KR101554474B1 - 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

제어 시스템은, 스팀 및/또는 가스 터빈들 또는 전력 플랜트들을 위해 의도되고, 대응하는 센서 시스템에 의해 미리 정의된 동작 파라미터들을 모니터링한다. 이 경우에, 중복성 센서들은, 에러 없는 동작을 위해 센서들을 지속적으로 체크하고 잘못된 신호들로부터 중앙 프로세서 장치(5)의 입력 측을 보호 또는 차단하는 센서-측 프로세서 회로(4)를 할당받고, 센서-측 프로세서 회로(4)는 오직, 하나의 채널에서 에러 없는 것으로 식별된 센서로부터의 신호들을 각각 포워딩하거나 추가적으로 프로세싱한다. 이는 단일-채널 보호 시스템에서 높은 정도의 신뢰성 및 이용가능성을 달성한다. 필요한 경우에, 센서-측 프로세서 회로는 센서 신호들을 추가적으로 프로세싱하여 변환된 신호들을 형성할 수 있고, 따라서 중앙 프로세서 장치를 경감시킬 수 있다.

Description

제어 시스템{CONTROL SYSTEM}
본 발명은, 미리 정의된 동작 파라미터(operating parameter)들을 모니터링하도록 의도된 센서 시스템을 갖는, 스팀 및 가스 터빈 및/또는 전력 플랜트(power plant) 등을 위한 제어 시스템에 관한 것이고, 상기 센서 시스템은 중복성 센서들(redundant sensors)을 가지며, 센서 시스템으로부터의 측정 데이터는 제어 시스템의 중앙 프로세서 장치의 입력 측에 공급될 수 있고, 이는 다시 출력 측에서 터빈 또는 전력 플랜트 등의 동작 제어 엘리먼트들과 통신한다.
그 외에, 본 발명은 이러한 제어 시스템을 위한 센서 장치에 관한 것이다.
최적의 동작을 가능하게 하기 위해 가스 및 스팀 터빈 설비에서 다양한 파라미터들이 모니터링된다. 이와 관련해서, 낮은 진동 또는 최적의 동작 시퀀스(sequence)가 보장되도록 동작 파라미터들을 제어하기 위해, 예를 들어, 가스 터빈의 연소 챔버에서의 소음(noise) 또는 터빈 부품(part)에서의 진동을 검출하는데 이용되는 센서 시스템 장치를 참조할 수 있다.
이 경우, 규칙적으로, 에러 없는 동작을 위해 센서 시스템을 모니터링하고, 및/또는 제어 시스템의 동작을 위해 필요한 상관된 변수들을 도출하기 위해 센서 신호들을 이용할 필요가 존재한다.
따라서, 중앙 프로세서 장치는, 연소 프로세스에 연료 또는 공기의 공급을 제어하기 위한 엘리먼트들 또는 동작 제어 엘리먼트들에 대한 출력 명령들을 생성하기 전에 광범위한 예비 작업을 수행하여야 한다. 이는 다양한 프로세서 기능들이 각각의 경우에 사용되는 센서 시스템에 적응되어야 하는 것과 같은 것을 의미한다.
예를 들어 디자인 변경이 센서 시스템의 변경된 신호 포맷(format)을 초래하고 이 변경된 신호 포맷이 즉시 쉽게 프로세싱될 수 없기 때문에, 센서 시스템의 후속 디자인 변경은 쉽게 가능하지 않은 문제를 초래한다.
WO 2004/005938 A1호는 회전하는 머신 부품의 회전 속도를 중복성 센서들 및 평가 회로들로 결정하기 위한 장치를 개시하고 있다. 이 공보에 개시된 장치는, 병렬 방식으로 배열되고 각각 분리 채널들의 형태인 2 개의 부분적 장치로 구성되어 있다. 이 부분적 장치들 중 하나는 회전 속도를 모니터링하는 임무를 수행하기에 충분하다. 센서 신호는 각 경우에 2 개의 평가 회로에 의해 평가된다. "셋 중 둘" 중복성(redundancy)은 각각의 부분적 장치에서의 회전 속도 신호들에 대해 제공된다. 즉, 각각의 부분적 장치의 신호 입력들에 인가되는 적어도 3 개의 회전 속도 신호들 중 하나는 그에 의해 위험에 빠지는 각각의 부분적 장치의 모니터링 기능 없이 잘못될 수 있다. 설비의 높은 이용가능성 및 신뢰성이 이러한 기술적 해결책으로 달성됨에도 불구하고, 장치에 대한 증가된 경비는 불리하게 용인되어야 한다.
센서 시스템의 관점에서 높은 융통성(flexibility) 및 이에 따른 설비의 높은 신뢰성과 이용가능성이 상대적으로 낮은 경비로 보장될 수 있는 제어 시스템을 제공하는 목적에 기초하는 것이 본 발명의 출발점이다.
본 발명에 따라, 센서 시스템의 적어도 일부 중복성 센서들은 센서-측 프로세서 회로를 할당받고, 이 센서-측 프로세서 회로가 에러 없는 동작을 위해 연관된 센서(들)을 지속적으로 체크하고 중앙 프로세서 장치의 입력 측을 그 센서(들)로부터의 에러 있는 신호들로부터 보호 또는 차단하고, 이 센서-측 프로세서 회로는 하나의 채널에서 에러 없는 것으로서 식별된 센서로부터의 신호들을 각각 포워딩(forwarding)하거나 추가적으로 프로세싱(process)한다는 사실에 의해, 이러한 목적이 달성된다.
따라서, 본 발명은, 에러 없는 동작을 위해 센서들을 지속적으로 모니터링 또는 체크하고, 출력 측에서, 에러 없는 것으로서 식별된 센서로부터의 신호들에 대해 미리 정의가능한 상관(correlation)을 갖는 신호들만을 송신하는 할당된 프로세서 회로를 갖는 센서들에 의해 특징지어지는 센서 장치들을 포함한다.
본 발명은, 에러 없는 동작을 위해 센서들을 체크하고 중앙 프로세서 제어기 외부에서 그 중앙 프로세스 제어기를 위한 센서 신호들을 컨디셔닝(conditioning)하여, 결과적으로 후자의 중앙 프로세서 제어기는 각각의 설비의 동작 시퀀스를 제어하는 "핵심 기능들(core functions)"을 맡아야 한다는 일반적인 개념에 기초한다.
따라서 그 결과, 중앙 프로세서 장치의 작업은 동작 엘리먼트들을 위한 최적의 조작 변수(manipulated variable)들을 결정하기 위한 순수한 컴퓨터 기능들에 제한될 수 있다. 반면에, 각각의 컴퓨터 프로세스를 위해 필요한 입력 변수들의 형성 및 포맷팅(formatting)은 "아웃소싱(outsourcing)" 된다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시형태에 따르면, 개별 센서의 고장(fault)의 경우에도 최적의 동작 시퀀스를 보장할 수 있도록 중복성 센서들로 각각 이루어진 복수의 센서 그룹들을 갖는 센서 시스템을 제공하기 위해, 기본적으로 알려진 방식으로, 준비가 이루어진다.
이러한 설비의 일 실시형태의 경우에, 본 발명은 센서 그룹을 형성하는 중복성 센서들에 할당될 분리된 프로세서 회로를 제공하고, 프로세서 회로는 에러 없는 동작을 위해 각각의 센서를 모니터링하고, 그 그룹 내의 센서가 결점이 있는 경우에, 이 그룹 내의 에러 없는 센서로부터의 신호들만을 추가적으로 프로세싱하여 중앙 프로세서 장치를 위한 입력 신호들을 형성한다.
동시에, 센서 그룹에 할당된 프로세서 회로는 디스플레이를 제어할 수 있고, 그 결과로서 에러 신호가 디스플레이에 표시되고 결함 있는 센서는 다음 기회에 대체될 수 있다.
센서 그룹에 할당된 센서-측 프로세서 회로는 임의의 경우에 에러 없는 센서로부터의 신호들만을 추가적으로 프로세싱하고 그 신호들을 중앙 프로세서 장치로 패스(pass)하기 때문에, 원칙적으로, 센서들이 동작 동안 센서들을 대체하기에 적합한 방식으로 배열된다면, 각 설비의 동작 동안 결함 있는 센서를 대체하는 것이 가능하다. 어느 경우에도, 제어 시스템의 작업은, 센서-측 프로세서 회로를 통해 본 발명에 따른 중앙 프로세서 장치에 네트워킹되는 센서 시스템 때문에 손상되지 않는다.
본 발명의 추가적인 중요한 특징들 및 이점들은 종속 청구항들로부터, 도면들로부터, 그리고 그 도면들을 이용한 관련 설명으로부터 나타난다.
전술한 특징들 및 이하 설명될 특징들은 개별적으로 진술된 조합에서뿐만 아니라, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 조합들 또는 단독으로 이용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태들은 도면들에 예시되고 이하의 설명에서 더욱 자세히 설명되며, 여기서, 동일한 참조 부호들은 동일한 또는 유사한 또는 기능적으로 동일한 컴포넌트들을 지칭한다.
도 1은 할당된 프로세서 회로를 갖는 센서 그룹의 모식도를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 센서-측 프로세서 회로에 의한 센서 신호들의 예시적인 프로세싱을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 따르면, 전력 플랜트(더 이상 자세히 도시하지 않음)는 미리 정의된 파라미터를 검출하는데 이용될 수 있는 중복성 센서들(1 내지 3)을 가질 수 있다. 예를 들어, 센서들(1 내지 3)은, 가스 터빈 설비의 연소 챔버 장치의 소음 또는 스팀 터빈 설비의 소음 등을 검출할 수 있다. 본 발명에 따르면, 중복성 센서들(1 내지 3)은 센서-측 프로세서 회로(4)를 할당받고, 이 센서-측 프로세서 회로의 동작은 이하에서 더 설명된다. 이 프로세서 회로(4)는 센서 신호들을, 미리 정의 가능한 컨디셔닝 후에, 전력 플랜트의 제어 시스템의 중앙 프로세서 장치(5)로 포워딩한다. 그 다음, 중앙 프로세서 장치(5)는, 예를 들어 연료를 공급하기 위해 동작 제어 엘리먼트들을 제어하는 드라이버들(6)을 위한 신호들을 기본적으로 알려진 방식으로 생성한다.
이 센서-측 프로세서 회로(4)는 적어도 하나의 입력-측 프로세서 유닛(4')을 가지고, 이 입력-측 프로세서 유닛(4')은 센서들(1 내지 3)로부터 신호들을 수신하고 상기 신호들을 에러들의 존부에 대해 체크한다. 이러한 체크는 예를 들어 센서들의 잡음 스펙트럼을 평가함으로써 수행될 수 있다. 하지만 원칙적으로, 임의의 원하는 유형의 에러 체크가 가능하다. 모든 센서들(1 내지 3)로부터의 신호들이 에러가 없는 경우, 그 센서들(1 내지 3) 중 하나가 선택되어, 스위치 방식으로 기능적으로 동작하는 추가적인 프로세서 유닛(4'')에서 기본적으로 임의적인 규정(stipulation)에 따라 각각의 센서 신호들을 포워딩한다.
센서들(1 내지 3) 중 하나가 결함 있는 방식으로 동작하는 것을 프로세서 유닛이 결정하는 경우, 프로세서 유닛(4'')은 각각의 센서 신호들을 포워딩하기 위해 에러 없는 방식으로 동작하는 센서들 중 하나를 선택한다. 어느 경우에도, 결함 있는 방식으로 동작하는 센서는 그 신호들을 포워딩하는 것으로부터 배제된다.
프로세서 유닛(4'')에 의해 각각 포워딩되는 센서 신호들은 다운스트림(downstream) 프로세서 유닛(4''')에서 여전히 "컨디셔닝(conditioning)" 될 수 있다. 이는, 중앙 프로세서 장치가 예를 들어 변환에 의해 센서 신호들로부터 도출된 신호들만을 프로세싱할 수 있기 때문에, 예를 들어 중앙 프로세서 장치(5)가각각의 센서 신호들을 직접 프로세싱하기에 적합하지 않은 경우에, 편리하다.
이것은 도 2를 이용하여 아래에서 설명된다. 일반성을 제한함이 없이, 센서들(1 내지 3)은 소음을 검출할 수 있다. 에러 없는 동작의 경우에, 각 센서(1 내지 3)는 도 2의 이미지 A에 따라 시간 t에 기초하여 출력 신호 A를 생성한다. 이 경우에, 출력 신호 A는 검출될 소음의 사운드 진동들에 유사하게 진동하는 다이어프램(diaphragm)의 운동의 진폭을 나타낼 수 있다.
예시적으로, 이제 중앙 프로세서 장치(5)는 출력 신호들 A를 모두 직접 프로세싱하는 것으로 의도되지 않는 것으로 가정한다. 그보다는, 중앙 프로세서 장치(5)는 그 출력 신호들을 결정하기 위해 사운드 진동들의 스펙트럼을 프로세싱하도록 설계될 수 있다. 이 스펙트럼은 예시적으로 도 2의 이미지 B로 도시되고, 사운드 진동들의 강도 I는 주파수 f에 기초하여 묘사된다.
중앙 프로세서 장치(5)가 이제 도 2의 이미지 B에 따른 신호들을 필요로 하는 경우에, 센서-측 프로세서 회로(4)의 프로세서 유닛(4''')은 스펙트럼 분석을 수행할 수 있고, 이러한 방식으로, 도 2의 이미지 A에 따른 신호들을 도 2의 이미지 B에 따른 신호들로 변환할 수 있다. 따라서 본 예에서, 프로세서 유닛(4''')은 에러 없는 방식으로 동작하는 센서(1 내지 3)로부터의 신호들을 중앙 프로세서 장치의 작업에 적합한 신호들로 변환하기 위해 사용된다. 따라서 프로세서 유닛(4''')은, 중앙 프로세서 장치(5)를 위해 의도되고 변환된 형태로만 프로세서 장치에 의해 프로세싱될 수 있는 신호들이 이에 따라 변환되도록, 인터페이스 기능을 갖는다.
이러한 방식으로, 중앙 프로세서 장치는 배타적으로 "핵심 활동들(core activities)"을 수행하도록 "경감(relieve)" 또는 설계될 수 있다. 이것은 동시에, 센서들의 설계 변화 및 센서 신호들의 구조의 연관된 변화의 경우에, 그에 따라 적응되는 센서-측 프로세서 회로(4)를 보장할 필요만 있는 반면에, 중앙 프로세서 장치(5)는 완전히 변화되지 않은 상태로 남을 수 있는 이점들을 제공한다. 이는 동시에, 센서 시스템이 변화되는 경우에도 수행될 동작들의 유형이 변화되지 않은 상태로 유지되기 때문에, 중앙 프로세서 장치(5)가 비교적 단순한 설계를 가질 수 있는 이점과도 연관된다. 신호 변환에 대한 또 다른 가능성이 도 2의 이미지들 A 및 C를 이용하여 설명된다.
이 예에서, 센서들(1 내지 3)은 진동을 검출할 수 있고, 그런 다음 출력 신호 A는 검출된 진동의 진폭을 나타낼 수 있다. 이제 중앙 프로세서 장치(5)의 작업에 오직 상이한 진폭들의 주파수 분포만이 필수적인 것으로 가정한다. 이러한 경우에, 프로세서 유닛(4''')은 이미지 A로 도시된 센서 신호들을, 상이한 진폭들 A의 주파수 분포 H를 나타내는 이미지 C에 따른 표현으로 변환할 수 있다.
또한, 센서-측 프로세서 회로(4)는, 중앙 프로세서 장치의 미리 정의된 요건 프로파일(profile)에 따라 에러 없는 방식으로 동작하는 센서로부터의 신호들을 변환한다. 예를 들면, 중앙 프로세서 장치의 미리 정의된 요건 프로파일은 도 2의 이미지 A로부터 이미지 B로의 신호 출력(주파수 해석)을 분석하거나 또는 도 2의 이미지 A로부터 이미지 C로의 신호 출력(주파수 해석)을 분석한다.
요약하면, 본 발명은, 중복성 센서들(1 내지 3)의 그룹이 센서-측 프로세서 회로(4)를 할당받고, 이 센서-측 프로세서 회로(4)는 한편으로는 에러 없는 동작을 위해 센서들을 체크하고, 에러 없는 방식으로 동작하는 중복성 센서들 중 하나를 각각 선택하여 그 센서 신호들을 포워딩하는 효과로 특징지어질 수 있다. 본 발명에 따른 이러한 해결책에서, 중앙 프로세서 장치(5)를 위해 신호들을 제공하는 하나의 센서가 항상 존재한다. 따라서, 단일-채널 보호 시스템에서 높은 신뢰성 및 이용가능성을 달성하기 위해 센서들의 중복성은 증가된다.
다른 한편으로, 중앙 프로세서 장치는 오직 "핵심 기능들" 만을 수행할 필요가 있으므로, 센서-측 프로세서 회로(4)는, 중앙 프로세서 장치(5)의 작업에 최적인 방식으로 포워딩되도록 센서 신호들을 변환하는데 이용된다. 따라서, 센서-측 프로세서 회로(4)는 중앙 프로세서 장치를 위한 예비 작업을 맡고, 그 결과로, 중앙 프로세서 장치는 상당히 경감되고 종국적으로는 보다 높은 신뢰성을 가질 수 있게 된다.
센서-측 프로세서 회로(4)가 결함 있는 방식으로 동작하는 센서들로부터의 모든 신호들을 억제하기 때문에, 설비 동작 동안 센서들을 교체할 가능성이 동시에 일어날 수 있다. 이러한 상황에서, 센서-측 프로세서 회로(4)는 센서가 교체되어야 하는 것을 나타내기 위해 디스플레이(7)를 제어하는 수단을 구비하는 것이 유리하다. 수행될 검사 작업은 또한 필요한 경우에 이 디스플레이(7)상에 표시될 수 있다. 원칙적으로, 각각의 센서-측 프로세서 회로(4)가 대응하는 정보를 중앙 프로세서 장치(5)로 포워딩하는 경우에 디스플레이(7)는 또한 중앙 프로세서 장치(5)에 의해 이전에 제어될 수 있지만, 회로(4)가 어쨌든 결함 있는 센서들을 검출하여야 하기 때문에, 센서-측 프로세서 회로(4)에 의한 디스플레이(7)의 제어가 유리하다.
1 센서
2 센서
3 센서
4 센서-측 프로세서 회로
5 중앙 프로세서 장치
6 드라이버
7 디스플레이
A 진폭
f 주파수
H 주파수
I 강도

Claims (3)

  1. 미리 정의된 동작 파라미터들을 모니터링하도록 의도되고 중복성 센서들(redundant sensors; 1 내지 3)을 갖는 센서 시스템을 구비하고, 상기 센서 시스템으로부터의 측정 데이터는 제어 시스템의 중앙 프로세서 장치(5)의 입력 측에 공급될 수 있고, 상기 제어 시스템의 중앙 프로세서 장치(5)는 이어서 출력 측에서 터빈 또는 전력 플랜트의 동작 제어 엘리먼트들과 통신하는, 스팀 및 가스 터빈 및/또는 전력 플랜트를 위한 제어 시스템에 있어서,
    적어도 상기 센서 시스템의 상기 중복성 센서들(1 내지 3)은 센서-측 프로세서 회로(4)를 할당받고, 상기 센서-측 프로세서 회로가 에러 없는 동작을 위해 연관된 센서들(1 내지 3)을 지속적으로 체크하고 상기 중앙 프로세서 장치(5)의 입력 측을 에러 있는 신호들로부터 차단하며, 상기 센서-측 프로세서 회로(4)는 오직, 하나의 채널에서 에러 없는 것으로 식별된 센서로부터의 신호들을 각각 포워딩(forward)하거나 추가적으로 프로세싱하는(process) 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서-측 프로세서 회로(4)는, 상기 중앙 프로세서 장치의 미리 정의된 요건 프로파일(profile)에 따라 에러 없는 방식으로 동작하는 센서로부터의 신호들을 변환하는, 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센서-측 프로세서 회로(4)는 결함 있는 센서들을 리포팅(reporting)하기 위해 디스플레이(7)를 제어하는, 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
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