KR101086313B1 - 진동스크린의 성능이상 진단장치 및 진단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가속도 신호를 일련의 처리과정을 거쳐 진동특성값으로 변환하여 이를 기준치와 비교함으로써 진동스크린 작동상태의 이상유무를 판단할 수 있는 진동스크린의 성능이상 진단장치 및 진단방법를 제공함을 목적으로 한다.

이를 위하여 본 발명은, 3축 가속도 센서를 진동스크린의 4 모서리에 부착하여 수직 및 전후방향의 가속도 신호를 검출하는 단계, 이를 적분 처리과정을 거쳐 속도와 변위 파형으로 변환하는 단계, 변환된 변위 파형으로 진동특성에 필요한 각종 파라미터를 계산하는 단계, 계산된 파라미터를 이미 설정된 기준값과 비교하여 진동스크린의 이상유무를 판단하는 단계로 이루어진 진단방법과 이를 적용하는 진단장치를 제공한다.

이때 진단장치는 휴대용 컴퓨터를 이용하여 장소간 이동이 용이할 수 있도록 구성될 수 있다.

진동스크린, 가속도 신호, 하이패스 필터링, RMS, APS, 위상스펙트럼

Description

진동스크린의 성능이상 진단장치 및 진단방법{Diagnosis Device for Performance Abnormality of Vibrating Screen and the Method}

도 1은 일반적인 진동스크린의 구조를 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 가속도 센서가 진동스크린에 설치되는 위치를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가속도 센서와 이의 하우징의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4는 진동스크린의 작동에 따른 가속도 신호로부터의 가속도 파형과 이의 일반적인 수치적분에 의해 얻을 수 있는 속도파형과 변위파형을 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4에서와 같은 적분오차를 최소화하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 가속도 신호의 처리과정을 단계화하여 나타낸 흐름도이다.

도 6은 도 5의 과정에 따라 얻어지는 속도 및 변위신호 파형을 나타낸다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 진동스크린의 성능이상 진단방법을 단계화하여 나타낸 흐름도이다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 진동스크린 성능진단 장치를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 진동스크린 몸체 2: 지지스프링

3: 구동모터 4: 타이밍 벨트

5: 센서하우징 6: 불평형 질량

7: 가속도 센서 8: 영구자석

9: 케이블 커넥터 10: 케이블

본 발명은 진동스크린(Vibrating Screen)의 성능 진단장치 및 진단방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자석이 부착된 가속도 센서를 진동스크린의 4 모서리 부근에 설치하여 각각의 가속도 센서로부터 가속도 신호를 검출하고, 검출된 3축방향 가속도 신호를 일련의 처리과정을 거쳐 진동특성값으로 변환함으로써 진동스크린 장비의 이상유무를 판단할 수 있는 진동스크린의 성능이상 진단장치 및 진단방법에 관한 것이다.

일반적으로 진동스크린은 분쇄기로부터 나오는 원료를 크기별로 분류하기 위하여 석재의 생산현장은 물론 각종 산업시설에서 널리 사용되고 있는 장비로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 진동가진력은 헤드에 장착되어 있는 불평형 질량(Unbalance Weight)이 회전하면서 발생하는 원심력에 의해 생겨나며 헤드는 풀리시스템에 의해 모터로 구동된다. 진동스크린은 기초 위에 설치되는 지지스프링과 브라켓에 의해 고정되며, 헤드의 회전에 따라 진동스크린 몸체가 진동하면서 원료의 선별작업을 수행하게 된다.

이러한 진동스크린의 성능에 이상이 있는 경우에는 스크린의 열화로 인한 원료광의 품질저하, 입도불량의 문제가 발생하거나 분진 및 원료광 등의 비산에 의한 환경문제가 야기될 수 있다. 나아가 상하좌우로의 진동과대 혹은 불균형 등으로 인하여 설비의 노후화를 촉진시키는 원인이 되기도 한다.

진동스크린의 성능을 판단하기 위해서는 기초적으로 시간에 따른 장비의 변위특성이 알려져야 하나, 현장의 열악한 환경과 진동스크린의 특성상 적절한 변위센서를 선택하기가 쉽지 않았다. 더구나 이러한 진동스크린 장비의 이상 유무를 판단하기 위하여 필요한 진동특성 방법이나 장치 혹은 기술적 근거가 제시되고 있지 못하고 있는 것이 현재의 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 진동스크린의 특성에 적합한 측정센서를 제공하고, 이를 통하여 진동스크린의 진동특성진단에 필요한 각종 파라미터를 계산하여 진동스크린의 이상유무를 판단할 수 있는 진동스크린의 성능이상 진단장치 및 진단방법를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 진동스크린의 진동에 따른 피딩방향, 측방향, 수직방향으로의 가속도 신호를 동시에 샘플링할 수 있도록 상기 진동스크린의 소정위치에 각각 장착되며, 상기한 3축 방향으로의 가속도를 감지하는 3축 가속도 센서와 이 가속도 센서가 수용되며 일측면에 자석이 부착된 센서 하우징을 구비하는 복수의 감지수단; 상기 감지수단들로부터 각각 샘플링되는 상기 가속도 신호를 전송하는 전송부; 전송되는 상기 가속도 데이터를 적분처리하여 각각의 속도 데이터와 변위 데이터로 변환하고, 상기 변위 데이터를 이용하여 상기한 감지수단들이 장착된 위치별로 변위 P-P(Peak to Peak)를 구하고, 상기 감지수단들이 장착된 위치별로 상기 가속도 수직성분의 기본주파수를 구하고, 상기 감지수단이 장착된 위치별로 상기 기본주파수들에 해당하는 가속도 수직성분의 위상값을 산출한 후 이 위상값들 간의 위상차(Phase Difference)를 계산하고, 상기 변위 P-P, 기본주파수, 위상차의 값을 다음식(수식1~3)인 미리 설정된 진단기준에 따라 진단기준값과 비교하여 그 결과를 산출하는 제어부; 상기한 진단기준값, 진단결과 등의 데이터가 저장되는 저장부; 상기 진단결과를 출력하는 출력부; 상기 진단기준값 등을 입력하기 위한 입력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(수식1)

(수식2)

(수식3)

또한, 본 발명은 진동스크린에 장착된 복수의 감지수단으로부터 진동스크린의 진동에 따른 피딩방향, 측방향, 수직방향으로의 가속도 신호를 동시에 샘플링하는 단계; 샘플링된 상기 가속도 데이터를 적분처리하여 각각의 속도신호 데이터와 변위 데이터로 변환하는 단계; 상기 변위 데이터를 이용하여 상기한 감지수단들이 장착된 위치별로 변위 P-P(Peak to Peak)를 구하는 단계; 상기 가속도 수직성분에 대한 APS(Auto Power Spectrum) 분석을 통하여, 상기 감지수단들이 장착된 위치별로 상기 가속도 수직성분의 기본주파수를 구하는 단계; 상기 가속도 데이터의 위상 스펙트럼(Phase Spectrum) 분석을 통하여, 상기 감지수단이 장착된 위치별로 상기 기본주파수들에 해당하는 가속도 수직성분의 위상값을 산출한 후 이 위상값들 간의 위상차(Phase Difference)를 계산하는 단계; 상기 변위 P-P, 기본주파수, 위상차의 값을 다음식(수식1~3)인 미리 설정된 진단기준에 따라 진단기준값과 비교하여 그 결과를 산출하는 단계; 상기 진단기준에 따라 산출된 진단결과를 출력하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
(수식1)

(수식2)

(수식3)

여기서, 상기 가속도 데이터를 상기한 속도 데이터와 변위 데이터로 변환하기 위하여 상기 가속도 데이터를 적분처리하는 단계는, 상기 가속도 데이터에서 DC성분을 제거하기 위하여 상기 가속도 데이터의 평균값을 계산하는 1차 평균처리과정; 평균처리된 상기 가속도 데이터를 적분하여 속도 데이터가 산출되는 1차 적분과정; 상기 1차 적분과정에 의해 산출되는 상기 속도 데이터를 시간축에 대해 선형회귀분석을 실시하여 시간축에 대하여 속도 데이터의 중심이 영(Zero)에 오도록 처리하는 1차 선형회귀 처리과정; 상기 1차 선형회귀 처리를 거친 속도 데이터에 포함되어 있는 저주파성분의 외란을 제거하기 위해 하이패스 필터링 하는 1차 하이패스 필터링과정; 상기한 과정을 거친 상기 속도 데이터의 평균값을 계산하는 2차 평균처리과정; 평균처리된 상기 속도 데이터를 적분하여 변위 데이터가 산출되는 2차 적분과정; 상기한 2차 적분과정에 의해 산출되는 상기 변위 데이터를 시간축에 대해 선형회귀분석을 실시하여 시간축에 대하여 상기 변위 데이터의 중심이 영(Zero)에 오도록 처리하는 2차 선형회귀 처리과정; 상기 1차 선형회귀 처리를 거친 속도 데이터를 하이패스 필터링 하는 2차 하이패스 필터링과정;을 포함하는 것이 바람직하다.

삭제

삭제

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진동스크린 성능이상 진단장치 및 진단방법에 대하여 살펴본다. 별도의 구분이 없는 한, 동일한 명칭은 동일 또는 그에 상당하는 부재를 지칭하며 또한 동일부재에 대해서는 동일한 도면번호를 사용한다.

도 2는 가속도 센서가 설치되는 위치를 나타내기 위한 진동스크린의 개략도로서, 진동스크린은 몸체(1)의 네 꼭지점 부근에 결합된 지지스프링(2)에 의해 지지되며, 센서(7)는 스프링과 몸체가 연결된 부분에 설치된다. 미설명 부호 6과 4는 각각 진동스크린의 진동을 야기시키는 불평형 질량체과 타이임 벨트를 나타내며, 원료는 도면상 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 피딩(Feeding)된다.

센서는 진동스크린의 진동특성을 파악하기 위하여 3수직 축의 저주파(혹은 정적) 가속도를 측정할 수 있는 가속도 센서(7)가 사용된다. 진동스크린은 수직 및 전진방향으로 같은 크기의 진폭을 가진 회전운동을 하기 때문에 이들 방향에 대하여 동시에 변위를 측정하여야 올바른 진동특성을 파악할 수 있기 때문이다. 일반적으로 진동스크린의 회전주파수는 수십 Hz이므로 이 영역의 주파수 응답특성을 가진 가속도 센서를 사용하면 적당하며, 바람직하게는 가속도 범위 ±10g, 주파수 응답 0∼180Hz, 감도 200mV/g의 사양을 가지는 초저주파용 가속도 센서를 사용한다.

도 3은 현장에서 가속도 센서(7)를 용이하게 설치할 수 있도록 하기 위해 바닥면에 영구자석을 부착한 가속도 센서하우징을 도시하였다. 즉, 가속도 센서(7)을 금속재질의 케이스(5)에 고정시키고 케이스 안쪽의 바닥면에는 영구자석(8)을 부착하여 센서의 착탈이 용이하며, 진동 중인 스크린 몸체에 미끄러짐 없이 고정될 수 있다. 부호 9는 케이블 커넥터를 나타낸 것으로서, 가속도 센서(7)에서 검출되는 가속도 신호를 케이블(10)을 통하여 도시되지 않은 제어부로 송신한다. 이러한 가속도 신호의 송신을 위하여 무선송신기를 사용할 수 있다.

진동스크린 몸체의 4 모서리 부근에 설치된 가속도 센서는 스크린의 3방향 가속도, 즉 진동스크린의 진동에 따른 측면방향(좌우방향), 피딩방향(전후방향), 수직방향(상하방향)의 가속도 신호를 동시에 측정한다. 이들 각각을 X, Y, Z축으로 방향으로 표시하도록 한다.

도 4는 이와 같은 가속도 센서에 의해 측정된 가속도 신호파형(a)과, 이를 일반적인 수치적분함으로써 얻어지는 속도파형(b), 변위파형(c)을 나타낸 것이다.

이에 도시된 바와 같이, 속도파형(b), 특히 이를 2중 적분한 변위파형(c)은 가속도 신호(가속도 데이터)를 적분할 때 가속도 신호의 초기 특성이나 오프셋, 노이즈나 드리프트 신호에 적분오차가 발생하는 등의 문제로 인하여 저주파형의 신호왜곡이 발생한다.

도 5는 이러한 적분과정에서의 오차를 최소화하기 위한 처리과정을 나타낸 도면으로서, 가속도 신호의 평균값을 계산하여 가속도 데이터의 DC성분을 제거하는 1차 평균처리과정, 평균처리된 가속도 신호 데이터를 적분하는 1차 적분과정, 적분된 파형이 시간축에 대하여 지속적으로 증가하거나 감소의 형태로 나타나게 되는 누적적분 오차를 제거하기 위하여 적분된 속도 데이터를 시간축에 대해 선형회귀분석을 실시하여 시간축에 대하여 속도 데이터의 중심이 영(Zero)에 오도록 처리하는 1차 선형회귀 처리과정, 이러한 과정을 거친 파형에 포함되어 있는 저주파성분의 외란을 제거하기 위하여 로우 컷(진동스크린 구동 주파수의 1/5 이하) 처리를 하는 하이패스 필터링 과정을 거쳐 속도파형을 얻어낸다.

그리고 가속도에서 속도를 추출하는 과정과 동일한 과정을 통하여 속도에서 변위파형을 추출할 수 있으며, 이러한 과정을 거친 속도파형과 변위파형이 도 6에 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 속도파형과 변위파형은 가속도 신호파형과 유사하게 일정한 폭을 갖는 오실레이션 파형이 된다.

도 7은 진동스크린의 성능진단 방법을 단계화하여 나타낸 흐름도로서, 먼저 진동스크린에 설치된 3축 가속도 센서로부터 수집되는 가속도 신호를 도 5에서와 같은 적분 알고리즘을 통해 속도와 변위파형을 추출한다. 다음으로 가속도, 속도, 변위에 대하여 각각의 항목별로 P-P(Peak to Peak)와 RMS값을 계산하고, 가속도 신호(수직성분)를 APS(Auto Power Spectrum) 분석을 행하여 가속도(수직성분)의 기본주파수를 구한다. 이때 기본주파수는 모터의 운전속도에 대응하는 값이다. 그리고 각 가속도 신호의 위상 스펙트럼(Phase Spectrum) 결과에서 앞서 구한 기본주파수에 해당하는 위상 값을 구한 다음에, 센서가 설치된 진동스크린의 각 위치별 가속도(수직성분)의 위상차(Phase Difference)를 계산한다. 실제 구동 중에 위상차가 과대하게 발생하는 경우에는 스크린의 성능이 저하되거나 광석이 국부적으로 모이는 현상이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.

이렇게 측정 및 계산되는 파라미터들을 이용하여, 다음과 같은 (1)∼(3)의 진단기준에 따라 진동스크린의 성능을 평가할 수 있으며, 진동스크린의 진동 특성값이 이러한 기준조건을 벗어나지 않도록 관리할 수 있다.

(1)

(2)

(3)

(1)∼(3) 각각은 가속도 센서가 부착된 각 지점별 최대진폭, 수직성분의 기본주파수와 위상차가 기준값으로부터 벗어난 정도를 나타내기 위한 조건식으로서, 적용되는 기준값은 작업내용 및 조건과 필요에 따라 조정될 수 있다.

도 3과 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 센서 하우징(5)의 내부 바닥면에는 영구자석(8)이 부착되어 있어 가속도 센서(7)는 안정적으로 진동스크린에 고정된 상태에서 진동스크린의 가속도 신호를 감지할 수 있다. 이렇게 감지된 가속도 신호는 케이블 커넥터(9)와 이에 연결된 케이블(10)과 연결단자(11)를 통해 노트북 컴퓨터(12)에 전송되며, 컴퓨터에서는 A/D 변환기를 사용하여 아날로그 형태의 진동신호를 컴퓨터에서 취급가능한 디지털 신호로 바꾼 다음 상술한 바와 같은 처리과정을 통하여 진동스크린의 이상유무를 판단하게 된다. 이때 A/D 변환기에서 수집되는 데이터의 간격(샘플링 속도)은 진동스크린의 회전주파수의 수십배로 설정하는 것이 바람직하며, 각 데이터와 진단결과는 하드디스크에 저장된다. 복수의 위치에 센서를 부착하여 가속도 신호를 샘플링하므로 각각의 센서에 대응하는 케이블은 연결단자를 통해 취합되도록 하며, 이때 연결단자는 동시에 신호처리가 가능하여야 한다.

또한 데이터의 수집은 무선 모뎀을 통한 데이터 송수신이 가능한 일반화된 노트북을 사용하여 센서와 무선으로 데이터를 송수신하도록 할 수 있으며, 앞서의 진단기준에 따른 결과는 진동스크린의 진단보고서로 자동 출력된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 진단장치 및 진단방법에 의하면, 3축 가속도 센서로부터 동시검출되는 가속도 신호를 통하여 진동특성 진단에 필요한 각종 파라미터를 계산할 수 있으며, 이를 이미 설정된 기준치와 비교하여 진동스크린의 이상 유무를 판단할 수 있으며, 나아가 이와 같은 기준조건으로부터 벗어나지 않도록 관리할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 진동스크린의 진동에 따른 피딩방향, 측방향, 수직방향으로의 가속도 신호를 동시에 샘플링할 수 있도록 상기 진동스크린의 소정위치에 각각 장착되며, 상기한 3축 방향으로의 가속도를 감지하는 3축 가속도 센서와 이 가속도 센서가 수용되며 일측면에 자석이 부착된 센서 하우징을 구비하는 복수의 감지수단;

   상기 감지수단들로부터 각각 샘플링되는 상기 가속도 신호를 전송하는 전송부;

   전송되는 상기 가속도 데이터를 적분처리하여 각각의 속도 데이터와 변위 데이터로 변환하고, 상기 변위 데이터를 이용하여 상기한 감지수단들이 장착된 위치별로 변위 P-P(Peak to Peak)를 구하고, 상기 감지수단들이 장착된 위치별로 상기 가속도 수직성분의 기본주파수를 구하고, 상기 감지수단이 장착된 위치별로 상기 기본주파수들에 해당하는 가속도 수직성분의 위상값을 산출한 후 이 위상값들 간의 위상차(Phase Difference)를 계산하고, 상기 변위 P-P, 기본주파수, 위상차의 값을 다음식(수식1~3)인 미리 설정된 진단기준에 따라 진단기준값과 비교하여 그 결과를 산출하는 제어부;

   상기한 진단기준값, 진단결과 등의 데이터가 저장되는 저장부;

   상기 진단결과를 출력하는 출력부;

   상기 진단기준값 등을 입력하기 위한 입력부;를 포함하는 진동스크린의 성능이상 진단장치.

   (수식1)

   

   (수식2)

   

   (수식3)

   
2. 진동스크린에 장착된 복수의 감지수단으로부터 진동스크린의 진동에 따른 피딩방향, 측방향, 수직방향으로의 가속도 신호를 동시에 샘플링하는 단계;

   샘플링된 상기 가속도 데이터를 적분처리하여 각각의 속도신호 데이터와 변위 데이터로 변환하는 단계;

   상기 변위 데이터를 이용하여 상기한 감지수단들이 장착된 위치별로 변위 P-P(Peak to Peak)를 구하는 단계;

   상기 가속도 수직성분에 대한 APS(Auto Power Spectrum) 분석을 통하여, 상기 감지수단들이 장착된 위치별로 상기 가속도 수직성분의 기본주파수를 구하는 단계;

   상기 가속도 데이터의 위상 스펙트럼(Phase Spectrum) 분석을 통하여, 상기 감지수단이 장착된 위치별로 상기 기본주파수들에 해당하는 가속도 수직성분의 위상값을 산출한 후 이 위상값들 간의 위상차(Phase Difference)를 계산하는 단계;

   상기 변위 P-P, 기본주파수, 위상차의 값을 다음식(수식1~3)인 미리 설정된 진단기준에 따라 진단기준값과 비교하여 그 결과를 산출하는 단계;

   상기 진단기준에 따라 산출된 진단결과를 출력하는 단계;로 이루어진 진동스크린의 성능이상 진단방법.

   (수식1)

   

   (수식2)

   

   (수식3)

   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 가속도 데이터를 상기한 속도 데이터와 변위 데이터로 변환하기 위하여 상기 가속도 데이터를 적분처리하는 단계는,

   (a1) 상기 가속도 데이터에서 DC성분을 제거하기 위하여 상기 가속도 데이터의 평균값을 계산하는 1차 평균처리과정;

   (a2) 평균처리된 상기 가속도 데이터를 적분하여 속도 데이터가 산출되는 1차 적분과정;

   (a3) 상기 1차 적분과정에 의해 산출되는 상기 속도 데이터를 시간축에 대해 선형회귀분석을 실시하여 시간축에 대하여 속도 데이터의 중심이 영(Zero)에 오도록 처리하는 1차 선형회귀 처리과정;

   (a4) 상기 1차 선형회귀 처리를 거친 속도 데이터에 포함되어 있는 저주파성분의 외란을 제거하기 위해 하이패스 필터링 하는 1차 하이패스 필터링과정;

   (b1) 상기한 (a1) 내지 (a4)의 과정을 거친 상기 속도 데이터의 평균값을 계산하는 2차 평균처리과정;

   (b2) 평균처리된 상기 속도 데이터를 적분하여 변위 데이터가 산출되는 2차 적분과정;

   (b3) 상기한 2차 적분과정에 의해 산출되는 상기 변위 데이터를 시간축에 대해 선형회귀분석을 실시하여 시간축에 대하여 상기 변위 데이터의 중심이 영(Zero)에 오도록 처리하는 2차 선형회귀 처리과정;

   (b4) 상기 1차 선형회귀 처리를 거친 속도 데이터를 하이패스 필터링 하는 2차 하이패스 필터링과정;을 포함하는 진동스크린 성능이상 진단방법.

Images