KR100343118B1 - 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상 이상진단 장치및 방법 - Google Patents

장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상 이상진단 장치및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속공정시스템에서의 롤 형상이상 진단장치 및 방법에 관한 것으로서, 장력(Tension) 신호의 주파수 특성을 해석하여 롤의 이상에 따라 나타날 수 있는 특정 주파수를 분리하여 마모나 편심을 갖는 롤을 찾고, 및/또는 상기 장력신호에 대한 특정 주파수에서의 스펙트럼 크기를 계산하여 해당 롤의 이상정도를 진단하기 위한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 롤들에 의해 이송되는 박판 소재의 각 스팬에 걸리는 장력을 측정하는 장력 측정수단과; 상기 장력신호를 수집하여 저장하고, 주파수 영역에 대한 스펙트럼 해석을 수행하여 스펙트럼 특성이 나타나는 특정 주파수를 이용하여 마모나 편심을 갖는 롤을 찾아내는 이상롤 검출수단과; 및/또는 상기 분리된 특정 주파수의 스펙트럼 크기를 계산하여 마모나 편심을 갖는 롤의 이상정도(편심이나 마모의 정도)를 진단하는 롤상태 진단수단을 포함하는 장치 및, 그 장치에 의해 구현되는 방법을 특징으로 한다.

Description

장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상 이상진단 장치 및 방법{FAULT DIAGNOSIS APPARATUS AND METHOD OF ROLLER-SHAPE USING FREQUENCY-DOMAIN ANALYSIS OF TENSION SIGNALS}
본 발명은 연속공정시스템에서의 롤의 형상이상 진단장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 연속공정시스템에서 이송 또는 가공되는 소재의 장력신호에 대한 스펙트럼 해석(Spectrum analysis)을 통하여 연속공정시스템에서 소재를 이송시키는데 사용되는 롤의 형상 이상을 찾아내고, 그 이상정도를 정확하게 진단할 수 있는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상 이상진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연속공정시스템(Continuous Process System)은, 장력이 걸려있는 금속, 필름, 제지, 섬유 등의 박판 소재(보통은 웹(web)이라 부름)에 의하여 탄성 영역에서 상호 연결되어(Elastically coupled) 있는 여러 개의 롤을 포함하고 있다. 이러한 연속공정시스템에서 상기 각 롤의 상태(편심정도나 마모정도)는 이송 혹은 가공되고 있는 박판소재 제품에 가장 직접적이고 민감하게 영향을 미치며, 특히 소재의 장력, 축방향 운동 등에 직접 영향을 미치게 되므로 코팅(Coating), 프린팅(Printing), 슬리팅(Slitting)등의 공정조건 변화에도 지대한 영향을 주게 된다. 그러므로 롤의 상태에 대한 감시, 이상진단 및 이에 대한 대처는 연속공정시스템의 운용, 유지보수에 매우 중요하다고 하겠다.
종래의 연속공정시스템의 이상진단을 위해서는 주로 롤을 지지하는 각종 베어링(Bearing)의 이상진단에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 결과 실제 산업현장에는 모터(Motor)로 구동되는 기계시스템에서 주파수 영역에서의 신호분석을 이용하여 베어링(Bearing)의 이상을 진단하는 방법이 적용되고 있으며, 파워 스펙트럼(Power Spectrum)분석에 의하여 회전기계요소의 결함을 탐지하는 방법이 적용되고 있다.
그러나 상기와 같이 박판소재 제품에 가장 직접적이고 민감하게 영향을 미치는 롤의 이상(마모, 편심)을 진단할 수 있는 시스템은 그리 많지 않으며, 있다 하더라도 롤의 이상진단시스템을 실제 연속공정시스템을 변화시켜야만 적용 가능하다.
따라서 연속공정시스템에 사용되는 롤의 이상 및 그 이상정도를 정확하게 진단하면서도, 게다가 실제 연속공정시스템을 변화시키지 않는 상태에서 그대로 적용할 수 있는 롤이상 진단 시스템의 필요성이 대두되었다.
본 발명은 상기의 필요성에 의해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은, 연속공정시스템에서 장력(Tension) 신호의 주파수 특성을 해석하여 롤의 이상에 따라 나타날 수 있는 특정 주파수를 분리하여 마모나 편심을 갖는 롤을 찾고, 및/또는 상기 장력신호에 대한 특정 주파수에서의 스펙트럼(Spectrum) 크기를 계산하여 해당 롤의 이상정도를 진단할 수 있는 롤 형상이상 진단장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 연속공정시스템에서 장력(Tension) 신호의 주파수 특성을 해석하여 롤의 이상에 따라 나타날 수 있는 특정 주파수를 분리하여 마모나 편심을 갖는 롤을 찾고, 및/또는 상기 장력신호에 대한 특정 주파수에서의 스펙트럼(Spectrum) 크기를 계산하여 해당 롤의 이상정도를 진단할 수 있는 롤 형상이상 진단방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명 장치의 일 실시 예는, 금속, 필름, 제지, 섬유 등의 박판 소재에 장력을 걸어 이송시키기 위해 여러 개의 구동롤 및 비구동롤들이 소정위치에 설치되고, 상기 롤들이 상기 박판 소재에 의해 탄성적으로 상호 연결되어 상기 박판 소재를 연속적으로 이송시키는 연속공정시스템에서의 롤의 이상을 진단하는 장치에 있어서, 상기 롤들에 의해 이송되는 박판 소재의 서로 다른 스팬에 설치되어, 상기 박판 소재의 각 스팬에 걸리는 장력에 비례하는 시간 영역에 대한 장력신호를 발생하는 장력 측정수단과; 상기 장력측정수단에서 발생되는 시간 영역에 대한 장력신호를 수집하여 저장하고, 상기 저장된 시간영역에 대한 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하여 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수를 분리해내고, 상기 분리된 특정 주파수를 이용하여 상기 연속공정시스템에서 사용되고 있는 마모나 편심을 갖는 롤을 찾아내는 이상롤 검출수단과; 및/또는 상기 분리된 특정 주파수의 스펙트럼 신호를 이용하여 상기 연속공정시스템에서 사용되고 있는 마모나 편심을 갖는 롤의 이상정도(편심이나 마모의 정도)를 진단하는 롤상태 진단수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치를 제공한다.
상기 본 발명 장치의 각 실시 예에서, 특히 상기 장력 측정수단은, 상기 박판 소재에 걸리는 하중을 전기 신호로 변화시켜, 상기 박판 소재의 장력에 대한 연속적인 장력신호를 발생시키는 로드셀로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 이상롤 검출수단은, 상기 장력 측정수단에서 발생되는 장력신호를 디지털 변환하여 수집 및 저장하는 장력측정신호 저장수단과; 상기 연속공정시스템내부에서 사용되는 각 롤들의 정해진 반경과 각 롤의 결함에 의해서 나타날 수 있는 장력신호의 주파수 특성들을, 이송 소재의 속도별로 각각 구분하여 기억하기 위한 장력기준신호 저장수단과; 상기 장력측정신호 저장수단에 수집 및 저장된 시간 영역에 대한 장력신호를 이산시간에 대해서 특성 변환(discrete transform)하여 주파수 영역에 대한 스펙트럼 특성을 구하는 특성 변환수단과; 상기 이산 변환된 주파수 영역의 스펙트럼 특성이 나타나는 특정 주파수만을 추출해내는 필터링수단과; 상기 특성 변환수단에 의해 스펙트럼 특성이 나타나는 특정 주파수와 상기 장력기준신호 저장수단의 각 롤 결함에 의해 나타날 수 있는 특정 주파수를 각각 비교하여, 그 비교결과로 이상 롤를 찾아내는 주파수 비교수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명 방법의 일 실시 예는, 금속, 필름, 제지, 섬유 등의 박판 소재에 장력을 걸어 이송시키기 위해 여러 개의 구동롤 및 비구동롤들이 소정위치에 설치되고, 상기 롤들이 상기 박판 소재에 의해 탄성적으로 상호 연결되어 상기 박판 소재를 연속적으로 이송시키는 연속공정시스템에서, 장력센서를 이용하여 상기 박판 소재의 스팬에 걸리는 장력을 측정하여 롤의 형상이상을 진단하는 방법에 있어서, 상기 장력센서에 의해 박판 소재로부터 측정되는 시간 영역에 대한 장력신호를 수집하여 저장하는 단계와; 상기 저장된 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하는 단계와; 상기 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호를 분석하여 주파수 영역에서 장력신호가 갖는 특성을 추출하는 단계와; 상기 스펙트럼 분석에 의해 장력신호의 특성이 나타나는 특정 주파수만을 분리하는 단계와; 상기 분리된 특정 주파수와 각 롤의 반경에 따른 이상발생주파수와의 관계를 비교하여 해당 롤의 이상 유/무를 판단하는 단계와; 및/또는 상기 분리된 특정 주파수에 포함된 스펙트럼 신호의 크기를 계산하는 단계와; 상기 특정 주파수에서의 스펙트럼 신호의 크기와 각 롤의 편심량과의 관계를 비교하여 각 롤의 이상정도를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단방법을 제공한다.
도 1은 연속공정시스템에 적용된 본 발명에 따른 롤 형상이상 진단장치의 개략적인 구성 개요도
도 2는 단일 스팬 소재 이송시스템 개요도
도 3은 본 발명에 따른 롤 형상이상 진단장치의 구성 블록도
도 4는 본 발명에 따른 롤 형상이상 진단방법을 설명하기 위한 신호처리 흐름도
도 5 내지 도 7은 도 1의 연속공정시스템에서 이송되는 소재 속도가 각각 0.5m/s, 1.0m/s, 1.5m/s 이고 운전장력이 4kgf일 때, 각각의 장력에 대한 스펙트럼을 나타낸 그래프
도 8 내지 도 10은 편심 롤에 의해 나타날 수 있는 장력변화에 대한 그래프
도 11은 롤의 편심량 측정위치를 설명하기 위한 참고도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11-14 : 비구동롤 15, 17 : 로드셀
16 : 구동롤 18 : 감김롤
19 : 풀림롤 16a, 18a, 19a : 모터
100 : 피시 101 : 장력측정신호 저장수단
102 : 특성변환수단 103 : 필터링수단
104 : 장력기준신호 저장수단 105 : 주파수 비교수단
106 : 롤상태 진단수단 Ec: 편심량
L : 소재의 길이 A : 소재의 단면적
R : 롤(Roller)의 반경 v : 소재의 이송속도
f : 주파수(Frequency) Pf: 스펙트럼 크기
E : 탄성계수(Youngs modulous) Tv/max: 최대 장력변화량
Ti: i번째 스팬에서의 장력변화
Vi: i번째 스팬에서의 소재의 속도변화
voi: i번째 스팬에서의 소재의 운용속도
t1: 도 1의 5번 롤에서 측정된 소재의 장력
t2: 도 1의 7번 롤에서 측정된 소재의 장력
이하에서, 본 발명에 따른 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치 및 방법을 구현하기 위한 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
먼저, 일반적인 롤(또는 롤러)의 이상진단 이론에 대해 살펴보면, 웹(Web)과 롤 사이에 미끄러짐(Slip)이 없는 경우, 롤의 운동은 소재의 장력에 직접적인 영향을 미치게 된다. 롤은 제작할 때부터 편심도, 표면의 거칠기 등에 결함이 있을 수도 있다. 또한 장기간 사용된 롤은 부분적으로 마모되어 그 형상이 변화될 수 있고, 이 변화된 롤의 형상은 소재의 장력변화에 직접적으로 반영된다. 이러한 롤의 변형은 롤의 회전운동으로 인하여 롤에 의하여 이송되는 소재의 장력변화에 일정한 주파수 성분으로 나타난다.
따라서 본 발명에서는 장력(Tension) 신호의 주파수 특성을 해석하여 롤의 이상에 따라 발생될 수 있는 주파수를 분리해 냄으로써 연속공정시스템에서 사용되고 있는 마모나 편심을 갖는 롤을 찾아내고, 장력에 대한 스펙트럼(Spectrum)을 계산함으로써 해당 주파수에서의 신호의 크기(Spectrum amplitude)를 이용하여 롤의 이상의 크기(편심이나 마모의 정도)를 진단하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 롤 형상이상 진단장치가 연속공정시스템에 적용된 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명 장치의 핵심 구성요소는 소재의 서로 다른 스팬에 장착되는 한 개 이상의 장력 측정수단(15)(17)과, 그로부터 측정된 장력신호의 주파수를 해석하여 이상이 있는 롤을 찾고 그 이상정도를 진단하는 이상롤 검출 및/또는 진단수단을 가진 피시(PC; 100)이다. 상기 연속공정시스템에서는 금속, 필름, 제지, 섬유 등의 박판소재에 장력을 걸어 이송시키기 위해 여러 개의 모터(16a, 18a, 19a)에 의해 각각 구동되는 구동롤(구동롤;16, 감김롤;18, 풀림롤;19)들과 비구동롤(11-14)들이, 상기 박판소재 이송경로 상의 소정위치에 설치되고, 상기 롤들은 상기 박판소재에 의해 탄성적으로 상호 연결되어 상기 박판 소재를 연속적으로 이송시킨다.
상기 장력 측정수단(15 또는 17)은, 상기 비구동롤(11, 12)(13, 14)들에 의해 구분되는 박판 소재의 서로 다른 스팬(도 2에서와 같이, 박판 소재의 단일 스팬은 4개의 비구동롤에 의해서도 구분될 수 있음)에 각각 설치되며, 상기 박판 소재의 각 스팬에 걸리는 장력에 비례하는 시간 영역에 대한 장력신호를 발생시킬 수 있다.
상기 피시(100)는 상기 장력측정수단에서 발생되는 시간 영역에 대한 장력신호를 디지털 변환하여 수집하고 저장하며, 상기 저장된 시간영역에 대한 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하여, 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수를 분리해내고, 상기 분리된 특정 주파수를 이용하여 상기 연속공정시스템에서 사용되고 있는 마모나 편심을 갖는 롤를 찾아낸다. 그리고, 상기 분리된 특정 주파수의 스펙트럼 신호를 이용하여 상기 연속공정시스템에서 사용되고 있는 마모나 편심을 갖는 롤의 이상정도(편심량이나 마모정도)를 진단하는 이상롤 검출 및/또는 진단수단을 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 롤 형상이상 진단장치의 일 실시 예로서, 도 3을 참조하면, 적용된 이상롤 검출 및 또는 진단수단은, 상기 장력 측정수단에서 발생되는 장력신호를 디지털 변환하여 수집 및 저장하는 장력측정신호 저장수단(101)을 포함하고, 상기 연속공정시스템 내부에서 사용되는 각 롤들의 정해진 반경과 각 롤의 결함에 의해서 나타날 수 있는 장력신호의 주파수 특성들을, 이송 소재의 속도별로 각각 구분하여 기억하기 위한 장력기준신호 저장수단(104)을 포함하고, 상기 장력측정신호 저장수단에 수집 및 저장된 시간 영역에서 연속된 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하는 특성 변환수단(102)을 포함하고, 상기 주파수 영역에서 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수만을 추출해내는 필터링수단(103)을 포함하고, 상기 특성 변환수단에 의해 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수와 상기 장력기준신호 저장수단의 각 롤 결함에 의해 나타날 수 있는 특정 주파수를 각각 비교하여, 그 비교결과로 이상 롤을 찾아내는 주파수 비교수단(105)을 포함하고, 상기 필터링된 특정 주파수의 스펙트럼 신호의 크기를 계산하여 롤의 이상정도를 판단하는 롤상태 진단수단(106)을 포함한다.
도 4는 본 발명에 따른 롤 형상이상 진단방법을 설명하기 위한 신호처리 흐름도로서, 금속, 필름, 제지, 섬유 등의 박판 소재에 장력을 걸어 이송시키기 위해 여러 개의 구동롤 및 비구동롤들이 소정위치에 설치되고, 상기 롤들이 상기 박판 소재에 의해 탄성적으로 상호 연결되어 상기 박판 소재를 연속적으로 이송시키는 연속공정시스템에서, 장력센서를 이용하여 상기 박판 소재의 스팬에 걸리는 장력을 측정하여, 주파수 해석을 통해 롤의 형상이상을 진단하는 방법에 대한 동작 흐름을 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 상기 장력센서에 의해 박판 소재로부터 측정되는 시간 영역에 대한 장력신호를 수집하여 저장하는 단계(S401)와, 상기 저장된 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하는 단계(S402)와, 상기 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호를 분석하여 주파수 영역에서 장력신호가 갖는 특성을 추출하는 단계(S403)와, 상기 스펙트럼 분석에 의해 장력신호의 특성이 나타나는 특정 주파수만을 분리하는 단계(S404)와, 상기 분리된 특정 주파수와 각 롤의 반경에 따른 이상발생주파수와의 관계를 비교하여 해당 롤의 이상 유/무를 판단하는 단계(S405, S406), 및/또는 상기 분리된 특정 주파수에 포함된 스펙트럼 신호의 크기를 계산하는 단계(S407)와, 상기 특정 주파수에서의 스펙트럼 신호의 크기와 각 롤의 편심량과의 관계를 비교하여 각 롤의 이상정도를 진단하는 단계(S408, S409)를 포함하여 구성할 수 있다.
이상과 같이 구성되는 본 발명의 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치 및 방법의 작용 및 그에 따른 효과들을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2는 단일 스팬 박판소재 연속 이송 시스템의 개략도로서, 이 도면에서 네 개의 롤 사이를 지나는 박판 소재의 장력에 대한 선형화된 동적 모델은 다음과 같다.
상기 수학식 1에서 보는 바와 같이 소재의 장력(Ti)은 롤의 선속도(Vi)의 변화량에 큰 영향을 받고, 롤의 선속도는 롤의 형상에 영향을 받는다. 따라서 수학식 1에서 소재의 장력 Ti에 대한 스펙트럼을 구하여, 스펙트럼 분석을 통하여, 주파수 영역에서의 장력 특성을 분석하여 롤의 이상진단에 활용하게 된다.
상기의 스펙트럼 분석(spectrum analysis)은, 어떠한 신호에 포함되어 있는 주파수 성분의 분포를 구하고 그 신호가 가지고 있는 주파수와 신호의 크기나 위상과의 관계를 이용하여 주파수 대역에서의 신호 특성을 분석하는 것을 말하며 스펙트럼의 정의는 다음의 수학식 2과 같다.
스펙트럼 크기(Spectrum amplitude)는 주파수 대역에서 임의의 신호에 대하여 특정 주파수에 대한 신호의 크기를 말하는 것으로, 다음의 수학식 3과 같이 정의된다.
본 발명에서는 연속시간(continuous time)에서의 상기 수학식 2, 수학식 3과 같은 계산과정을 샘플링(Sampling)된 장력값에 대하여 이산시간(discrete time)에서 계산하기 위하여 아래의 수학식 4와 같은 고속 퓨리에 변환(Fast fourier transform)을 이용한다.
여기서,
상기 수학식 2에서의 Ti(t)는 박판 소재의 장력값이고, 수학식 4에 적용하기 위하여 이산시간에서의 장력값Ti(2n)으로 바뀌어, 고속 퓨리에 변환에 의해 특정 주파수와 이에 대한 스펙트럼 크기 A(ω)로 나타난다.
따라서 소재가 이송되고 있을 때의 장력에 대한 스펙트럼을 구하고, 특정 주파수 및 크기의 특성을 분석함으로써 연속공정시스템에서 롤의 이상유무와 그 정도 그리고 롤의 편심이 장력의 변화에 미치는 영향을 규명할 수 있게 된다.
다음은 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여 실시한 실험장치의 구성과그 실험내용을 기술한다,
먼저, 실험장치의 구성을 보면, 장력에 대한 주파수 영역에서의 이상진단 기법의 적용가능 여부를 실험적으로 증명하기 위하여 도 1과 같은 개략적인 연속공정시스템을 제작한다. 이 연속공정시스템은 소재를 이송시키기 위한 금속 혹은 고무로 이루어지는 다수개의 구동롤(감김롤(Winder roll; 18), 구동롤(Driven roller; 16), 풀림롤(Unwinder roll; 19))과, 다수개의 비구동롤(11-14)을 설치하고, 상기 비구동롤들(11, 12)(13, 14)에 의해 마련된 이송소재의 각 스팬에는 장력측정을 위한 수단으로서 로드셀(15)(17)을 각각 설치하며, 상기 연속공정 시스템에 소재 이송을 위한 구동력을 제공하기 위하여 3개의 AC 모터(16a, 18a, 19a)를 장착한다. 상기 로드셀에 의해 측정되는 장력측정신호는 디지털 변환하여 피시(100)로 입력되도록 구성한다. 이 시스템은 장력 및 소재의 이송 속도 측정이 가능하고, 소재의 이송속도에 따른 장력 변화를 다양하게 실험할 수 있으며, 필요에 따라 롤들의 위치를 변경하여 소재의 이송경로 및 스팬 길이를 임의로 바꿀 수 있는 구조를 갖추고 있다.
각 구동롤은 상용 실시간 운용체제(Vxworks)와 타겟보드(Target Board)에 의하여 제어되며 풀림롤(Unwinder roll)을 MSD(Master Speed Drive)로 설정하여 전체 공정의 운전속도를 결정한다. 시스템의 구동 중에 이송되는 소재의 장력은 롤(Roller)의 지지대에 장착된 로드셀(Load Cell; 15, 17)에 의하여 측정되며, 본 실험에서는 이렇게 측정된 장력값에 대한 주파수 분석법에 의하여 각 스팬(Span)에 있는 롤의 편심여부와 그 정도를 알아낸다.
서로 다른 스팬(Span)에 위치해 있는 로드셀(Load Cell; 15, 17)에 의해서 측정된 소재의 장력은 아날로그/디지털 변환기를 거쳐 롤의 이상진단을 위해 사용되는 PC에 저장된다
또한 저장된 장력값들은 컴퓨터 프로그램에 의해 시간영역에서 주파수영역의 신호특성으로 전환되며 그 결과는 시스템내부에서 각 롤(Roller)들의 정해진 반경과 이송되는 소재의 속도를 고려하여 현재 이상이 있는 롤과 이상의 정도를 규명하는데 사용된다.
편심 및 국부적인 마모가 존재하는 롤에 의해서 이송되는 소재는 롤에 의해서 주기적인 외란(Disturbance)을 받게 되고, 이러한 외란으로 인하여 소재에는 롤의 구동속도에 비례하는 주기적인 장력변화 현상이 발생하게 된다. 따라서 이러한 특성을 활용하면 측정된 소재의 장력값을 이용하여 소재를 이송시키고 있는 롤의 이상(편심, 마모)의 유무와 그 양을 판단할 수 있다.
이상과 같은 진단방법을 사용하기 위하여 다음과 같은 과정을 거쳐 롤의 이상유무를 판단하게 된다.
먼저, 로드셀(Load Cell)을 통해 소재의 장력(Tension)을 측정하고, 상기 측정된 시간영역에 대한 장력값을 A/D 컨버터(Converter)를 이용하여 디지털로 변환한 후 저장수단에 저장, 및 수집한다.
다음으로, 상기 저장수단에 수집된 장력값을 이용하여 이산 시간에 대한 주파수 영역에서의 스펙트럼(Spectrum)을 계산한다.
상기 계산된 주파수 영역(Frequency domain)에서 스펙트럼 특성을 분석하여,신호 특성이 나타나는 특정 주파수를 분리하고, 그 분리된 특정주파수와 롤과의 관계, 및 특정 주파수에서 스펙트럼 신호의 크기(Spectrum amplitude)와 롤의 편심량과의 관계의 고찰을 통한 롤의 이상유무와 그 정도를 판단한다.
이와 같은 과정을 통한 실험 결과를 표 1 내지 표 3을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 표 1은 본 실험에서 사용한 연속공정시스템에서의 감김롤, 풀림롤, 구동롤 및 비구동롤의 반경과 소재의 이송속도가 0.5m/s, 1m/s, 1.5m/s일 때 롤의 결함에 의해서 나타날 수 있는 장력신호의 주파수를 나타낸 것이다.
롤 운전속도(m/s)
0.5 1.0 1.5
R(m) f(Hz) R(m) f(Hz) R(m) f(Hz)
롤(18) 0.094 0.8 0.055 2.9 0.080 4.1
롤(19) 0.056 1.4 0.094 1.7 0.093 2.6
롤(11-14) 0.040 2.0 0.040 4.0 0.040 6.0
롤(15-17) 0.050 1.6 0.050 3.2 0.050 4.7
상기 표 1에서 알 수 있듯이 소재가 이송되고 있을 때, 롤의 마모나 정렬불량 등의 이유로 인해 편심이 발생할 경우, 이는 곧 롤의 반경에 따라 특정 주파수에 해당하는 장력신호를 발생하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 본 실험에서는 소재가 이송되고 있을 때, 측정된 소재의 장력을 이용하여 스펙트럼을 구하고 주파수 영역에서의 장력변화 특성을 분석하였으며 그 결과는 도 5 내지 도 7과 같다.
도 5는 소재의 이송속도 V=0.5m/s, 운전장력(Operating tension) t1=t2=4kgf일 때, 장력값에 대한 스펙트럼을 나타낸다. 여기서 장력 t1은 도 1의 로드셀(15)에서 측정된 소재의 장력을 의미하며, 도 5에서 보는 바와 같이주파수1.4Hz 부근의 값은 장력센서의 위치와 소재의 이송방향, 표 1에서 구한 각 롤의 주파수 등을 고려해 볼 때, 풀림롤(Unwinder roll : 19번 롤)의 편심에 의해서 발생한 신호임을 알 수 있다
또한 장력 t2는 도 1의 로드셀(17)에서 측정된 장력이므로 0.8Hz부근의 신호는 감김롤(Winder roll : 18), 1.5-1.6Hz 부근의 신호는 도 1의 고무 구동롤(16), 2Hz 부근의 신호는 금속 비구동롤(13)의 편심에 의해서 발생한 것이다. 또한 도 5와 도 6에서 소재의 이송속도가 0.5m/s에서 1m/s로 두 배 증가했을 때 반경이 항상 일정한 금속 비구동롤과 고무 구동롤의 경우, 그 주파수특성이 모두 두 배씩 증가하여 나타난 것을 알 수 있다.
도 6과 도 7은 각각 소재의 이송속도 V=1m/s, 1.5m/s, 운전장력 t1=t2=4kgf일 때, 장력의 주파수 특성을 나타낸다. 이 두 경우도 도 5의 경우와 마찬가지로 표 1에서 구한 각 장력신호의 주파수와 비교해 보면 각 롤에 의해서 유발된 장력의 주파수 특성이 모두 나타남을 알 수 있다.
따라서 이상의 장력에 대한 스펙트럼 분석결과에서 알 수 있는 바와 같이, 연속공정 시스템에서 이송되고 있는 소재의 장력의 주파수 특성과 롤의 반경을 이용하면 각 롤의 이상여부(편심량 및/또는 마모정도)를 정확히 진단해 낼 수 있다는 것을 실험적으로 검증할 수 있었다.
이제까지는 수집된 장력값에 대해 주파수영역에서의 분석을 통하여 시스템 내에서 편심이 발생한 롤을 찾아낼 수 있었으나 편심이 발생한 정도나 롤의 편심이장력의 변화에 미치는 영향은 알아낼 수 없었다.
따라서 장력값에 대한 주파수 분석결과를 이용하여 각 주파수 대역별로 장력의 변화를 분석함으로써, 롤의 편심량과 스펙트럼에서 특정 주파수에 대한 신호(장력)의 크기와의 관계 그리고 장력변화와의 관계를 규명하고자 한다.
측정된 장력값에서 특정 주파수에 해당하는 신호를 추출해 내기 위한 수단으로 본 연구에서는 대역통과필터(Band pass filter)를 사용하였으며, 사용된 장력값은 소재의 이송속도 1m/s에서 총 80초 동안의 실험결과에 의하여 장력 변화량의 평균값을 구하고 평균값에 대한 장력의 변화량을 구하여 그 값을 기준으로 원하는 주파수 대역에 대한 필터링(Filtering)을 하였다. 실험 대상으로 한 롤은 도 1에서와 같이 구성된 시스템에서 임의로 선택한 금속 비구동롤(11), 고무 비구동롤(13), 그리고 고무 구동롤(16)이다. 소재의 최대 장력 변화량은 장력이 비교적 안정된 변화율을 갖는 구간(10초-70초구간)의 장력값을 수집하여 계산된 결과이다.
고속 퓨리에 변환에 의하여 계산된 장력값에 대한 주파수 대역별 신호(장력)의 크기(Spectrum amplitude)를 결정하는 요인은 장력신호 Ti(t)의 변화량임을 수학식 4를 통하여 알 수 있다. 그러므로 장력의 변화량이 주파수 영역에서의 신호(장력)의 크기로 나타나게 된다.
따라서 장력에 대한 각 주파수 대역별 특성 분석결과를 이용하여 시간영역에서의 특정 주파수 대역에 대한 장력의 변화량을 알아냄으로써 롤의 편심량과 장력의 변화 그리고 주파수 대역에서의 신호의 크기와의 관계를 실험을 통하여 알아낼수 있다.
도 11은 본 실험에서 비교대상으로 정한 서로 다른 세 개의 롤의 편심량을 측정한 위치(a, b, c, d)를 나타내며, 롤의 편심량은 각 측정값들의 평균값으로 정하였으며, 그 실험결과는 다음과 같다.
도 8, 도 9와 아래의 표 2에서 볼 수 있듯이 편심이 큰 비구동롤(도 1의 고무 비구동롤; 13)일수록 소재의 장력변화에 영향을 많이 주게 되고, 이것은 다시 주파수 대역에서의 신호(장력)의 크기에 영향을 주게 되므로 장력의 변화가 심할수록 신호(장력)의 크기가 크게 나타남을 알 수 있다.
위치롤 a b c d 평균치
롤(11) 0.13 0.13 0.12 0.10 0.12
롤(13) 0.15 0.14 0.13 0.18 0.15
롤(16) 0.08 0.03 0.01 0 0.03
금속롤(11) 금속롤(13) 고무롤(16)
f(Hz) 4.1 4.1 3.2
Ec(mm)(평균치) 0.12 0.15 0.03
Tv/max(kgf) 0.11 0.23 0.46
Pf 1.3 6 9.5
그러나 표 2와 표 3에서 볼 수 있듯이 구동롤(도 1의 고무 구동롤; 16)의 경우 다른 두 개의 롤에 비해서 평균적으로 편심량(Ec)이 작음에도 불구하고 롤의 편심에 의해서 유발되는 최대 장력 변화량(Tv/max)과 그 때의 주파수 영역에서의 신호(장력)의 크기가 다른 롤들에 비해서 상대적으로 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 편심량이 롤 전체에 대하여 비교적 균일한 경우에, 이송되고 있는 소재에 형성되는 응력(Stress)분포 또한 균일하지만, 편심량이 롤의 특정방향(좌측이나 우측)쪽으로 더 많이 존재하는 경우에는 소재에 형성되는 응력이 일정하지 않을 뿐만 아니라, 전단응력(Shear Stress)이 존재함으로써 더 많은 장력변화를 유발하게 되는 현상이 나타나게 된다. 따라서 롤이 전체적으로 균일한 편심량을 갖는 경우보다 그렇지 않은 경우가 소재의 장력변화에 더 큰 악영향을 주며, 이러한 경우에 주파수영역에서의 신호(장력)의 크기가 편심량에 상관없이 다른 롤들에 비하여 매우 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
따라서 본 실험에서는 웹(Web)이 여러 개의 롤을 통과하는 연속공정시스템에서 롤의 속도를 통해 조절되는 장력을 측정 수집하고, 장력에 대한 스펙트럼을 계산하여 주파수 영역에서 장력의 특성을 분석함으로써 각 롤의 편심여부와 그 정도 및 롤의 편심이 소재의 장력변화에 미치는 영향을 실험적으로 규명할 수 있었다.
다음에서 본 발명의 효과를 입증하기 위한 실험결과를 정리해 보면 다음과 같다.
첫째, 장력에 대한 주파수 특성을 통하여 시스템 내에서 형상이상(편심 및/또는 마모)이 발생한 롤을 찾아낼 수 있다.
둘째, 각 롤의 형상 이상은 소재의 장력변화를 유발하게 되며, 이것은 주파수 영역에서의 특정 주파수에 대한 신호(장력)의 크기(Spectrum amplitude)로 나타난다.
셋째, 롤의 형상이상의 정도(degree)와 장력의 변화량 그리고 주파수 영역에서의 특정 주파수에 대한 신호(장력)의 크기는 서로 비례관계에 있다. 따라서 주파수 분석법에 의하여 롤의 형상이상의 정도를 예측할 수 있다.
넷째, 롤의 형상이상 정도가 평균적으로 작다 할지라도 상대적으로 특정방향(롤의 좌 또는 우측)으로의 편심량(또는 특정부분에 대한 마모정도)이 증가하게 되면 이송되고 있는 소재에 전단응력(Shear stress)이 작용하게 되고, 이로 인하여 더 심한 장력변화를 유발하게 되어 주파수 대역에서의 신호(장력)의 크기가 증가하게 된다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 연속공정시스템 내의 무수히 많은 각 롤들에 대한 이상유무 및 이상의 정도를 기존의 시스템의 큰 변화 없이 진단할 수 있게 되어 시스템에 대한 효과적인 유지 및 보수가 가능하게 하는 이점이 있다.

Claims (13)

  1. 금속, 필름, 제지, 섬유 등의 박판 소재에 장력을 걸어 이송시키기 위해 여러 개의 구동롤 및 비구동롤들이 소정위치에 설치되고, 상기 롤들이 상기 박판 소재에 의해 탄성적으로 상호 연결되어 상기 박판 소재를 연속적으로 이송시키는 연속공정시스템에서의 롤의 이상을 진단하는 장치에 있어서,
    상기 롤들에 의해 이송되는 박판 소재의 서로 다른 스팬에 설치되어, 상기 박판 소재의 각 스팬에 걸리는 장력에 비례하는 시간 영역에 대한 장력신호를 발생하는 장력 측정수단;
    상기 장력측정수단에서 발생되는 시간 영역에 대한 장력신호를 수집하여 저장하고, 상기 저장된 시간영역에 대한 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하여 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수를 분리해내고, 상기 분리된 특정 주파수를 이용하여 상기 연속공정시스템에서 사용되고 있는 마모나 편심을 갖는 롤을 찾아내는 이상롤 검출수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 장력 측정수단은,
    상기 박판 소재에 걸리는 하중을 전기 신호로 변화시켜, 상기 박판 소재의 장력에 대한 연속적인 장력신호를 발생시키는 로드셀로 이루어진 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 이상롤 검출수단은,
    상기 장력 측정수단에서 발생되는 장력신호를 디지털 변환하여 수집 및 저장하는 장력측정신호 저장수단;
    상기 연속공정시스템 내부에서 사용되는 각 롤들의 정해진 반경과 각 롤의 결함에 의해서 나타날 수 있는 장력신호의 주파수 특성들을, 이송 소재의 속도별로 각각 구분하여 기억하기 위한 장력기준신호 저장수단;
    상기 장력측정신호 저장수단에 수집 및 저장된 시간 영역에서 연속된 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하는 특성 변환수단;
    상기 주파수 영역에서 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수만을 추출해내는 필터링수단;
    상기 특성 변환수단에 의해 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수와 상기 장력기준신호 저장수단의 각 롤 결함에 의해 나타날 수 있는 특정 주파수를 각각 비교하여, 그 비교결과로 이상 롤을 찾아내는 주파수 비교수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 필터링수단이 특정 주파수 대역의 스펙트럼 신호만을 통과시키는 대역통과필터로 이루어진 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 특성 변환수단은,
    상기 시간 영역에 대하여 연속된 장력신호를 이산 시간에 대한 주파수 영역에서의 스펙트럼 신호로 변환하는 고속 퓨리에 변환기(FFT)를 사용하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  6. 금속, 필름, 제지, 섬유 등의 박판 소재에 장력을 걸어 이송시키기 위해 여러 개의 구동롤 및 비구동롤들이 소정위치에 설치되고, 상기 롤들이 상기 박판 소재에 의해 탄성적으로 상호 연결되어 상기 박판 소재를 연속적으로 이송시키는 연속공정시스템에서의 롤의 이상을 진단하는 장치에 있어서,
    상기 롤들에 의해 이송되는 박판 소재의 서로 다른 스팬에 설치되어, 상기 박판 소재의 각 스팬에 걸리는 장력에 비례하는 시간 영역에 대한 장력신호를 발생하는 장력 측정수단;
    상기 장력측정수단에서 발생되는 시간 영역에 대한 장력신호를 수집하여 저장하고, 상기 저장된 시간영역에 대한 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하여 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수를 분리해내고, 상기 분리된 특정 주파수를 이용하여 상기 연속공정시스템에서 사용되고 있는 마모나 편심을 갖는 롤을 찾아내는 이상롤 검출수단;
    상기 분리된 특정 주파수의 스펙트럼 신호를 이용하여 상기 연속공정시스템에서 사용되고 있는 마모나 편심을 갖는 롤의 이상정도(편심이나 마모의 정도)를진단하는 롤상태 진단수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 롤상태 진단수단은,
    상기 필터링된 특정 주파수의 스펙트럼 신호의 크기를 계산하여 롤의 이상정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 장력 측정수단은,
    상기 박판 소재에 걸리는 하중을 전기 신호로 변화시켜, 상기 박판 소재의 장력에 대한 연속적인 장력신호를 발생시키는 로드셀로 이루어진 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 이상롤 검출수단은,
    상기 장력 측정수단에서 발생되는 장력신호를 디지털 변환하여 수집 및 저장하는 장력측정신호 저장수단;
    상기 연속공정시스템 내부에서 사용되는 각 롤들의 정해진 반경과 각 롤의 결함에 의해서 나타날 수 있는 장력신호의 주파수 특성들을, 이송 소재의 속도별로 각각 구분하여 기억하기 위한 장력기준신호 저장수단;
    상기 장력측정신호 저장수단에 수집 및 저장된 시간 영역에서 연속된 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하는 특성 변환수단;
    상기 주파수 영역에서 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수만을 추출해내는 필터링수단;
    상기 특성 변환수단에 의해 스펙트럼 신호의 특성이 나타나는 특정 주파수와 상기 장력기준신호 저장수단의 각 롤 결함에 의해 나타날 수 있는 특정 주파수를 각각 비교하여, 그 비교결과로 이상 롤을 찾아내는 주파수 비교수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 필터링수단이 특정 주파수 대역의 스펙트럼 신호만을 통과시키는 대역통과필터로 이루어진 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 특성 변환수단은,
    상기 시간 영역에 대하여 연속된 장력신호를 이산 시간에 대한 주파수 영역에서의 스펙트럼 신호로 변환하는 고속 퓨리에 변환기(FFT)를 사용하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단장치.
  12. 금속, 필름, 제지, 섬유 등의 박판 소재에 장력을 걸어 이송시키기 위해 여러 개의 구동롤 및 비구동롤들이 소정위치에 설치되고, 상기 롤들이 상기 박판 소재에 의해 탄성적으로 상호 연결되어 상기 박판 소재를 연속적으로 이송시키는 연속공정시스템에서, 장력센서를 이용하여 상기 박판 소재의 스팬에 걸리는 장력을 측정하여 롤의 형상이상을 진단하는 방법에 있어서,
    상기 장력센서에 의해 박판 소재로부터 측정되는 시간 영역에 대한 장력신호를 수집하여 저장하는 단계;
    상기 저장된 장력신호를 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호로 변환하는 단계;
    상기 주파수 영역에 대한 스펙트럼 신호를 분석하여 주파수 영역에서 장력신호가 갖는 특성을 추출하는 단계;
    상기 스펙트럼 분석에 의해 장력신호의 특성이 나타나는 특정 주파수만을 분리하는 단계;
    상기 분리된 특정 주파수와 각 롤의 반경에 따른 이상발생주파수와의 관계를 비교하여 해당 롤의 이상 유/무를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 분리된 특정 주파수에 포함된 스펙트럼 신호의 크기를 계산하는 단계;
    상기 특정 주파수에서의 스펙트럼 신호의 크기와 각 롤의 편심량과의 관계를 비교하여 각 롤의 이상정도를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장력신호의 주파수 해석을 이용한 롤 형상이상 진단방법.
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