1. 서 론
2. HILS 시스템 구성
3. 크레인 동역학 해석 모델 및 인터페이스 개발
3.1 크레인 동역학 해석 모델 개발
3.2 HILS 인터페이스 개발
4. HILS를 통한 크레인용 안전장치 성능 검증
5. 결 론
1. 서 론
크레인의 전도 사고는 작업자의 중상해 및 사망, 재산 피해, 그리고 공사 현장의 생산성 저하 등 중대한 재해를 유발하며, 단순한 인적·물적 피해를 넘어 심각한 사회‧경제적 손실을 초래한다.
건설공사 안전관리 종합정보망(Construction Safety Management Integrated Information)(1)에 따르면, 이러한 전도 사고의 주요 원인은 작업자의 부주의, 지반 침하, 과부하 인양 작업 등으로 보고되었다. 이러한 사고를 예방하기 위해 작업자 안전 교육, 현장 관리자의 감독 강화, 안전 기준의 정비, 그리고 안전장치의 확대 적용(2,3) 등 다양한 대책이 시행되고 있다. 이 가운데 작업자의 과부하 인양 작업으로 인한 전도 사고를 방지하기 위한 수단으로 크레인의 소유주가 크레인용 안전장치인 과부하 방지 장치(AML, Auto Moment Limit)를 별도로 설치하여 운용하는 사례가 증가하고 있다.
일반적으로 크레인의 인양 작업에서 전도 방지는 크레인의 경사 상태, 붐의 길이 및 각도 등 다양한 작업 조건을 반영하여 판단되어야 하며, 이를 토대로 정격 인양 용량(허용 인양 하중)을 통해 안전율이 산정되어야 한다. 그러나 현장에서 별도로 장착되는 안전장치는 크레인 제작사의 데이터시트에 제시된 제한적인 정보를 기반으로 설정되므로 실제 작업 조건이 충분히 반영되지 않는다. 따라서 이러한 크레인용 안전장치가 실제 전도 방지 성능에 적절하게 작동하는지를 검증하기 위한 체계적인 평가 절차가 필요하다. 특히 과부하 방지 장치의 정확한 정격 인양 용량(허용 하중)을 산정하기 위해서는 크레인의 경사도, 붐 기복 각도 등 실제 운용 상태를 반영한 데이터가 확보되어야 한다. 그러나 이러한 상태 정보를 실제 크레인을 대상으로 반복적인 실험을 통해 체계적으로 구축하는 것에는 제약이 따른다. 그러므로 실제 크레인의 거동을 모사할 수 있는 동역학 모델을 개발하고, 이를 활용하여 크레인용 안전장치의 성능을 정량적으로 평가하는 HILS(Hardware-in-the-loop simulation) 시스템의 적용이 요구된다.
크레인용 안전 기술의 검증을 위한 HILS 시스템을 적용한 선행 연구는 다음과 같이 요약할 수 있다. Wahyudi와 Jalani(4)는 지능형 갠트리 크레인 시스템의 위치 제어 및 흔들림 억제 성능을 HILS 환경에서 평가하여, 퍼지 제어 기반 시스템의 우수한 성능과 강건성을 검증하였다. Michna(5) 등은 타워크레인 구동계를 대상으로 기계 레벨 HIL 방법론을 제안하여, 실제 구조물이 완성되기 전 단계에서 구동부의 부하 토크와 운전 조건을 실시간으로 모사함으로써 구동계 성능을 검증하였다. 또한 Yoon(6)등은 이동식 크레인의 전도 방지 모니터링 시스템을 위해 ZMP 기반 동적 시뮬레이터와 실제 계측 시스템을 결합한 시험체계를 구축하여 현장 적용 가능성을 확인하였다. Noh(7) 등은 이동식 화물크레인용 경제형 AML(eAML)을 제안하여, 기존 AML에서 일반적으로 요구되는 붐 길이 센서와 로드셀 없이도 수학적 모델 기반으로 실시간 과부하를 검출 및 제어할 수 있음을 보였다. 최근에는 Ku(8) 등이 실험실 시뮬레이션, HIL 시험, 현장 실증을 연계한 로봇 타워크레인 검증 체계를 제시함으로써, 크레인 안전기술의 검증이 시뮬레이션 중심 단계에서 실시간 HIL 및 현장 적용 단계로 확장되고 있음을 보여주었다.
그러나 이러한 연구들은 주로 크레인의 기구학적인 작업 시스템 해석, 제어기, 또는 전도 모니터링 시스템에 초점을 두고 있으며, 과부하 방지 장치와 같은 크레인용 안전장치 자체의 성능을 실제 운용 조건을 반영한 HILS 환경에서 정량적으로 평가한 연구는 상대적으로 부족하다. 따라서 실제 크레인의 동적 거동을 모사할 수 있는 동역학 모델과 크레인용 안전장치를 통합한 HILS 기반 평가 체계를 구축하고, 이를 통해 과부하 방지 장치의 인양 제한 성능과 전도 방지 적합성을 검증하는 연구가 필요하다.
본 연구에서는 크레인용 안전장치의 성능을 실험실 환경에서 평가할 수 있도록 실제 크레인의 동역학 해석 모델을 구성하고, 이를 안전장치와 실시간으로 연동하는 HILS 시스템을 구축하였다. 이를 통해 동역학 해석 모델을 통해서 크레인용 안전장치의 정격 인양 하중이 크레인 제작사에서 제시한 성능 기준에 적합한지를 시험적으로 검증하였다.
2. HILS 시스템 구성
HILS 시스템은 크레인의 동역학 해석 모델과 크레인용 안전장치(AML)의 실시간 연동을 위해 Host PC, Target PC, 그리고 크레인용 안전장치로 구성된다. Host PC는 사용자 명령을 해석 모델에 입력하고 실시간 시뮬레이션 결과를 모니터링한다. Target PC는 크레인 동역학 해석 모델의 실시간 해석을 수행하며, 해석 결과를 크레인용 안전장치와 연동 가능한 물리적인 신호로 변환한다. 특히, Target PC에서는 RecurDyn과 VeriStand를 연동하여 co-simulation을 수행하고, 크레인 붐의 길이, 붐 기복 각도, 및 훅 하중에 대한 해석 결과를 크레인용 안전장치에 입력 가능한 아날로그 신호로 변환한다. Fig. 1은 이러한 HILS 시스템을 나타낸 것이다.
HILS 시스템을 통해 성능을 검증하기 위한 크레인용 안전장치는 Fig. 2와 같으며 붐의 길이, 붐 기복 각도, 및 훅 하중 등의 정보를 입력받아 크레인의 정격 인양 하중을 산출하며 허용 하중을 초과하는 경우 비상 알람을 통해 작업자에게 과부하 상태를 경고한다.
3. 크레인 동역학 해석 모델 및 인터페이스 개발
3.1 크레인 동역학 해석 모델 개발
크레인 동역학 해석 모델은 30톤급 험지용 크레인(rough-terrain crane)을 대상으로 개발하였다. 험지용 크레인은 좁고 열악한 작업 환경에서 단일 운전석을 통해 주행과 인양 작업을 모두 수행할 수 있는 중소형 크레인이다.
본 해석 모델은 크레인의 작업 조건을 재현하는 것을 목적으로 하므로, 유압 시스템과 동력전달계는 단순화하여 모델링하였고, 크레인의 거동에 직접적인 영향을 미치는 텔레스코픽 실린더, 붐 데릭 실린더, 및 상부 선회부는 강체-조인트 기반으로 모델링하였다. 특히, 텔레스코픽 실린더와 붐 데릭 실린더에 의해 붐 길이와 기복 각도가 조정되도록 구성하였으며, 상부체의 회전이 가능하도록 선회부에는 회전 조인트를 적용하였다. 다만, 본 연구에서는 크레인의 거동만을 고려하였기 때문에 아웃트리거는 최대로 인출된 상태에서 지면에 고정된 것으로 가정하고 지반 침하는 고려하지 않았다. 또한, 크레인의 하중 조건은 정적 상태를 가정하여 모델을 구성하였다. 크레인 해석 모델의 외형도와 주요 사양은 각각 Fig. 3 및 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Specifications of a 30-ton-class rough-terrain crane
| Parameters |
Gross vehicle weight (kg) |
Overall length (mm) |
Overall width (mm) |
Overall height (mm) |
| Value | 27,190 | 11,245 | 2,620 | 3,535 |
3.2 HILS 인터페이스 개발
Host PC의 제어 명령은 이더넷 통신을 통해 텔레스코픽 실린더 및 기복 실린더의 속도, 상부체의 선회 각속도 그리고 붐 끝단의 인양 하중이 입력되도록 구성하였다. 이 입력값은 해석 모델을 통해 붐 길이, 붐 기복 각도, 상부체 선회 각도, 그리고 훅 하중으로 변환되어 크레인용 안전장치에 입력된다. 이러한 HILS 인터페이스 구성은 Fig. 4에 나타내었으며, 제어 명령의 수치는 Table 2에 정리하였다.
4. HILS를 통한 크레인용 안전장치 성능 검증
크레인용 안전장치는 크레인의 안전한 작업을 위해 제작사에서 제시한 정격 인양 용량을 적절하게 반영하고 있는지 검증하는 과정이 필요하다. 따라서 크레인 제작사에서 제시한 작업 반경별 정격 인양 용량과 안전장치에서 산출된 정격 인양 용량을 Table 3의 시험 조건에 따라 비교하고, 두 값 간의 평균 오차를 통해 안전장치의 성능을 평가하였다. 특히 붐 길이는 제작사 데이터시트를 기준으로 최소 9.7 m에서 최대 31.0 m까지 4단계로 설정하였으며, 붐 기복 각도는 작업 반경에 따른 정격 인양 용량의 임계 구간이 시험 범위에 포함되도록 설정하였다.
Table 3.
Input conditions for the AML
| No. | Boom length (m) | Boom angle (deg) |
| 1 | 9.7 | 18-60 |
| 2 | 16.8 | 15-75 |
| 3 | 24.4 | 25-80 |
| 4 | 31.0 | 25-80 |
제작사에서 제시한 정격 인양 용량과 크레인용 안전장치에서 산출된 정격 인양 용량을 비교한 결과는 Fig. 5와 같으며, 각 붐 길이에 대한 평균 오차를 산출한 결과는 Fig. 6과 같다.
붐 길이가 최소 인입 위치인 9.7 m 인 경우, 두 정격 인양 용량 간의 평균 오차는 0.15%로 매우 작게 나타났다. 반면, 붐 길이가 증가함에 따라 평균 오차가 증가하는 경향을 보였으며, 최대 인출 위치인 31 m에서는 평균 오차가 19.64% 까지 증가하였다. 이러한 오차는 안전장치에 적용된 정격 인양 용량 산출 알고리즘이 크레인의 작업 조건에 따른 제작사 데이터를 충분히 반영하지 못하기 때문에 발생한 것으로 판단된다. 특히 최대 붐 인출 조건에서 안전장치가 제작사에서 제시한 정격 인양 용량보다 높은 인양 하중을 허용하고 있으며, 이는 크레인의 전도에 대한 안전 여유를 감소시키는 요인으로 작용한다. 따라서 크레인용 안전장치의 정격 인양 용량 산출 과정에서 추가적인 설계 안전계수를 적용하여 전도 안전성을 향상시키는 것이 필요하다.
설계 안전계수를 안전장치의 알고리즘에 용이하게 적용하기 위해 제작사에서 제시한 정격 인양 용량 데이터를 회귀식으로 근사하여 식 (1)과 같이 나타내었다. 여기서 는 작업 반경()에 대한 정격 인양 하중, 는 안전계수, 는 정격 인양 용량의 회귀 계수 행렬, 그리고 는 작업 반경에 대한 상태벡터를 의미한다.
where,
KS B ISO 10245-2(9)에서는 정격 허용 용량의 90% 이상에 도달한 경우 경고하도록 규정하고 있다. 따라서 정격 용량의 90%를 위험 경고 기준으로 설정하고, 이에 해당하는 10%의 설계 안전 계수를 식 (1)에 적용하여 크레인용 안전장치의 정격 인양 용량 곡선을 Fig. 7과 같이 제시하였다. 한편, 붐 길이는 작업 조건에 따라 연속적으로 변화하므로 각 붐 길이에 대한 정격 인양 하중 곡선을 보간하여 Fig. 8과 같이 허용하중 곡면으로 나타내었다.
보간된 허용하중 곡면은 붐 길이와 작업 반경에 따른 허용하중의 기준을 나타내며, 해당 곡면 이하의 영역은 크레인이 안전하게 작업할 수 있는 허용 범위를 의미한다.
5. 결 론
본 연구에서는 30톤급 험지용 크레인의 동역학 해석 모델을 개발하고, 이를 크레인용 안전장치와 연동함으로써 전도 안전성 평가가 가능한 HILS 환경을 구축하였다. 또한 가상의 크레인 거동 조건에서 크레인용 안전장치의 정격 인양 용량이 적절하게 산정되었는지를 검토하였다.
시험 결과, 크레인용 안전장치의 작업 반경별 정격 인양 용량은 제작사가 제시한 수치와 차이를 보였으며, 특히 일부 조건에서는 오차가 크게 증가하는 경향을 확인하였다. 이를 보완하기 위해 회귀식을 제안하고 안전계수를 적용한 허용 하중 산정 방안을 제시하였다. 또한 붐 길이별 정격 인양 용량을 보간하여 붐 길이와 작업 반경에 따른 연속적인 허용하중 곡면으로 나타내어 크레인의 안전 작업 영역을 제시하였다.
향후 연구에서는 구축된 크레인 모델을 활용하여 지반 상태, 경사도 변화 및 인양 하중의 동적 변화에 따른 무게중심 위치의 변화를 분석하고, 이를 바탕으로 전도 안전성을 평가하기 위한 절차를 마련하고자 한다. 특히 개발된 HILS 시스템은 다양한 용량의 크레인에 대한 안전장치 성능 평가에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
