[논문]소형 연료전지 선박을 위한 GUI 기반의 통합 모니터링 시스템

이헌석; 오진석

doi:10.6109/jkiice.2016.20.12.2235

[국내논문] 소형 연료전지 선박을 위한 GUI 기반의 통합 모니터링 시스템
GUI-based integrated monitoring system for small sized fuel cell ship 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.20 no.12, 2016년, pp.2235 - 2242

이헌석 (Underwater Vehicle Research Center, Korea Maritime and Ocean University) , 오진석 (Division of Marine Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
AI-Helper

연료전지 기반의 전력시스템이 선박 및 해양플랜트에 다양한 형태로 적용되고 있다. 특히, 연료전지와 배터리를 연계한 토폴로지에 관한 하이브리드 전력시스템에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 연료전지 기반의 하이브리드 선박은 개발 초기 단계로 통합 모니터링 시스템에 연구가 이루어지고 있지 않다. 본 논문에서는 통합 모니터링 시스템을 연구하여 하이브리드 연료전지 선박의 안정적인 운항 및 운항자 편리성을 높이고자 한다. 연료전지 선박의 통합 모니터링 시스템은 사용자 편의성 및 선박 운항 안정성을 고려하여 GUI(Graphic User Interface)기반으로 구성하였으며, 선박 주요장비와 통신 및 하드와이어 신호로 연동되어 선박의 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 한다. 수집된 데이터는 저장하여 추후 운항자가 선박 운항 상태를 확인할 수 있도록 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The electric power system based on fuel cell is applied in various forms to the ship and offshore plants. In particular, a research on the hybrid power system of the fuel cell combined with battery in connection topology has been researched actively. Fuel cell-based hybrid ship has not been carried out research, it is not carried out research in the integrated monitoring system. In this paper, we developed an integrated monitoring system to increase the convenience and stability for the hybrid fuel-cell ship operator. Research into integrated monitoring system based on GUI (Graphic User Interface), in consideration of the stability of the user convenience and ship operations, and developed communication and hardwired signal with the main equipment of the ship, to see in realtime state of the ship. The collected ship operation data is stored and it can be seen after the ship operating.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

연료전지 기반의 선박은 국내에서 연구된 사례가 극히 드물며 국외 사례에서도 찾아보기 어렵다. 따라서 본 연구에선 연료전지 선박이 가지는 위험요소를 분석하고 위험요소에 사용자가 대응 가능한 통합 모니터링 시스템을 제안한다. 연료전지 선박 통합 모니터링 시스템은 선박 추진시스템에 필요한 각 장비들의 상태를 통합적으로 나타낼 뿐만 아니라, 선내 기타 장비들의 상태를 확인할 수 있도록 구성하였다.
시험은 개발한 연료전지 선박을 부산 녹산 근처 해안에서 반복 운항하여 각 장비의 데이터를 안정적으로 수신하여 운항자가 선박 운항에 있어 안정적으로 운항이 가능한지 확인하였다. 또한 운항자가 선박 운항하는데 있어 데이터 직관성 및 조작 편리성을 갖추는지 확인하였다. 아래 그림 9는 선박 조종 자격증 보유자가 운항 시험을 하고 있는 모습이다.
본 논문에서 연료전지 선박의 특성 및 운항자의 편리성을 고려한 GUI기반의 통합 모니터링 시스템 및 Control console을 설계하여 개발하였다. 연료전지 선박 운항 시험을 통하여 연료전지의 상태, 배터리의 상태 및 남은 수소연료의 잔량 등을 운항자가 실시간으로 확인 할 수 있어 운항 가능한 시간 예상 및 안전 운항을 위한 필수조건을 만족함을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 연료전지 선박의 통합 모니터링 시스템에 관하여 연구하였다. 현재 국내에서 상용화 및 운항되어지고 있는 연료전지 선박은 없으며 이에 따라 안정적인 운항에 필요한 각 장비의 상태 및 정보내용을 알 수 없다.
국내에선 연료유 상승과 환경규제에 대응하기 위해 선박의 에너지 효율을 높이는 방법과 신재생에너지를 선박에 적용하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 신재생에너지원인 연료전지를 적용한 선박의 통합 모니터링 시스템 구현 및 개발에 방안에 대하여 기술하였다[4,5].

제안 방법

GUI기반의 모니터링 시스템은 각 주요 장비(연료전지, 배터리 등)로부터 수신된 통신 및 Hardwired 신호를 사용자 편의성을 고려한 GUI기반의 모니터링 시스템으로 출력하도록 구현하였으며, 수신된 정보를 저장하는 역학을 수행한다.
각 장비와의 통신으로 송·수신된 데이터를 사용자가 확인하기 쉽도록 주요 신호 값을 표시해주는 화면과 각 장비별 세부항목까지 보여줄 수 있는 화면을 각기 제작하였으며 송·수신된 데이터는 Excel파일로 초당 한 번씩 데이터를 저장할 수 있도록 구성하였다.
개발한 연료전지 선박의 Control console 및 중앙제어기는 유럽에서 개발되어 현재 운항 중에 있는 연료전지 기반의 여객선인 ZEMSHIP을 바탕으로 설계하였다.
본 연구에서 개발한 연료전지 선박은 선내 부하의 종류 및 기능에 따라 분류하여 운항자가 하나의 버튼으로 제어 가능하도록 구성하였으며 선박의 상태에 따라 운항자가 선내 모든 부하에 대하여 각기 제어 가능하도록 구성하여 보다 안정성을 높였다. 또한 모든 부하는 Control console에서 원격 제어가 가능하지만, 제어가 불가능한 상태를 대비하여 선교(Bridge) 뒤편에 수동 배전반을 설치하여 각 부하를 수동으로 제어 가능하도록 구성하였다. 그림 3은 개발한 선박의 Control console을 나타낸다.
모니터링 및 제어시스템은 각 장비와 통신 및 Hardwired 신호로 구성되어있으며 사용자가 Panel PC 모니터 및 선내 Control Console에서 상태 확인이 가능하도록 구성되어있다. 또한 선박 운항 데이터 확인을 위해 각 장비의 상태 및 추진상태 데이터를 저장하도록 구성하였다. 선박 중앙제어기는 NI(National Instrument)社의 C-RIO로 구성하였으며, 각 장비(Fuel Cell, Battery 등)와의 통신 및 Hardwired신호를 송·수신하여 선박 운항자가 선박의 상태를 쉽고 편하게 확인할 수 있도록 GUI기반의 통합 모니터링 프로그램을 작성하였다.
이에 따라 그림 1과 같이 연료전지의 DC/DC 컨버터 출력부에 배터리시스템의 출력부(배터리 충전부)와 연계하여 선내 전력공급 및 추진모터에 전력을 공급할 수 있도록 구성하였다. 또한, 갑작스런 연료전지의 이상 또는 배터리의 사용불가에 따른 위험상황에 외부로 위험상황을 알리기 위해 항해 및 통신 장비에 전원을 공급하기 위한 UPS(Uninterruptible Power Supply)를 설치하여 안정성을 확보하였다.
이를 보완하기 위해 연료전지 시스템은 배터리와 연계하여 사용하는 것이 일반적이다. 본 논문에서 개발한 연료전지 선박 또한 급격한 추진부하에 따른 선박 안정성 확보를 위해 25kW급 연료전지 2Set와 15.6kWh급 리튬이온전지 3Set를 적용하였으며 사용자가 선교에서 각 장비의 상태를 확인할 수 있도록 모니터링 시스템을 구축하였다.
선박 중앙제어기는 NI(National Instrument)社의 C-RIO로 구성하였으며, 각 장비(Fuel Cell, Battery 등)와의 통신 및 Hardwired신호를 송·수신하여 선박 운항자가 선박의 상태를 쉽고 편하게 확인할 수 있도록 GUI기반의 통합 모니터링 프로그램을 작성하였다.
시험은 개발한 연료전지 선박을 부산 녹산 근처 해안에서 반복 운항하여 각 장비의 데이터를 안정적으로 수신하여 운항자가 선박 운항에 있어 안정적으로 운항이 가능한지 확인하였다. 또한 운항자가 선박 운항하는데 있어 데이터 직관성 및 조작 편리성을 갖추는지 확인하였다.
따라서 본 연구에선 연료전지 선박이 가지는 위험요소를 분석하고 위험요소에 사용자가 대응 가능한 통합 모니터링 시스템을 제안한다. 연료전지 선박 통합 모니터링 시스템은 선박 추진시스템에 필요한 각 장비들의 상태를 통합적으로 나타낼 뿐만 아니라, 선내 기타 장비들의 상태를 확인할 수 있도록 구성하였다. 통합 모니터링 시스템은 주요 장비인 연료전지, 배터리, 수소가스 등의 상태를 확인 할 수 있도록 통신 및 Hardwired를 통하여 구성하였으며, GUI(Graphic User Interface)기반의 모니터링 시스템을 통하여 사용자에게 선박의 운용 상태를 보다 편리하게 확인할 수 있게 구성하였다.
그림 8은 부산 녹산에 위치하고 있는 항구의 위치 및 실제 개발한 연료전지 선박을 시운전 한 장소를 나타낸다. 연안에서 해상 시운전을 진헹 함에 따라 전기추진 모터를 이용한 워터젯 추진방식의 소손을 방지하기 위해 바다상태가 만조일 때 시운전을 진행하였다.
연료전지는 연료전지의 수명 및 안정성을 위하여 부하변동에 따른 응답속도가 비교적 느리게 응답하도록 구성된다. 이에 따라 그림 1과 같이 연료전지의 DC/DC 컨버터 출력부에 배터리시스템의 출력부(배터리 충전부)와 연계하여 선내 전력공급 및 추진모터에 전력을 공급할 수 있도록 구성하였다. 또한, 갑작스런 연료전지의 이상 또는 배터리의 사용불가에 따른 위험상황에 외부로 위험상황을 알리기 위해 항해 및 통신 장비에 전원을 공급하기 위한 UPS(Uninterruptible Power Supply)를 설치하여 안정성을 확보하였다.
연료전지 선박은 전장 약 20m, 최대 선속 15km/h, 승선인원 50명 내외의 선급의 주요 요구조건을 만족하는 유람선 형태의 시제선을 제작하였다. 제작한 선박은 해상위에 반복 운항을 거쳐 수정 및 보완을 하여 신뢰성을 갖추도록 하였다.
연료전지 선박 통합 모니터링 시스템은 선박 추진시스템에 필요한 각 장비들의 상태를 통합적으로 나타낼 뿐만 아니라, 선내 기타 장비들의 상태를 확인할 수 있도록 구성하였다. 통합 모니터링 시스템은 주요 장비인 연료전지, 배터리, 수소가스 등의 상태를 확인 할 수 있도록 통신 및 Hardwired를 통하여 구성하였으며, GUI(Graphic User Interface)기반의 모니터링 시스템을 통하여 사용자에게 선박의 운용 상태를 보다 편리하게 확인할 수 있게 구성하였다.

대상 데이터

Hardwired 신호는 선내 장비의 상태확인하기 위해 4~20[mA]의 전류신호와 24V Level의 Digital 신호로 이루어져 있으며, Digital 신호의 경우 Sink type의 신호로 구성하여 중앙제어기와 장비간의 거리가 멀리 떨어져있더라도 신호의 정확성을 높일 수 있도록 구성하였다. 주요 신호 및 Control console 신호를 제외한 데이터는 통신으로 모니터링 및 제어가 가능하도록 구성하였다.
연료전지 선박은 전장 약 20m, 최대 선속 15km/h, 승선인원 50명 내외의 선급의 주요 요구조건을 만족하는 유람선 형태의 시제선을 제작하였다. 제작한 선박은 해상위에 반복 운항을 거쳐 수정 및 보완을 하여 신뢰성을 갖추도록 하였다.
그러나 육상에서 각 장비 통신 연동이 안정적으로 되었다 하더라도 모든 장비가 연동되는 경우와 추진 전력으로 인한 노이즈, 선체 진동 등으로 발생하는 문제 등 많은 문제점을 야기할 수 있기 때문에 육상테스트 연동 이후 해상 테스트 진행은 필수적이다. 테스트 장소는 부산 강서구 녹산동에서 밀물일 때 선박 운항 테스트를 진행하였다.

이론/모형

GUI 기반의 제어 및 모니터링 시스템은 NI社의 LabVIEW를 이용하여 제작하였다. 각 장비와의 통신으로 송·수신된 데이터를 사용자가 확인하기 쉽도록 주요 신호 값을 표시해주는 화면과 각 장비별 세부항목까지 보여줄 수 있는 화면을 각기 제작하였으며 송·수신된 데이터는 Excel파일로 초당 한 번씩 데이터를 저장할 수 있도록 구성하였다.

성능/효과

각 장비간의 통신은 RT(Real Time)기반의 제어동작을 수행하여 200ms이내에 데이터를 송·수신할 수 있도록 구성하여 운항자가 실시간 현재 선박의 상태를 확인하여 실시간으로 위험상황을 인식하여 운항 가능함을 확인하였다.
둘째, 내연기관(발전기 및 주 추진기)의 미탑재로 인하여 진동 및 소음을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연료유 탑재를 하지 않음으로 탑승자에게 불쾌감과 멀미 등을 유발할 수 있는 유증기 냄새를 줄일 수 있다. 이는 탑승자에게 보다 쾌적한 선상환경을 제공함으로써 선박에 대한 불쾌한 이미지를 줄일 수 있으며, 레저 선박, 여객선 등의 활용으로 선박 환경의고급화를 도모 할 수 있다.
ZEMSHIP 및 개발한 연료전지 선박 등 소형 선박의 경우 한명의 운항자가 선박의 모든 장비에 대하여 제어 및 모니터링을 해야 하므로 운항자 편의를 갖춘 통합 모니터링 시스템 구축은 매우 중요하다[4,5,8]. 본 연구에서 개발한 연료전지 선박은 선내 부하의 종류 및 기능에 따라 분류하여 운항자가 하나의 버튼으로 제어 가능하도록 구성하였으며 선박의 상태에 따라 운항자가 선내 모든 부하에 대하여 각기 제어 가능하도록 구성하여 보다 안정성을 높였다. 또한 모든 부하는 Control console에서 원격 제어가 가능하지만, 제어가 불가능한 상태를 대비하여 선교(Bridge) 뒤편에 수동 배전반을 설치하여 각 부하를 수동으로 제어 가능하도록 구성하였다.
본 논문에서 연료전지 선박의 특성 및 운항자의 편리성을 고려한 GUI기반의 통합 모니터링 시스템 및 Control console을 설계하여 개발하였다. 연료전지 선박 운항 시험을 통하여 연료전지의 상태, 배터리의 상태 및 남은 수소연료의 잔량 등을 운항자가 실시간으로 확인 할 수 있어 운항 가능한 시간 예상 및 안전 운항을 위한 필수조건을 만족함을 확인할 수 있었다. 추후 연료전지 선박의 지속적인 운항시험을 통하여 연료전지 선박의 통합 모니터링시스템 체계구축을 위하여 많은 연구가 필요하다.
첫째, 전력생산 및 추진을 위한 내연기관(발전기 및 디젤기관 등)이 탑재되지 않음으로 내연기관에 필요한 각종 보조기기(Blower, Pump, Cooling System 등)를 탑재하지 않아 선박에 탑재되는 장비의 무게를 줄일 수 있다. 이는 선박에 탑재할 수 있는 물류 또는 승선원을 늘릴 수 있으며 에너지 효율측면에서도 이점을 가진다.
좌측 상단부터 아래쪽으로 1번 배터리(a), 2번 배터리(b), 3번 배터리(c)의 출력상태를 나타내고 있으며, 우측 상단부터 아래쪽으로 1번 연료전지 출력(d), 2번 연료전지 출력(e), 선박 추진 전동기 소모전력(f)을 나타낸다. 추진전동기 출력 (최대 90kW)이 연료전지 출력(25kW * 2set)보다 높은 전력을 요구할 때 배터리에서 부족한 전력을 안정적으로 공급됨을 확인할 수 있다. 그림 11은 시운전 시험 장소에서 선박 실 운항 모습이다.

후속연구

연료전지 선박 운항 시험을 통하여 연료전지의 상태, 배터리의 상태 및 남은 수소연료의 잔량 등을 운항자가 실시간으로 확인 할 수 있어 운항 가능한 시간 예상 및 안전 운항을 위한 필수조건을 만족함을 확인할 수 있었다. 추후 연료전지 선박의 지속적인 운항시험을 통하여 연료전지 선박의 통합 모니터링시스템 체계구축을 위하여 많은 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지는 어떤 시스템인가?	연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통하여 전력을 생산하는 시스템이다. 이러한 연료전지는 보통의 화학전지와 동일한 방법으로 전기에너지를 발생시키지만, 닫힌 계내(界內)에서 전자반응을 하는 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 계외(界外)로 제거된다.
	연료전지로 생산된 전력을 사용하는 추진 모터를 사용함에 따라 갖는 이점은 무엇이 있는가?	첫째, 전력생산 및 추진을 위한 내연기관(발전기 및 디젤기관 등)이 탑재되지 않음으로 내연기관에 필요한 각종 보조기기(Blower, Pump, Cooling System 등)를 탑재하지 않아 선박에 탑재되는 장비의 무게를 줄일 수 있다. 이는 선박에 탑재할 수 있는 물류 또는 승선원을 늘릴 수 있으며 에너지 효율측면에서도 이점을 가진다. 또한 전기 모터를 주 추진 장치로 가지므로 전력생산 장치(연료전지 및 배터리)의 탑재위치가 비교적 자유로워 공간 활용에 좋다. 둘째, 내연기관(발전기 및 주 추진기)의 미탑재로 인하여 진동 및 소음을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연료유 탑재를 하지 않음으로 탑승자에게 불쾌감과 멀미 등을 유발할 수 있는 유증기 냄새를 줄일 수 있다. 이는 탑승자에게 보다 쾌적한 선상환경을 제공함으로써 선박에 대한 불쾌한 이미지를 줄일 수 있으며, 레저 선박, 여객선 등의 활용으로 선박 환경의고급화를 도모 할 수 있다.
	연료전지의 전력생성 방법의 장점은 무엇인가?	이러한 연료전지는 보통의 화학전지와 동일한 방법으로 전기에너지를 발생시키지만, 닫힌 계내(界內)에서 전자반응을 하는 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 계외(界外)로 제거된다. 따라서 연료전지의 전력생성 방법은 연료를 연소시켜 회전에너지를 전기에너지로 변화시키는 기관과 달리 회전부위가 없어 소음 및 진동이 없다는 장점을 가지며 화학반응을 통하여 전력 생성 후 반응생성물이 물만 생성되므로 친환경적이다. 그러나 화학반응을 통하여 전기에너지를 생성하는 특성상 보통의 화학전지와 달리 반응속도 및 촉매반응에 따라 응답특성이 늦어 빠른 부하변동에 강인하게 대응하지 못하는 한계가 있다[6,7].

참고문헌 (8)

Y. C. Lee and H. W. Doo, "A study on the IMO regulations regarding GHG emission from ships and its implementation," Journal of Navigation and Port Research, vol. 35, no. 5, pp. 371-380, Jun. 2011.

원문보기 상세보기
D. Y. Park, H. K. Yang, and J. S. Oh, "Power system using the fuel cell(PEMFC) for the leisure ship," in Proceeding of the Korea Society of Marine Engineers Conference, Gyeongju, pp. 225, 2012.
D. Y. Park and J. S. Oh, "Implementation of fuel cell simulator for ship using the programmable power supply," Journal of the Korea Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 8, pp. 1117-1122, Nov. 2012.

원문보기 상세보기
A. M. Bassam, A. B. Phillips, S. R. Turnock and P. A. Wilson, "An improved energy management strategy for hybrid fuel cell/battery passenger vessel," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41, no. 47, pp. 22453- 22464, Dec. 2016.

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J. J. de-troya, C. A. Alvarez, C. F. Fernandez-Garrido and L. Carral, "Analysing the possibilities of using fuel cells in ships," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41, no. 4, pp. 2854-2866, Dec. 2015.
H. S. Lee, H. Yang, Y. Kang, J. Jang, M. Kim and J. S. Oh, "Study on the hybrid propulsion vessel power system based on fuel-cell," in Proceeding of 39th KOSME Fall Conference, Busan, pp. 152, 2015.
H. Lee, Y. M. Kang, N. Young. Son, M. W. Kim and J. S. Oh, "A study on the vessel propulsion system for 50kW class fuel cell," in Proceeding of International Symposium on Freen Manufacturing and Applications(ISGMA 2016), Bali, Indonesia, pp. 95, 2016.
C. H. Choi, S. Yu, I. S. Han, B. K. Kho, D.G. Kang, H. Y. Lee, M. S. Seo, J. W. Kong, G. Kim, J. W. Ahn, S. K. Park, D. W. Jang, J. H. Lee and M. Kim, "Development and demonstration of PEM fuel-cell-battery hybrid system for propulsion boat," International Journal of Hybrid Energy, vol. 41, no. 5, pp. 3591-3599, Jan. 2016.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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