2005년 12월부터 국제해사기구(IMO)에서 e-navi-gation을 추진하였다. e-navigation의 핵심은 해상통신기술이다. 2011년부터 한국통신(KT) 위성사업단에서는 선박이동통신(MVSAT System)을 통해 인터넷, 전화, 팩스를 지원하는 사업을 수행하고 있다. 선박에서 인터넷이 가능함에 따라 인터넷을 이용한 각종 항해장치의 원격 유지보수, 엔진을 비롯한 선박내의 항해장치 상태를 통합관리하고 육상의 해운사, 선박관리업체들의 실시간 모니터링과 효율적인 선박의 유지보수가 가능하게 되었다. 또 선박에 유무선 통합 시스템을 갖춤으로써 지금까지 선박 내 80km에 달하는 유선케이블도 50~75%가량 절감할 수 있게 되어있다[1].

이런 추세에 따라 선박 내 안전 관리 시스템들도 원격으로 실시간 모니터링과 유지보수가 가능하도록 장치가 개선되어야 한다. 또한, 선박의 중추기관인 메인엔진의 상태를 파악하기 위한 기기들이 선박에 기본적으로 설치되어 있지 않기 때문에 이를 점검하기 위해 별도로 모니터링 장치들을 외부에서 연결하여 사용하고 있다[2].

피스톤 운동을 하는 디젤기관은 그 작동원리상 압축과 팽창과정 등에서 실린더 내의 압력이 심하게 변동하기 때문에 크랭크축에서 발생하는 토크가 변동하게 된다. 토크의 변동은 기관회전속도의 변동으로 이어지고 비틀림 진동 등을 야기하기 때문에 기관의 안정적인 운전에도 영향을 미치게 된다[3]. 따라서 선박엔진의 실린더 내 압력을 실시간으로 측정하는 것은 물론 엔진 실린더 간의 측정된 압력을 비교∙분석함으로써 실린더내의 연소상태와 피스톤의 상태 및 축계의 토크 불평형력 등을 진단할 수 있는 엔진성능분석기가 절실히 필요하며[4], 동시에 이러한 장치는 현장이나 원거리에 있는 제어실의 PC에서 모니터링이 가능하도록 설계되어야 한다.

기존의 엔진성능분석기로는 MAN B&W에서 개발한 PMI(Pressure measurements and instruments) 시스템이 있다. 이는 압력분석기, TDC 결정, 크랭크샤프트에 가해지는 비틀림 변위 측정 및 실린더라이너 온도, 배기가스 온도, 연료펌프 마모, 연료밸브 손상 등의 진단과 엔진 AMS(Alarm monitoring system)까지 수행하는 EDS(Engine diagnostics sys-tem) 소프트웨어를 갖추고 있다.

국내에서 개발된 제품으로는 ㈜펜타텍에서 개발한 MIP 시리즈가 있다. 이 장비는 수동으로 각 실린더의 압력을 체크하여 간단한 그래프로 보여주고, 장비에 저장된 데이터를 PC로 다운받아 관리하는 장비로서 각 실린더의 연소 압력을 순차적으로 측정하기 위하여 작업자가 직접 측정기를 순서대로 연결하여야 하고, 불평형력을 분석하기 위해 PC로 다시 전송하는 불편함이 있다. 또한 순차적 수동 계측으로 인해 전 기통이 엔진 1 행정이내에 동시에 측정할 수 없다.

선박이 안전성과 신뢰성을 가지면서 효율적인 운용을 하기 위해서는 선박의 조종과 제어에 관한 통합 정보 시스템이 표준화되어야 하고, 아울러 엔진, 전자장비, 화물칸 및 사람의 위치 등을 감시하는 통합 AMS(Alarm monitoring system)의 구축이 먼저 마련되어야 한다[5].

본 논문에서는 선내 제어실에서 뿐만 아니라 Web에서도 고속의 선박엔진성능분석용 실린더 내의 압력 모니터링이 가능한 시스템을 구현하고자 한다. 이를 위해서는 압력센서, 다채널 A/D 변환기가 내장된 컨트롤러를 이용한 감시모듈, 무선인터넷을 이용한 Web 통신시스템 등의 구현이 필요하다.

Figure 7은 시뮬레이터에서 나오는 압력선도 및 TDC 파형으로서 주 엔진의 속도가 비교적 고속의 상태인 100, 300rpm별로 측정한 것이다.

Figure 7: 
Output waveforms of simulator (ch1:TDC point pulse / ch3 : pressure waveforms, 200ms/div)

4개의 채널을 가진 오실로스코프에서 시뮬레이터의 6개의 압력선도 중 3개의 파형을 중첩시켜서 표현하였고, 아래에 있는 파형은 피스톤의 상사점을 나타내는 TDC 펄스를 나타내며, 이 압력선도가 계측 감시모듈에서 데이터로 변환되어 모니터링 PC로 전송된다.

Figure 8(a)는 제어실 컴퓨터에서 모니터링하고 있는 화면이다. 6개의 실린더내의 압력이 시뮬레이터로부터 출력되어 감시모듈에서 통신 프로그램에 의해 제어실의 모니터링 컴퓨터로 전송된다.

Figure 8: 
Monitor screen

압력선도 아래에 있는 그래프 및 데이터들은 본 논문에서는 제대로 구현하지 못한 실린더별 압력 값, 마력, 실린더별 부하량 등의 진단용 자료로 향후에 연구해야 할 몫이지만 본 논문에서는 임의의 값으로 표시하였다.

Figure 8(b)는 Web 상에서 모니터링하고 있는 화면이다. 화면 좌측 상단에 웹 브라우즈를 표시하고 있으며, 압력선도 아래에 있는 그래프 및 데이터들은 Figure 8에서와 같이 임의의 값을 표시하고 있다.

Figure 9은 각 실린더내의 압력이 평형하지 못할 경우에 경보가 발생하는 화면이다. 화면에서 진한 선은 레퍼런스 가이드(Reference guide)로서 운영자의 설정에 따라 퍼센트(±x%)로 설정하며, 입력된 데이터가 레퍼런스 가이드를 벗어난 우측 화면의 경우에는 경보를 알려준다.

Figure 9: 
Simple alarm screen

본 논문에서는 선내 제어실 및 Web에서 고속의 모니터링이 가능한 선박엔진성능분석용 압력 모니터링시스템을 제작하고 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 피스톤 1 행정시간이 200msec(엔진속도가 최대 300rpm)일 때 6개의 실린더내의 압력측정이 Web 상에서도 가능함을 확인하였다. 따라서 실린더 수가 20개 이상인 선박에서도 엔진속도 200rpm 전후에서 실시간 모니터링이 가능할 것으로 사료된다.

2) 수동식에 비해 본 논문에서 제작한 모니터링시스템은 전 실린더의 TDC 점을 실시간으로 정확히 계측하는 것이 가능할 뿐만 아니라 각 TDC에 동기 되는 각 실린더 내의 압력 측정이 가능하여 선박엔진성능분석의 정밀도를 높일 수 있다.

3) 본 논문에서 제작한 PMS는 저가형 국산화 개발에 목표를 둔 것이지만, 향후에는 선박엔진진단 알고리즘을 추가하여 실린더의 최대압력(Pmax)과 TDC 편차 및 연소상태 등의 엔진에 대한 다양한 진단이 부가된 모니터링시스템의 개발이 필요할 것으로 사료된다.