KR100567434B1 - 빗물펌프장용 온라인 감시시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빗물펌프장의 운전상황을 실시간으로 모니터링하여 빗물펌프장에서 발생될 수 있는 여러가지 위험요소와 고장징후를 사전에 분석, 예측하여 빗물펌프장의 운용이 효과적으로 이루어질 수 있는 빗물펌프장용 온라인 감시시스템에 관한 것으로, 빗물펌프 설비에서 발생하는 다양한 신호를 감지하는 신호취득장치와, 취득된 신호를 필터링하고 증폭시키는 신호변환장치와, 신호변환된 데이터를 분석 가능하도록 계산하는 신호처리장치와, 처리된 데이터를 적재적소에 배분하는 자료전송장치와, 전송된 데이터를 지정된 조건으로 저장하는 자료저장장치와, 저장된 데이터를 분석하는 데이터 분석 프로그램으로 구성되며, 상기 신호취득장치는 베어링의 온도와 모터의 권선온도를 측정하기 위한 온도센서와, 펌프의 기계적 결함 및 수력학적 결함 등의 분석을 위해 진동 신호를 취득하는 진동센서와, 펌프의 운전조건과 안정성분석 그리고 양정과 토출량 등의 분석 및 측정을 위한 수위센서 및 압력센서로 구성된다. 따라서, 빗물펌프장의 핵심설비인 배수펌프의 고장예측과 분석을 가능케 하는 펌프상태감시와 빗물펌프장 운전과 관련된 중요한 정보 데이터를 취득하고, 향후 대책수립과 정책 입안을 위한 자료로 활용할 수 있는 효과가 있다.

빗물펌프장, 고장예측, 진동분석, 자동진단, 주파수 분석, 캐비테이션

Description

빗물펌프장용 온라인 감시시스템{On-Line Monitoring System for Pump Stations}

도 1은 본 발명에 따른 빗물펌프장용 온라인 감시 시스템의 구성을 나타낸 블럭도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 신호취득장치 20 : 신호변환장치

30 : 신호처리장치 40 : 자료전송장치

50 : 자료저장장치 60 : 데이터 분석 프로그램

본 발명은 빗물펌프장용 온라인 감시시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온라인 감시 시스템을 이용하여 빗물펌프장의 운전 상황을 실시간으로 모니터링할 수 있게하여 홍수 발생시 중앙 통제소에서 효율적인 방재대책 수립이 가능하고, 빗물펌프장에서 발생될 수 있는 여러가지 위험요소 및 고장 징후를 사전에 분석, 예측하여 빗물펌프장의 운용이 효과적으로 이루어질 수 있는 빗물펌프장용 온라인 감시시스템을 제공하는데 있는 것이다.

빗물펌프장은 장마기와 혹은 태풍 등에 의한 집중 폭우시 유수지에 유입된 물을 배출하는 것을 목적으로 하고 있다.

빗물펌프장은 상시 운전되는 설비는 아니지만 단 한번의 고장이 막대한 인명 및 재산피해로 이어질 수 있기 때문에 매우 중요한 핵심설비로서 안정적인 설비의 운용이 요구된다.

빗물펌프장에서 발생하는 대표적인 결함 요소는 다음과 같다.

a) 기계적 & 전기적 결함

빗물펌프장의 펌프에서 발생될 수 있는 대표적인 기계적/전기적 결함은 베어링결함, 축의 균열(Crack Shaft) 및 굽힘(Bent Shaft)과 같은 축 결함 회전차에서 발생되는 질량 불평형(Unbalance), 커플링에서 발생되는 정렬불량(Misalignment) 및 헐거움(Looseness), 접촉(Rubbing), 공진(Resonance) 등과 같은 결함이 있다.

펌프의 전기적 결함은 펌프를 구동시키는 모터에서 발생되며 고정자 혹은 회전자 편심에 의해 발생되는 공극(Air Gap)불평형, 회전자(Rotor) 및 단락링(End Ring)에서 발생되는 회전자 봉(rotor bar)의 파손 및 크랙, 회전자 봉의 헐거움 및 개방, 회전자 적층의 단락, 회전자의 불규칙한 국부가열에 의한 열 굽힘(thermal bow)및 단락링의 파손, 크랙 등이 있다. 또한 고정자에서 발생되는 대표적인 결함으로는 유연한 고정자, 고정자 적층 (lamination)의 단락 및 고정자 철심의 느슨함 등이 있다.

b) 수력학적 결함

펌프의 수력학적 결함은 운전상태의 조건에 따라 발생되는 캐비테이션 (cavitation), 재순환 유동(recirculation), 난류유동(turbulence), 서징(surging) , 수격현상 및 압력 맥동 등의 결함이 있으며 유동조건에 따라 발생되는, 배관계 설계불량(piping), 흡입구 설계불량 및 토출구 설계불량 등이 있다.

c) 구조 결함

펌프의 구조결함은 주로 설치조건과 밀접한 관련이 있다. 앞서 설명한 설비의 결함이라기 보다는 펌프를 지지하고 있는 구조물 혹은 부속물에서 발생되는 결함으로 주로 베이스 결함을 포함하는 설치불량 결함 및 파이프 공진 등 펌프의 운전속도와의 공진에 의한 결함 등이 있다.

d) 펌프 토출량 등 운전범위 분석

대부분의 빗물펌프의 고장은 과도한 운전 부하가 주원인으로서 물의 유입량과 배수량이 급격히 변화하는 빗물펌프장에서는 과도한 저양정 상태로 펌프가 오랫동안 운전되어 과대 토출량 운전이 발생하면 펌프는 유체에서 발생되는 등의 영향으로 내구성이 급격히 저하된다.

또한, 빗물펌프장의 펌프는 배관특성상 유량계를 설치한다 하여도 정확한 토출량 측정이 어려운 관계로 국내 거의 모든 빗물펌프장에는 유량계가 설치되어 있지 않다.

기존의 빗물펌프장의 경우 그 설비가 간헐적으로 운용될 뿐 아니라 대부분의 설비가 수중에 설치되는 관계로 주기적인 상태감시, 고장의 예측 및 원인분석에 어려움이 있어 항시 사고발생의 위험 요소를 안고 있다.

또한 설비 사양, 설비의 규모, 기술 데이터 베이스(Data-base), 이력관리, 운전안정성 및 효율과 관련된 다양한 통계자료 등 빗물펌프장의 효율적 운용 및 향 후 대책수립과 관련된 중요 데이터의 부재로 인하여 예측 불가한 불안정 상태의 빗물펌프장 운영이 불가피한 상태이다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 감안 해소하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 빗물펌프장 운영에 필요한 다양한 측정 요소(Factor)를 단일 시스템으로 통합 측정 및 분석도 가능하게 하여 빗물배수 펌프장에서 발생될 수 있는 여러 가지 위험요소(기계적 결함, 전기적결함, 수력학적 결함, 잘못된 운전)에 의한 배수펌프장 사고를 사전에 방지하는데 있다.

또한, 본 발명은 빗물펌프장의 배수펌프가 안전운전 영역에서 운전할 수 있도록 실시간으로 감시하여 근본적으로 설비고장의 원인을 감소시키고, 수중에 설치된 배수펌프의 진동분석 프로그램을 통하여 고장 징후를 사전에 정확히 분석, 예측하여 빗물펌프장의 설비고장에 의한 주변지역 침수피해를 예방할 수 있는 빗물펌프장 온라인 모니터링 시스템을 제공함을 또 다른 목적으로 하고 있다.

본 발명은 펌프의 운전안정성과 관련된 주요 인자를 양정, 토출량, 운전구간, 운전시간 등 4가지 요소로 구분하고, 입력된 데이터와 각 요소들간의 상관관계 및 각 요소들의 상관 관계를 분석하여 가장 안정적이고 경제적으로 펌프를 운용할 수 있는 빗물펌프장 온라인 모니터링 시스템을 제공함에 그 특징이 있다.

또한, 본 발명은 빗물펌프장의 펌프에는 베어링의 온도와 모터의 권선온도를 측정하기 위한 온도센서와, 펌프의 기계적 결함 및 수력학적 결함 등의 분석을 위해 진동 신호를 취득하는 진동센서와, 펌프의 운전조건과 안정성분석 그리고 양정과 토출량 등의 분석 및 측정을 위한 수위센서 및 압력센서에 의해 펌프의 상태감시 및 운전상황 분석을 위해 필요한 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명은 펌프 자체에 대한 정밀한 성능시험을 통해 펌프의 특성곡선을 구하고, 가동감시 시스템의 수위 및 압력 센서로부터 유입되는 데이터 및 전류 데이터와의 상호 분석을 통해 양정, 토출량을 정확히 산출할 수 있는 분석 알고리즘을 제공하는 것을 특징으로 하고 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 구성 및 작용 효과를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 구체적인 실시 예에 따른 빗물펌프장 실시간 감시시스템을 설명하기 위해 나타낸 참고도이다.

도시된 바와 같이 본 발명은 빗물펌프 설비에서 발생하는 다양한 신호를 감지할 수 있는 센서(Sensor)가 구비된 신호취득장치(10)와, 상기 센서에서 취득된 신호를 필터링(Filtering)하고 증폭시키는 신호변환장치(20)와, 상기 신호변환장치(20)에서 취득된 데이터를 분석이 가능하도록 계산하는 신호처리장치(30) (Vibration Data Processing Monitor:VDPM)와, 처리된 데이터를 적재적소에 배분하는 자료전송장치(40)와, 처리된 데이터를 지정된 조건으로 저장하는 자료저장장치(50)(Data Base Management System:DBMS)와, 상기 자료저장장치(50)에 저장된 데이터를 다양한 분석요소(Function)를 이용하여 분석하는 데이터 분석 프로그램 (60)으로 구성된다.

상기 시스템을 통하여 신호 처리된 데이터는 신호처리장치(30)에 기본 장착된 모뎀(thernet) 모듈을 통하여 빗물펌프장 여러 부서 및 중앙 통제실에서 동시 분석도 가능하게 하고, 설비상태의 이상이 감지되었을 때 자동적으로 지정된 설비 관리자에게 전자우편(E-mail) 또는 무선모듈 적용시 장소에 구애없이 어느 곳에서도 휴대용단말기(PDA)와 같은 무선단말기를 통하여 설비상태를 실시간으로 모니터링하도록 되어 있다.

상기 구성에 있어, 펌프의 상태감시 및 운전상황 분석을 위해 필요한 데이터를 취득하는 기능을 수행하도록 빗물펌프장의 펌프에는 베어링의 온도와 모터의 권선온도를 측정하기 위한 온도센서와, 펌프의 기계적 결함 및 수력학적 결함 등의 분석을 위해 진동 신호를 취득하는 진동센서와, 펌프의 운전조건과 안정성분석 그리고 양정과 토출량 등의 분석 및 측정을 위한 수위센서 및 압력센서가 설치된다.

상기 센서는 설비에 영구히 부착되며 수중설비에 적합하도록 방수, 방진, 항온조건을 만족하는 것을 이용하는 것이 바람직하다.

신호변환장치(20)는 신호 입력단을 통과한 다양한 신호를 신호처리장치(30)로 전송할 수 있도록 적절한 형태로 증폭 혹은 변조(Amplifier, V-A Converting)하는 기능을 수행하게 된다.

신호처리장치(30)는 메인 프레임과 각각의 신호처리 모듈을 장착할 수 있도록 16개 슬롯(Slot)이 구비된 플랫폼(Platform)으로 구성된다.

또한, 표준 모듈로는 메인 프레임, 파워 서플라이(Power Supply) 모듈, 그리고 CPU 모듈로 구성되며, 옵션 모듈로서 신호처리장치(30)의 메인 프레임에 준비된 슬롯(Slot)을 이용하여 16개 모듈을 사용자가 선택하여 선별적으로 사용하고, 사용 가능한 옵션 모듈은 Real Time Data Processing Module, Scan Time Data Processing Module, DC Monitor Module, Digital Input/Output Module 등이 있다.

신호처리장치(30)의 Data Processing Module에서 신호처리 된 데이터는 CPU Module에 장착된 모듈(Ethernet 통신 모듈)을 통하여 메인서버의 Advanced Monitoring Software 와 인터페이스 된다.

또한 메인서버(Main Server)는 랜(LAN)망으로 연결되어 다수의 사용자가 데이터 공유 및 배수설비의 운전상태 모니터링이 가능하게 하고, 상기한 통신망을 이용하여 원격지에서 전문가가 신호처리장치(30)를 원격 제어하여 시스템에 발생된 문제점을 해결함으로서 보다 더 사용자에게 밀착된 지원이 가능하도록 되어 있다.

자료전송장치(40)는 상기 신호처리장치(30)와 자료저장장치(50)의 연결 기능을 수행하는 장치로, 신호처리장치(30)에서 보내온 자료를 데이터베이스에 안정적으로 저장될 수 있도록 하며, 데이터베이스의 데이터가 항상 일정한 크기로 유지되도록 Averaging기능을 수행한다.

자료저장장치(50:DBMS)는 온라인 모니터링 시스템 전체의 설정 정보를 저장하고, 신호처리장치(30)로부터 실시간으로 측정되는 데이터들을 각 채널별, 분석기능(Function)별로 저장하는 기능을 담당하는 두 가지 기능을 수행하도록 되어 있다.

자료저장장치(50)에 저장된 데이터는 분석(Analysis) 프로그램에서 다양한 그래프 형태로 출력되어 사용자에게 보다 쉽고 정확한 기계상태를 파악할 수 있도록 다양한 정보를 제공하도록 되어 있다.

자료분석장치(60)는 자료저장장치(50)에 저장된 데이터를 읽어 들여, 기계상태 진단을 위한 자료로 활용하는 기능을 수행한다.

그리고 실시간 상태 감시를 위해 자료 전송 프로그램과 직접 연결되어 기계 상태(Status)를 직접 모니터 할 수 있게 하며, 알람이 발생할 경우 그 상태가 자료 분석 프로그램에 표현되어 사용자가 즉각적인 조치를 취할 수 있도록 되어 있다.

분석기능은 펌프의 감시기능을 통해 펌프에서 발생될 수 있는 모든 형태의 결함 및 펌프의 운전과 관련된 중요한 정보를 분석할 수 있는 다양한 툴(Tool)을 제공한다.

따라서 펌프에서 발생될 수 있는 기계적 결함, 전기적 결함, 수력학적 결함 및 구조결함은 진동과 온도센서에서 취득한 데이터를 기반으로 주파수 분석(FFT Analysis)을 통해 분석하며, 펌프의 효율과 관련된 펌프의 운전점 분석, 양정분석, 토출량 분석 등은 전류, 수위 및 압력 센서로부터 취득된 데이터와 펌프의 효율곡선과의 상관관계의 분석을 통해 분석한다.

본 시스템에 내장된 다양한 진단 및 분석 알고리즘 및 설비 고장사례 DB를 근거로 한 자동진단 기능을 통하여 자동설비 진단 및 분석이 가능하다.

그러므로 사용자는 설비의 사양 및 운전조건만 입력하면 시스템 스스로 펌프의 상태를 분석하여 고장의 원인과 대책이 포함된 진단보고서를 생성해 줌으로 설 비진단 전문가가 아닌 일반 관리자도 손쉽게 펌프고장에 대처 할 수 있는 것이다.

감시기능은 펌프에서 발생되는 다양한 데이터 추이를 관찰함으로서 펌프의 상태를 평가하고 이를 기반으로 하여 고장의 시기를 예측하거나 운전상태의 효율성을 평가한다.

운전시간, 운전구간 등 다양한 정보의 수치 등을 설비의 종류, 상태, 중요도, 운전조건 등 다양한 변수에 따라 경고치를 설정하고, 실시간으로 입력되는 진동, 온도, 압력, 수위, 전류 등 다양한 입력 신호들의 Trend 와 이러한 데이터들의 다양한 가공을 통하여 얻어지는 양정, 토출량, 혹은 변화율 등의 Trend 분석을 통해 완벽한 경향관리를 실현한다.

또한 실시간의 비교뿐 아니라 과거의 데이터와의 비교를 통해 변동상황을 확인 할 수 있다.

이를 위해 제공되는 경향관리 Tool Plot 으로서는 실시간 Raw Data를 표현하는 Time Plot, Raw Data를 주파수 분석한 Spectrum Plot 등 기본적인 형태의 그래프 이외에 2D Waterfall, 3D Waterfall , Contour 등의 다양한 그래프 Plot을 지원한다.

또한 펌프의 효율과 관련된 다양한 변수와의 변화율을 추이 관찰을 위한 다양한 그래프(Graph)를 제공한다.

분석기능은 펌프의 감시기능을 통해 펌프의 이상징후가 발견되었을 시 그 이상원인을 규명함으로서 신속하고 근본적인 대책의 수립 및 시행에 있으며 또한 대책수행 후 그 결과를 분석함으로서 이상 징후의 근본적인 원인 해결에 기여할 수 있게 한다.

그리고 정밀분석 프로그램은 펌프에서 발생될 수 있는 모든 형태의 결함 및 펌프의 운전과 관련된 중요한 정보를 분석할 수 있는 다양한 툴을 제공한다.

펌프에서 발생될 수 있는 기계적 결함, 전기적 결함, 수력학적 결함 및 구조결함은 진동과 온도센서에서 취득한 Data를 기반으로 주파수 분석(FFT Analysis)을 통해 분석하며, 펌프의 효율과 관련된 펌프의 운전점 분석, 양정분석, 토출량 분석 등은 전류, 수위 및 압력 센서로부터 취득된 Data와 펌프의 효율곡선과의 상관관계의 분석을 통해 분석한다.

이를 위해 제공되는 분석 툴(Tool)은 Lowpass, Bandpass, Autospectrum, CPB, Time, SED, Cepstrum, Phase등의 기본 분석 기능과 Orbit, Directional Spectrum, X-Y Position vs Time, X-Y Position vs Speed, Spectrum vs Speed, Vector History, Bode, Polar 등의 전문화된 기능으로서 사용자가 배수설비의 운전조건에 맞는 적합한 분석 Tool을 자유롭게 선택하여 사용할 수 있도록 다양한 분석 Tool을 제공한다. 특히 한 개의 측정 Point당 최대 12개의 Function을 동시에 선택하여 측정 가능하게 함으로서 보다 정밀한 상태 진단을 할 수 있도록 하였다.

또한 Main Reference, Delta, Harmonic, Sideband 등 다양한 형태의 Cursor는 진동신호 분석에 적합하게 설계되어 있다.

본 발명은 펌프 자체에 대한 정밀한 성능시험을 통해 펌프의 특성곡선을 구하고 가동감시 시스템의 수위 및 압력 센서로부터 유입되는 데이터 및 전류 데이터와의 상호 분석을 통해 양정, 토출량을 정확히 산출할 수 있는 분석 알고리즘을 채 택하고 있다.

또한 사용자에게 빗물펌프장의 가동현황을 용이하게 파악할 수 있는 기능을 제공하고 있다.

시설물 현황, 펌프가동현황, 펌프기능의 화면으로 사용자에게 복잡한 과정을 거치지 않고도 한 화면에 중요한 정보를 일목요연하게 전달할 수 있다.

경향관리 및 정밀분석 못지 않게 중요한 데이터 베이스는 단순한 과거의 기록이 아니라 최적의 관리수준의 확보, 업무의 표준화, 관련 기술의 확보 및 인적 및 물적 자원의 효율적 배분 등 합리적 의사 결정 시스템을 위한 판단과 선택의 기준을 제공함과 동시에 새로운 목표와 기준을 제시하고 해결방안을 제공하게 된다.

설비상태의 Trend, 정밀분석 사례, Trouble Shooting 관련자료 이와 관련된 관련부품 정보, Outsourcing 정보 및 활용방안 등 펌프의 고장과 대책에 관련된 기술 데이터의 축적은 Knowledge-based Management의 실현을 통해 향후 발생 할 수도 있는 다양한 고장에 효율적으로 대처할 수 있게 된다.

또한 펌프의 운전과 효율에 관련된 펌프의 형식, 펌프의 사양, 시방점 개선 결정을 위한 필수적인 자료로 활용될 것이다.

이와 같이 본 발명은 빗물펌프장 운전 상황을 통합모니터링시스템 즉, 홍수발생시 중앙통제소에서 신속하고 효율적으로 방재 대책을 강구할 수 있도록 하는 모니터링기능과, 빗물펌프장의 배수펌프가 안전운전 영역에서 운전할 수 있게 감시하여 근본적으로 설비고장의 원인을 감소시킬 수 있는 감시기능, 그리고 진동분석을 통하여 고장 징후를 사전에 정확히 분석할 수 있는 진단기능에 의거하여 빗물 펌프장의 설비고장에 의한 주변지역 침수피해를 방지할 수 있게 된다.

그리고 불필요한 정비(Overhaul)을 감소시켜 이에 따른 과다한 비용지출 및 정상적인 기계요소 부품을 낭비하지 않는 가시적인 경제적인 효과는 물론 효율적으로 빗물펌프장 설비관리를 가능하게 하여 안정적인 빗물펌프장 운영이 가능하다는 이점이 있다.

또한, 빗물펌프장 운전시 고려되어야 하는 내수위, 외수위, 양정, 토출유량, 수중펌프의 진동, 온도, 압력, 부하상태 등의 정보를 각종 센서와 신호분석기, 분석 프로그램을 이용하여 통합모니터링 할 수 있는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 빗물펌프장의 핵심설비인 배수펌프의 고장예측과 분석을 가능케 하는 펌프상태감시(Protective Monitoring) 기능뿐 아니라, 빗물펌프장 운전과 관련된 중요한 정보 데이터를 취득하고, 상기 데이터를 통해 펌프의 고장원인분석, 고장시기의 예측과 그 대처방안, 계획수리의 실현, 향후 대책수립 및 정책 입안을 위한 자료로 활용할 수 있어 빗물펌프장 운영 효율을 크게 높이는데 기여하게 되는 등의 작용 효과를 갖는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 빗물펌프 설비에서 발생하는 다양한 신호를 감지하는 신호취득장치(10)와, 상기 신호취득장치(10)에서 취득된 신호를 필터링하고 증폭시키는 신호변환장치(20)와, 상기 신호변환장치(20)에서 취득된 데이터를 분석이 가능하도록 계산하는 신호처리장치(30)와, 처리된 데이터를 적재적소에 배분하는 자료전송장치(40)와, 처리된 데이터를 지정된 조건으로 저장하는 자료저장장치(50)와, 상기 자료저장장치(50)에 저장된 데이터를 분석하는 데이터 분석 프로그램(60)으로 구성되는 빗물펌프장용 온라인 감시시스템에 있어서,

   상기 신호취득장치(10)는 베어링의 온도와 모터의 권선온도를 측정하기 위한 온도센서와, 펌프의 기계적 결함 및 수력학적 결함 등의 분석을 위해 진동 신호를 취득하는 진동센서와, 펌프의 운전조건과 안정성분석 그리고 양정과 토출량 등의 분석 및 측정을 위한 수위센서 및 압력센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 빗물펌프장용 온라인 감시시스템.

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