KR101399488B1 - 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원전 기기인 저널 베어링의 결함을 온라인으로 실시간 진단할 수 있는 시스템에 관한 것으로, 특히 자체적으로 진단 알고리즘을 탑재하고 DSP 기반 고속 신호 처리가 가능한 스마트센서를 이용함으로써, 이상 상태 조기 감지와 결함 원인 진단을 수행할 수 있고, 스마트센서를 각각의 저널 베어링에 분산 배치하여 연산 처리에 필요한 부하를 획기적으로 감소시키고, 상위레벨 진단에 필요한 신호 또는 진단 결과만을 상위레벨 스마트센서 또는 진단 서버에 전송시켜 과도한 통신 부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템에 관한 것이다.
본 발명인 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템을 이루는 구성수단은 원전 기기인 복수개의 저널 베어링 각각에 설치되는 센서 세트, 상기 저널 베어링에 일대일로 대응되어, 상기 센서 세트를 구성하는 복수개의 측정 센서로부터 입력되는 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행하는 1차 진단용 스마트 센서, 상기 1차 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 상기 복수개의 저널 베어링과 이 저널 베어링에 설치되는 센서 세트에 대한 결함 진단을 종합적으로 진단하는 2차 진단용 스마트 센서, 상기 2차 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 원전 기기인 복수개의 저널 베어링 및 이들에 설치되는 센서세트에 대한 상태를 종합적으로 모니터링을 수행하는 진단 서버를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템{SYSTEM FOR DIAGNOSING DEFECT OF JOURNAL BEARING}
본 발명은 원전 기기인 저널 베어링의 결함을 온라인으로 실시간 진단할 수 있는 시스템에 관한 것으로, 특히 자체적으로 진단 알고리즘을 탑재하고 DSP 기반 고속 신호 처리가 가능한 스마트센서를 이용함으로써, 이상 상태 조기 감지와 결함 원인 진단을 수행할 수 있고, 스마트센서를 각각의 저널 베어링에 분산 배치하여 연산 처리에 필요한 부하를 획기적으로 감소시키고, 상위레벨 진단에 필요한 신호 또는 진단 결과만을 상위레벨 스마트센서 또는 진단 서버에 전송시켜 과도한 통신 부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템에 관한 것이다.
터빈-발전기를 구성하는 여러 개의 축들은 다양한 운전 환경에 따라서 각종 부하들을 받고 있으며, 각각의 축(shaft)들은 도 1에 도시된 바와 같이 양단에서 저널 베어링(Journal bearing, #1BRG ~ #8BRG)에 의해서 지지되고 있다.
그러므로 저널베어링은 항상 부하 조건에 노출되어 있기 때문에 터빈 주요 기기들 중의 손상 발생 빈도수가 매우 높은 기기로 알려져 있다. 기존에 저널 베어링에 대한 감시 기술들이 다양하게 제시되었고, 현장에 장비를 설치하여 운용 중에 있으나 단순히 감시 기술만을 수행하고 있다.
즉, 사용자가 지정한 설정치를 초과한 경우에 경보 및 트립 동작만을 수행하고, 이상 상태에 대한 원인 진단 결과 제공 및 조기 결함 감지 기능 등은 없다. 그러므로 이상 발생에 따른 경보 또는 트립 동작 시 현장에서 분해 점검을 수행하거나 전문가에게 신호 분석을 의뢰하여 원인을 진단하고 있는 실정이다.
이러한 활동들은 담당자가 신속한 조치 및 정비 계획을 수립하기가 어려울 뿐만 아니라 상당 기간 동안 터빈을 정지해야 하기 때문에 운전 정지 및 정비 활동 등에 의해 경제적 손실이 매우 크다는 문제점을 안고 있다.
기존 베어링에 대한 진단 시스템에 관련된 선행기술 정보는 대한민국 공개특허공보 10-2010-0113592호(베어링의 진단 시스템)이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 자체적으로 진단 알고리즘을 탑재하고 DSP 기반 고속 신호 처리가 가능한 스마트센서를 이용함으로써, 이상 상태 조기 감지와 결함 원인 진단을 수행할 수 있고, 스마트센서를 각각의 저널 베어링에 분산 배치하여 연산 처리에 필요한 부하를 획기적으로 감소시키고, 상위레벨 진단에 필요한 신호 또는 진단 결과만을 상위레벨 스마트센서 또는 진단 서버에 전송시켜 과도한 통신 부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템을 이루는 구성수단은 원전 기기인 복수개의 저널 베어링 각각에 설치되는 센서 세트, 상기 저널 베어링에 일대일로 대응되어, 상기 센서 세트를 구성하는 복수개의 측정 센서로부터 입력되는 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행하는 1차 진단용 스마트 센서, 상기 1차 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 상기 복수개의 저널 베어링과 이 저널 베어링에 설치되는 센서 세트에 대한 결함 진단을 종합적으로 진단하는 2차 진단용 스마트 센서, 상기 2차 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 원전 기기인 복수개의 저널 베어링 및 이들에 설치되는 센서세트에 대한 상태를 종합적으로 모니터링을 수행하는 진단 서버를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 센서 세트는 복수개의 변위 센서와 복수개의 온도 센서로 구성되고, 상기 복수개의 변위 센서는 저널 베어링의 축 변위를 측정하도록 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서는 터빈측 저널 베어링 금속 온도, 발전기측 저널 베어링 금속 온도 및 배출 윤활 온도를 측정하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 1차 진단용 스마트 센서는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행한 결과, 정상 상태로 진단된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단 결과만을 상기 2차 진단용 스마트 센서에 전송하고, 이상 상태가 발생한 것으로 진단된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단결과와 센서 신호들을 동시에 상기 2차 진단용 스마트 센서에 전송하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단은 상기 센서 신호와 사전에 정해진 기준 신호를 비교하고, 상기 기준 신호와 상기 센서 신호 사이의 오차량이 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어나는지 여부에 따라 진단되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 2차 진단용 스마트 센서는 상기 1차 진단용 스마트 센서로부터 정상 상태 진단 결과를 전송받은 경우에는 별도의 진단을 수행하지 않고, 이상 상태 진단 결과를 전송받은 경우에만 2차 진단을 수행하되, 상기 이상 상태가 센서 불량에 의한 것인지 또는 저널 베어링 결함에 의한 것인지를 종합적으로 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제 및 해결 수단을 가지는 본 발명인 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템에 의하면, 자체적으로 진단 알고리즘을 탑재하고 DSP 기반 고속 신호 처리가 가능한 스마트센서를 이용함으로써, 이상 상태 조기 감지와 결함 원인 진단을 수행할 수 있고, 스마트센서를 각각의 저널 베어링에 분산 배치하여 연산 처리에 필요한 부하를 획기적으로 감소시키고, 상위레벨 진단에 필요한 신호 또는 진단 결과만을 상위레벨 스마트센서 또는 진단 서버에 전송시켜 과도한 통신 부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 원전 기기에 해당하는 저널 베어링의 배치 형태를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템의 전체 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템의 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 센서 센트를 구성하는 측정용 센서의 배치 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결수단 및 효과를 가지는 본 발명인 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템의 전체 구성도이고, 도 3은 구체적인 구성 블록도이며, 도 4는 본 발명에 적용되는 센서 세트들이 저널 베어링에 설치되는 일예를 보여준다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템은 각각의 저널 베어링(1)에 설치되는 센서 세트(10), 각 센서 세트(10)에 일대일로 연결되는 1차 진단용 스마트 센서들(20), 복수의 1차 진단용 스마트 센서(20)들과 연결되는 2차 진단용 스마트 센서(30) 및 2차 진단용 스마트 센서(30)와 연결되어 복수의 저널 베어링(1)들을 종합적으로 원격 모니터링을 수행하는 진단 서버(40)를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템은 복수의 저널 베어링에 대하여 종합적인 모니터링을 수행하는데, 이를 위하여 각각의 저널 베어링에 대한 센서 신호들의 결함을 진단하는 1차 진단용 스마트 센서(20)와 1차 진단용 스마트 센서(20)에서 진단한 각각의 저널 베어링에 대한 진단을 전체적으로 진단하여 결함 원인을 분석하는 2차 진단용 스마트 센서(30)들로 구성된다.
상기 센서 세트(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 원전 기기인 복수개의 저널 베어링 각각에 설치된다. 상기 각 센서 세트(10)들을 복수개의 측정 센서들로 구성된다. 즉, 상기 센서 세트(10)를 구성하는 복수개의 측정 센서들은 1차 진단용 스마트 센서(20) 및 2차 진단용 스마트 센서(30)가 상기 저널 베어링의 결함을 진단하기 위한 센서 신호들을 센싱하여 1차 진단용 스마트 센서(20)로 전송한다.
상기 센서 세트(10)는 복수개의 변위 센서와 복수개의 온도 센서로 구성되어 각각의 저널 베어링 상태 감시에 필요한 물리적인 양을 측정한다. 구체적으로, 상기 복수개의 변위 센서는 저널 베어링의 축 변위를 측정하도록 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서는 터빈측 저널 베어링 금속 온도, 발전기측 저널 베어링 금속 온도 및 배출 윤활 온도를 측정하도록 배치된다.
도 4는 상기 복수개의 변위 센서(DT1_1 및 DT1_2)와 복수개의 온도 센서(TC1_1 ~ TC1_3)를 저널 베어링에 배치한 상태를 보여준다. 구체적으로, 상기 변위 센서는 상기 저널 베어링 축에 2개가 배치되되, 서로 다른 위치에 배치되어 상기 저널 베어링의 축 변위를 측정한다.
그리고, 상기 복수개의 온도 센서는 터빈측 저널 베어링 금속 온도(TC1_1), 발전기측 저널 베어링 금속 온도(TC1_2) 및 배출 윤활 온도(TC1_3)를 측정할 수 있는 위치에 배치된다. 한편, 이상과 같은 총 5개의 측정용 센서 이외에, 윤활 공급 압력을 측정하기 위한 압력센서와 윤활 공급 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 추가적으로 더 배치할 수 있다.
상기와 같은 복수개의 측정용 센서로 구성되는 센서 세트(10)는 각각의 저널 베어링에 설치되고, 각 저널 베어링(1)에 설치되는 센서 세트(10)를 이루는 측정용 센서는 동일하다.
상기 센서 세트(10)에서 측정된 센서 신호들은 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)에 전송된다. 따라서, 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)는 상기 저널 베어링(1)에 각각 일대일로 대응되어 있다.
상기 1차 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 세트(10)를 구성하는 복수개의 측정 센서로부터 입력되는 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가를 수행한다. 즉, 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 세트(10)를 구성하는 측정 센서들로부터 입력되는 센서 신호들에 대한 건전성 평가를 수행하고, 그 진단 결과를 상위 레벨인 2차 진단용 스마트 센서(30)에 전송한다.
상기 1차 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 세트(10)에서 입력되는 센서 신호들을 이용하여 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행하기 위하여 DSP에 기반하여 데이터를 처리하고, 소정의 센서 신호 신뢰성 진단 모델을 이용하여 센서 신호에 대한 신뢰성을 진단한다.
상기 1차 진단용 스마트 센서(20)에 관한 세부적인 구성 요소와, 이들 구성요소와 상기 센서 세트(10) 및 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)와의 관계를 첨부된 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기 1차 진단용 스마트 센서(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 신호 조정 모듈(21), MCU(Micro Controller Unit, 이하 "MCU"라 함) 모듈(23) 및 1차 데이터 통신 모듈(25)을 포함하여 구성되고, 디스플레이 모듈(미도시)을 더 포함하여 구성될 수도 있다. 그리고, 상기 MCU 모듈(23)은 AD 컨버터(23a)와 평가 진단부(23b)를 포함하여 구성된다.
상기 신호 조정 모듈(21)은 상기 센서 세트(10)를 구성하는 복수개의 측정 센서에서 측정된 아날로그 신호의 크기를 조정하여 출력한다. 후술하겠만, 상기 복수개의 측정 센서에서 측정된 아날로그 신호는 상기 MCU 모듈(23)의 구성요소인 AD 컨버터(23a)에서 디지털 신호로 변환된 후, 센서 신호 신뢰성 진단 모델을 이용하여 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행하는 평가 진단부(23b)로 입력된다.
상기 측정 센서에서 측정된 아날로그 신호의 크기 범위는 직접적으로 디지털 신호로 변환하는 것이 어렵기 때문에, 상기 신호 조정 모듈(21)을 통하여 1차적으로 크기가 조정된 후 상기 MCU 모듈(23)로 입력된다.
상기 신호 조정 모듈(21)에서 조정되어 출력되는 아날로그 신호는 상기 MCU 모듈(23)로 입력된다. 상기 MCU 모듈(23)은 상기 신호 조정 모듈(21)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 이 디지털 신호를 이용하여 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가를 수행한다.
상기 MCU 모듈(23)에서 진단 평가된 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단 결과 데이터는 상기 상위 레벨인 2차 진단용 스마트 센서(30)로 전송됨과 동시에 사용자가 1차 진단용 스마트 센서(20)에서 센서 신호들의 이상 유무 상태를 바로 확인할 수 있도록 상기 디스플레이 모듈에 전송된다.
상기 1차 진단용 스마트 센서(20) 각각은 대응되는 하나의 저널 베어링에 대한 센서 신호의 신뢰성을 진단할 수 있도록 구성된다. 즉, 본 발명에 따른 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템은 각각의 저널 베어링들에 대한 결함 진단을 분산 처리하는 방식을 채택하고 있다.
상기 신호 조정 모듈(21)은 상기 센서 세트(10)를 구성하는 측정 센서들로부터 입력되는 각각의 아날로그 신호의 크기를 감축하여 상기 MCU 모듈(23)로 출력한다. 상기 센서 세트(10)를 구성하는 측정 센서들은 -20V ~ +20V 신호를 출력하는데, 이들 출력 범위는 직접적으로 디지털 신호로 변환하기가 어렵다. 따라서, 상기 신호 조정 모듈(21)은 측정 센서들의 출력을 0V ~ +2V로 변환시킨 후, 상기 MCU 모듈(23)을 구성하는 AD 컨버터(23a)의 해당 포트로 전송한다.
상기 AD 컨버터(23a)는 상기 신호 조정 모듈(21)로부터 입력되는 변환된 아날로그 신호를 각각 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 즉, 상기 AD 컨버터(23a)는 상기 신호 조정 모듈(21)에서 출력되는 0V ~ +2V 범위의 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하여 평가 진단부(23b)로 출력한다.
상기 평가 진단부(23b)는 상기 AD 컨버터(23a)에서 출력되는 디지털 신호를 이용하여 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행하고, 그 결과를 상위 레벨인 2차 진단용 스마트 센서(30)로 전송한다.
상기 평가 진단부(23b)는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행하기 위하여 센서 신호 신뢰성 진단 모델을 이용한다. 상기 센서 신호 신뢰성 진단 모델은 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)의 메모리(미도시)에 저장되어 있는 프로그램을 의미한다.
상기 평가 진단부(23b)에 의하여 진단 평가된 상기 센서 신호에 대한 신뢰성 진단 데이터는 메모리(미도시)에 저장되고, 동시에 상위 레벨인 2차 진단용 스마트 센서(30)로 전송되며, 사용자가 실시간으로 이상 상태를 인지할 수 있도록, 상기 디스플레이 모듈(미도시)에 전송되어 디스플레이된다.
상기 평가 진단부(23b)에서 진단 평가된 결과는 상기 1차 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)로 전송된다. 상기 1차 데이터 통신 모듈(25)은 이더넷 통신 프로토콜 또는 CAN(Controller Area Network) 통신 프로토콜 또는 RS-232 통신 프로토콜을 이용하여 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)와 데이터 통신을 수행한다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)는 상술한 바와 같이, 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행한다. 물론 이와 같은 평가 진단은 상기 MCU 모듈(23)에 의하여 수행된다.
그런데, 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행하고, 그 진단 결과가 센서 신호에 이상이 없다고 판단된 경우에는 상기 센서 신호들을 이용하여 상기 상위 레벨인 2차 진단용 스마트 센서에서 다시 진단하는 것이 의미가 없기 때문에, 단순한 진단 결과만을 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)로 전송한다. 즉, 데이터 전송량을 최소화하기 위하여 센서신호들은 전송하지 않고, 단지 이상 없음에 해당하는 진단 결과만을 전송한다.
반대로, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단 결과, 이상 상태가 발생된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단결과와 해당 센서 신호들을 동시에 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)에 전송한다. 즉, 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)에서 이상 여부를 최종적으로 진단 평가하기 위하여, 이상이 발생했다는 정보와 함께 해당 센서 신호도 전송한다. 그러면, 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)는 상기 센서 신호들을 이용하여 이상 상태 발생이 측정용 센서에 의한 것인지 또는 저널 베어링의 결함에 의한 것인지를 진단한다.
정리하면, 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행한 결과, 정상 상태로 진단된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단 결과만을 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)에 전송하고, 이상 상태가 발생한 것으로 진단된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단 결과와 센서 신호들을 동시에 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)에 전송한다.
상술한 바와 같이, 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행하고, 그 진단 결과를 상위 레벨인 2차 진단용 스마트 센서로 전송한다.
구체적으로, 상기 센서 세트(10)에서 측정된 -20V ~ +20V 범위의 크기를 가지는 아날로그 센서 신호들은 상기 신호 조정 모듈(21)에서 -0V ~ +2V 범위의 크기로 감산된 후, MCU 모듈(23)의 AD 컨버터(23a)로 입력된다. 그러면, 상기 MCU 모듈(23)의 AD 컨버터(23a)는 상기 -0V ~ +2V 범위의 크기를 가지는 아날로그 센서 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 상기 MCU 모듈(23)의 평가 진단부(23b)로 출력한다.
그러면, 상기 평가 진단부(23b)는 상기 디지털 신호를 센서 신호 신뢰성 진단 모델에 적용하여 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행함으로써, 센서 신호의 이상 여부를 판정한다.
상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단은 상기 센서 신호와 사전에 정해진 기준 신호를 비교하고, 상기 기준 신호와 상기 센서 신호 사이의 오차량이 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어나는지 여부에 따라 진단된다. 상기 기준 신호는 과거 저널 시스템 전부하 운전 영역에서 정상 상태 운전 동안 수집된 데이터를 기반으로 센서 신호들 사이의 상관관계 정보를 이용하여 결정된다.
상기와 같이 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 결과, 상기 기준 신호와 상기 센서 신호 사이의 오차량이 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어난 경우에는 센서 신호에 이상이 있다고 진단하고, 그렇치 않은 경우에는 정상 상태에 있다고 진단한다.
상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단 결과, 센서 신호에 이상이 없다고 진단된 경우에, 상기 MCU 모듈(23)은 단지 정상 동작에 해당하는 정보만을 상기 1차 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상위 레벨의 2차 진단용 스마트 센서(30)로 전송한다.
반대로, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단 결과, 센서 신호에 이상이 있다고 진단된 경우에, 상기 MCU 모듈(23)은 이상이 발생하였다는 정보와 함께 이상이 발생한 해당 센서 신호들을 상기 1차 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상위 레벨의 2차 진단용 스마트 센서(30)로 전송한다.
상기 센서 신호의 이상 여부를 판단하기 위한 센서 신호 신뢰성 진단 모델은 비모수적 경험 모델(non-parametric empirical model)을 적용한다. 구체적으로, 상기 센서 신호 신뢰성 진단 모델은 과거 시스템 전부하 운전영역에서 정상 상태 운전 동안 수집된 저널 베어링에 관련된 데이터를 기반으로 센서 신호들 사이의 상관관계 정보를 이용하여 측정 신호에 대한 기준 신호를 제공해준다.
이와 같은 센서 신호 신뢰성 진단 모델을 적용한 센서 신호 이상 상태 진단은 사전에 결정된 기준 신호와 측정 신호 사이의 오차(residual)를 평가한 후 오차량이 설정 허용 범위(acceptance criteria)를 이탈하였는지 여부에 따라서 결정되도록 한다.
상기 센서 신호 신뢰성 진단 모델을 형성하기 위한 절차를 간략하게 설명하면 다음과 같다.
① 저널 베어링에 설치된 복수의 센서들에 의하여 측정된 센서 신호에 해당하는 감시 변수 5개에 대해서 과거 정상 운전 중 전부하 운전 영역에서 수집된 데이터를 이용하여 신호들 사이의 상관관계를 분석한 후 상관성이 90% 이상 높은 감시 변수들끼리 그룹핑(grouping) 시킨다.
② 상기 그룹핑된 감시 변수들에 대해서 전부하 운전 영역 전반에 걸쳐 신호 추정에 사용될 데이터들을 추출하여 모델 데이터로 설정한다.
③ 모델 최적화를 위해 시험 데이터와 추정함수를 이용하여 추정 신호를 생성시킨 후 시험 데이터와 비교하여 추정 오차(residual)를 평가한다.
④ 상기 ③항을 반복적으로 수행하여 추정 오차가 최소화되는 지점의 추정함수 파라미터를 구하여 최적화 작업을 종료한다.
⑤ 완성된 경험 모델로부터 실시간 측정되는 신호들에 대한 추정 신호를 만들고, 측정 신호와 추정 신호 사이의 추정 오차를 평가하여 오차량이 허용 범위 밖으로 이탈하였는지 여부를 통해서 이상 상태 발생 여부를 진단한다.
상기와 같이 형성되는 센서 신호 신뢰성 진단 모델을 적용하여 센서 신호의 이상 여부를 진단하는 상기 MUC 모듈(23)은 진단 결과를 상기 1차 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상기 상위 레벨에 해당하는 2차 진단용 스마트 센서(30)에 전송한다.
상기 2차 진단용 스마트 센서(30)는 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)들로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 상기 복수개의 저널 베어링(1)과 이 저널 베어링(1)에 설치되는 센서 세트(10)에 대한 결함 진단을 종합적으로 진단한다. 즉, 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)는 각각의 저널 베어링에 일대일로 대응되어 있는 복수개의 하위 레벨에 해당하는 1차 진단용 스마트 센서(20)들로부터 각 저널 베어링에 대한 진단 결과를 전송받아, 저널 베어링들에 대하여 전체적으로 진단 평가한다.
구체적으로, 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)들로부터 모두 정상 상태에 해당하는 진단 결과를 전송받은 경우에는, 특별한 2차 진단을 수행하지 않고, 전송받은 진단 결과만을 저장하거나, 상위 레벨에 해당하는 진단 서버(40)에 종합적인 진단 결과(정상 상태에 해당하는 결과 보고)를 전송한다.
그러나, 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)들로부터 비정상 상태에 해당하는 진단 결과를 전송받은 경우에는, 저널 베어링 전체에 대하여 종합적으로 분석하여 진단함으로써, 최종 진단 결과를 내리고, 이 결과를 상위 레벨에 해당하는 진단 서버(40)에 전송한다.
상기 2차 진단용 스마트 센서(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 2차 데이터 통신 모듈(31)과 상위 레벨 MCU 모듈(33)을 포함하여 구성된다.
상기 2차 데이터 통신 모듈(31)은 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)의 1차 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상기 1차 진단용 스마트 센서(20)와 데이터 통신을 수행하고, 상기 진단 서버(40)와 관계에서도 데이터 통신을 수행한다.
구체적으로, 상기 2차 데이터 통신 모듈(31)은 상기 1차 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 MCU 모듈(23)로부터 각 저널 베어링에 대한 진단 결과 데이터를 전송받고, 전송받은 진단 결과 데이터를 상기 상위 레벨 MCU 모듈(33)로 전송한다. 그러면, 상기 상위 레벨 MCU 모듈(33)은 각 저널 베어링에 대한 진단 결과 데이터를 이용하여 최종적인 진단을 수행하고, 종합적인 진단 결과를 상기 2차 데이터 통신 모듈(31)을 통하여 상기 진단 서버(40)로 전송한다.
상기 2차 진단용 스마트 센서(30)에 의한 2차 진단은 각 저널 베어링에 설치되는 센서 불량 및 각 저널 베어링의 손상 여부를 저널 베어링들 전체에 대해서 종합적으로 분석하여 진단하는 과정을 수행한다.
상기 2차 진단용 스마트 센서(30)는 상기 1차 진단용 스마트 센서로부터 정상 상태 진단 결과를 전송받은 경우에는 추가적인 진단을 할 필요가 없기 때문에 별도의 진단을 수행하지 않고, 이상 상태 진단 결과를 전송받은 경우에만 2차 진단을 수행한다.
상기 2차 진단용 스마트 센서(30)에 의한 2차 진단은 상기 센서 신호의 이상 상태가 측정용 센서 불량에 의한 것인지 또는 저널 베어링 결함에 의한 것인지를 종합적으로 진단함으로써, 이상 상태 발생 원인을 진단하고, 추가적으로 원인 해결을 수행한다.
상기 1차 진단용 스마트 센서(20)에 의한 1차 진단에서 센서 신호의 이상이 발생한 경우에 대한 신호 처리 프로세스를 살펴보면 다음과 같다. 도 2에 도시된 시스템에서 특정 저널 베어링에 대응되어 있는 특정 1차 진단용 스마트 센서로부터 이상 신호가 감지된 경우의 신호 처리 프로세스를 예시한다.
특정 진단용 스마트 센서에서 특정 센서 신호에 대한 이상 상태를 감지한 후, 상위 레벨의 2차 진단용 스마트 센서에 경보 신호를 전송한다. 그러면, 상기 2차 진단용 스마트 센서가 나머지 1차 진단용 스마트 센서들에게 각각 상기 특정 1차 진단용 스마트 센서의 특정 센서 신호와 동일 기능을 수행하는 센서 신호들을 호출한다.
상기 상위 레벨의 2차 진단용 스마트 센서는 상기 호출하여 전송받은 신호들을 비교하고, 또한 저장 수단(미도시)에 저장되어 있는 경험 모델 및 진단 알고리즘을 이용하여 센서 불량인지 아니면 저널 베어링 결함 문제인지 판별한다. 만약 센서 불량인 경우, 진단 서버(40)에 진단 결과를 전송하여 사용자에게 인지시킨다. 만약, 저널 베어링의 결함에 의한 것으로 진단된 경우, 상위 레벨의 2차 진단용 스마트 센서가 상기 특정 1차 진단용 스마트 센서에게 전체 감시 변수 측정데이터를 호출하고, 원인을 진단한다.
이와 같은 절차에 의하여, 센서 신호 이상 상태에 대한 2차 진단을 수행하는데, 상기 2차 진단용 스마트 센서가 상기 이상 상태 발생이 센서 불량에 의한 것인지를 판단하기 위해서는 다양한 경험 모델을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상술한 1차 진단용 스마트 센서의 MCU 모듈에서 사용한 센서 신호 신뢰성 진단 모델과 동일한 모델을 사용할 수도 있다. 그리고, 이 센서 신호 신뢰성 진단 모델을 적용한 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단 역시 상기 1차 진단용 스마트 센서에서도 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 상기 2차 진단용 스마트 센서는 상기 센서 신호의 이상 발생이 상기 저널 베어링의 결함에 의한 것인지를 진단하기 위해서는 다양한 진단 모델 및 알고리즘을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 특정 진단 모델 및 알고리즘에 한정하지 않고, 다양한 진단 모델 및 알고리즘을 적용할 수 있는 것으로 한다.
일 예시로써, 본 발명에 적용될 수 있는 저널 베어링에 대한 경험 모델 및 진단 프로세스 형성 절차를 설명하면 다음과 같다. 구체적으로, 본 발명에 적용될 수 있는 저널 베어링 결함 발생 진단 모델에서도 경험 모델이 적용될 수 있고, 이러한 저널 베어링 결함 발생 진단용 경험 모델 생성 절차는 다음과 같다.
1) 각각의 저널베어링에서 측정되는 신호들과 터빈 회전속도(Turbine speed), 윤활유공급온도(Lubricant temperature), 윤활유공급압력(Lubricant pressure)을 베어링별로 그룹핑을 수행한다.
2) 각각의 그룹들에 대해서 전부하 운전 영역 전반에 걸쳐 신호 추정에 사용될 데이터들을 추출하여 모델 데이터로 설정한다.
3) 모델 최적화를 위해 시험 데이터와 추정함수를 이용하여 추정 신호를 생성시킨 후 시험 데이터와 비교하여 추정 오차 평가를 수행한다.
4) 상기 3)항을 반복적으로 수행하여 추정 오차가 최소화되는 지점의 추정함수 파라미터를 구하여 최적화 작업을 완료한다.
5) 완성된 경험 모델로부터 실시간 측정되는 신호들에 대한 추정 신호를 만들고, 측정 신호와 추정 신호 사이의 추정 오차를 평가하여 오차량이 허용 범위 밖으로 이탈한 경우에는 저널베어링의 결함 발생으로 진단한다.
한편 본 발명에서 저널 베어링의 결함을 진단할 수 있는 알고리즘 역시 다양하게 적용될 수 있는데, 다른 알고리즘에 비해 비교적 복잡한 문제들에 대해서도 분류 성능이 우수하여 산업계의 다양한 분야에서 결함 진단에 많이 활용되고 있는 서포트벡터머신(Support vector machine, SVM)을 적용할 수 있다.
상기 저널 베어링 결함 진단 알고리즘에서는 결함 유형을 균열(crack), 마모(wear), 박리(peeling), 피팅(pitting) 크게 4가지로 구분하여 구성한다. 결함 진단 알고리즘은 결함 유형별로 신호들의 특징 파라미터들을 추출하여 결함 분류기를 사전에 훈련시키는 트레이닝 프로세스(Training process)와 훈련된 분류기에 신규 측정 데이터를 입력하여 결함 상태와 결함 원인을 식별하는 진단 프로세스로 구성한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)는 1차 진단용 스마트 센서(20)들에서 진단한 진단 결과를 이용하여, 모든 저널 베어링에 대한 결함 진단 및 각 저널 베어링에 설치되는 센서 신호에 대한 신뢰성 평가를 종합적으로 진단한다.
상기 2차 진단용 스마트 센서(30)에 의하여 진단된 결과들은 상기 진단 서버(40)로 전송된다. 그러면, 상기 진단 서버(40)는 상기 2차 진단용 스마트 센서(30)로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 원전 기기인 복수개의 저널 베어링 및 이들에 설치되는 센서 세트에 대한 상태를 원격에서 종합적으로 모니터링을 수행한다.
이상에서와 같이 본 발명은 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 단순한 설계변경이나 관용수단의 치환 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.
1 : 저널 베어링 10 : 센서 세트
20 : 1차 진단용 스마트 센서 21 : 신호 조정 모듈
23 : MCU 모듈 23a : AD 컨버터
23b : 평가 진단부 25 : 1차 데이터 통신모듈
30 : 2차 진단용 스마트 센서 31 : 2차 데이터 통신 모듈
33 : MCU 모듈 40 : 진단 서버

Claims (5)

  1. 원전 기기인 복수개의 저널 베어링 각각에 설치되는 센서 세트;
    상기 저널 베어링에 일대일로 대응되어, 상기 센서 세트를 구성하는 복수개의 측정 센서로부터 입력되는 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행하는 1차 진단용 스마트 센서;
    상기 1차 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 상기 복수개의 저널 베어링과 이 저널 베어링에 설치되는 센서 세트에 대한 결함 진단을 종합적으로 진단하는 2차 진단용 스마트 센서;
    상기 2차 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 원전 기기인 복수개의 저널 베어링 및 이들에 설치되는 센서세트에 대한 상태를 종합적으로 모니터링을 수행하는 진단 서버를 포함하여 이루어지고,
    상기 1차 진단용 스마트 센서는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단을 수행한 결과, 정상 상태로 진단된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단 결과만을 상기 2차 진단용 스마트 센서에 전송하고, 이상 상태가 발생한 것으로 진단된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단결과와 센서 신호들을 동시에 상기 2차 진단용 스마트 센서에 전송하는 것을 특징으로 하는 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 세트는 복수개의 변위 센서와 복수개의 온도 센서로 구성되고, 상기 복수개의 변위 센서는 저널 베어링의 축 변위를 측정하도록 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서는 터빈측 저널 베어링 금속 온도, 발전기측 저널 베어링 금속 온도 및 배출 윤활 온도를 측정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 진단은 상기 센서 신호와 사전에 정해진 기준 신호를 비교하고, 상기 기준 신호와 상기 센서 신호 사이의 오차량이 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어나는지 여부에 따라 진단되는 것을 특징으로 하는 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 진단용 스마트 센서는 상기 1차 진단용 스마트 센서로부터 정상 상태 진단 결과를 전송받은 경우에는 별도의 진단을 수행하지 않고, 이상 상태 진단 결과를 전송받은 경우에만 2차 진단을 수행하되, 상기 이상 상태가 센서 불량에 의한 것인지 또는 저널 베어링 결함에 의한 것인지를 종합적으로 진단하는 것을 특징으로 하는 원전 저널 베어링 온라인 결함 진단 시스템.
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