조선소에서 대부분의 용접은 수동 작업으로 이루어지고 있으므로 작업자마다 직접적으로 용접 흄이나 유해가스 등에 노출되기 쉬워 질병사고나 화재 폭발 등의 사고에 대한 대책이 필요하다. 산업현장에서의 안전사고 재해자는 감소하는 반면 화재 폭발 및 가스 누출사고로 인한 재해자는 감소하지 않고 있다. 화재폭발은 대부분 밀폐된 선체 블록 내부에서 용접작업 중 가연성 가스의 누출로 인해 발생하지만, 화재폭발이 생기지 않더라도 산소결핍으로 질식사하는 경우도 발생하며 이 외에도 각종 위험요소들이 산재해 있다[1]. 그러므로 위험환경에서의 계속적인 용접 작업을 사전에 감시하고 진단함으로써 재해율을 낮출 수 있는 안전관리 시스템 개발이 절실하다. 현재는 작업장의 위험 유무는 가스 센서를 통해 작업자만 위험을 감지할 수 있는 수준으로 작업자가 작업 도중에 산소부족 및 유해가스 과다 노출, 화재위험 등을 인식하기란 매우 어려운 실정이다. 따라서 작업장 전체의 상황을 원격 모니터링할 수 있는 안전관리 시스템이 필요하고, 이러한 원격 안전관리 시스템의 운영을 위해서는 통신 네트워크 구축이 필수적이다[2].

전력선은 안정적인 전력공급을 위하여 유지 보수가 가장 잘되고 있는 전력설비로써 현존하는 가장 광범위한 네트워크 인프라이며, 제3의 라인을 이용한 전력선 통신 기술을 활용하면 가장 저렴한 가격으로 가장 효과적으로 사용자에게 네트워크 접속을 보장할 수 있다. 전력회사를 중심으로 원격검침 및 전력부가서비스에 대한 수요가 커지고 있어 전력선 통신 기술 개발에 국내외의 많은 전력회사에 의한 직간접적인 대규모 투자가 이루어지고 있다. 또한 전 세계의 전력회사들은 전력선 통신기술을 이용하여 새로운 비즈니스를 창출하기 위한 다양한 서비스 개발과 함께 새로운 전력선 통신 시장의 부상을 기대한다. 무배선 통신 기술은 유비쿼터스 시대를 앞당기는데 큰 역할을 할 것이므로 잠재성이 높게 평가되고 있으며, 기존 전력선을 사용하므로 사용의 용이성 및 저비용성과 같은 사용자 니즈를 충족시킬 수 있다[3][4]. 무배선 통신 기술에서 통신장치는 Qualcomm사와 Marvell사에서 전력선 모뎀 200 Mbps급 칩개발하여 전 세계적으로 사용하고 있으며 국내에도 보급되어 있다. 통합 모뎀은 Toshiba에서 60 Mbps급 모뎀을 이용하여 육상용으로 개발하였다[5].

본 연구에서는 무배선 통신을 기반으로 하는 조선소 통신 네트워크 구축을 위하여 블록 조립용 아크 용접기 선로의 잡음 특성과 통신 성능을 조사하였다. 기존의 용접선로에 물리적 훼손 없이 사용할 수 있는 비접촉식 유도성 결합기를 제작하였다. 결합기를 높은 전류 조건에서도 사용할 수 있는 방법으로 결합기간 공기간극을 두는 방법을 시험하였다. 200A 전류조건하에서 통신 속도를 측정하였고 실시간 열화상이미지 전송 시험도 수행하였다.

조선소에서 사용하는 대전류 용접기에 연결된 용접선을 광대역 전력선 통신 채널로 사용할 수 있는지 확인하기 위하여 선로 잡음을 측정하였다. 선박 블록 제조용 용접기는 Figure 9와 같이 600 A급 아크 용접기다. 이 용접기를 대상으로 실제 용접 중 용접선로에 흐르는 전류는 최대 200 A정도임을 클램프미터를 이용하여 확인하였다. 작업현장에 있는 용접선로의 잡음특성은 RF 스펙트럼 분석기(ZVH4, Rohde & Schwarz)를 사용하여 측정하였으며 결과는 Figure 10과 같다. 용접작업이 수행되지 않으면 선로에 흐르는 전류는 없다. 이때 측정한 잡음 수준은 5 MHz 이하의 저주파 영역에서 높게 나타나며 5 MHz 이상의 주파수에서는 –80 dBm 정도를 보인다. 그러나 용접 중일 경우 선로에 흐르는 전류는 200A 부근이다. 이 경우 선로 잡음은 5-20 MHz 주파수 영역에서 20 dBm이상 높아진다. 이로 인해 광대역 전력선 통신 주파수 대역(2-30 MHz)에서 신호 대 잡음비가 낮아져 통신 속도가 저하됨을 예측할 수 있다. 그러나 200A 조건에서도 잡음 수준은 –50 dBm을 유지하므로 용접선을 이용한 광대역 전력선 통신이 가능함을 알 수 있다.

Figure 9: 
600 A class arc welding machine for shipbuilding

Figure 10: 
Noise spectra of shipyard welding line

조선소 현장에서 용접선로의 전력선 통신성능을 측정하기 위하여 H 중공업에서 Figure 11과 같은 시스템 구성도로 현장 실험을 진행하였다. 용접기 본체와 용접기 사이의 용접 선로 길이는 약 30 m로 비교적 짧았다. 이에 통신 거리를 늘리기 위한 방편으로 용접기 본체와 변압기에 연결된 접지선을 통신선으로 추가하여 50 m의 통신채널 길이를 확보하였다. 유도형 신호결합기와 전력선 모뎀 및 모니터링 PC는 변압기와 용접기 본체 사이에 한 세트를 설치하였고 나머지 한 세트는 용접기와 용접기 본체에 설치하였다. 이는 현장에 있는 용접선을 그대로 이용하는 전형적인 무배선 통신을 위한 전력선 통신망이 된다. 일반적으로 전력선 통신에서 통신선로 중간에 다양한 분기가 있거나 분전함 또는 변압기가 위치할 경우 이는 통신을 방해하는 주요원인이 된다[10]. 그러나 본 연구에서 사용한 아크 용접기 본체는 Figure 9와 같이 용접선로 사이에 위치함에도 불구하고 원활한 통신이 수행되었으며 실험결과는 Table 1과 같다. 이는 아크 용접기 내부의 전기적인 특성이 전력선 통신 채널에 미치는 영향이 크지 않음을 보여줌으로서 조선소에 용접선로를 이용한 전력선 통신이 효과적임을 알 수 있다. 용접전인 경우 용접선에 흐르는 전류는 0 A 이므로 결합기간 공기간극이 없는 조건에서 통신 속도는 44.4 ~ 45.1 Mbps로 측정되었다. 용접 작업 중에는 용접선로에 약 205 A의 전류가 흘렀으나 공기간격이 없는 결합기 조건에서는 데이터전송이 이루어지지 않았다. 결합기간 공기간극은 자심재료의 투자율을 감소시키므로 포화 전류를 높이는 효과가 있으므로 대전류하에서 안정적인 통신 속도를 보장하기 위해 적당한 공기간극이 필요하다. 공기간극을 1375 μm 로 유지시킨 경우 205 A 용접선로 전류환경에서 측정된 통신 속도는 4 Mbps 부근으로 측정되어 실질적인 개선효과가 있음을 보여주었다.

Figure 11: 
Experimental setup for measuring the welding line communication performance

통신 성능을 확인하는 또 다른 방법으로 송신단에 열화상 카메라를 설치하고 실시간 영상을 수신단으로 전송하는 실험을 진행하였다. 용접 작업 전과 작업 중으로 나누어 실험을 진행한 결과 용접에 상관없이 모두 실시간으로 영상이 전송됨을 Figure 12와 같이 확인할 수 있었다. 이는 실제 해양 플랜트 또는 조선소 작업장에서 용접기의 용접선로를 이용한 무배선 통신 네트워크 구축한다면 각각의 센서 정보나 CCTV의 영상 이미지 정보를 서버나 관제소로 실시간 서비스 할 수 있음을 확인시켜준다.

Figure 12: 
Thermal image transfer test using welding line

본 연구에서는 조선소 및 해양플랜트 작업장의 안전모니터링 시스템을 위한 전력선 통신의 인프라로 용접기의 용접선로 적용 가능성을 조사하였다. 선로 잡음특성은 주로 5 MHz 이하의 저주파 영역에 집중되어 있으며 광대역 전력선 통신 대역인 5-30 MHz 영역은 전류가 흐르지 않는 조건에서 –80 dBm 이하의 잡음 수준을 보였다. 실험에 사용한 아크 용접기는 최대 600A 정도의 대전류를 발생하는 것으로 이에 적합한 페라이트 코어 5개를 적층하여 비접촉식 유도형 결합기로 개발하였다. 실험실 환경에서 통신성능 시험결과는 500 A 전류 조건에서 공기간극 조정으로 최대 5 Mbps의 통신 속도를 보장할 수 있었다. 조선소 용접기의 실제 용접 중에는 평균 205 A 전류가 흘렀고 용접선로 길이 50 m 조건에서 4 Mbps이상의 안정적인 통신 속도를 보였다. 따라서 통신 인프라 구축이 쉽지 않은 조선소 작업장에 용접선로만 있다면 추가적인 통신채널을 확보하지 않더라도 통신시스템을 구축할 수 있다. 본 연구의 결과가 작업환경이 열악하지만 안전 모니터링 시스템 구축이 용이하지 않는 조선소 등에 용접선로가 통신채널로서 좋은 대안이 될 수 있기를 기대한다.