KR100792714B1 - Method of rule-based fault detection and diagnosis in air-handling system with detailed classification - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 APAR 방식에서 4가지 운전모드를 위한 난방코일밸브, 냉방코일밸브 및 혼합 공기 댐퍼의 관계를 나타낸 도면.1 is a view showing a relationship between a heating coil valve, a cooling coil valve and a mixed air damper for four operation modes in the conventional APAR method.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템에서의 분류형 규칙기반 방식의 고장 진단 및 검출 장치의 구성을 나타낸 개략도.Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of the failure diagnosis and detection device of the classification rule-based method in the air conditioning system according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템에서의 분류형 규칙기반 방식의 고장 진단 및 검출 방법에 대한 전체 플로우차트.3 is a flowchart of a method of diagnosing and detecting a failure of a classification rule-based method in an air conditioning system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 도 3의 모드 1에 있어서의 고정 진단 및 검출 방법에 대한 세부 플로우차트.4 is a detailed flowchart of a fixed diagnosis and detection method in
도 5는 도 3의 모드 2에 있어서의 고정 진단 및 검출 방법에 대한 세부 플로우차트.5 is a detailed flowchart of a fixed diagnosis and detection method in
도 6은 도 3의 모드 3에 있어서의 고정 진단 및 검출 방법에 대한 세부 플로우차트.FIG. 6 is a detailed flowchart of a fixed diagnosis and detection method in
도 7은 도 3의 모드 4에 있어서의 고정 진단 및 검출 방법에 대한 플로우차 트. FIG. 7 is a flowchart of a fixed diagnosis and detection method in
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110 : 제 1 회전 속도계 120 : 제 2 회전 속도계110: first tachometer 120: second tachometer
130 : 제 1 주파수 측정기 140 : 제 2 주파수 측정기130: first frequency meter 140: second frequency meter
210 : 제 1 전위차계 220 : 제 2 전위차계210: first potentiometer 220: second potentiometer
230 : 제 3 전위차계 240 : 제 4 전위차계230: third potentiometer 240: fourth potentiometer
310 : 외기온도 센서 320 : 급기온도 센서310: outside temperature sensor 320: air supply temperature sensor
330 : 혼합공기온도 센서 340 : 순환공기온도 센서330: mixed air temperature sensor 340: circulating air temperature sensor
350 : 외기레퍼런스온도 센서 400 : 중앙 제어부350: outside reference temperature sensor 400: central control unit
본 발명은 공조 시스템에서의 상세 분류형 규칙기반 방식의 고장 검출 및 진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공조 시스템에 있어서 구성요소 중 어느 하나의 요소가 고장일 경우 이러한 고장난 구성요소를 정확하게 찾아내어 고장부위의 신호에 대해 양성(+) 혹은 음성(-)의 방향성에 대한 구체적 정보를 제공하여 해당 구성요소의 성능저하로 인한 전체 시스템에서의 에너지 손실을 최단시간 내에 방지하기 위한 분류형 규칙기반 방식의 고장 검출 및 진단 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for detecting and diagnosing a failure of a detailed rule type rule-based method in an air conditioning system. More particularly, when any one of the components in the air conditioning system fails, A classification rule to locate and provide specific information on the positive or negative direction of the fault signal to prevent energy loss in the entire system due to degradation of the component in the shortest time. The present invention relates to a method and apparatus for detecting and diagnosing faults based on the method.
최근 건물들이 고층화 및 지능화됨에 따라 설비시스템은 더욱 다양화되고 복잡하게 구성되어 있다. 건물의 HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning) 시스템을 비롯하여 에너지 설비들의 규모가 커지고, 자동화 및 복잡화되면서 고장발생 시 경제적인 손실과 위험성을 증폭시킬 수 있는 가능성이 커지고 있다. 부적절하거나 성능이 열화된 건물 공조시스템이 사용될 경우, 연간 에너지 사용량이 30~50%까지 증가될 수 있다는 연구결과로부터 에너지 설비의 검증 및 성능 진단 시스템의 중요성을 알 수 있다.Recently, as buildings are getting higher and more intelligent, facility systems are more diversified and complex. As the building's heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems grow, automation, and complexity increase, the potential for economic loss and risk amplification in the event of failure increases. The impor- tant or poorly constructed building air conditioning systems can increase the energy consumption by 30-50% per year, indicating the importance of verification and performance diagnostic systems for energy installations.
따라서, 여러 형태의 건물에서 고장이 없는 운전과 진단 능력을 확보하기 위해서는 유연하고 효과적으로 고장감지와 진단을 수행할 수 있는 분산형의 자동화된 검증 및 성능진단 시스템이 필요하다. Therefore, in order to secure trouble-free operation and diagnosis in various types of buildings, a distributed, automated verification and performance diagnosis system that can perform fault detection and diagnosis flexibly and effectively is required.
특히, 공조 설비와 같은 에너지 설비에 있어서 관리기술 개선에 의해 절약될 수 있는 에너지량은 무시할 수 없는 양으로 상용건물의 공조설비 재감리에 의해 고장 상태를 개선한 후 20~30% 이상 증가할 수 있으므로, 이로부터 고장 검출 및 진단시스템의 중요성을 알 수 있다.In particular, in energy facilities such as air conditioning facilities, the amount of energy that can be saved by the improvement of management technology is not negligible and can be increased by more than 20 ~ 30% after improving the failure condition by re-supervision of the air conditioning facilities of commercial buildings. Therefore, the importance of the fault detection and diagnosis system can be seen from this.
건물의 최적 운용에 의한 에너지 절약을 달성하기 위해서는 건물설비의 최적제어와 함께 설비의 성능 저하를 유발하게 되는 고장이나 노후에 따른 시스템의 점진적인 성능 저하를 적절하게 예측 또는 감지하여 사전 또는 고장 발생시 신속하게 처리해야 한다. 또한, 성능저하를 예방하고, 시스템의 안전성을 확보하여 비효율 적인 에너지의 낭비나 실내 환경의 열악화를 방지할 수 있어야 한다. 따라서, 건물의 에너지절약과 쾌적한 실내 환경 보전, 유지관리비용저감 등의 효과를 극대화시키기 위해서는 건물자동화 시스템과 연결하여 사용할 수 있는 실시간용 자동 고장예지 및 진단 시스템을 개발하여 운용자에게 제공할 필요가 있다.In order to achieve energy saving by optimal operation of the building, it is possible to predict or detect the gradual deterioration of the system according to the failure or aging, which is caused by the optimal control of the building equipment and the performance of the facility, and to quickly or in advance when the failure occurs. It must be dealt with. In addition, the performance degradation should be prevented, and the safety of the system should be secured to prevent inefficient waste of energy and deterioration of the indoor environment. Therefore, in order to maximize the effect of energy saving, pleasant indoor environment preservation, and maintenance cost reduction, it is necessary to develop and provide real-time automatic failure prediction and diagnosis system that can be used in connection with the building automation system. .
이러한 상황 가운데, 미국의 NIST에서는 규칙기반 방식의 공조기 고장검출 및 진단 방법을 제안하였다. 이때, 종래의 공조기 성능 평가 규칙(APAR: AHU Performance Assessment Rule)은 공조기의 고장을 검출하기 위해 물질 수지 관계와 에너지 수지 관계, 그리고 부위별 온도 분포 등으로 추론된 전문가 규칙들을 이용하는 진단 도구이다. 각 부위의 제어신호는 운전모드를 결정하는 데 사용되며, 각 운전모드에 해당하는 전문가 규칙들이 기계적인 고장이나 제어기의 고장 여부를 결정하기 위해 사용된다. Under these circumstances, the US NIST proposed a rule-based air conditioner fault detection and diagnosis method. In this case, the conventional AHU Performance Assessment Rule (APAR) is a diagnostic tool that uses expert rules inferred from a material balance relationship, an energy balance relationship, and a temperature distribution for each site to detect a failure of the air conditioner. The control signal of each part is used to determine the operation mode, and expert rules corresponding to each operation mode are used to determine whether there is a mechanical failure or a controller failure.
그러면, 미국 NIST에서 제안한 종래의 규칙기반 방식의 공조기 고장검출 및 진단 방법, 즉 공조기 성능 평가 규칙(APAR)에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. Then, the conventional rule-based air conditioner fault detection and diagnosis method proposed by the US NIST, that is, the air conditioner performance evaluation rule (APAR) will be described in more detail.
먼저, '운전모드'에 대해 살펴보기로 한다. 고장 검출과 진단을 위해 사용한 전문가 규칙은 난방코일, 냉방코일 그리고 이코노마이저를 위한 설비와 제어기가 장치된 단일 공급덕트 가변풍량 또는 정풍량 공조기를 위한 것이다. 규칙들은 공조기의 온도제어 및 부위별 온도 분포관계에 초점을 맞추고 있다. 따라서 온도와 직접 관련된 부품과 제어기만 다루어진다.First, the operation mode will be described. The expert rule used for fault detection and diagnosis is for a single supply duct variable airflow or constant airflow air conditioner with equipment and controls for heating coils, air conditioning coils and economizers. The rules focus on the temperature control of the air conditioner and the temperature distribution of the parts. Therefore, only components and controllers directly related to temperature are dealt with.
공조기의 온도제어기는 급기 송풍기 후단의 덕트에서 공급되는 급기온도를 설정값으로 조절하게 된다. 외부 공기는 공조기로 흡입되어 건물로부터 순환되는 공기와 혼합되어 냉난방코일을 통화면서 온도가 제어된다. 공조기의 운전모드는 사용기간 중 급기온도와 환기를 유지하기 위해 계절에 따라 크게 4가지로 구분할 수 있다. 4가지 운전모드를 위한 난방코일 밸브, 냉방코일 밸브 그리고 혼합 공기 댐퍼의 관계를 정리하여 나타낸 것이 도 1에 해당한다. 내부와 외부의 열 부하를 포함한 다양한 열 관계에 의해 4가지 운전모드가 결정된다. The temperature controller of the air conditioner adjusts the air supply temperature supplied from the duct at the rear of the air supply fan to a set value. The outside air is sucked into the air conditioner and mixed with the air circulated from the building to control the temperature while passing through the heating and cooling coils. The operation mode of the air conditioner can be classified into four types according to the season to maintain the air supply temperature and ventilation during the use period. 1 illustrates the relationship between the heating coil valve, the cooling coil valve and the mixed air damper for the four operation modes. Four operating modes are determined by various thermal relationships, including internal and external thermal loads.
모드 1(mode 1)의 난방 모드에서는 난방 온도를 유지하기 위해 난방코일 밸브를 조절하여 급기온도를 설정값으로 조절하며 냉방코일 밸브는 닫혀 있게 된다. 혼합 공기 댐퍼는 최소 환기 상태를 유지하기 위한 정도의 최소의 개도(degree of opening) 상태로 열어둔다.In heating mode of
냉방부하가 증가하면, AHU(Air Handling Unit)의 운전모드는 난방 모드에서 외기를 이용한 냉방 모드인 모드 2(mode 2)로 바뀌게 된다. 모드 2(mode 2)에서는 냉난방코일밸브는 닫히게 되며 급기온도를 냉각 설정값으로 유지하기 위해 혼합 공기 댐퍼를 조절하게 된다. When the cooling load increases, the operation mode of the AHU (Air Handling Unit) is changed from the heating mode to the mode 2 (mode 2) that is the cooling mode using the outside air. In
냉방 부하가 더욱 증가하게 되면 혼합공기 댐퍼가 완전히 열려 정지하게 되고 기계적 냉방모드인 모드 3(mode 3)으로 전환된다. 공조기가 기계적 냉방모드로 운전되면 냉방코일 밸브의 조절에 의해 냉각 설정점이 유지되며, 난방코일밸브는 닫히게 된다. 외기 댐퍼는 최대나 최소 상태를 유지하게 된다.As the cooling load increases further, the mixed air damper will fully open and shut down and switch to
모드 3(mode 3)은 외기 댐퍼가 100% 열린 상태에서의 기계적 냉방이 이루어지는 영역이며, 모드 4(mode 4)는 외기 댐퍼가 최소 상태에서의 기계적 냉방이 이 루어지는 영역이다. 도 2는 제어신호와 온도에 따라 변하는 운전모드 관계를 정리한 것이다.
한편, 공조기 성능 평가를 위한 '전문가 규칙'에 대해 살펴보면 다음과 같다. Meanwhile, the 'expert rule' for air conditioner performance evaluation is as follows.
고장 검출을 위한 방법의 기본은 공조기의 성능을 평가할 수 있는 전문가 규칙(Rule)이며 공조기에서 이 규칙을 컴퓨터로 구현하기 위해 정리한 것이 'APAR 성능 진단 도구'이다. APAR 진단 도구는 공조기의 모드를 결정하기 위하여 제어신호와 거주(occupancy) 정보를 이용하였으며 해당모드에 적용될 수 있는 온도센서 사이의 관계를 명시할 수 있는 규칙의 집합을 규정하였다.The basis of the method for fault detection is an expert rule that can evaluate the performance of the air conditioner. The APAR performance diagnosis tool is a summary of the air conditioner's rules for computer implementation. The APAR diagnostic tool used control signals and occupancy information to determine the mode of the air conditioner and defined a set of rules that could specify the relationship between the temperature sensors applicable to the mode.
규칙은 측정 온도신호와 제어신호의 관계를 나타내는 정성적 모델을 이용하였다. AHU에서는 4가지 운전모드가 사용되기 때문에 각 모드에서 적용 할 수 있는 규칙들을 구분하여 설정하였다. 냉난방코일밸브와 공기 혼합 댐퍼의 디지털 제어신호에 의해 운전모드를 결정할 수 있다. The rule used a qualitative model that represents the relationship between the measured temperature signal and the control signal. Since four operation modes are used in AHU, the rules applicable to each mode are set separately. The operation mode can be determined by the digital control signal of the heating / cooling coil valve and the air mixing damper.
일단 운전모드가 설정되면, 질량과 에너지 보존법칙과 온도 분포를 기반으로 AHU의 제어에 이용되는 계측 신호를 이용하여 필요한 규칙을 생성할 수 있다.Once the operating mode has been established, the necessary rules can be generated using the measurement signals used to control the AHU based on the law of conservation of mass and energy and the temperature distribution.
첫째, 난방모드인 모드 1에서는 급기온도를 설정점으로 유지하기 위해 난방코일의 제어밸브를 조절하게 되며 냉방코일은 닫혀 있게 되고 외기 흡입댐퍼는 최소위치를 유지한다. 측정된 온도를 기초로 한 규칙은 다음과 같으며, 이하에 기재된 수식들을 만족시킬 경우가 '고장'을 의미한다. First, in
Rule 1. Tsa < Tma + ΔTsf - εt Rule 1.Tsa <Tma + ΔTsf-ε t
Rule 2. For |Tra - Toa|≥ΔTmin : |Qoa/Qsa - (Qoa/Qsa)min|>εf Rule 2.For | Tra-Toa | ≥ΔTmin: | Qoa / Qsa-(Qoa / Qsa) min |> ε f
여기서, Tsa는 급기온도, Tma는 혼합공기온도, ΔTsf는 급기 송풍기를 통한 온도 증가, Tra는 순환공기온도, Toa는 외기온도, ΔTmin는 회수공기온도와 외기온도 사이의 최소온도차 허용값, Qoa/Qsa는 외기온도 비율로 온도비 (Tma-Tra)/(Toa-Tra)로 표시될 수 있으며, (Qoa/Qsa)min는 외기온도 비율 최소 허용값, εt는 온도계측에 따른 오차 허용값, 그리고 εf는 유량에 관련된 오차 허용값(온도측정 오차의 함수)이다.Where Tsa is the supply air temperature, Tma is the mixed air temperature, ΔTsf is the temperature increase through the air supply blower, Tra is the circulating air temperature, Toa is the outside air temperature, ΔTmin is the minimum allowable temperature difference between the recovered air temperature and the outside air temperature, Qoa / Qsa can be expressed as the temperature ratio (Tma-Tra) / (Toa-Tra) as the outside temperature ratio, (Qoa / Qsa) min is the minimum allowable value of the outside temperature ratio, ε t is the tolerance value according to the thermometer, And ε f is the error tolerance (function of temperature measurement error) related to the flow rate.
규칙 1(Rule 1)은 급기온도와 혼합공기온도의 부조화를 나타내는 것으로 난방모드에서는 급기온도가 혼합공기온도보다 높아야 하며 송풍기에서의 온도 상승을 고려할 경우 송풍기에서의 온도 상승과 혼합공기온도를 합한 값보다 급기온도값이 높아야 한다. 규칙 2(Rule 2)는 공조기에 흡입되는 외기온도의 값이 너무 높거나 낮은 경우 고장으로 간주하는 것으로 온도측정의 오차를 고려하여 온도차(Tra-Toa)가 허용오차 이상일 경우에만 규칙을 적용하였다. εt, εf, ΔTsf, 그리고 ΔTmin는 사용자가 미리 설정하는 값이다. 제어신호와 관련하여 다음과 같이 규칙을 만들 수 있다.
Rule 3. |uhc - 1| ≤ εhc and Tsa,s - Tsa ≥ εt
Rule 4. |uhc - 1| ≤ εhc
여기서, uhc는 정규화된 난방코일 밸브 제어신호 [0, 1]로 uhc = 0 은 밸브가 닫힌 상태, uhc = 1은 100% 열린 상태를 나타낸다. 그리고 Tsa,s는 급기온도 설정값, εhc는 난방코일 제어신호의 허용값이다. Here, u hc is a normalized heating coil valve control signal [0, 1], u hc = 0 is the valve is closed, u hc = 1 is 100% open. Tsa, s is the air supply temperature set value, ε hc is the allowable value of the heating coil control signal.
밸브의 제어신호는 제어기의 종류에 따라 전류출력인 4~20mA 또는 전압출력 1~5Volt 등의 아날로그 신호 출력값을 이용하여 조절된다. 여기서 4mA 또는 1Volt의 출력은 난방밸브나 냉방밸브를 완전히 닫은 상태에 해당한다. 본 명세서에서 [0]으로 표현된 것이 이에 해당하며 0%의 출력과 동일하다. 또한 20mA 또는 5Volt의 출력은 난방밸브나 냉방밸브가 완전히 열린 상태에 해당한다. 본 명세서에서 [1]로 표현된 것이 이에 해당하며 100%의 출력과 동일하다. 이와 같이, 공조 시스템에서 0과 1로 표기하는 것은 위 출력방식이 제어기마다 다른 경우가 많기 때문에 기술의 이해를 돕기 위하여 [0, 1]로 표기하기로 한다. The control signal of the valve is adjusted by using analog signal output value such as 4 ~ 20mA of current output or 1 ~ 5Volt of voltage output according to the type of controller. The output of 4mA or 1Volt corresponds to the state where the heating or cooling valve is completely closed. The expression represented by [0] in this specification corresponds to this and is equivalent to an output of 0%. In addition, the output of 20mA or 5Volt corresponds to the state in which the heating or cooling valve is fully open. The expression represented by [1] in this specification corresponds to 100% output. As described above, in the air conditioning system, 0 and 1 are denoted as [0, 1] for the purpose of understanding the technology because the above output methods are often different for each controller.
규칙 3(Rule 3)은 냉방코일 밸브가 최대로 열려 있으나 급기의 설정온도를 유지하지 못하는 상태로 제어불능 상태를 나타낸다. 규칙 4(Rule 4)는 다른 조건에 의해 제어값이 최대값을 유지하는 것으로 주의가 요망되는 상황을 나타낸다. εhc와 εt는 설비특성에 따라 운전자가 정하는 값이다. 냉방코일 밸브와 혼합공기 댐퍼의 제어신호는 항상 검사되어야 하며 모드 1에 맞게 냉방코일 밸브는 닫혀 있어야 하며 혼합공기 댐퍼도 외기 댐퍼가 최소가 되도록 설정되어야 한다.
둘째, 외기냉각 모드(mode 2)에서는 혼합공기 댐퍼를 이용하여 급기온도를 설정값으로 제어하며 냉방코일과 난방코일은 닫혀 있다. 모드 2의 규칙은 다음과 같다. Second, in the air cooling mode (mode 2), the air supply temperature is controlled to a set value using a mixed air damper, and the cooling coil and the heating coil are closed. The rules of
Rule 5. Toa > Tsa,s - ΔTsf + εt Rule 5.Toa> Tsa, s-ΔTsf + ε t
Rule 6. Tsa > Tra - ΔTrf + εt Rule 6.Tsa> Tra-ΔTrf + ε t
Rule 7. |Tsa - ΔTsf - Tma| > εt Rule 7.Tsa-ΔTsf-Tma | > ε t
여기서, ΔTrf 는 순환송풍기를 통한 온도 상승값이다. 규칙 5(Rule 5)는 이 모드에서 외기온도가 너무 높은 경우이다. 규칙 6(Rule 6)은 급기온도와 순환공기온도사이의 부조화를 나타낸다. 급기온도는 순환공기온도에 순환송풍기를 통한 온도 상승분을 더한 값보다 낮아야 한다. 규칙 7(Rule 7)은 급기온도와 혼합공기온도 사이의 부조화를 나타낸다. 냉방코일과 난방코일이 작동하지 않기 때문에 급기온도는 혼합공기온도와 급기송풍기를 통한 온도 상승분을 더한 값과 거의 일치해야 한다. εt, ΔTsf 그리고 ΔTrf는 운전자 설정값이다.Here, ΔTrf is a temperature rise value through the circulation blower. Rule 5 is when the outside temperature is too high in this mode. Rule 6 shows the mismatch between the air supply temperature and the circulating air temperature. The supply air temperature should be lower than the circulation air temperature plus the temperature rise through the circulation blower. Rule 7 shows the mismatch between the supply air temperature and the mixed air temperature. Since the cooling and heating coils do not operate, the air supply temperature should be approximately equal to the sum of the mixed air temperature and the temperature rise through the air supply blower. ε t , ΔTsf and ΔTrf are driver settings.
셋째, 100% 외기 댐퍼상태로 냉방코일을 이용하는 냉방모드(mode 3)에서는 냉방코일 밸브에 의해 급기온도의 설정값을 제어하게 되며 혼합공기 댐퍼는 외기 흡입댐퍼가 최대로 열리고 난방코일 밸브는 닫혀 있다. 모드 3에서의 규칙은 다음과 같다.Third, in the cooling mode (mode 3) using the cooling coil in the state of 100% air damper, the set value of the air supply temperature is controlled by the cooling coil valve.In the mixed air damper, the air intake damper is opened to the maximum and the heating coil valve is closed. . The rules in
Rule 8. Toa < Tsa,s - ΔTsf - εt Rule 8.Toa <Tsa, s-ΔTsf-ε t
Rule 9. Toa > Tco + εt Rule 9.Toa> Tco + ε t
Rule 10. |Toa - Tma| > εt
Rule 11. Tsa > Tma + ΔTsf + εt Rule 11.Tsa> Tma + ΔTsf + ε t
Rule 12. Tsa > Tra - ΔTrf + εt Rule 12.Tsa> Tra-ΔTrf + ε t
여기서, Tco는 모드 3에서 모드 4로 변하는 전환(change over) 공기온도이다. 규칙 8(Rule 8)은 모드 3을 적용하기에는 외기온도가 너무 낮은 경우이며, 규칙 9(Rule 9)는 반대로 외기온도가 너무 높은 경우이다. 규칙 10(Rule 10) 내지 규칙 12(rule 12)는 외기온도와 혼합공기온도, 급기온도와 혼합공기온도, 그리고 급기온도와 순환공기온도 사이의 온도 부조화를 나타낸다. εt, ΔTrf 그리고 ΔTsf 운전자 설정값이다. 규칙 3과 4(Rule 3, 4)는 같은 규칙이 냉방코일에 의한 냉방모드에 적용될 수 있으며, 규칙은 다음과 같다.Where Tco is the change over air temperature that changes from
Rule 13. |ucc - 1| ≤ εcc 그리고 Tsa,s - Tsa ≥ εt Rule 13. | u cc -1 | ≤ ε cc and Tsa, s-Tsa ≥ ε t
Rule 14. |ucc - 1| ≤ εcc Rule 14.u cc -1 | ≤ ε cc
여기서, ucc는 정규화된 냉방코일 밸브 제어신호 [0, 1]로 ucc=0은 밸브가 닫혀 있는 상태, ucc=1은 100% 열려 있는 상태, εcc는 냉방코일 제어신호의 허용값이다.Here, u cc is a normalized cooling coil valve control signal [0, 1], ucc = 0 is a valve closed state, ucc = 1 is 100% open, and epsilon cc is an allowable value of a cooling coil control signal.
마찬가지로 규칙 13(Rule 13)은 냉방코일 밸브가 최대로 열린 상태에서 급기 온도의 설정점을 유지하지 못하고 높은 값을 나타내는 제어불능 상태이며, 규칙 14(Rule 14)에서는 급기온도는 허용범위에 들어가 있으나 제어한계 상태에 도달하여 주의가 필요한 상태이다. εcc와 εt는 사용자 설정값이다.Similarly, Rule 13 is an uncontrollable condition in which the cooling coil valve is not opened and does not maintain the set point of the supply air temperature and shows a high value. In Rule 14, the air supply temperature is within the allowable range. Attention is needed because the control limit state is reached. ε cc and ε t are user set values.
넷째, 외기 댐퍼 최소 개도로 냉방코일을 이용하는 제어모드(mode 4)에서는 외기 흡입댐퍼를 최소위치로 두고 냉방코일 밸브를 이용하여 급기온도를 제어한다. 모드 4에서 규칙은 다음과 같다.Fourth, in the control mode (mode 4) using the cooling coil at the minimum opening degree of the external air damper, the air intake temperature is controlled by using the cooling coil valve with the external air suction damper at the minimum position. In
Rule 15. Toa < Tco - εt Rule 15.Toa <Tco-ε t
Rule 16. Tsa > Tma + ΔTsf + εt Rule 16.Tsa> Tma + ΔTsf + ε t
Rule 17. Tsa > Tra - ΔTrf + εt Rule 17.Tsa> Tra-ΔTrf + ε t
Rule 18. For |Tra - Toa|≥ΔTmin : |Qoa/Qsa - (Qoa/Qsa)min|>εf Rule 18.For | Tra-Toa | ≥ΔTmin: | Qoa / Qsa-(Qoa / Qsa) min |> ε f
규칙 15(Rule 15)는 외기온도가 모드 4에 맞지 않게 너무 낮은 상태를 나타낸다. 규칙 16과 17(Rule 16, 17)은 급기온도와 혼합공기온도 그리고 급기온도와 순환공기온도와의 부조화를 나타낸다. 규칙 18(Rule 18)은 공조기에 들어오는 외부 공기의 비율이 너무 낮은 경우를 나타낸다. εt, εf, ΔTmin, ΔTrf와 ΔTsf는 운전자 설정값이다.Rule 15 indicates that the ambient temperature is too low for
규칙 13과 14(Rule 13, 14)는 모드 4에도 적용될 수 있다. 규칙 13과 14를 반복하여 모드 4를 위해 표현하면 다음과 같다. Rules 13 and 14 may also apply to
Rule 19. |ucc - 1| ≤ εcc and Tsa - Tsa,s ≥ εt Rule 19. | u cc -1 | ≤ ε cc and Tsa-Tsa, s ≥ ε t
Rule 20. |ucc - 1| ≤ εcc Rule 20. | u cc -1 | ≤ ε cc
규칙 19와 20(Rule 19, 20)의 설명은 규칙 13과 14(Rule 13, 14)와 동일하다.The descriptions of Rules 19 and 20 are the same as those of Rules 13 and 14.
다섯째, 다음은 냉방코일 밸브, 난방코일 밸브, 그리고 혼합공기 댐퍼의 제어신호를 기본으로 하여 미지의 모드에 대한 규칙이다. 다음 규칙 중 어느 하나의 조건을 만족해도 고장 상태이다.Fifth, the following rules are for the unknown mode based on the control signals of the cooling coil valve, the heating coil valve, and the mixed air damper. Failure of any of the following rules is a fault condition.
Rule 21. ucc > εcc , uhc > εhc and εd < ud < 1-εd Rule 21.u cc > ε cc , u hc > ε hc and ε d <u d <1-ε d
Rule 22. uhc > εhc and ucc > εcc Rule 22.u hc > ε hc and u cc > ε cc
Rule 23. uhc > εhc and ud > εd Rule 23.u hc > ε hc and u d > ε d
Rule 24. εd < ud < 1-εd and ucc > εcc Rule 24.ε d <u d <1-ε d and u cc > ε cc
여기서, ud는 정규화된 혼합공기 댐퍼 제어신호[0, 1], ud가 0일 때는 외기 흡입댐퍼가 닫혀 있는 상태이며, ud=1은 100 % 열려 있는 상태이다. 그리고 εd는 혼합공기 댐퍼 제어신호의 허용값이다.Here, u d is the normalized mixed air damper control signal [0, 1], when u d is 0, the air intake damper is closed, and u d = 1 is 100% open. And ε d is the allowable value of the mixed air damper control signal.
규칙 21(Rule 21)은 혼합공기 댐퍼, 냉방코일 밸브, 난방코일 밸브가 동시에 제어되는 상태이다. 규칙 22, 23, 24(Rule 22, 23, 24)는 최소 2개의 밸브나 댐퍼 가 동시에 구동되는 상태이다. εcc, εhc 그리고 εd 는 사용자 설정값이다.Rule 21 states that the mixed air damper, cooling coil valve and heating coil valve are controlled simultaneously. Rule 22, 23, and 24 (Rule 22, 23, 24) is a state in which at least two valves or dampers are driven simultaneously. ε cc , ε hc and ε d are user set values.
여섯째는 모든 거주 모드에 해당되는 규칙으로 다음 조건을 만족하면 고장으로 간주한다.Sixth is the rule applicable to all living modes, and it is regarded as a failure if the following conditions are met.
Rule 25. | Tsa - Tsa,s | > εt Rule 25. | Tsa-Tsa, s | > ε t
Rule 26. Tma < min(Tra , Toa) - εt Rule 26.Tma <min (Tra, Toa)-ε t
Rule 27. Tma > max(Tra , Toa) + εt Rule 27.Tma> max (Tra, Toa) + ε t
규칙 25(Rule 25)는 급기온도가 설정값을 유지하지 못하는 경우이며, 규칙 26과 27(Rule 26, 27)은 혼합공기의 온도가 외기 및 순환공기 온도의 최대 및 최소 사이의 값으로 결정되어야 한다는 것을 나타낸다. εt는 운전자 설정값이다. 규칙 25(Rule 25)는 규칙 3, 13 또는 19가 만족되면 동시에 만족되는 규칙으로 이들 규칙을 만족하지 않는 경우의 고장을 찾기 위한 것이다.Rule 25 is the case where the supply air temperature does not maintain the set value, and rules 26 and 27 require that the temperature of the mixed air be determined as the value between the maximum and minimum of the outside air and circulating air temperature. Indicates that ε t is the operator set point. Rule 25 is a rule that is satisfied at the same time when
일곱째, 빈번한 모드의 변화는 감시제어나 현장제어기의 불안정성에 의해 기인할 수 있으므로 주어진 시간 내의 모드 변화를 검사하여 이를 검출할 수 있다.Seventh, frequent mode changes may be caused by instability of the supervisory control or the field controller, so that the mode changes within a given time period may be detected and detected.
Rule 28. [단위 시간당 모드 변화수] > MTmaxRule 28. [Mode changes per unit time]> MTmax
여기서, MTmax는 주어진 시간당 허용 모드 변화수이다.Where MTmax is the number of allowable mode changes per given time.
이상과 같은 APAR 성능진단도구에 사용되는 규칙들을 정리하면 다음 표 1과 같다. The following rules are used to summarize the rules used in the APAR Performance Diagnostic Tool.
상기 표 1에 정리된 모든 규칙들은 해당 조건을 만족하면 고장이 발생한 것으로 표현하였다. 아래의 표 2는 각 규칙을 만족시킬 수 있는 고장을 정리한 것이다. All the rules summarized in Table 1 above are expressed as failures when the corresponding conditions are met. Table 2 below summarizes the faults that can satisfy each rule.
여기서, 표 2에 정리되어 있는 것이 모든 고장상황을 나타낸 것은 아니며, 규칙으로 검출 가능한 고장을 정리한 것으로 각 규칙과 관련한 고장의 가능한 영향을 검토한 것이다. 규정된 효과는 쾌적성, 내부 공기의 질, 에너지, 보수 및 설비 수명 등을 포함하고, 특정한 경우에는 하나 이상의 심각한 영향이 나타날 수 있다.Here, not all the failure situations are listed in Table 2, but the failures that can be detected by the rules are summarized and the possible effects of the failures associated with each rule are examined. The defined effects include comfort, quality of internal air, energy, maintenance and plant life, and in some cases one or more serious effects may occur.
특히, HVAC 시스템의 구성요소 중 가장 중요한 요소는 온도이다. 지정된 실내온도, 지정된 급기온도 등을 유지하는 것이 무엇보다 중요한 것이다. 따라서, 고장진단용 알고리즘은 온도를 측정하는 센서에 대한 고려가 가장 중요하며 앞서 살펴본 APAR 방식에서 제안하는 고장검출방식 또한 이 부분에 집중되어 있는 것이다. In particular, the most important component of an HVAC system is temperature. Maintaining the specified indoor temperature and the specified air supply temperature is of paramount importance. Therefore, it is most important to consider the temperature measuring sensor in the fault diagnosis algorithm, and the fault detection method proposed by the above-described APAR method is also concentrated in this part.
하지만, 상술한 종래의 APAR 방식만으로는 공조 시스템의 모든 고장의 원인과 위치를 정확하게 진단할 수는 없고, 단지 규칙을 만족하는 고장 현상의 유무를 검출하는 것이며, 문제의 원인을 파악하기 위해서는 추가적인 노력이 필요한 현실적인 문제점이 있었다.However, the above-mentioned conventional APAR method alone cannot accurately diagnose the cause and location of all failures of the air conditioning system, and merely detects the presence or failure of a failure that satisfies the rules. There was a realistic problem required.
즉, 현대에는 공조 설비가 더욱 복잡해짐에 따라 많은 고장에 걸리기 쉬운 상태가 되고 있는 반면에, 유지 보수는 어려워지고 있다. 그러므로, 공조기를 위한 고장 검출 및 진단 도구는 다양한 시스템에 적용될 수 있도록 강건하게 설계되어야 하는데, 상술한 APAR은 시뮬레이션 혹은 실험실에 설치된 장치를 이용하여 진단 범위와 성능 등이 검토된 후에만 실제 건물에 적용할 수 있는 문제점이 현존하는 것이다.That is, in modern times, as air conditioning facilities become more complicated, many failures are prone to occur, while maintenance is becoming difficult. Therefore, the fault detection and diagnosis tool for air conditioners should be robustly designed to be applied to various systems. The above-mentioned APAR is applied to real buildings only after the diagnosis range and performance are reviewed using a device installed in a simulation or laboratory. There is a problem that can be done.
그뿐만 아니라, 상술한 종래의 규칙기반 방식의 공조기 고장검출 및 진단 방법(APAR)은 HVAC 시스템이 운전되는 각 모드(mode)에서 정해진 규칙기반 방식에 의해 검출되는 고장을 최소한 2개 이상으로 판단해야 하는 다고장 추정방식이므로, 단일고장을 검출할 수 없는 문제점이 있었다. In addition, the conventional rule-based air conditioner fault detection and diagnosis method (APAR) described above should determine at least two faults detected by the rule-based method determined in each mode in which the HVAC system operates. Since there is a high failure estimation method, a single failure cannot be detected.
즉, APAR 방법은 고장 판단식들이 만족되는 경우 식에 사용된 모든 변수들은 고장의 가능성이 있음을 의미한다. 시스템 내에서 "A" 요소(혹은 변수)가 고장났다고 가정하고 APAR 방법을 이용하여 고장을 판단하는 경우에는 "A" 요소(혹은 변수)를 포함한 모든 식들이 고장 판단식을 만족하게 되므로, 시스템에서 한 개 요소가 고장일 때 이를 정확하게 찾아내지 못하고 "A" 요소를 포함한 다른 많은 요소들도 고장이라고 추정하는 단점이 있다. That is, the APAR method means that all the variables used in the equation are likely to fail when the failure determination equations are satisfied. Assuming that the "A" element (or variable) has failed in the system and the failure is determined using the APAR method, all equations including the "A" element (or variable) will satisfy the failure determination equation. There is a drawback that one element fails and it is not possible to pinpoint it, and many other elements, including the "A" element, also assume a failure.
결국, 앞서 설명한 APAR 추정방식에 의하면 다중요소의 고장이 동시에 발생하는 경우에 고장 진단이 가능할 수 있으나 '하나'의 요소가 고장인 경우에는 어느 구성요소가 고장났는지의 고장요소 혹은 고장부위에 대하여 정확하면서도 빨리 찾아내는 판단이 곤란하게 된다. 가령, 모드 2의 Rule 6, 7에 의한 고장판단식에 있어서 실제로 Tsa만이 고장(Tsa를 계측하는 온도센서가 고장임을 의미함)인 경우, 상기 Rule 6, 7에 의한 고장판단식을 모두 만족하므로 Tsa, Tra, Tma 변수가 모두 고장이거나 이중 하나 또는 두 개가 고장일 것으로 판단하게 되어 특정부위에 대한 고장 판단이 모호하게 되는 문제점이 있게 된다. As a result, according to the above-described APAR estimation method, it is possible to diagnose a failure when multiple failures occur at the same time, but when a single failure occurs, it is accurate about the failure factor or the failure part of which component has failed. But it is difficult to find a quick decision. For example, when only Tsa is a failure (meaning that the temperature sensor measuring Tsa is a failure) in the failure determination formula according to Rule 6 and 7, in
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 APAR 알고리즘의 한계인 다중 고장 추정에 대한 단점을 극복하기 위해 특정 요소에 대한 고장부위의 신호에 대해 양성(+) 혹은 음성(-)의 방향성에 대한 구체적 정보를 알 수 있는 단일 고장 검출이 가능하도록 해주기 위한 공조 시스템에서의 상세 분류형 규칙기반 방식의 고장 검출 및 진단 방법과 이러한 방법을 이용한 장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a signal for a failure part signal for a specific element in order to overcome the disadvantage of multiple failure estimation, which is a limitation of the conventional APAR algorithm. A detailed classification rule-based fault detection and diagnosis method and an apparatus using such a method in an air conditioning system to enable a single fault detection to know specific information about positive or negative directionality. To provide.
즉, 본 발명에 있어서는 온도센서부위의 고장 판단시 방향성(양, 음의 고장)까지 판단할 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 하는데, 이러한 방향성(양의 고장, 음의 고장)에 대한 판단이 구체적으로 무엇을 의미하는 지는 다음과 같다. That is, in the present invention, the purpose of determining the directionality (positive and negative failure) when determining the failure of the temperature sensor portion, the purpose of the determination of the directionality (positive failure, negative failure) is specifically What it means is:
일반적으로 하절기에 공조시스템에 설치된 온도센서로 측정하는 온도가 정상적인 상태에서 18℃의 급기온도를 읽고 있다고 가정한다(여름철 급기온도 설정치는 18℃ 정도로 설정됨). 이때 양의 고장이란 실제온도보다 높은 양(+)의 값을 나타내는 고장을 의미하며, 음의 고장이란 실제온도보다 낮은 음(-)의 값을 나타내는 고장을 의미한다. In general, it is assumed that the temperature measured by the temperature sensor installed in the air conditioning system is reading the air supply temperature of 18 ° C in the summer (the summer air supply temperature is set to 18 ° C). In this case, a positive fault means a fault that indicates a positive value higher than the actual temperature, and a negative fault indicates a fault that indicates a negative value lower than the actual temperature.
하절기에 공조시스템에 설치된 급기온도센서로 측정하는 온도가 정상적인 상태보다 양(+)의 고장을 일으켜 +10℃ 만큼 높은 온도를 읽고 있다고 가정할 경우, 통상적인 급기온도인 18℃로 온도를 읽지 않고 28℃로 온도를 읽는다는 의미가 된다. 이 경우, 공조시스템의 제어기는 급기 설정온도인 18℃에 도달하지 않은 것으로 판단하고 계속 운전하게 되고 시스템의 성능을 총동원하여 운전하게 된다. 따라서 건물에 거주하는 사람들은 계속적인 냉방으로 인해 불쾌감을 느끼고 에너지 소비가 기존보다 매우 증가하게 된다.If it is assumed that the temperature measured by the air supply temperature sensor installed in the air conditioning system in the summer is reading a temperature as high as + 10 ℃ due to a positive failure than the normal state, the temperature is not read as the normal air supply temperature of 18 ℃. This means reading the temperature at 28 ° C. In this case, the controller of the air conditioning system determines that the air supply setting temperature has not reached 18 ° C. and continues to operate, and operates with the full performance of the system. Therefore, people living in buildings feel uncomfortable due to continuous cooling and energy consumption is much higher than before.
마찬가지로 하절기에 공조시스템에 설치된 급기온도센서로 측정하는 온도가 정상적인 상태보다 음(-)의 고장을 일으켜 -10℃ 만큼 낮은 온도를 읽고 있다고 가정할 경우, 통상적인 급기온도인 18℃로 온도를 읽지 않고 8℃로 온도를 읽는다는 의미가 된다. 이 경우, 공조시스템의 제어기는 이미 급기온도 설정치인 18℃를 만족한 것으로 판단하게 된다. 즉, 급기온도 설정치인 18℃를 지나 훨씬 낮은 온도인 것으로 판단하여 냉각기의 운전을 멈추게 된 것이다. 따라서 건물에 거주하는 사람들은 냉방이 이루어지지 않는 것으로 판단하고 불쾌감을 느끼게 된다. Likewise, assuming that the temperature measured by the air supply temperature sensor installed in the air conditioning system is reading lower than -10 ℃ due to a negative fault than the normal state, the temperature is not read as the normal air supply temperature of 18 ℃. It is meant to read the temperature at 8 ° C. In this case, the controller of the air conditioning system has already determined that the air supply temperature set point is 18 ℃. That is, it is determined that the temperature is much lower than the air supply temperature set value of 18 ℃ to stop the operation of the cooler. Therefore, people who live in the building will be judged that the cooling is not done and feel uncomfortable.
본 발명에 의한 고장진단 방법은 이러한 양(+)의 고장, 음(-)의 고장을 실시간으로 판단하여 공조시스템 관리자에게 알려줌으로써 에너지소비 절감과 거주자의 불편함을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다. 이는 기존의 단일고장 요소를 단순하게 분류하는 방법에 비해 고장관련 정보를 관리자에게 알려줌으로써 공조시스템의 고장진단에 보다 효과적으로 사용될 수 있는 것이다.The fault diagnosis method according to the present invention has the advantage of reducing energy consumption and minimizing the inconvenience of residents by determining in real time such a positive (+) fault and a negative (-) fault by informing the air conditioning system manager. This can be used more effectively in diagnosing the failure of the HVAC system by informing the administrator of failure-related information than simply classifying a single failure factor.
아울러, 본 발명은 저가의 센서와 기존 온도센서의 신호를 이용하여 기존의 중대형 건물에 설치된 HVAC 시스템과의 호환성을 용이하게 이룰 수 있도록 해주고, 이로 인해 기존 건물의 공조 시스템에 실제 적용 가능하도록 한 공조 시스템에서의 상세 분류형 규칙기반 방식의 고장 검출 및 진단 방법과 이를 이용한 장치를 제공하는 데 있다.In addition, the present invention makes it easy to achieve compatibility with the HVAC system installed in the existing medium and large buildings by using the signals of the low-cost sensor and the existing temperature sensor, thereby making the air conditioning system actually applicable to the existing building The present invention provides a method for detecting and diagnosing faults using a detailed classification rule-based method and a device using the same.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 공조 시스템에서의 상세 분 류형 규칙기반 방식의 단일부위 고장 검출 및 진단 방법은,In order to achieve the above object, the method of detecting and diagnosing single site failures of a detailed rule type rule-based method in an air conditioning system according to the present invention,
A) 고장진단에 필요한 한정값을 일정한 상수로 지정하고, 공조기 시스템에 설치되어 있는 요소로부터 측정된 데이터 값을 수집하는 단계;A) assigning a limit value required for the diagnosis to a constant constant and collecting measured data values from the elements installed in the air conditioner system;
B) 상기 데이터 값 중 외기온도 인자의 이상 여부를 판단하는 단계;B) determining whether an outside temperature factor is abnormal among the data values;
C) 상기 외기온도가 소정의 범위 내에 포함되는지를 판단하여 각 범위에 해당하는 모드를 자동적으로 선정하는 단계; 및C) determining whether the outside temperature is within a predetermined range and automatically selecting a mode corresponding to each range; And
D) 상기 선택된 모드에서 미리 지정된 한정값을 읽어들인 후 해당 모드에 지정된 복수의 고장 판단식에 의하여 복수의 온도 인자에 대한 고장 여부와 고장부위의 신호에 대해 양성 또는 음성의 방향성에 대한 정보를 판단하되, 시스템 각 부위의 열역학적 판단식을 만족하며 서로 관련성이 있는 온도 인자가 2개 이상 포함된 복수의 고장 판단식을 동시에 만족할 경우 상기 고장 판단식에 포함된 서로 공통되는 온도 인자를 고장 인자로 판단하는 단계;D) After reading the predetermined limit value in the selected mode, the information on the positive or negative directionality of the signal of the failure region and the signal of the failure region is determined by a plurality of failure determination formulas assigned to the mode. However, when satisfying the thermodynamic judgment equations of each part of the system and simultaneously satisfying a plurality of failure judgment equations including two or more related temperature factors, the common temperature factors included in the failure judgment equation are determined as the failure factor. Making;
를 포함하는 것을 특징으로 한다. Characterized in that it comprises a.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 공조 시스템에서의 상세 분류형 규칙기반 방식의 단일부위 고장 진단 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an apparatus for diagnosing single site failure of a detailed classification type rule-based method in an air conditioning system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
분류형 규칙기반 방식의 고장 검출 및 진단 장치Classification rule-based fault detection and diagnosis device
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템에서의 상세 분류형 규칙기 반 방식의 고장 진단 장치를 나타낸 도면으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 공조 시스템에서의 분류형 규칙기반 방식의 고장 진단 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1, 2 회전 속도계(110, 120), 제 1 내지 4 전위차계(210 내지 240), 외기온도 센서(310), 급기온도 센서(320), 혼합공기온도 센서(330), 순환공기온도 센서(340), 외기레퍼런스온도 센서(350) 및 중앙 제어부(400)로 구성되어 있다.FIG. 2 is a diagram illustrating a detailed classification rule-based failure diagnosis apparatus in an air conditioning system according to an embodiment of the present invention, and the failure of the classification rule-based method in an air conditioning system according to an embodiment of the present invention. 2, the first and
제 1 회전 속도계(tachometer; 110)는 상기 중앙 제어부(400)에서 출력한 "4-20mA"의 입력 신호에 따른 급기 송풍기(supply blower; 10)의 회전수를 측정한 후 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 하고, 제 2 회전 속도계(120)는 중앙 제어부(400)에서 출력한 "4-20mA"의 아날로그 입력 신호에 따른 환기 송풍기(return blower; 20)의 회전수를 측정한 후 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 한다. 이때, 본 발명을 구현함에 있어, 상기 제 1, 2 회전 속도계(110, 120) 대신에, 임의의 입력 신호에 따른 상기 급기 송풍기(10)와 환기 송풍기(20)의 주파수를 측정하는 제 1, 2 주파수 측정기(130, 140)를 구성할 수도 있다.The
또한, 제 1 전위차계(potentiometer; 210)는 VAV 댐퍼(50)의 구동부에 설치되어 상기 VAV 댐퍼(50)의 구동 여부에 따른 전압 출력값을 측정한 후 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 하고, 제 2 전위차계(220)는 외기 댐퍼(60)의 구동부에 설치되어 상기 외기 댐퍼(60)의 구동 여부에 따른 전압 출력값을 측정한 후 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 하며, 제 3 전위차계(230)는 배기 댐퍼(70)의 구동부에 설치되어 상기 배기 댐퍼(70)의 구동 여부에 따른 전압 출력값을 측정한 후 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 하고, 제 4 전위차계(240)는 혼합 댐퍼(80)의 구동부에 설치되어 상기 혼합 댐퍼(80)의 구동 여부에 따른 전압 출력값을 측정한 후 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 한다.In addition, the
한편, 외기온도 센서(310)는 외기온도를 측정한 후 상기 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 하고, 급기온도 센서(320)는 급기온도를 측정한 후 상기 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 하며, 혼합공기온도 센서(330)는 혼합공기온도를 측정한 후 상기 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 하고, 순환공기온도 센서(340)는 순환공기온도를 측정한 후 상기 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 하며, 외기레퍼런스온도 센서(350)는 상기 외기온도 센서(310)의 이상 유무를 진단하기 위한 레퍼런스 값을 측정한 후 상기 중앙 제어부(400)로 출력하는 역할을 한다.On the other hand, the
또한, 중앙 제어부(400)는 상기 제 1 및 2 회전 속도계(110, 120), 상기 제 1 내지 4 전위차계(210 내지 240), 상기 외기, 외기레퍼런스, 급기, 혼합공기 및 순환공기온도 센서(310 내지 350)의 측정 결과값들을 획득한 후 해당 모드에서 구동되는 구성 요소들의 고장 유무를 검출하고, 이후 그 고장 유무 결과값을 운용자에게 디스플레이시키는 역할을 한다. 여기서, 상기 중앙 제어부(400)가 상기 제 1 및 2 회전 속도계(110, 120), 상기 제 1 내지 4 전위차계(210 내지 240), 상기 외기, 외기레퍼런스, 급기, 혼합공기 및 순환공기온도 센서(310 내지 350)의 측정 결과값들을 획득하는 방법은 무빙 에버리지(Moving Average) 방법을 이용함으로써, 측정에 따라 발생할 수 있는 오차값에 의한 고장진단의 오류를 최소화할 수 있다.In addition, the
이때, 상기 중앙 제어부(400)는 상기 급기 송풍기(10) 또는 상기 환기 송풍기(20)의 고장 유무를 각각 진단함에 있어, 상기 제 1 및 2 회전 속도계(110, 120) 의 출력값과 상기 급기 송풍기(10) 또는 상기 환기 송풍기(20)로 입력된 신호(4-20mA)의 비가 이미 설정된 한정값을 초과하면 각각 고장으로 진단한다.At this time, the
또한, 상기 중앙 제어부(400)는 상기 VAV 댐퍼(50), 외기 댐퍼(60), 배기 댐퍼(70) 또는 혼합 댐퍼(80)의 고장 유무를 각각 진단함에 있어, 상기 제 1 또는 4 전위차계(210 내지 240)의 전압 출력값과 자신이 명령한 댐퍼의 개도명령 입력에 대한 비가 이미 설정된 한정값을 초과하면 각각 고장으로 진단한다.In addition, the
분류형 규칙기반 방식의 단일부위 고장 검출 및 진단 방법Classification and Rule-Based Single Site Failure Detection and Diagnosis
그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템에서의 분류형 규칙기반 방식의 단일부위 고장 진단 장치의 동작 과정 중에서 상기 중앙 제어부(400)가 수행하는 각 모드별 고장 진단 과정에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조 시스템에서의 분류형 규칙기반 방식의 고장 진단 및 검출 방법에 대한 전체 플로우차트이며, 도 4는 도 3의 모드 1에 있어서의 고정 진단 및 검출 방법에 대한 세부 플로우차트, 도 5는 도 3의 모드 2에 있어서의 고정 진단 및 검출 방법에 대한 세부 플로우차트, 도 6은 도 3의 모드 3에 있어서의 고정 진단 및 검출 방법에 대한 세부 플로우차트, 및 도 7은 도 3의 모드 4에 있어서의 고정 진단 및 검출 방법에 대한 세부 플로우차트를 나타낸다. Then, the failure diagnosis process for each mode performed by the
한편, 앞서 설명한 바와 같이, HVAC 시스템의 구성요소 중 가장 중요한 것은 온도이다. 지정된 실내온도, 지정된 급기온도 등을 유지하는 것이 무엇보다 중요 한 것이다. 따라서 고장진단 알고리즘은 온도를 측정하는 센서에 대한 고려가 가장 중요하며 APAR에서 제안하는 고장검출 방식도 이 부분에 집중되어 있는 것이다.On the other hand, as described above, the most important component of the HVAC system is temperature. Maintaining the specified indoor temperature and the specified air supply temperature is of utmost importance. Therefore, it is most important to consider the temperature measuring sensor in the fault diagnosis algorithm, and the fault detection method proposed by APAR is also concentrated in this part.
앞에서 지적한 바와 같이 APAR 방식은 2개 이상의 요소에 대한 고장검출로 인해 정확한 고장요소 혹은 고장부위를 알지 못하는 단점이 있다. 본 발명에 의한 분류형 규칙기반 알고리즘을 기초로 하는 고장검출 및 진단방법은 이를 개선하기 위한 방법으로서 개발된 것이다. As pointed out above, the APAR method has a disadvantage in that it does not know the exact failure factor or location due to failure detection of two or more factors. The fault detection and diagnosis method based on the classification rule-based algorithm according to the present invention has been developed as a method for improving the problem.
한정값Limited value 지정 및 데이터 수집 단계 And data collection steps
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 분류형 규칙기반 고장검출 및 진단 알고리즘의 시작은 고장진단에 필요한 한정값을 일정한 상수로 지정하는 것이다. 이는 모든 관계식에 사용되는 ε, ΔT 등의 값을 정의하는 것을 의미한다.As shown in Fig. 3, the start of the classification rule-based fault detection and diagnosis algorithm according to the present invention is to designate a limit value necessary for fault diagnosis as a constant constant. This means defining values of ε, ΔT, etc., used in all relations.
시스템의 한정값들이 선정되면 HVAC 시스템에 설치되어 있는 요소 혹은 측정 장비에서 출력되는 전압, 온도, 압력 등의 신호를 실시간으로 모니터한다. 측정된 데이터 값은 신호수집기로 보내져 무빙 에버리지(moving average) 방법을 이용하여 측정에 따라 발생할 수 있는 오차값에 의한 고장진단의 오류를 최소화한다.Once the system's limits are selected, signals such as voltage, temperature, and pressure from elements or measurement equipment installed in the HVAC system are monitored in real time. The measured data values are sent to the signal collector to minimize the errors in troubleshooting due to the error values that can be generated by using the moving average method.
모드선정Mode selection 단계 step
도 3에 도시된 바와 같이, 중앙 제어부(400)는, 무빙 에버리지(Moving average) 개념을 이용한 데이터의 획득이 효과적으로 이루어지면 HVAC 시스템에서 측정되는 외기온도(TOA)에 의해 모드를 선정하게 된다. 운전모드의 선정에 관계되는 한정값들은 "TOA ,HT,set, TOA ,cool,set, TOA ,cool,min,set"이 필요하며 이는 필요에 따라 변경될 수 있는 값으로 프로그래밍 한다. 본 발명에 의한 진단 알고리즘에서 공조 시스템의 각 요소의 고장을 판단하는데 있어서 에너지 방정식을 처음으로 적용하는 요소는 외기온도(TOA) 센서이다. 외기온도(TOA) 센서의 신호는 기준이 되는 레퍼런스외기온도(TOA ,ref) 센서 신호와 비교하여 그 값의 차이가 한정값(예를 들면 1.5 K) 이내에 들면 이상이 없는 것으로 판단한다. 만약 여기서 측정되는 외기온도(TOA) 센서의 신호가 고장신호라고 판단되면 이를 먼저 진단하여야 하며, 고장이 아니라고 판단될 경우에는 도 3에 기재된 다양한 설정기준에 부합하는 조건에 따라 모드 1 내지 4 중 어느 하나로 이동하여 해당 모드에서의 고장진단 판단을 수행하게 된다. As illustrated in FIG. 3, the
즉, 본 발명에 있어서의 운전모드의 설정방법은 「외기온도」에 전적으로 의존한다. 결국 외기온도에 따라 운전모드를 우선 선정하고 난 후, 각 운전모드(모드 1 내지 4)에 대해서 최대 댐퍼 개도값, 최소 댐퍼 개도값, 냉난방밸브의 오차값 등의 계수값이 적용되게 된다. That is, the method of setting the operation mode in the present invention depends entirely on the "outside air temperature". After the operation mode is first selected according to the outside temperature, coefficient values such as the maximum damper opening value, the minimum damper opening value, and the error value of the heating / heating valve are applied to each operation mode (
한편, 상기 중앙 제어부(400)가 모드 선정 이전에 외기온도(TOA)의 이상 여부를 판정하는 방법은 하기의 [수학식 1]을 만족할 경우 정상으로 판정하고, 만족하지 않을 경우 고장으로 판정한다.On the other hand, the method of the
여기서, TOA는 외기온도이고, TOA .ref는 외기레퍼런스온도이며, εOA는 외기온도의 허용값이다.Where T OA is the outside temperature, T OA .ref is the outside reference temperature, and ε OA is the allowable value of the outside temperature.
모드
도 4에 도시된 바와 같이, 중앙 제어부(400)는 앞서 설명한 모드 선정단계에 의한 판단결과 하기의 [수학식 2]를 만족하는 경우 현 모드를 모드 1로 선정한다.As shown in FIG. 4, the
여기서, TOA는 외기온도이고, TOA,HT,set는 외기 난방코일 설정온도이다.Here, T OA is the outside temperature, and T OA , HT, set is the outside air heating coil set temperature.
모드 1은 겨울철에 외기공기를 차단하고 환기를 계속적으로 가열하여 실내온도를 유지하는 운전방법이며, 이때 외기댐퍼의 개도는 100% 닫혀있어야 한다. 따라서 상기 중앙 제어부(400)는 초기에 각 요소의 데이터를 측정한 후 우선 외기댐퍼의 개도유무를 판단한다. 모드 1에서 자동조절부에서 출력되는 외기댐퍼의 개도신호는 100% 닫히도록 발생하게 된다. 이때, 외기댐퍼가 100% 닫혀있지 않으면, 상기 중앙 제어부(400)는 댐퍼에 공급되는 입력신호와 출력신호를 서로 비교하고, 여기서 고장으로 판단되지 않으면 외기온도를 다시 판단하여 모드 2, 3, 4 중 하나의 제어모드로 변경한다.
상기 중앙 제어부(400)는 제어모드에서 외기온도의 신호(TOA)를 상기 [수학식 1]의 방법으로 다시 한번 고장여부를 진단한 후 가열코일에 공급되는 신호를 확인한다. 여기서 난방코일(30)에 공급되는 출력신호가 없으면 난방코일(30)의 고장이 의심되는 것이므로 이를 고장으로 진단해야 한다.The
이때, 상기 중앙 제어부(400)가 모드 1에서 난방코일(30)에 대한 고장 유무를 진단하는 방법은 하기의 [수학식 3]을 만족할 경우 정상으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 고장으로 판정한다.In this case, the method of diagnosing the failure of the
여기서, VHT .set은 난방코일로 공급되는 출력 신호이다.Here, V HT .set is an output signal supplied to the heating coil.
한편, 본 발명에서는 모드 1에서 서로 관련성이 있는 온도 인자인 TOA, TRA, Tma가 포함된 식을 이용하여 시스템 각 부위의 열역학적 판단식을 만족하며 서로 관련성이 있는 온도 인자가 포함된 고장 판단식을 만족할 경우 고장인자로 판단한다. 이러한 판단이 가능한 이유는, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명이 한 개의 요소가 고장인 경우에만 이를 정확하게 찾아내는 알고리즘에 해당하므로 가능한 것으로서, 다중요소가 동시에 고장인 경우에는 본 발명의 적용이 불가능함을 전제로 하기 때문이다. 이러한 사항은 후술하는 모드에서도 동일하게 적용되어 판단될 수 있다.On the other hand, the present invention satisfies the thermodynamic determination equation of each part of the system by using equations including temperature factors T OA , T RA , and T ma that are related to each other in
이때, 상기 중앙 제어부(400)는 다음 진단단계에서 하기의 [수학식 4]와 [수 학식 5]를 이용하여 혼합공기온도 센서의 고장유무를 판단할 수 있다. [수학식 4]를 만족하면 고장으로 판단하고, 만족하지 않은면 정상으로 판단한다.At this time, the
여기서, TOA는 외기온도이고, Tma는 혼합공기온도이며, εma는 온도 측정오차에 의한 허용값이다. Where T OA is the outside air temperature, T ma is the mixed air temperature, and ε ma is the allowable value due to the temperature measurement error.
모드 1에서 공조기 내의 혼합공기온도는 외기온도보다 통상적으로 높다. 만약 혼합공기온도가 겨울철의 외기온도보다 낮다면 혼합공기온도의 정상적인 온도보다 음(-)의 경향을 갖는 온도(Tma-)로 표시되어 고장이라고 판단할 수 있다. In
이때, 상기 중앙 제어부(400)는 다음 진단단계에서 하기의 [수학식 5]를 만족할 경우 양(+)의 혼합공기온도의 고장으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다. At this time, the
여기서, TSA는 급기온도이고, Tma는 혼합공기온도이며, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이고, TOA는 외기온도이며, TRA는 순환공기온도이다.Where T SA is the air supply temperature, T ma is the mixed air temperature, ε t is the allowable value due to the temperature measurement error, T OA is the outside air temperature, and T RA is the circulating air temperature.
이전 단계에서 Tma-의 고장조건에 대한 분석을 수행한 후이기 때문에 [수학 식 5]를 만족하는 것은 혼합공기온도가 정상값보다 양(+)의 값을 나타내는 고장조건(Tma+)에 해당한다.Since the analysis of the failure condition of T ma -is performed in the previous step, satisfying [Equation 5] is due to the failure condition (T ma +) where the mixed air temperature is positive than the normal value. Corresponding.
그런후, 상기 중앙 제어부(400)는 다음 진단 단계에서 하기의 [수학식 6]와 [수학식 7]를 이용하여 급기온도 센서의 고장유무를 판단할 수 있다. [수학식 6]를 만족하면 급기온도 센서의 음(-)의 고장으로 판단하고, 만족하지 않으면 정상으로 판단한다.Then, the
여기서, TSA는 급기온도이고, Tma는 혼합공기온도이며, εSA는 온도 측정오차에 의한 허용값이다. Where T SA is the air supply temperature, T ma is the mixed air temperature, and ε SA is the allowable value due to the temperature measurement error.
모드 1에서 공조기 내의 급기온도는 통상적으로 혼합공기온도보다 높다. 만약 급기온도가 혼합공기온도보다 낮다면 급기온도는 정상적인 온도보다 음(-)의 경향을 갖는 온도(TSA-)로 표시되어 고장이라고 판단할 수 있다.In
그런후, 상기 중앙 제어부(400)는 다음 진단 단계에서 하기의 [수학식 7] 중 제1식과 제2식을 동시에 만족할 경우 급기온도가 정상값보다 양(+)의 값을 나타내는 고장조건(TSA+)에 해당하는 것으로 판단하고 급기온도 센서(TSA+)를 이상으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다.Then, the
여기서, TSA는 급기온도이고, TSA .set은 급기 설정온도이며, εSA는 급기온도 허용값이고, εhc는 난방코일 제어신호의 허용 계수이며, uhc는 정규화된 난방코일밸브 제어신호[0, 1]이다.Where T SA is the air supply temperature, T SA .set is the air supply set temperature, ε SA is the air supply temperature tolerance value, ε hc is the tolerance coefficient of the heating coil control signal, u hc is the normalized heating coil valve control signal [0, 1].
지금까지 진행된 과정에서 TOA, Tma, TSA에 대한 이상요인이 판단될 수 있다. In the process so far, abnormal factors for T OA , T ma , and T SA can be determined.
그런후, 상기 중앙 제어부(400)는 다음 진단 단계에서 하기의 [수학식 8]와 [수학식 9]을 이용하여 환기온도 센서의 고장유무를 판단할 수 있다. [수학식 8]를 만족하면 환기온도 센서의 음(-)의 고장으로 판단하고, 만족하지 않으면 정상으로 판단한다.Thereafter, the
여기서, TRA는 순환공기온도이고, Tma는 혼합공기온도이고, TOA는 외기온도이며, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이다. Where T RA is the circulating air temperature, T ma is the mixed air temperature, T OA is the outside air temperature, and ε t is the allowable value due to the temperature measurement error.
모드 1에서 공조기 내의 순환공기온도는 통상적으로 혼합공기온도와 크게 차이가 나지 않는다. 만약 환기온도가 혼합공기온도에서 외기온도를 뺀 값보다 낮다면 순환공기온도는 정상적인 온도보다 음(-)의 경향을 갖는 온도(TRA-)로 표시되어 고장이라고 판단할 수 있다.In
그런후, 상기 중앙 제어부(400)는 하기의 [수학식 9]을 만족할 경우 순환공기온도가 정상값보다 양(+)의 값을 나타내는 고장조건(TRA+)에 해당하는 것으로 판단하고 순환공기온도 센서(TRA+)의 이상으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다.Then, when the
따라서, 상기 중앙 제어부(400)는 다음 진단 단계에서 순환공기온도(TRA)에 대한 이상 유무를 진단함에 있어 하기의 [수학식 9]을 만족할 경우 환기온도가 정상값보다 양(+)의 값을 나타내는 고장조건(TSA+)에 해당하는 것으로 판단하여 고장으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다.Therefore, when the
여기서, Tma는 혼합공기온도이고, εf는 유량에 관계된 오차에 의한 허용값이며, TOA는 외기온도이며, TRA는 순환공기온도이다. Here, T ma is the mixed air temperature, ε f is the allowable value by the error related to the flow rate, T OA is the outside air temperature, T RA is the circulating air temperature.
이때, TOA, Tma, TSA에 대한 이상이 발생하지 않은 상태에서 상기 [수학식 8]와 [수학식 9]의 관계식을 만족한다는 것은 순환공기온도(TRA) 인자에 대한 이상을 의미하는 것이다. 마지막으로 위에서 언급된 에너지방정식의 조건들에서 고장요인으로 판단되지 않는다면 HVAC 시스템은 정상적인 동작을 하고 있는 것으로 판단하게 되며, 이로써 상기 중앙 제어부(400)는 다시 최초의 데이터 수집 과정을 수행하 게 된다.At this time, satisfying the relational expressions of [Equation 8] and [Equation 9] in the state that the abnormality for T OA , T ma , T SA does not occur means an abnormality for the circulating air temperature (T RA ) factor. It is. Finally, if it is not determined that the failure factors in the above-mentioned conditions of the energy equation, it is determined that the HVAC system is operating normally, and thus the
모드
도 5에 도시된 바와 같이, 중앙 제어부(400)는 앞서 설명한 모드 선정단계에 의한 판단결과 하기의 [수학식 10]을 만족하는 경우 현 모드를 모드 2로 선정한다.As shown in FIG. 5, the
여기서, TOA는 외기온도이고, TOA ,HT,set은 외기 난방코일 설정온도이며, TOA,cool,set은 외기 냉방코일 설정온도이다.Here, T OA is the outside air temperature, T OA , HT, set is the outside air heating coil set temperature, T OA, cool, set is the outside air cooling coil set temperature.
모드 2는 봄, 가을철과 같이 겨울철보다 온도가 상승한 외기공기의 조건에서 가열코일과 냉방코일을 차단하고 환기를 계속적으로 실시하여 실내온도를 유지하는 운전방법이다. 모드 2는 외기댐퍼의 개도 조정만을 통해 급기온도와 실내온도의 조건을 만족하도록 운전하게 된다.
상기 중앙 제어부(400)는 현 모드가 모드 2로 선정되면, 초기에 각 요소의 데이터를 측정한 후 우선 상기 [수학식 1]을 이용하여 외기온도(TOA)의 이상 여부를 판정한다. 여기에서도 측정되는 외기온도(TOA)의 신호가 고장신호라고 판단되면 이를 먼저 진단하여야 한다. When the current mode is selected as the
모드 2에서는 에 대한 정의가 필요하다. 이는 [수학식 11]로 표현된 것 과 같이 댐퍼의 개도, 외기온도 및 환기온도의 비율에 의해 정의된 ‘기준 혼합공기 온도(reference mixed air temperature)’를 나타낸다. In
여기서, 는 기준 혼합공기온도이고, TOA는 외기온도이고, TOA ,HT,set은 외기 난방코일 설정온도이며, TOA ,cool,set은 외기 냉방코일 설정온도이다. here, Is the reference mixed air temperature, T OA is the outside air temperature, T OA , HT, set is the outside air heating coil set temperature, and T OA , cool, set is the outside air cooling coil set temperature.
고장진단 관계식을 이용하기 전에 외기댐퍼의 고장유무를 우선 판단할 수 있다. 댐퍼의 개도신호는 전압으로 나타난다. 모드 2는 외기를 도입하여 실내온도를 적정한 설정값으로 유지하는 것을 목표로 하기 때문에 외기댐퍼가 작동하지 않으면 그 목표를 달성할 수 없다. 따라서 [수학식 12]와 같이 일정한 외기댐퍼의 최소값을 설정한 후 이보다 댐퍼의 개도가 작은 값을 나타내면 댐퍼의 고장유무를 점검해야 한다. Before using the trouble diagnosis equation, it is possible to first determine whether the external damper is broken. The open signal of the damper is represented by voltage.
여기서, VOA ,damper는 외기댐퍼의 개도신호이고, VOA ,damper,min는 외기댐퍼의 최소 개도신호이다. Here, V OA and damper are opening signals of the external air damper, and V OA , damper and min are minimum opening signals of the external air damper.
하기의 [수학식 13]에 의하면 외기온도(TOA)는 급기 설정온도(TSA ,set)보다 절 대로 높은 온도일 수 없다. 따라서, [수학식 13]을 만족하면 급기 설정온도(TSA,set)를 잘못 지정한 것으로 판단해야 한다. According to Equation 13 below, the outside air temperature T OA cannot be an absolute higher temperature than the air supply set temperature T SA , set . Therefore, if Equation 13 is satisfied, it is determined that the air supply set temperature T SA, set is incorrectly specified.
여기서, TOA는 외기온도이고, TSA .set은 급기 설정온도이며, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이다.Where T OA is the outside temperature, T SA .set is the air supply set temperature, and ε t is the permissible value due to the temperature measurement error.
모드 2에서는 냉방코일과 난방코일의 운전이 멈춘 상태이므로 냉방코일과 난방코일의 밸브가 열리게 되면 고장임을 체크해야 한다.In
다음 단계에서 혼합공기온도의 음(-)의 방향성(Tma-)의 고장을 검출할 수 있다. 모드 2는 봄, 가을철과 같은 계절의 외기온도에 해당하므로 공조기 시스템의 내부온도보다 낮은 온도의 공기가 유입되는데 TOA보다 Tma의 온도가 낮게 구성되면, TOA의 신호는 고장이 아니므로 하기의 [수학식 13]을 만족하면 혼합공기의 온도가 음성의 방향성을 가지는 고장으로 판단하고, 그렇지 않으면 정상으로 판단한다.In the next step, a failure of the negative directionality T ma -of the mixed air temperature can be detected.
여기서, Tma는 혼합공기온도이고, TOA는 외기온도이며, εMA는 혼합공기온도 측정오차에 의한 허용값이다.Where T ma is the mixed air temperature, T OA is the outside air temperature, and ε MA is the allowable value due to the mixed air temperature measurement error.
다음 단계에서는 실제 혼합공기온도와 기준 혼합공기온도를 비교하여 순환공 기온도(TRA) 고장 시의 방향성을 판단할 수 있다. [수학식 15]를 이용하면 실제 혼합공기온도는 외기와 환기가 혼합된 기준 혼합공기온도보다 높은 값을 나타낸다. 이는 TOA가 정상적인 상태라고 이미 판단된 상태이므로 TRA에 의한 기준 혼합공기온도의 값이 문제가 됨을 알 수 있다. 따라서 [수학식 15]를 만족하려면 TRA-의 방향성을 갖는 고장이 발생해야 한다. 만일 실제 혼합공기온도가 [수학식 15]를 만족하지 않으면 TRA-의 고장은 아니므로 [수학식 16]를 이용하여 TRA+의 고장을 판단할 수 있다. In the next step, the actual mixed air temperature and the reference mixed air temperature can be compared to determine the directionality at the time of the failure of the circulation air temperature (T RA ). Using Equation 15, the actual mixed air temperature is higher than the standard mixed air temperature in which outside air and ventilation are mixed. Since it is already determined that T OA is a normal state, it can be seen that the value of the reference mixed air temperature by T RA is a problem. Therefore, in order to satisfy Equation 15, a fault having a directionality of T RA -must occur. If the actual mixed air temperature does not satisfy [Equation 15], it is not a failure of T RA −, and thus it is possible to determine the failure of T RA + using Equation 16.
여기서, 는 기준 혼합공기온도이고, Tma는 혼합공기온도이다.here, Is the reference mixed air temperature and T ma is the mixed air temperature.
모드 2에서의 운전조건은 외기를 공조기 시스템으로 도입하여 이를 송풍기를 통해 실내로 유입하는 방식이므로 실내온도와 시스템의 온도 사이에 큰 온도차가 발생하기 어려운 상태이다. 만일 TRA의 고장이 진단되지 않는다면 [수학식 17]와 같이 혼합공기온도와 환기온도를 비교하여 Tma+ 고장을 진단할 수 있다. The operating condition in
여기서, Tma는 혼합공기온도이고, TRA는 순환공기온도이며, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이다.Where T ma is the mixed air temperature, T RA is the circulating air temperature, and ε t is the allowable value due to the temperature measurement error.
이 단계까지 오면 TOA, TRA, Tma의 고장여부를 방향성까지 포함하여 검출하고 진단하는 것이 된다. If it reaches this stage, it is possible to detect and diagnose the failure of T OA , T RA and T ma , including directionality.
다음 단계에서 상기 중앙 제어부(400)는 하기의 [수학식 18]를 이용하여 급기온도(TSA)에 대한 이상 유무를 진단할 수 있는데, 이때 하기의 [수학식 18]를 만족할 경우 고장으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다. 모드 2에서는 공조기 시스템을 통과하는 혼합공기 온도와 급기온도 사이의 온도차가 크게 발생하지 않는다. 급기송풍기를 지나는 동안 공기의 온도상승이 미미하게 발생할 수 있으나 이는 큰 차이를 나타내지 않기 때문에 본 관계식들에서는 송풍기를 지나는 공기의 온도상승을 고려하지 않았다. 따라서 TSA는 Tma보다 현저히 작은 값을 나타내기 어렵다. 만일 [수학식 18]를 만족한다면 TSA-의 방향성을 갖는 고장으로 진단하게 된다. In the next step, the
여기서, TSA는 급기온도이고, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이고, Tma는 혼합공기온도이다.Where T SA is the air supply temperature, ε t is the allowable value due to the temperature measurement error, and T ma is the mixed air temperature.
이때, 상기 중앙 제어부(400)는 상술한 [수학식 18]를 만족하지 않는다면, 하기의 [수학식 19]의 제1식(좌측)과 제2식(우측)을 이용하여 급기온도(TSA+)에 대한 이상 유무를 진단할 수 있게 되며, 이는 하기의 [수학식 19]을 만족할 경우 급기온도(TSA+) 인자를 고장으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다.At this time, if the
여기서, TSA는 급기온도이고, TRA는 순환공기온도이며, Tma는 혼합공기온도이고, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이다.Where T SA is the air supply temperature, T RA is the circulating air temperature, T ma is the mixed air temperature, and ε t is the allowable value due to the temperature measurement error.
그러므로, 지금까지 진행된 고장여부 판단을 이용하면 TOA, Tma, TSA의 고장여부를 알 수 있다. Therefore, by using the failure determination proceeded so far, it can be known whether the failure of T OA , T ma , T SA .
현재까지 고장요인을 판단하기 위해 언급된 관계식을 만족하지 않는 조건이라면, HVAC 시스템은 정상적인 동작을 하고 있는 것으로 판단하게 되며, 상기 중앙 제어부(400)는 다시 데이터 수집 과정을 처리한다.If the condition that does not satisfy the relational expression mentioned so far to determine the failure factor, it is determined that the HVAC system is operating normally, the
모드
도 6에 도시된 바와 같이, 중앙 제어부(400)는 앞서 설명한 모드 선정단계에 의한 판단결과 하기의 [수학식 20]를 만족하는 경우 현 모드를 모드 3으로 선정한다.As shown in FIG. 6, the
여기서, TOA는 외기온도이고, TOA ,cool,set은 외기 냉방코일 설정온도이며, TOA ,cool,min,set은 외기 냉방코일 최저 설정온도이다.Here, T OA is the outside air temperature, T OA , cool, set is the outside air cooling coil set temperature, T OA , cool, min, set is the outside air cooling coil minimum set temperature.
모드 3은 초여름과 같이 봄, 가을철보다 온도가 조금 더 상승한 외기공기의 조건에서 냉방코일을 조절하여 실내온도를 유지하는 운전방법이다. 이 때 외기 댐퍼(60)의 개도는 100% 개방하여 외기를 유입하고, 난방코일(30)은 운전하지 않는 상태가 된다. 즉 냉방코일(40)의 조정만을 통해 급기온도 조건을 만족하도록 운전하게 된다.
상기 중앙 제어부(400)는 모드 3에서 초기에 각 요소의 데이터를 측정한 후 우선 외기 댐퍼(60)의 개도유무를 판단한다. 자동조절부에서 출력되는 외기 댐퍼(60)의 개도신호는 100% 열리도록 발생하게 된다. 이때, 외기 댐퍼(60)가 100% 개방되어 있지 않으면, 상기 중앙 제어부(400)는 외기 댐퍼(60)에 공급되는 입력신호와 출력신호를 서로 비교하고, 여기서 고장으로 판단되지 않으면 외기온도를 다시 판단하여 모드 2, 3, 4 중 하나의 제어모드로 변경한다. The
만일 난방코일(30)에서 신호가 나오고 있으면 모드 1로 운전되고 있는 가능성이 있으므로 모드 1의 고장검출 과정을 이용한다.If a signal is output from the
다음 과정에서 상기 중앙 제어부(400)는 난방코일(30)에서 신호가 나오지 않는 경우 하기의 [수학식 21] 내의 세가지 수식을 공통적으로 만족하는 조건을 이용하여 외기온도(TOA) 인자에 대한 고장여부를 진단한다. 외기온도(TOA) 인자에 대한 고장여부는 모드 3의 초기에 한번 진단한 상태이기 때문에 재진단하게 되는 것이다. In the following process, the
TT OAOA > > TT coco + ε + ε tt
|| TT OAOA - - TT mama | > ε| > ε tt
여기서, TOA는 외기온도이고, TSA .set은 급기 설정온도이며, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이며, TCO는 모드 3에서 모드 4로 바뀌는 변환 온도이고, Tma는 혼합공기온도이다. Where T OA is the ambient temperature, T SA .set is the air supply set temperature, ε t is the allowable value due to the temperature measurement error, T CO is the conversion temperature from
그 후, 상기 중앙 제어부(400)는 급기온도의 고장을 먼저 판단하기 위해 [수학식 22]를 만족하는 경우 고장으로 판단하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다. Thereafter, the
여기서, TSA는 급기온도이고, TSA .set은 급기 설정온도이며, εt는 온도 측정오 차에 의한 허용값이다Where T SA is the air supply temperature, T SA .set is the air supply set temperature, and ε t is the allowable value due to the temperature measurement error.
그 후, 상기 중앙 제어부(400)는 외기온도(TOA)가 정상일 경우 하기의 [수학식 23]를 이용하여 모드 3에서 모드 4로 바뀌는 변환 온도(TCO)에 대한 이상 유무를 진단하되, 하기의 [수학식 23]를 만족할 경우 고장으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다. 여기서, 변환 온도(TCO)의 온도는 측정되는 값이 아니라 지정되는 값이므로 공조기 시스템의 운전자(operator) 또는 전문가의 판단이 요구된다. Thereafter, when the outside temperature T OA is normal, the
여기서, TOA는 외기온도이고, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이며, TCO는 모드 3에서 모드 4로 바뀌는 변환 온도이다.Where T OA is the outside temperature, ε t is the allowable value due to the temperature measurement error, and T CO is the conversion temperature changing from
TOA와 TCO 및 TSA의 이상 여부를 진단한 후에는 상기 중앙 제어부(400)가 혼합공기온도(Tma)에 대한 이상 유무를 진단할 수 있는데, 이는 하기의 [수학식 24]를 만족할 경우 고장으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다.After diagnosing T OA and T CO and T SA for abnormalities, the
여기서, TOA는 외기온도이고, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이며, Tma는 혼합공기온도이다.Where T OA is the outside air temperature, ε t is the allowable value due to the temperature measurement error, and T ma is the mixed air temperature.
한편, 아래의 [수학식 25]의 관계식만을 이용하여 급기온도(TSA)의 고장여부를 진단할 수 있다. 급기온도(TSA)의 고장여부는 이미 [수학식 22]에서 고장여부를 진단한 바 있다. 따라서, 급기온도(TSA)의 고장여부를 다시 한번 진단하게 되는 것이다. On the other hand, it is possible to diagnose whether or not the supply air temperature (T SA ) by using only the relationship of the equation (25) below. The failure of the air supply temperature (T SA ) has already been diagnosed in [Equation 22]. Therefore, it is once again diagnosed whether the air supply temperature T SA has failed.
여기서, TSA는 급기온도이고, Tma는 혼합공기온도이며, ΔTSF는 급기 송풍기를 통한 온도 상승이고, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이다.Where T SA is the air supply temperature, T ma is the mixed air temperature, ΔT SF is the temperature rise through the air supply blower, and ε t is the allowable value due to the temperature measurement error.
그 후, 상기 중앙 제어부(400)는 급기온도(TSA)가 정상인 상태에서 하기의 [수학식 26]을 이용하여 순환공기온도(TRA)에 대한 이상 유무를 진단할 수 있으며, 이는 하기의 [수학식 26]을 만족할 경우 고장으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다. 즉, 급기온도(TSA)에 대한 고장이 없는 상태에서 [수학식 26]을 만족한다는 것은 순환공기온도(TRA)의 고장을 나타내는 것이다. Thereafter, the
여기서, TSA는 급기온도이고, TRA는 순환공기온도이며, ΔTSF는 급기 송풍기를 통한 온도 상승이고, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이다.Here, T SA is the air supply temperature, T RA is the circulating air temperature, ΔT SF is the temperature rise through the air supply blower, ε t is the allowable value due to the temperature measurement error.
그 후, 상기 중앙 제어부(400)는 하기의 [수학식 27]를 이용하여 정규화된 냉방코일밸브 제어신호[0, 1](uCC)에 대한 고장 유무를 진단하되, 하기의 [수학식 27]를 만족할 경우 고장으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다.Thereafter, the
여기서, uCC는 정규화된 냉방코일밸브 제어신호[0, 1]이고, εCC는 냉방코일 제어신호의 허용 계수이며, TSA는 급기온도이고, TSA .set은 급기 설정온도이며, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이다.Where u CC is the normalized cooling coil valve control signal [0, 1], ε CC is the allowable coefficient of the cooling coil control signal, T SA is the air supply temperature, T SA .set is the air supply set temperature, ε t Is the allowable value due to temperature measurement error.
상기 중앙 제어부(400)는 현재까지 고장요인을 판단하기 위해 언급된 관계식을 만족하지 않는 조건이라면, HVAC 시스템은 정상적인 동작을 하고 있는 것으로 판단하고, 이로써 최초의 데이터 수집 처리 과정으로 다시 이동한다.The
모드
도 7에 도시된 바와 같이, 중앙 제어부(400)는 앞서 설명한 모드 선정단계에 의한 판단결과 하기의 [수학식 28]을 만족하는 경우 현 모드를 모드 4로 선정한다.As shown in FIG. 7, the
여기서, TOA는 외기온도이고, TOA ,cool,min,set은 외기 냉방코일 최저 설정온도이다.Here, T OA is the outside air temperature and T OA , cool, min, set is the minimum set temperature of the air cooling coil.
모드 4는 초여름보다 외기온도가 더욱 상승한 한여름과 같은 외기공기의 조건에서 냉방코일(40)을 조절하여 실내온도를 유지하는 운전방법이다. 이때, 외기 댐퍼(60)의 개도는 100% 닫아 외기의 유입을 차단하고 에너지의 손실을 방지하며 히터 혹은 난방코일(30)은 운전하지 않는 상태가 되도록 한다.
모드 4에서도 에 대한 정의가 필요하다. 이는 [수학식 11]로 표현된 것과 같이 댐퍼의 개도, 외기온도 및 환기온도의 비율에 의해 정의된 ‘기준 혼합공기 온도(reference mixed air temperature)’를 나타낸다. Even in
상기 중앙 제어부(400)는 모드 4에서 초기에 각 요소의 데이터를 측정한 후 우선 외기 댐퍼(60)의 개도유무를 판단한다. 자동조절부에서 출력되는 외기 댐퍼(60)의 개도신호는 100% 닫히도록 즉 0% 열리도록 발생하게 된다. 이때, 외기 댐퍼(60)가 100% 닫히지 않으면, 상기 중앙 제어부(400)는 외기 댐퍼(60)에 공급되는 입력신호와 출력신호를 서로 비교하고 여기서 고장으로 판단되지 않으면 외기온도를 다시 판단하여 모드 2, 3, 4 중 하나의 제어모드로 변경한다.The
이어서, 외기온도(TOA)의 신호가 정상이면, 상기 중앙 제어부(400)는 하기의 [수학식 29]을 이용하여 모드 3에서 모드 4로 바뀌는 변환 온도(TCO)에 대한 이상 유무를 진단하되, 하기의 [수학식 29]을 만족할 경우 고장으로 판정하고, 만족하지 않을 경우에는 정상으로 판정한다.Subsequently, when the signal of the outside temperature T OA is normal, the
여기서, TOA는 외기온도이고, TCO는 모드 3에서 모드 4로 바뀌는 변환 온도이며, εt는 온도 측정오차에 의한 허용값이다.Where T OA is the ambient temperature, T CO is the conversion temperature from
모드 4는 여름철 운전모드로 난방코일의 운전은 없으므로 난방코일의 밸브가 열린 신호가 검출되면 고장으로 판단할 수 있다. 반면 냉방코일은 급기온도를 만족한 경우 순간적으로 멈출 수도 있기 때문에 냉방코일이 운전하지 않는 경우 고장으로 판단하는 것은 알고리즘 상의 오류를 발생할 수 있다. 이 경우에는 급기설정온도보다 급기온도가 높은지를 같이 판단하여 두 조건 모두를 만족하는 경우에 냉방코일의 고장으로 진단한다.
이어서, 상기 중앙 제어부(400)는 혼합공기 온도의 고장을 점검한다. 모드 4에서는 [수학식 30]를 사용하여 Tma-의 고장을 진단한다. 여름철 조건은 외기온도가 공조기 시스템 내부의 공기온도보다 높다. 그러나 혼합공기온도의 경우 특정 값(εma,summer)을 포함하는 경우 외기온도보다 높게 형성될 수 있으며 특정 값을 충분히 크게 한 경우에도 [수학식 30]를 만족한다면 Tma-의 방향성을 갖는 고장으로 판 단할 수 있다.Subsequently, the
여기서, Tma는 혼합공기온도이고, TOA는 외기온도이며, εma,summer는 온도 측정오차에 의한 허용값이다.Where T ma is the mixed air temperature, T OA is the outside air temperature, and ε ma, summer is the allowable value due to the temperature measurement error.
이어서, 상기 중앙 제어부(400)는 실제 혼합공기온도와 기준 혼합공기온도를 비교하여 순환공기온도(TRA) 고장 시의 방향성을 판단할 수 있다. [수학식 31]를 이용하면 실제 혼합공기온도는 외기와 환기가 혼합된 기준 혼합공기온도보다 높은 값을 나타낸다. 모드 4에서는 환기가 대부분을 차지하게 된다. 여기서 TOA는 이미 정상적인 상태라고 판단된 상태이므로 TRA에 의한 기준 혼합공기온도의 값이 문제가 됨을 알 수 있다. 따라서 [수학식 31]를 만족하려면 TRA-의 방향성을 갖는 고장이 발생해야 한다. 만일 실제 혼합공기온도가 [수학식 31]를 만족하지 않으면 TRA-의 고장은 아니므로 [수학식 32]를 이용하여 TRA+의 고장을 판단할 수 있다. Subsequently, the
여기서, 는 기준 혼합공기온도이다. here, Is the reference mixed air temperature.
모드 4의 운전조건은 외기를 공조기 시스템으로 도입하지 않으면서 실내로 유입되어 있는 외기만을 연속적으로 냉각하여 실내로 공급하는 운전조건을 가지고 있다. 만일 순환공기온도의 고장이 진단되지 않는다면 [수학식 33]와 같이 혼합공기온도와 환기온도를 비교하여 혼합공기온도(Tma+) 고장을 진단할 수 있다. 이 단계까지 오면 TOA, TRA, Tma의 고장여부를 방향성까지 포함하여 검출하고 진단하는 것이 된다.
TSA의 고장여부는 [수학식 34, 35]를 이용하여 판단하게 된다. 모드 4에서는 공조기 시스템을 통과하는 혼합공기 온도가 냉방코일을 지나면서 낮아져 급기온도를 형성한다. 통상적으로 TSA는 Tma보다 현저히 작은 값을 나타내기 때문에 급기온도와 혼합공기온도를 비교하여 고장을 진단하기는 어려운 점이 있다. 이를 위하여 [수학식 34]와 같이 급기온도를 위한 특정 값(εSA,summer)을 설정하고 급기온도와 특정 값의 합이 혼합공기온도보다 낮은 경우 음(-)의 급기온도의 고장(TSA-)으로 판단한다. T SA failure is determined using Equations 34 and 35. In
이어서, [수학식 35]를 이용하여 급기온도의 양(+)의 방향성(TSA+) 을 갖는 고장을 검출할 수 있다. TSA의 값이 TRA, Tma 보다 큰 값을 동시에 나타낸다면 급기온도의 고장으로 판단할 수 있다. Then, using Equation 35, a failure having a positive direction T SA + of the air supply temperature can be detected. If the value of T SA indicates a value larger than T RA and T ma at the same time, it can be judged as a failure of the air supply temperature.
현재까지 고장요인을 판단하기 위해 언급된 관계식을 만족하지 않는 조건이라면, 상기 중앙 제어부(400)는 시스템이 정상적인 동작을 하고 있는 것으로 판단하여, 다시 최초의 데이터 수집 과정으로 이동한다.If the condition that does not satisfy the relational expression mentioned so far to determine the failure factor, the
한편, 상술한 복수의 모드 내에서 각 플로우챠트를 차례로 따라가며 고정여부를 판단하다가 특정한 수학식에서 고장이 발견되면 이 부분을 시스템 운영자가 알 수 있도록 고장이라고 알려주고(해당 도면에서는 플로우챠트상의 인쇄기능이 이에 해당함) 고장진단을 멈추게 된다. On the other hand, within the plurality of modes described above, it is determined whether or not each of the flow charts is fixed, and if a failure is found in a specific equation, the system operator is informed of the failure (in the drawing, the printing function on the flowchart is This corresponds to the failure diagnosis.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.Although the present invention has been described in more detail with reference to the embodiments, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 공조 시스템에서의 상세 분류형 규칙기반 방식의 고장 검출 및 진단 방법에 의하면, 기존의 APAR 알고리즘의 한계인 다중 고장 추정에 의한 고장부위의 특정에 대한 단점을 극복하여, 단시간에 특정 요소에 대한 단일 고장 검출이 가능하여 즉각적인 유지 보수가 가능하도록 하여 건물 운영의 비용을 최소화하고 요소의 노후 설비에 대한 대비를 효율적으로 함과 동시에 시스템 운영자의 노고를 감소시킬 수 있는 이점이 있다. As described above, according to the detailed classification rule-based fault detection and diagnosis method in the air conditioning system of the present invention, the disadvantage of the specification of the fault region by the multiple fault estimation which is the limitation of the existing APAR algorithm is overcome. In addition, it is possible to detect a single failure of a specific element in a short time and enable immediate maintenance, thereby minimizing the cost of building operation, efficiently preparing the element for aging equipment, and reducing the effort of the system operator. There is this.
또한 고장부위의 신호에 대해 양성(+) 혹은 음성(-)의 방향성에 대한 구체적 정보를 알 수 있어 시스템의 고장진단 시 시스템 설계자 혹은 시스템 운영자의 설비보수 및 운영에 이점이 있다. 즉, 본 발명에 의한 고장진단 방법은 이러한 양(+)의 고장, 음(-)의 고장을 실시간으로 판단하여 공조시스템 관리자에게 알려줌으로써 에너지소비 절감과 거주자의 불편함을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다. 이는 기존의 단일고장 요소를 단순하게 분류하는 방법에 비해 고장관련 정보를 관리자에게 알려줌으로써 공조시스템의 고장진단에 보다 효과적으로 사용될 수 있는 것이다.In addition, detailed information on the positive (+) or negative (-) direction of the signal of the failure site can be known, which is advantageous for the system designer or the system operator's facility maintenance and operation when the system is diagnosed. In other words, the fault diagnosis method according to the present invention has the advantage of reducing energy consumption and minimizing the inconvenience of residents by determining the positive and negative faults in real time and notifying the air conditioning system manager. have. This can be used more effectively in diagnosing the failure of the HVAC system by informing the administrator of failure-related information than simply classifying a single failure factor.
또한 본 발명의 공조 시스템에서의 분류형 규칙기반 방식의 고장 검출 및 진단 방법과 이러한 방법을 이용한 장치에 의하면, 특정 건물이나 시스템에만 적용할 수 있는 모델기반 방식의 고장검출 및 진단 방법과는 달리 HVAC 시스템을 구성하는 특정 부위의 온도 측정과 저비용이 소요되는 센서 등의 설치를 통해 건물의 냉. 난 방에 소요되는 기계요소의 작동에 대한 정보를 파악함으로써 중대형 건물의 고장검출 및 진단에 포괄적으로 적용될 수 있는 장점을 가지고 있다. In addition, according to the classification rule-based fault detection and diagnosis method and the apparatus using the method in the air conditioning system of the present invention, unlike the model-based fault detection and diagnosis method that can be applied only to a specific building or system, HVAC Cooling down buildings by measuring temperatures in specific parts of the system and installing low cost sensors. By grasping information on the operation of mechanical elements required for heating, it has the advantage that it can be applied comprehensively to the fault detection and diagnosis of medium and large buildings.
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