KR102068077B1

KR102068077B1 - A Diagnosis Apparatus For Rotating Machinery Using Complex Signals

Info

Publication number: KR102068077B1
Application number: KR1020180057890A
Authority: KR
Inventors: 박재화
Original assignee: 주식회사 티스마트
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2020-01-20
Also published as: KR20190132841A

Abstract

본 발명은 회전기계설비로부터 진동 신호를 입력 받아 회전체의 기계적 진동 신호를 입력 받고, 모터 전류 신호를 입력 받아 차수 영역(order domain)에 진동 신호와 모터 전류 신호를 함께 출력하고, 앙상블 평균(ensemble average)을 이용하여 비교 분석함으로써, 다양한 회전기계설비의 이상 상태를 진단할 수 있는 특징이 있다. 즉, 회전체 진동 신호 및 모터 전류 신호를 시간축에서 주파수 변환한 주파수 영역 분석과 차수 영역(order domain)으로 변환되어 차수 트래킹(order tracking) 분석, 그리고 이러한 분석을 모터 전류를 이용한 장비 운전모드를 참조하여 수행하는 회전기계설비 진단장치에 관한 것이다. The present invention receives the vibration signal from the rotary machine, receives the mechanical vibration signal of the rotating body, receives the motor current signal and outputs the vibration signal and the motor current signal in the order domain (ensemble), ensemble average By comparative analysis using average, it is possible to diagnose abnormal conditions of various rotating machinery. That is, the frequency domain analysis of the frequency vibration of the rotating body vibration signal and the motor current signal is converted into the order domain and the order tracking analysis, and the analysis of the equipment operation mode using the motor current is referred to. It relates to a rotating machine diagnostic apparatus performed by.

Description

A Diagnosis Apparatus For Rotating Machinery Using Complex Signals}

본 발명은 회전축을 포함하는 회전기계의 이상 상태를 설비의 진동 신호와 회전기계설비를 구동하는 전동기의 전류 신호를 종합하여 분석하는 진단장치에 관한 것이다.The present invention relates to a diagnostic apparatus for analyzing an abnormal state of a rotating machine including a rotating shaft by combining the vibration signal of the equipment and the current signal of the electric motor driving the rotating machinery.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the present embodiment and do not constitute a prior art.

산업 현장에서 동력은 회전체기계설비로부터 시작되어 제공된다. 동력을 제공하는 회전체는 부하나 운전 특성을 고려하여 구름 베어링, 유체 베어링 또는 자기 베어링에 의해 지지되어 회전한다. 유체 베어링이나 자기 베어링은 운전 중에는 회전축이 비접촉 상태가 유지되므로 예외로 하고, 가장 흔히 사용되는 구름 베어링은 회전 중에 마찰과 마멸이 진행되어 유한한 설계 수명을 가진다. In industrial sites, power comes from rotating body machinery. Rotors that provide power are supported and rotated by rolling bearings, fluid bearings, or magnetic bearings in consideration of load and operating characteristics. Fluid bearings and magnetic bearings are an exception because the rotating shaft remains in non-contact state during operation. Most commonly used rolling bearings have a finite design life due to friction and abrasion during rotation.

한편, 회전체기계설비는 여기에 연결된 각종 설비로부터 충격, 교번 하중을 포함하는 다양한 부하가 전달되어 개별 장비의 수명은 편차가 크며, 예측이 어렵다. 회전체기계설비의 수명이 예상보다 급격히 단축되어 불시에 고장이 발생하면, 연결된 설비의 고장을 추가로 일으키거나 전체 설비의 운전이 불가하게 되어 막대한 금전적 손실을 입힐 수 있으므로 적절한 수명 모니터링 시스템의 적용을 고려해야 한다. On the other hand, the rotating machine is a variety of loads, including impact, alternating loads are transmitted from the various equipment connected to it, the life of the individual equipment is large deviation, difficult to predict. If the life of the rotating machine equipment is abruptly shortened than expected, and a sudden failure occurs, additional life of the connected equipment may be caused or the operation of the whole equipment may be impossible, resulting in huge financial loss. Should be considered

회전 궤적은 회전기계의 이상 상태 진단에 널리 사용된다. 산업에서 사용되는 회전기계는 통상 베어링에 의해 지지되며 다른 기기와 축 커플링에 의해 연결되어 회전 또는 회전동력을 제공하는 역할을 한다. 회전기계의 고장은 초기에 진단되어야 적은 비용으로 보수될 수 있다. 통상 회전기계의 고장은 급격한 진동 증가 또는 정지에 의한 충격이 발생하며 주변 장치에도 피해를 입힐 수 있기 때문에 적절한 진단장치에 의해 회전기계설비의 상태 및 수명이 모니터링 될 필요가 있다. Rotational trajectories are widely used to diagnose abnormal conditions of rotating machinery. Rotating machines used in industry are usually supported by bearings and connected by means of shaft couplings with other machines to serve to provide rotational or rotary power. Failures of rotary machines can only be repaired at a low cost if they are diagnosed early. In general, the failure of a rotating machine may be caused by a sudden vibration increase or stoppage and damage to peripheral devices. Therefore, it is necessary to monitor the state and life of the rotating machine by an appropriate diagnostic device.

회전체의 회전 궤적은 비접촉 변위 센서로 회전체를 직접 측정할 수도 있으나, 기존 설비에 이러한 변위 센서를 설치하기가 용이하지 않다. 회전체의 진동은 이를 지지하는 베어링에 전달되므로, 일반적으로 산업 현장에서는 센서의 설치가 용이한 하우징에서 가속도를 측정하는 방식이 선호된다. The rotation trajectory of the rotating body may directly measure the rotating body with a non-contact displacement sensor, but it is not easy to install such a displacement sensor in an existing facility. Since the vibration of the rotating body is transmitted to the bearing for supporting it, it is generally preferred to measure the acceleration in a housing where the sensor is easy to install in an industrial field.

가속도로부터 얻어지는 진동 성분은 회전 주파수에 동기된 진동이 가장 우세하며 커플링, 베어링에서의 이상 진동은 보통 회전 주파수의 정수배(整數倍)에서 관찰된다. 회전체에 연결된 송풍기 날개나 기어의 결함에 의해 발생되는 진동 신호는 회전수 성분의 진동이나 회전수 수 배 이내의 진동 성분에 비하여 그 크기가 상대적으로 매우 작아 한두 회전 분량의 신호만으로는 이상 상태의 추출이 곤란하다. 이에 진동 신호 등을 회전 각도 위치에 동기화하여 측정하고, 한 회전이라는 기구학적 조건에 의해 같은 각도 위치에서 반복되는 진동 신호를 여러 회전에 걸쳐 평균을 구함으로써 랜덤 노이즈(random noise) 신호를 상쇄하고 같은 회전 각도 위치에 반복되는 미세 진동 신호를 얻을 수 있다. The vibration component obtained from the acceleration is most prevalent in the vibration synchronized with the rotational frequency, and abnormal vibrations in the coupling and the bearing are usually observed at integer multiples of the rotational frequency. Vibration signals generated by defects in blower blades or gears connected to the rotating body are relatively small in magnitude compared to the vibration component of the rotational component or the vibration component within several rotational speeds. This is difficult. The vibration signal and the like are measured in synchronization with the rotational angular position, and the random noise signal is canceled by averaging the vibration signal repeated at the same angular position over several rotations under the kinematic condition of one rotation. A fine vibration signal repeated at the rotational angle position can be obtained.

진동을 가속도 센서로 모니터링하는 방식은 비교적 설치가 용이하면서도 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있다. 한편, 일반적으로 설비의 기계적인 증상과 모터의 운전 특징은 모터 전류, 진동 신호에 상호 결합되어 나타나나, 고정자 권선 단락이나 모터 회전축의 파손에 의한 결함은 모터 전류 분석에 의한 방법에 의해서 보다 명확하게 파악할 수 있다. Monitoring vibrations with an acceleration sensor is relatively easy to install and produces reliable results. On the other hand, the mechanical symptoms of the installation and the operating characteristics of the motor are generally combined with the motor current and the vibration signal, but the defects due to stator winding short circuits or damage to the motor shaft are more clearly determined by the method of motor current analysis. I can figure it out.

본 발명은 회전체로부터 얻어진 진동 신호의 주파수 파형과 구동 모터 전류의 주파수 파형을 상호 비교 분석함으로써 진단의 정확성을 향상시키는 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a means for improving the accuracy of diagnosis by mutually analyzing the frequency waveform of the vibration signal obtained from the rotating body and the frequency waveform of the drive motor current.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기계설비 진단장치는, 회전축에 수직하는 방향의, 적어도 하나의 가속도 신호를 입력 받는 진동센서 입력단; 회전축을 구동하는 모터의 전류를 입력 받는 전류센서 입력단; 회전축의 회전속도를 입력 받는 회전속도 입력단; 가속도 신호의 노이즈 및 드리프트(drift)를 제거하도록 형성된 제1가변대역 대역통과 필터; 모터의 전류에서 노이즈를 제거하도록 형성된 제2가변대역 대역통과필터; 제1가변대역 대역통과 필터의 출력과 제2가변대역 대역통과필터의 출력을 주파수 영역으로 변환하는 제1FFT(Fast Fourier Transform)부; 제2가변대역 대역통과 필터의 출력에서 모터의 전력공급 주파수를 제거하는 복조(demodulation)부; 제1가변대역 대역통과필터 및 제2가변대역 대역통과필터의 출력을 한 회전 분량의 각도 기준 신호로 변환하는 각도 리샘플링(angular resampling)부; 각도 리샘플링부의 출력을 주파수 변환하여 차수 영역(order domain)으로 변환하는 제2FFT부; 모터의 전류 신호로부터 장비운전모드를 판단하도록 형성된 장비운전모드 판단기; 및 제1FFT 및 제2FFT의 출력으로부터 회전기계설비의 운전상태를 판단하도록 형성된 설비상태 판단모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to solve the above problems, a rotating machine diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention, the vibration sensor input terminal for receiving at least one acceleration signal in a direction perpendicular to the rotation axis; A current sensor input terminal for receiving a current of a motor driving a rotating shaft; A rotation speed input stage for receiving a rotation speed of the rotation shaft; A first variable band bandpass filter configured to remove noise and drift of the acceleration signal; A second variable band bandpass filter configured to remove noise from a current of the motor; A first Fourier transform unit for converting the output of the first variable band bandpass filter and the output of the second variable band bandpass filter into a frequency domain; A demodulation unit for removing a power supply frequency of the motor from an output of the second variable band bandpass filter; An angular resampling unit for converting outputs of the first variable band bandpass filter and the second variable band bandpass filter into an angular reference signal; A second FFT unit which frequency-converts the output of the angular resampling unit to an order domain; An equipment operation mode determiner configured to determine the equipment operation mode from the current signal of the motor; And a facility state determination module configured to determine an operating state of the rotary machine from the outputs of the first and second FFTs.

본 발명은 회전기계설비로부터 진동 신호를 입력 받아 회전체의 기계적 진동 신호를 입력 받고, 모터 전류 신호를 입력 받아 차수 영역(order domain)에 진동 신호와 모터 전류 신호를 함께 출력하고, 앙상블 평균(ensemble average)을 이용하여 비교 분석함으로써, 다양한 회전기계설비의 이상 상태를 진단할 수 있는 효과가 있다. The present invention receives the vibration signal from the rotary machine, receives the mechanical vibration signal of the rotating body, receives the motor current signal and outputs the vibration signal and the motor current signal in the order domain (ensemble), ensemble average By comparative analysis using average, it is possible to diagnose abnormal conditions of various rotating machinery.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기계설비 진단장치의 주요 구성 및 신호처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복조부가 적용되기 전후의 전류 신호를 예시하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각도 리샘플링을 수행하기 위한 회전속도계의 경과 시간 방법의 개념도이다. 1 is a flow chart showing a main configuration and a signal processing method of a rotary machine diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph illustrating a current signal before and after applying a demodulator according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram of an elapsed time method of a tachometer for performing angular resampling according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used to refer to the same components as much as possible, even if displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, in describing the component of this invention, terms, such as 1st, 2nd, A, B, (a), (b), can be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. Throughout the specification, when a part is said to include, 'include' a certain component, which means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. . In addition, as described in the specification. The terms 'unit' and 'module' refer to a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.

회전 중인 회전축(910)은 6자유도 방향의 진동이 모두 발생한다. 또한, 회전 중심축에서 편심된 질량을 완전히 제거할 수 없다. 이로 인해 회전수에 동기된 진동에 의한 회전 궤적 성분이 전체 회전 궤적에서 가장 지배적이다. The rotating shaft 910 being rotated generates all vibrations in the six degrees of freedom. In addition, it is not possible to completely remove the eccentric mass from the central axis of rotation. For this reason, the rotation trajectory component due to the vibration synchronized with the rotation speed is most dominant in the entire rotation trajectory.

회전축(910)은 대개의 경우 추가 설비가 연결되어 있으며, 커플링(미도시), 기어(미도시), 변속기(미도시) 등 다양한 기계요소가 회전축(910)에 직간접적으로 연결되므로, 회전 궤적을 분석함으로써 다양한 운전 상태의 모니터링이 가능하다. 회전 시스템 상에 이상 상태가 발생하면 진동이 추가 발생되며, 회전 주파수의 정수배 위치에 진동 성분이 증가하는 것으로써 이상 상태를 모니터링하게 된다. The rotary shaft 910 is usually connected to additional equipment, and various mechanical elements such as coupling (not shown), gear (not shown), transmission (not shown) are directly or indirectly connected to the rotating shaft 910, By analyzing the trajectories, various operating conditions can be monitored. When an abnormal condition occurs on the rotation system, vibration is further generated, and the abnormal condition is monitored by increasing the vibration component at an integer multiple of the rotation frequency.

한편, 기어 치차, 회전축에 결합된 송풍기 날개 등에서 발생할 수 있는 변형은 진동 주파수가 높고 그 크기 작아 기계적 및 전기적인 노이즈에 묻히기 쉽고, 한 두 회전의 신호 수집 만으로는 검출이 어려운 경우가 대부분이다. On the other hand, deformations that may occur in gear gears, blower blades coupled to a rotating shaft, etc., are high in frequency and small in size, and are easily buried in mechanical and electrical noise.

이러한 미세한 상태 변화를 검출하기 위해서는 진동 신호와 모터 전류 신호를 함께 분석하여 이상 상태를 모니터링하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 진동 신호와 모터 전류 신호를 차수 영역(order domain)으로 변환하여 두 신호가 동일한 회전 각도 위치에 위치하도록 신호를 변환하여 차수 트래킹(order tracking)을 수행하는 것을 개시한다. 또한, 차수 트래킹을 수행하며 앙상블 평균(ensemble average)를 이용할 수 있음으로 인해 기어 차차, 송풍기 날개 등의 국부적인 변형에 의한 이상 진동 성분을 추출할 수 있는 회전기계설비 진단장치를 개시한다. 이 과정에서 차수 영역으로의 변환 과정에서 필요한 회전속도계(tachometer)를 제외하면 회전축에 근접하여 배치되는 두 가속도 센서와 전동기의 전류 입력 센서만으로 구성된 하드웨어를 이용한다. 즉, 기존 회전기계설비에 최소한의 센서만을 설치함으로써 센서 설치가 용이하지 않은 일반 회전기계설비까지 넓게 적용할 수 있는 회전기계설비 진단장치를 제공할 수 있다. In order to detect such a minute state change, it is desirable to monitor the abnormal state by analyzing the vibration signal and the motor current signal together. The present invention discloses a method of performing order tracking by converting a vibration signal and a motor current signal into an order domain and converting the signals so that the two signals are located at the same rotation angle position. In addition, the present invention discloses a rotary machine diagnostic apparatus capable of extracting an abnormal vibration component due to local deformation of a gear wheel differential, a blower blade, etc., by performing an order tracking and using an ensemble average. In this process, except for the tachometer necessary for the conversion to the order area, hardware using only two acceleration sensors disposed close to the rotation axis and the current input sensor of the motor is used. That is, by installing only a minimum sensor in the existing rotary mechanical equipment can provide a rotary mechanical equipment diagnostic apparatus that can be widely applied to general rotary mechanical equipment that is not easy to install the sensor.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기계설비 진단장치의 주요 구성 및 신호처리 방법을 나타내는 흐름도이다. 1 is a flow chart showing a main configuration and a signal processing method of a rotary machine diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 회전기계설비 진단장치는 진동센서 입력단(110, 112); 전류센서 입력단(114); 회전속도 입력단(116); 제1가변대역 대역통과필터(120); 제2가변대역 대역통과필터(122); 제1FFT부(130); 복조부(demodulation, 140); 각도 리샘플링부(angular resampling, 142); 제2FFT부(132); 장비운전모드 판단기(150); 및 설비상태 판단모듈(160)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the apparatus for diagnosing rotating machinery according to an embodiment may include vibration sensor input terminals 110 and 112; Current sensor input 114; Rotational speed input stage 116; A first variable band bandpass filter 120; A second variable band bandpass filter 122; A first FFT unit 130; Demodulation 140; Angular resampling 142; A second FFT unit 132; Equipment operation mode determiner 150; And a facility status determination module 160.

회전기계설비가 설치된 시스템은 다양한 진동이 상존하는 환경이며, 이상 상태와 관련된 진동 성분 이외에도 다양한 배경 노이즈가 유입된다. 예컨대, 가속도 센서 자체에서 전기적, 기계적인 요인에 의해 발생하는 노이즈를 들 수 있다. 또한, 이상 상태 발생시에는 시스템에 추가적인 발열이 수반되는 경우가 대부분이다. 가속도 센서에 유입되는 열은 노이즈와 함께 신호 드리프트를 유발한다. 회전기계설비의 이상 상태를 용이하게 진단하기 위해서는 이러한 노이즈와 드리프트에 기인한 오차 요인을 쉽게 배제할 수 있어야 한다. The system in which the rotating machine is installed is an environment where various vibrations exist, and various background noises are introduced in addition to the vibration components related to the abnormal state. For example, noise generated by electrical and mechanical factors in the acceleration sensor itself may be mentioned. In addition, when an abnormal condition occurs, the system is often accompanied with additional heat generation. Heat entering the acceleration sensor causes signal drift along with the noise. In order to easily diagnose the abnormal state of the rotating machinery, it is necessary to easily exclude the error factor caused by the noise and drift.

회전축(미도시)로부터 회전 궤적을 취득하기 위해서는 회전하는 회전축에 수직인 평면에 서로 수직하게 배치되는 두 개의 변위 센서를 설치하는 것이 가장 기본적이다. 그러나 이 경우 변위 센서가 측정하는 대상 원주면의 형상 정밀도가 매우 높아야 하기도하고, 일반적인 회전체의 경우 변위 센서 설치를 위한 여유 공간이 사전에 고려되는 경우가 드물다. 또한, 회전체의 구조에 따라 다르지만, 윤활, 냉각, 이물질 유입 방지 등을 고려하여 형성되는 일반 회전체 구조에서 변위 센서를 설치하는 것은 추가 비용이 발생할 뿐더러 시스템의 개조가 용이하지 않은 경우가 빈번하다. 따라서 보다 범용의 회전기계설비를 적용 대상으로 하는 경우에는 회전체 하우징에 손쉽게 장착될 수 있는 가속도 센서(미도시)를 사용한다. In order to acquire a rotational trajectory from a rotating shaft (not shown), it is most basic to provide two displacement sensors disposed perpendicular to each other in a plane perpendicular to the rotating shaft. However, in this case, the shape accuracy of the target circumferential surface measured by the displacement sensor should be very high, and in the case of a general rotating body, a free space for installing the displacement sensor is rarely considered in advance. In addition, although it depends on the structure of the rotating body, the installation of the displacement sensor in the general rotating body structure, which is formed in consideration of lubrication, cooling, foreign material inflow, etc., incurs additional costs and is often difficult to modify the system. . Therefore, in the case of applying a more general purpose rotary mechanical equipment, an acceleration sensor (not shown) that can be easily mounted on the rotor housing is used.

가속도 센서의 경우 회전축에 직접 설치가 불가능한 것은 아니지만 현실적으로는 이상 상태 발생 소지가 높은 위치에 근접한 회전체 하우징(미도시)에 부착된다. 회전체 하우징에 가속도 센서를 부착하는 방식이 일반적인 회전체의 경우에는 가장 설치가 용이한 구성이며, 가격 또한 저렴하다. 진동센서 입력단(110, 112)은 서로 수직하고 회전축에 수직하는 방향으로 배치된 적어도 한 쌍의 가속도 신호를 입력 받는다. In the case of the acceleration sensor, it is not impossible to install directly on the rotating shaft, but in reality, the acceleration sensor is attached to a rotating body housing (not shown) close to a position where the occurrence of abnormal state is high. The method of attaching the acceleration sensor to the rotor housing is the most easy to install in the case of a typical rotor, and the price is also low. The vibration sensor input terminals 110 and 112 receive at least one pair of acceleration signals disposed in a direction perpendicular to each other and perpendicular to the rotation axis.

진동센서 입력단(110, 112)에서 입력 받은 가속도 신호는 제1가변대역 대역통과필터(120)를 이용하여 디지털 신호에서 관심 주파수 대역만 통과시킨다. 대역통과 필터(120)의 하단 차단 주파수는 통상 3 Hz 이하로 선정하고, 상단 차단 주파수는 대상 회전체의 이상 상태 진단을 위해 필요한 주파수 범위를 포함하되 기타 고주파 노이즈를 차단하는 범위로 선정한다. The acceleration signal received from the vibration sensor inputs 110 and 112 passes only the frequency band of interest in the digital signal using the first variable band bandpass filter 120. The lower cutoff frequency of the bandpass filter 120 is generally selected to be 3 Hz or less, and the upper cutoff frequency is selected to include a frequency range necessary for diagnosing an abnormal state of the target rotating body, but to block other high frequency noise.

진동 신호 및 전류 신호의 특징에 따라 가변대역 대역통과필터(120, 122)의 위 아래 차단 주파수 특성은 변할 수 있으며, 자동으로 조정될 수 있다. Depending on the characteristics of the vibration signal and the current signal, the upper and lower cutoff frequency characteristics of the variable band bandpass filters 120 and 122 may vary and may be automatically adjusted.

전류센서 입력단(114)은 모터 전류 신호를 입력 받는다. 모터가 자체적으로 모니터링 전류 신호를 출력하도록 구비된 경우에는 이들 출력단자로부터 신호를 입력 받는다. 별도의 출력단자가 없는 경우에는 모터 제어기로부터 모터 권선에 연결되는 전력선을 감싸는 홀센서(Hall effect sensor, 미도시)를 손쉽게 추가 장착할 수 있다. 전류 신호는 ADC(A/D converter) 및 제2가변대역 대역통과필터(122)를 거쳐 다음 단에 신호를 제공한다. 회전기계설비의 상태 인자 중, 특히 고정자 권선 단락이나 모터 회전축의 파손에 의한 결함은 모터 전류 분석에 의한 방법에 의해서 보다 명확하게 파악할 수 있다.The current sensor input terminal 114 receives a motor current signal. When the motor is provided to output a monitoring current signal by itself, signals are received from these output terminals. When there is no separate output terminal, a Hall effect sensor (not shown) surrounding the power line connected to the motor winding from the motor controller can be easily added. The current signal passes through an A / D converter (ADC) and a second variable band bandpass filter 122 to provide a signal to the next stage. Among the state factors of the rotating machinery, defects due to stator winding short circuits and breakage of the motor shaft can be more clearly identified by the method of motor current analysis.

제2가변대역 대역통과 필터(122)를 거치더라도 모터 구동 주파수나 전력공급 주파수(60 Hz) 성분은 상대적으로 큰 크기를 가지고 있어, 제거되지 않고 다음 단에 전달될 수 있다. 특히 전원 주파수는 모터 전류 신호 뿐만 아니라 전류센서의 신호에도 큰 영향을 주는 것이 일반적이다. 각종 센서가 장착된 지능형 모터나 회전축이 아닌 경우에는 특히 모터 제어나 전원 주파수에 의한 접지 레벨의 흔들림이 클 수 있으며, 이는 회전체에 설치된 각종 전기적 센서의 접지 레벨을 흔듦으로 해서 측정 신호에 영향을 끼칠 수 있다. 여기서 전원 주파수의 영향은 모터 회전수와는 동기되지 않는 노이즈 성분에 해당하며 후술하는 복조부(140)에서 제거될 수 있다. Even though the second variable band bandpass filter 122 passes, the motor driving frequency or the power supply frequency (60 Hz) has a relatively large size and may be transmitted to the next stage without being removed. In particular, the power source frequency generally has a large influence on the signal of the current sensor as well as the motor current signal. In the case of an intelligent motor equipped with various sensors or a rotating shaft, the ground level may fluctuate due to the motor control or the power supply frequency. This may affect the measurement signal by shaking the ground level of various electrical sensors installed in the rotating body. It can be. In this case, the influence of the power source frequency corresponds to a noise component which is not synchronized with the motor rotation speed, and may be removed by the demodulator 140 to be described later.

제2가변대역 대역통과필터(122)를 거친 모터 전류 신호는 RMS값을 포함하는 다양한 상태 정보를 추출하는 과정을 포함하는 장비운전모드 판단기(150)에 입력된다. 장비운전모드 판단기(150)는 모터 전류 신호를 분석하여 모터의 가동/정지, 부하/무부하 등을 파악할 수 있는 장비운전모드정보(510), 가동시 부하의 증감을 나타내는 부하 상태(520)를 제공할 수 있다. 장비운전모드정보(510)에서 파악된 모터의 운전 상태는 설비상태 판단모듈(160)에 입력되어 장비운전 상태를 참조하여 주파수 영역(frequency domain)의 진동 및 전류 신호와 차수 영역으로 변환된 진동 및 전류 신호를 종합하여 회전기계설비의 이상 상태를 정상 상태와 비교하여 판단할 수 있다. 진동 신호와 전류 신호는 설비의 운전 모드에 따라 발생 신호가 다른 특징을 가진다. 예를 들어, 진동 신호와 전류 신호의 주파수 영역에서의 신호 특징은 부하와 운전 속도에 따라 사이드밴드(sideband)가 형성되는 특징 등이 상이하며, 이를 이용할 수 있다. The motor current signal that has passed through the second variable band bandpass filter 122 is input to the equipment operation mode determiner 150 that includes extracting various state information including an RMS value. The equipment operation mode determiner 150 analyzes the motor current signal and displays the equipment operation mode information 510 for identifying the operation / stop of the motor, the load / no load, and the load state 520 indicating the increase or decrease of the load during operation. Can provide. The operation state of the motor identified in the equipment operation mode information 510 is input to the equipment state determination module 160, and the vibration of the frequency domain and the vibration converted into the current signal and the order region with reference to the equipment operation state, and By combining the current signals, the abnormal state of the rotating machinery can be judged by comparing with the normal state. The vibration signal and the current signal have different characteristics depending on the operating mode of the facility. For example, the signal characteristics in the frequency domain of the vibration signal and the current signal are different from those in which sidebands are formed according to the load and the driving speed.

주파수 영역의 진동 및 전류 신호는 추가로 IoT 네트워크를 통한 모바일 단말기(미도시)로의 모니터링 정보 공유를 위해 추가로 신호를 가공하여 설비상태 판단모듈(160)에 공급할 수도 있다. 회전기계설비의 상태 진단에 필요한 정보는 회전체의 회전속도와 연동된 주파수 신호 성분에 주로 포함된다. 제1FFT부(130)에 의해서는 추가 알고리즘을 포함하여 매우 낮은 주파수의 정적인 성분의 변화 신호나 회전 주파수의 수배 이상의 높은 주파수를 가지는 신호는 배제하고, 회전속도와 연동된 성분을 위주로 이상 상태 진단에 필요한 정보를 한정할 수 있다. 이를 주파수 도메인으로 변환된 신호로 주고 받음으로써 예컨대 모바일 단말기에 적은 양의 데이터만 전달하면서도 통상의 작업자가 직관적으로 파악할 수 있도록 충분한 상태 정보가 포함된 회전 궤적을 제공할 수 있다. The vibration and current signals in the frequency domain may be further processed and supplied to the facility status determination module 160 for sharing monitoring information to the mobile terminal (not shown) through the IoT network. The information necessary for the diagnosis of the condition of the rotating machinery is mainly included in the frequency signal component linked to the rotational speed of the rotating body. The first FFT unit 130 includes an additional algorithm and excludes a change signal of a static component of a very low frequency or a signal having a high frequency that is several times higher than the rotation frequency, and diagnoses an abnormal state based on a component linked to the rotation speed. Information necessary for can be limited. By transmitting and receiving the signal converted into the frequency domain, for example, a small amount of data may be transmitted to the mobile terminal, but a rotational trajectory including sufficient state information may be provided so that an ordinary worker can intuitively grasp.

IoT네트워크를 통한 이상 상태 진단에는 회전 주파수의 정수배 성분을 위주로 판단하며, 모바일 단말기 등에 출력하여 사용자가 직관적으로 이상 상태를 판단할 수 있도록 제공하는 신호도 회전 주파수의 정수배 성분으로부터 재구성된 회전 궤적을 전송하여 출력한다. 모바일 단말기로 전달되는 정보의 경우, 주요 주파수의 위치와 해당 주파수의 신호 크기 정보를 전달하면 시간 축의 파형 신호에 비해 매우 적은 양의 데이터로도 회전궤적 정보를 전달할 수 있다. 이렇게 함으로써 IoT용 무선네트워크 등을 이용하여 다수의 회전체에 대한 진단이 실시되는 경우에 특히, 송신되는 데이터량을 최소화하면서도 상태 진단에 필요한 충분한 수준의 정보를 모바일 단말기 등에 제공할 수 있는 장점이 있다. In case of diagnosis of abnormal state through IoT network, it is mainly determined by the integer multiple of the rotation frequency, and the signal output to the mobile terminal for the user to intuitively determine the abnormal state also transmits the reconstructed rotation trajectory from the integer multiple of the rotation frequency. To print. In the case of the information transmitted to the mobile terminal, when the position of the main frequency and the signal magnitude information of the corresponding frequency are transmitted, the rotational trajectory information can be transmitted even with a very small amount of data compared to the waveform signal of the time axis. In this case, when a diagnosis of a plurality of rotating bodies is performed by using a wireless network for IoT, etc., there is an advantage in that the mobile terminal can provide sufficient information necessary for diagnosis while minimizing the amount of data to be transmitted. .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복조부가 적용되기 전후의 전류 신호를 예시하는 그래프이다. 2 is a graph illustrating a current signal before and after applying a demodulator according to an embodiment of the present invention.

도 2는 예시적인 전류 입력 신호의 복조(demodulation) 전후의 주파수 영역 신호를 나타낸다. 통상의 경우 복조 전의 전류 입력 신호는 전력 공급 주파수인 예컨대, 60 Hz가 가장 큰 특성을 보인다. 또한, 이 성분은 회전축의 회전속도가 바뀌더라도 일정한 주파수 위치에 고정되어 있어, 회전수와 동기화되어 주파수 위치가 바뀌는 성분들과는 구별이 가능하다. FFT(Fast Fourier Transform) 및 해당 주파수 성분의 복조(demodulation)를 거쳐 실질적으로 전류 입력 신호에서 전력 공급 주파수 성분을 제거하여 도 2의 아래와 같은 신호를 얻을 수 있다. 2 illustrates a frequency domain signal before and after demodulation of an exemplary current input signal. In general, the current input signal before demodulation has the greatest characteristic, for example, 60 Hz, which is the power supply frequency. In addition, this component is fixed at a constant frequency position even if the rotational speed of the rotating shaft is changed, so that it can be distinguished from components in which the frequency position is changed in synchronization with the rotational speed. Fast Fourier Transform (FFT) and demodulation (demodulation) of the frequency component of the power supply frequency component is substantially removed from the current input signal to obtain a signal as shown in FIG.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각도 리샘플링을 수행하기 위한 회전속도계의 경과 시간 방법의 개념도이다. 3 is a conceptual diagram of an elapsed time method of a tachometer for performing angular resampling according to an embodiment of the present invention.

각도 리샘플링은 AD 변환 및 샘플링 된 신호를 회전속도계의 위상 신호를 기준으로 다시 샘플링하여 한 회전 범위 내에서의 각도 위치를 기준으로 데이터가 표현되도록 변환하는 것이다. 도 3의 (b)를 참조하면, 회전속도계(tachometer)의 신호는 회전수가 바뀜에 따라 다른 시간 간격으로 예컨대 TTL 신호를 발생시킨다. 회전속도계의 펄스의 상승 에지가 발생하면 샘플링 신호를 읽어 카운팅 하며, 다음 주기에 카운팅한 샘플링 신호를 빼면 두 개의 회전속도계 신호의 연속적인 이벤트에 해당하는 경과 시간을 구할 수 있다. 즉, 순간 각속도는 예를 들어 다음 수학식1의 관계로 얻을 수 있다. 순간 각속도 ω_i는 엔코더의 분해능 R, 샘플링 주파수 f _t , 회전속도계에 의해 공급된 i^th 전체 펄스 사이클의 샘플링 신호 개수인 t(α _i )에 의해 결정될 수 있다. Angular resampling involves resampling the AD transformed and sampled signals with respect to the tachometer's phase signal and transforming the data so that they are expressed in terms of the angular position within a range of rotation. Referring to FIG. 3B, the signal of the tachometer generates, for example, a TTL signal at different time intervals as the rotation speed changes. If the rising edge of the tachometer pulse occurs, the sampling signal is read and counted. Subtracting the sampling signal counted in the next cycle gives the elapsed time corresponding to the successive events of the two tachometer signals. That is, the instantaneous angular velocity can be obtained by, for example, the following equation (1). The instantaneous angular velocity ω _i can be determined by the resolution R of the encoder, the sampling frequency f _t , t (α _i ) , which is the number of sampling signals of the i ^th total pulse cycle supplied by the tachometer.

이와 같이 파악된 순간 각속도를 이용하여, 고정 샘플링 주파수로 얻어진 전류 신호를 한 회전 분량의 데이터 범위에 대해 근사하여 신호를 재구성한다. 시간 기준의 데이터에서 각도 기준의 데이터로 변환된 신호는 FFT를 거쳐 차수 영역(order domain)의 주파수가 계산된다. 이와 같이 각도 리샘플링부(142)에서 재구성된 차수 영역의 신호는 회전 속도와 무관한 한 회전 분량의 신호를 나타내게 되며, 이를 여러 회전에 거쳐 앙상블 평균함으로써 랜덤 노이즈 성분을 배제하고 매 회전 반복적으로 발생하는 이상 진동 신호를 검출할 수 있다. Using the instantaneous angular velocity thus obtained, the signal is reconstructed by approximating the current signal obtained at the fixed sampling frequency over a data range of one rotation amount. The frequency of the order domain is calculated from the time-based data to the angle-based data through the FFT. As such, the signal of the order region reconstructed by the angular resampling unit 142 represents a signal of one rotation amount irrelevant to the rotation speed, and the ensemble is averaged through several rotations to remove random noise components and repeatedly generate each rotation. The abnormal vibration signal can be detected.

회전속도계의 신호는 회전 속도를 매우 정밀하게 측정하여 제공하여야 각도 리샘플링의 정밀도가 확보되므로 샘플링 주파수(sample rate)는 높을수록 바람직하다. The signal of the tachometer must be provided by measuring the rotation speed very precisely, so the accuracy of the angular resampling is ensured, so the higher the sampling rate, the better.

도 1을 다시 참조하면, 제1가변대역 대역통과필터(120)에서 출력되는 진동 신호도 각도 리샘플링부(142)에서 차수 영역으로 변환되어 진동 신호와 전류 신호가 회전 속도와 무관한, 즉 매 회전 반복되는 신호 패턴을 도시하는 형태로 합쳐서 분석이 가능하게 된다. 즉, 서로 수직한 두 진동 신호와 모터의 전류 신호는 동일 영역(domain)에 회전속도와 무관하게 함께 표현되어 분석을 용이하게 하며, 특히 앙상블 평균을 통해 노이즈를 최소화함으로써 정상 상태 진동 패턴이나 이상 상태 진동 패턴을 용이하게 파악할 수 있도록 한다. Referring back to FIG. 1, the vibration signal output from the first variable band bandpass filter 120 is also converted into an order region by the angle resampling unit 142 so that the vibration signal and the current signal are independent of the rotational speed, that is, every rotation. The repetitive signal pattern can be combined in a form that illustrates the analysis. In other words, the two vibration signals perpendicular to each other and the current signal of the motor are expressed together in the same domain regardless of the rotational speed to facilitate the analysis, and in particular, by minimizing noise through the ensemble average, the steady state vibration pattern or the abnormal state Make it easy to identify vibration patterns.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기계설비 진단장치는 서로 수직한 두 개의 가속도 신호와 구동 모터 전류 신호를 입력 받고, 이를 시간 기준 신호를 주파수 대역으로 변환한 신호들과 각도 리샘플링을 통해 차수 영역의 신호 분석과 앙상블 평균 등을 이용하고, 또는 모터 전류에 의해 가감속, 부하증감을 포함하는 장비의 운전모드를 같이 파악함으로써 다양한 판단 인자를 도출할 수 있다. That is, the rotary machine diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention receives two acceleration signals and a driving motor current signal perpendicular to each other, and converts the time reference signals into frequency bands and orders through angle resampling. Various judgment factors can be derived by using the signal analysis of the area and the ensemble average, etc., or by identifying the operation modes of the equipment including acceleration and deceleration and load increase and decrease by the motor current.

최종적으로 설비상태 판단모듈(160)은 전동기의 전류 신호 및 회전속도계 신호에 의해 설비 운전 모드, 운전 상태 판단을 수행할 수 있다. 또한, 전동기 전류신호의 RMS 값을 기준으로 설비의 운전, 정지 상태를 파악할 수 있다. 또한, 공압기의 경우 전동기 전류의 RMS신호를 기준으로 로드/언로드(load/unload) 상태의 변화를 판단할 수 있다. 또한, 회전속도계에 의한 속도 신호를 입력 받아 설비의 운전 모드를 판단할 수 있으며, 이를 이용하여 운전 모드별로 주파수 파형 특징을 분류하여 상태 진단을 수행할 수 있다. Finally, the facility state determination module 160 may determine the facility operation mode and the operation state by the current signal and the tachometer signal of the motor. In addition, it is possible to determine whether the equipment is running or stopped based on the RMS value of the motor current signal. In addition, in the case of the pneumatic compressor, it is possible to determine the change of the load / unload state based on the RMS signal of the motor current. In addition, it is possible to determine the operation mode of the facility by receiving the speed signal by the tachometer, and by using this can classify the frequency waveform characteristics for each operation mode to perform a state diagnosis.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and those skilled in the art to which the present embodiment belongs may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment but to explain, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present embodiment should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present embodiment.

Claims

A vibration sensor input terminal configured to receive at least one acceleration signal in a direction perpendicular to the rotation axis;
A current sensor input terminal for receiving a current of the motor driving the rotating shaft;
A rotation speed input terminal for receiving a rotation speed of the rotation shaft;
A first variable band bandpass filter configured to remove noise and drift of the acceleration signal;
A second variable band bandpass filter configured to remove noise from a current of the motor;
A first Fourier transform unit for converting an output of the first variable band bandpass filter and an output of the second variable band bandpass filter into a frequency domain;
A demodulation unit to remove a power supply frequency of the motor from an output of the second variable band bandpass filter;
An angular resampling unit for converting the outputs of the first variable band bandpass filter and the second variable band bandpass filter into an angular reference signal;
A second FFT unit for frequency converting the output of the angular resampling unit into an order domain;
An equipment operation mode determiner configured to determine an equipment operation mode from a current signal of the motor, and determine the equipment operation mode using a root mean square (RMS) value of the current signal; And
Determination of the state of the facility using the signal applying the ensemble average to the output of the first and second FFT, the state of the rotating machine is determined from the output of the first and second FFT module
Rotary hardware diagnostic device comprising a.

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