기술 시설에서 자율 이동식 검사 로봇을 이용한 가스 누출의 원격 위치 탐지

산업 시설에서의 가스 누출 참지는 위험할 뿐만 아니라 시간 소모적일 수 있습니다. 또한 인간의 실수와 주관이 개입될 여지가 있습니다. 보다 안전하고 효율적이고 믿을 수 있는 탐지 솔루션을 제공하기 위해 RoboGasInspector (가스 검사 로봇)이란 아이디어가 착상되었습니다. 원격 가스 누출 위치 탐지를 위한 이 혁신적인 로봇 시스템은 여러 도길 기업들과 연구소들이 합작하여 개발한 것으로, FLIR GF320 광학 가스 화상 (OGI) 카메라를 이용하고 있습니다.

독일 기술 프로그램 AUTONOMIK의 일환으로, 9 개 기업들과 연구소들로 이루어진 컨소시엄이 대형 산업 시설에서의 가스 누출 위치 탐지를 목적으로 자율 이동식 로봇의 프로토타입을 개발했습니다. 이 컨소시엄은 위험 구역에 바로 접근하지 않고도, 즉 인간이 개입하지 않고도 산업 시설의 검사 작업을 수행할 수 있는 시스템을 내놓았습니다. 이 로봇은 시설에 대한 일상적인 검사에 사용할 수도 있고, 특정 시스템 부분에 대한 표적 검사에 사용할 수도 있습니다. 이 시스템의 독립 이동능력은 여러 가지 내비게이션 센서들과 언제든 원격조정을 통해 인간이 개입할 수 있는 옵션으로 이루어져 있습니다. 또한 이 시스템에는 비디오와 광학 가스 원격측정 기술이 탑재돼 있어서, 이전에는 접근 제한으로 검사하기 어려웠던 시스템 부분들까지도 검사할 수 있습니다.

최신 계측 자동화 기술과 로봇공학을 최대한 활용하고 있는 혁신적인 모니터링 공정들의 발달로 인해 검사의 신뢰성, 효율성, 비용효과성의 개선이 전망됩니다. 동시에 이것은 단조롭고 시간 소모적이며 노동집약적인 작업으로부터 기술 인력을 해방시켜줍니다.

이것은 Andreas Kroll 박사와 카셀 대학 기계공학과 Ludger Schmidt 박사가 이끄는 연구협력 프로젝트의 출발점이었고, 연방경제기술부로부터 240만 유로의 보조금을 받았습니다.

“이 프로젝트의 목적은 원격 가스 계측 기술과 로컬 지능을 탑재한 검사 로봇으로 혁신적인 인간-기계 시스템을 개발, 검사하는데 있었다.” 라고 카셀 대학의 계측제어공학부 Andreas Kroll 박사는 말합니다. “가스 누출 위치 탐지는 이동식 로봇이 주로 독립적으로 수행해야 한다. 이 과정에서 이동식 로봇은 측정한 데이터를 분석하고 그 검사를 기록으로 남겨야 한다.”

안전과 효율

산업 플랜트 사업자들 (예: 화학 플랜트, 가스 압축 스테이션)은 직원과 생산 시설의 안전을 최우선순위로 삼고 있습니다.

유독성 가스나 폭발성 가스를 사용하는 곳에서는 최대한 주의를 기울이는 것이 절대적으로 중요합니다. 그렇기에 화학산업과 바이오가스 시설, 가스 공급자에게 엄격한 검사 규칙이 적용되는 것입니다. 대개의 경우 예방적 검사 프로그램에는 매일 시간 소모적인 일상 검사 절차를 수행할 인력이 필요합니다.

이 정규 검사에서 인력은 시스템이 제대로 기능하고 있는 점검하는데, 대개의 경우 계측 기술 활용 없이 직관과 경험에 의존합니다.

Andreas Kroll 교수와 Ludger Schmitt 교수의 경우, 이 새로운 시스템의 최우선 요건은 위험요소 없는 자동화된 검사와 모니터링이어야 한다는 것과 문제에 독립적으로 대처할 수 있어야 한다는 것이었습니다.
반복 점검 같은 일상 절차에서는 부주의로 인해 무심코 잠재적 위험 원인을 간과하게 될 가능성이 있습니다.

따라서 혁신적인 검사 기술의 개발과 그 기술 시스템 관리에 인간 조작자를 탄력적으로 운용하는데 초점을 맞춘다면, 경제학적으로도 타당할 뿐만 아니라 반복적인 일상 작업으로부터 인간을 해방시켜 다양한 검사 작업으로 그 범위를 확대할 수 있습니다.

첫 번째 시연

RoboGasInspector 는 카셀 대학의 한 강당에서 처음으로 시연되었습니다. 이 로봇은 검사 절차를 독립적으로 완수했고, 그 공정에 있는 장애물과 경사로를 성공적으로 극복해냈습니다.

지정된 검사 장소에서 이것은 여러 다양한 파이프라인들을 검사했고 메탄 누출을 찾아냈습니다. 다음 몇 달 동안 이 성공은 실험 조건 하에서 수 제곱 킬로미터에 달하는 대규모 산업 시설들로 확대되었습니다. 바람과 태양광 같은 환경 요소들과 시스템 작동에서 비롯되는 교란 요소들도 넣었습니다.

RoboGasInspector의 드라이브 시스템과 내비게이션

RoboGasInspector는 세 개 모듈로 이루어져 있습니다. 체인 구동 모바일 플랫폼과 내비게이션 모듈, 그리고 FLIR GF320 광학 가스 화상 (OGI) 카메라가 구현된 독립 모듈이 그것입니다. 체인 구동 플랫폼에는 전기 드라이브와 종래의 배터리들이 탑재돼 있습니다.

내비게이션 모듈은 2D 레이저 스캐너(앞과 뒤, 특히 건물 내 내비게이션에 중요)와 실외 방향감각을 위한 GPS로 구성됩니다. 검사할 구역을 디지털 지도와 계속 비교하기 때문에 체인 구동 RoboGasInspector가 자신의 위치를 언제나 확인할 수 있습니다. 장애물과 차단 구역 (예: 폭발구역)을 이 지도에 적어 넣을 수도 있습니다. “2D 레이저 스캐너 덕분에, RoboGasInspector는 주차된 차, 팔레트, 배럴 등과 같은 예상치 못한 물체들을 피할 수 있다.”라고 Kroll 교수는 말합니다. “여기에는 사람도 포함된다. RoboGasInspector가 장애물을 만나면, 그 주변을 빙 둘러 이동하거나 경로가 다시 확보될 때까지 멈춘다.”

검사 모듈

검사 모듈은 원격 메탄 누출 디텍터 (RMLD, Remote Methane Leak Detector) 같은 여러 도량 계기들이 하나의 팬-틸트 장치에 병합되어 있으며, TDLAS (Turnable Diode Absorption Spectroscopy) 계기를 기반으로 하고 있습니다. 이것은 적외선 레이저를 이용해 작동합니다. 레이저 빔이 표면에 부딪치면 반사되면서,그것의 잔류 세기가 측정됩니다. 또한, FLIR GF320 열 화상 카메라가 이 검사 모듈에 탑재되어 가스를 시각화하고 있습니다.

RoboGasInspector 자체가 위험이 되지 않게 하기 위해, 폭발 하한 (LEL, lower explosion limit)의 10%부터 전체 시스템을 정지시켜 인화성 대기에 생길 위험을 방지하는 가스 센서가 여기에 내장되어 있습니다.

독립 계측

측정된 데이터의 가공과 패턴 인식이 이 로봇에 의해 독립적으로 수행됩니다. 또한 RoboGasInspector는 지정된 경로를 검사하며 스스로 계측을 수행합니다. 그러면서도 이것은 통제실과 계속 연락하며 필요하면 통제실의 원격 조정을 받을 수도 있습니다. 이를 위해 팬-앤-틸트 계측 모듈에는 비디오 카메라도 구현돼 있습니다. 그렇지만 정상 작동 모드에서는 RoboGasInspector가 독립적으로 작동하며 모든 측정 데이터를 WLAN을 통해 통제실로 보내기만 합니다.

RoboGasInspector의 오늘과 내일

그 동안 이 시스템 프로토타입은 광범위한 일련의 검사들에서 그 쓰임새와 능력을 인상적으로 증명했습니다. 드라이브 장치, 내비게이션 시스템, 보완 센서 시스템은 그 검사들에서 훌륭히 역할을 해냈습니다. RoboGasInspector는 다른 때 같았으면 접근하기 어려웠을 현장에서 독립적인 가스 누출 위치 탐지를 수행합니다. 또한 이것은 위험할 수 있는 환경에 인간 조사관을 투입하지 않도록 해줍니다. 그렇지만 산업 환경에 이를 배치하기 전에 추가적인 개발이 필요하며(예: 폭발 방호, 소프트웨어 개발 등), 법률적 문제도 상업 환경 배치 전에 해결해야 할 것입니다. 그럼에도 자율 이동식 가스 누출 위치 탐지 로봇이 현재도 가능하며 안전을 크게 향상시켜줄 수 있다는 것은 확실합니다.

FLIR Systems GF320은 RoboGasInspector에서 중요한 부분을 차지합니다. 이것은 시스템을 도와 유해한 가스 누출을 안전 거리에서 탐지해냅니다.