터에 bias current 투입 | 롤백에 의한 스타트 쇼크 방지-승차감향상 |
| 군관리운행활용 | 카내 적재무게 측정 | 승강장 호출의 할당호기 할당 | 적재무게 측정 | 전자식 | 운행의 학습과정에 활용, 시간대별 운행패턴형성에 활용 | 군관리운행에 활용 |
| 로봇탑승(*) | 카내 적재무게 측정 | 로봇 탑승 가능 여부 송신 | 적재무게 측정 | 전자식 | 미리 설정된 적재하중에 따라 로봇 탑승 허용여부를 결정 | 카내 탑승 무게에 따라 로봇의 탑승여부를 결정 (단, 빈공간 검출 장치가 동반되어야 함) |
4. 부하측정장치의 문제점과 대책에 대한 고찰
앞서 정리한 타입별 부하측정장치에 대한 내용을 아래의 표처럼 주요사항에 대해서만 재정리하였다.
| 항목 | 리미트스위치 | 차동트랜스 | 로드셀 | 비고 |
| 검출방식 | 방진고무눌림 | 방진고무눌림 | 직접감지 | |
| 목적 | 과부하, 토크제어 | 토크제어 | 토크제어 | |
| 기계/전기식 | 기계식 | 전기식 | 전기식 | |
| 하중검출 | 단속적(30,50,80,110%등) | 연속적 | 연속적 | |
| 정확도 | 부정확 | 부정확 | 정확 | 방진고무 열화 |
| 설치위치 | 카바닥하부 | 카바닥하부 | 카바닥하부(또는 로프끝단) | |
| 조정위치 | 피트 | 피트 | 피트 | |
| 과부하감지 | 리미트스위치 | 리미트스위치 (또는 차동트랜스) |
리미트스위치 (또는 로드셀) |
과부하감지용 리미트스위치 활용 |
| 가격 | 저가 | 중가 | 고가 |
대표적으로 많이 적용되고 있는 리미트 스위치 타입은 방진고무의 눌림량을 이용하기 때문에 초기 설치시 세팅(조정)하고 이후 거의 대부분 조정을 하지 않기 때문에 시간이 갈수록 정밀도가 떨어져 수시로 조정을 해주어야 하나 실제로는 법의 규제가 없는 이유로 거의 조정을 해주지 않는다( 소영철 서울시의원 “열어주세요” 지하철 엘리베이터 멈춤·갇힘 올해 53건 | 서울Pn (seoul.co.kr) ). 그러다보니 실제 운행되는 엘리베이터의 과부하값은 부정확하다. 또한 대부분의 감지장치의 위치가 카하부에 위치함으로 조정시 전부하의 분동(부하)이 필요하고 피트에서 작업을 해야함으로 안전사고의 위험도 존재한다. 과부하 검출에 관련한 엘리베이터 안전기준은 “과부하는 정격하중의 10%(최소 75kg)를 초과하기 전에 검출되어야 한다”로 규정되어 있어 하한값이 규정되어 있지 않기 때문에 조정하지 않고 사용하고 있어 정격용량에 훨씬 못 미쳐 과부하가 감지되는 경우도 있는게 현실이다.
최근 엘리베이터와 로봇의 연동등의 기술개발은 활발히 전개되고 있는데 부하감지장치는 종래의 타입을 적용함으로써 로봇에서 필요한 카내 부하 정보를 정확히 전달할 수 없어 기술의 불평형성이 존재하고 있다. 이에 따라 엘리베이터의 부하감지장치는 ①조정이 용이한 위치에 있고 ②정확한 부하 검출이 가능한 ③경제적인 장치가 필요하게 되었다.
엘리베이터에 적합한 로드셀(또는 차동트랜스)을 활용하여 연속적이고 정확한 부하를 감지할 수 있는 경제적인(엘리베이터의 정격용량범위내에서만 검출) 장치로써 수리와 조정이 용이한 보다 안전한 위치에 설치되도록 하고 (카내, 카상부,기계실에 위치하고 카하부는 안전상 위치시키지 않음) 주기적인 부하값 수동조정을 피하기 위해서 자체적으로 0%와 100%를 캘리브레이션할 수 있는 로직을 가지도록 프로그램밍하여 설비가 시간에 지남에 따라 변형되는 값에 대한 보정을 하여 별도의 전부하(분동) 테스트를 할 필요가 없도록 개발할 필요가 있다. 이를 통해 전부하를 싣는 분동등을 통하지 않고도 자체적인 보정 프로세스를 통해 정확성을 확보하여 토크제어나 부분하중의 연속적 감지등을 실현하고 과부하방지장치의 위치를 카하부에서 카상부(또는 카내,기계실)로 위치를 변경함으로써 조정(교체)작업 필요시 작업에 대한 안전도를 향상시킬 수 있다. 정확한 부하감지를 통해 로봇등과의 연동에서 확실한 정보를 송출함으로 로봇을 활용한 활용성을 극대화 할 수 있어 엘리베이터의 효용성을 지금보다 더 높일수 있다. 그리고 전부하 시험 없이 자동 조정이 됨으로 엘리베이터 설치검사시 뿐만 아니라 정기검사시에도 과부하감지장치를 점검할 수 있어 지금보다 안전한 엘리베이터 시스템을 구현할 수 있다고 본다.
현재의 방진고무의 눌림량을 활용하는 리미트 스위치 타입으로 카하부에 장착되어 있는한 부하검출의 정확도와 안전의 확보는 먼 얘기가 된다. 로봇과 같은 다른 산업에서 정확한 카내 부하 정보를 받게 될 수 있도록 엘리베이터 산업계의 시급한 노력이 필요하다는 생각을 해본다.
P.S. 시장에서 구슬은 이미 준비되어 일부 적용은 하고 있지만 아직 꿰어지진 않았다.
주1) 산업안전보건법상 방호장치 안전인증 고시(고용노동부고시) [별표 2] 양중기 과부하방지장치 성능기준(제6조 관련)
| 번호 | 구 분 | 내 용 |
| 1 | 종류 | 과부하방지장치의 종류와 적용은 표 1의 규정에 따른다. <표 1> 과부하방지장치의 분류와 적용  |
| 2 | 일반 공통사항 | 일반 공통사항은 다음 각 목과 같이 한다. 가. 과부하방지장치 작동 시 경보음과 경보램프가 작동되어야 하며 양중기는 작동이 되지 않아야 한다. 다만, 크레인은 과부하 상태 해지를 위하여 권상된 만큼 권하시킬 수 있다. 나. 외함은 납봉인 또는 시건할 수 있는 구조이어야 한다. 다. 외함의 전선 접촉부분은 고무 등으로 밀폐되어 물과 먼지 등이 들어가지 않도록 한다. 라. 과부하방지장치와 타 방호장치는 기능에 서로 장애를 주지 않도록 부착할 수 있는 구조이어야 한다. 마. 방호장치의 기능을 제거 또는 정지할 때 양중기의 기능도 동시에 정지할 수 있는 구조이어야 한다. 바. 과부하방지장치는 별표 2의2 각 호의 시험 후 정격하중의 1.1배 권상 시 경보와 함께 권상동작이 정지되고 횡행과 주행동작이 불가능한 구조이어야 한다. 다만, 타워크레인은 정격하중의 1.05배 이내로 한다. 사. 과부하방지장치에는 정상동작상태의 녹색램프와 과부하 시 경고 표시를 할 수 있는 붉은색램프와 경보음을 발하는 장치 등을 갖추어야 하며, 양중기 운전자가 확인할 수 있는 위치에 설치해야 한다. |
| 전자식 및 전기식 과부하 방지장치 | ||
| 3 | 절연저항시험 | 5㏁ 이상이어야 한다. |
| 4 | 내전압시험 | 시험전압 인가 시 이상이 없어야 한다. |
| 5 | 무부하․부하동작시험 | 별표 2의2 제4호부터 순서대로 제7호까지 시험한 시료를 무부하․부하시험 시 이상이 없어야 한다. |
| 기계식 과부하방지장치 | ||
| 6 | 마이크로 스위치와 스프링류의 외관확인 | 가. 마이크로 스위치와 스프링 시트부분이 견고하게 부착될 수 있는 구조이어야 하고, 쉽게 접촉 파손되지 않아야 한다. 나. 마이크로 스위치는 KS제품 또는 이와 동등품 이상을 사용하여야 한다. 다. 스프링 재질과 경도는 KS B 2404(접시스프링), KS B 2403(냉간성형압축코일스프링), KS B 2402(열간성형코일스프링)에 따라 동등 이상이어야 한다. |
| 7 | 압축 영구 줄음률 시험 |
3％ 이내이어야 한다. |
주2)
참고자료 #1: 엘리베이터 - 전기적 안전장치 (tistory.com)
참고자료 #2: 엘리베이터 베이직 테크롤러지 (황수철, 성안당, 2021)
참고자료 #3: 크레인 과부하방지장치 종류, 작동원리 : 네이버 블로그 (naver.com)
2023.11.1.
(c) 칠보 (chillbo)