KR102221473B1 - System for error detection according to plc control - Google Patents
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Abstract
본 발명의 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템은 PLC(Programmable Logic Controller) 제어시스템의 PLC 입출력신호에 따른 복수의 디바이스 동작들 각각에 대한 동일 시각에서의 상태값들을 상기 PLC 제어시스템에 대한 상태천이정보로서 검출하고, 상기 검출된 상태천이정보와 상기 PLC 제어시스템의 정상 동작 시의 기준 상태천이정보를 비교하여 상기 PLC 제어시스템의 오류 여부를 검출하는 제1 오류 검출부; 및 상기 PLC 제어시스템의 제어에 따른 전력 소비신호 또는 상기 PLC 제어시스템의 제어에 따른 PLC 입출력신호를 분할하고, 분할된 신호로부터 복수개의 통계적 특징정보들을 추출하고, 상기 추출된 통계적 특징정보들을 트레이닝된 자기 연상 신경망(AANN)에 적용하여 상기 PLC 제어시스템의 이상 여부를 검출하는 제2 오류 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The error detection system according to PLC control of the present invention uses the state values at the same time for each of a plurality of device operations according to the PLC input/output signal of the PLC (Programmable Logic Controller) control system as state transition information for the PLC control system. A first error detector configured to detect an error in the PLC control system by detecting and comparing the detected state transition information with reference state transition information during normal operation of the PLC control system; And dividing a power consumption signal according to the control of the PLC control system or a PLC input/output signal according to the control of the PLC control system, extracting a plurality of statistical feature information from the divided signal, and training the extracted statistical feature information. It characterized in that it comprises a second error detection unit for detecting the abnormality of the PLC control system by applying to the self-associative neural network (AANN).
Description
본 발명은 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PLC 제어 제조 시스템의 결함 및 이상을 정확하게 탐지하고 격리 처리 할 수 있도록 하는 자동화 도구에 관한 기술을 제시한다.The present invention relates to a programmable logic controller (PLC) control, and more particularly, provides a technology for an automation tool capable of accurately detecting and quarantining defects and abnormalities in a PLC control manufacturing system.
PLC는 low level 언어로 프로그램 되며 자동화 시스템을 제어하는데 사용되는 산업용 컴퓨터이다. PLC의 내부로직인 PLC 프로그램은 Boolean 연산을 통해 자동화 시스템을 제어한다. 일반적인 제조 공정에서 설계된 PLC 프로그램은 검증과정을 거치며 프로그램의 정확성이 보장되면 실제 자동화 시스템을 제어하게 된다.PLC is an industrial computer programmed in a low level language and used to control automation systems. The PLC program, the internal logic of PLC, controls the automation system through Boolean operation. The PLC program designed in the general manufacturing process goes through a verification process, and if the accuracy of the program is guaranteed, the actual automation system is controlled.
최근 자동화된 제조 산업은 제조 라인의 복잡성 증대에 따라 제어 로직이 방대하며 또한 매우 복잡하게 설계되어 있다. 이에 따라 PLC 프로그램도 복잡하게 로직화 되어 있다. 이러한 이유로 PLC 프로그램을 진단 및 모니터링 하는 것 또한 점점 더 어려워지고 있으며, 이에 따라 에러를 발견하고 수정하는데 걸리는 시간이 점진적으로 증가하는 추세이다. Operational Diagnostics, The holy grail of control automation에 따르면 이러한 진단 방법과 에러를 규명하는데 걸리는 시간으로 인한 작업 지연은 전체 설비 고장 시간의 80%를 넘는 것으로 나타나 있다. 특히 자동차 차체 조립 라인의 경우, 평균 사이클 타임(Cycle Time)은 1분 안팎이며 따라서 설비 고장에 의한 라인 정지시, 짧은 시간 동안 큰 이익의 손실을 야기하게 된다.In recent years, in the automated manufacturing industry, as the complexity of the manufacturing line increases, the control logic is vast and has a very complex design. Accordingly, the PLC program is also complexly logicd. For this reason, diagnosis and monitoring of PLC programs is also becoming more and more difficult, and accordingly, the time taken to detect and correct errors is gradually increasing. According to Operational Diagnostics, The holy grail of control automation, delays due to these diagnostic methods and the time it takes to identify errors exceed 80% of the total plant failure time. In particular, in the case of an automobile body assembly line, the average cycle time is around 1 minute, and thus, when the line is stopped due to equipment failure, it causes a large loss of profit for a short period of time.
일반적인 자동화 시스템은 수많은 로봇과 자동화된 이송장치로 이루어져 있다. 로봇과 이송장치는 PLC 프로그램의 로직에 따라 용접이나 이송 등의 다양한 작업을 하게 된다. 최근 자동화 시스템은 대단위의 자동화 생산라인을 구축하고 있어 복잡도가 높아 설비 자체의 에러, 또는 로봇 운동 범위 간섭과 같은 외부 요인에 의한 에러 등의 다양한 작업 실패 요소를 포함하고 있다. 작업 중 실패에 의한 지연은 에러 발견 및 장치의 셋 업(set-up) 시간 증가로 인한 막대한 경제적 손실을 야기한다.A typical automation system consists of a number of robots and automated transfer devices. The robot and the transfer device perform various tasks such as welding or transfer according to the logic of the PLC program. Recently, the automation system has built a large-scale automated production line, so it has high complexity and includes various factors of failure such as errors of the facility itself or errors caused by external factors such as interference of the robot's range of motion. Delays due to failures during operation cause enormous economic losses due to error detection and increased set-up time of the device.
이러한 에러들을 진단하기 위해서 공정 및 물류의 흐름을 제어하는 PLC 프로그램 내부에 진단을 위한 코드를 추가하는 방법으로 자동화 시스템을 모니터링 한다. 일반적으로 자동화 시스템의 대표격인 자동차 산업은 자동화가 이루어진 제조라인에서 오류가 발생하였을 경우, 미리 예상한 이상표시모듈을 통해 PLC 프로그램을 모니터링 한다. 즉, 종래 모니터링 방법은 에러발생 가능이 높은 영역을 예상하여, 에러 진단 목적 대상에 따른 코드를 별도로 작성하여 추가하는 것이기 때문에 모든 신호를 모니터링 할 수 없다. 그러므로 모니터링 대상이 되는 공정은 매우 제한적이라 할 수 있으며 점진적으로 발생하는 에러를 발견하기 위한 모니터링 방법으로는 한계가 있다. 즉, 장치나 부속품의 점진적인 마모로 발생하는 작업 실패 현상에는 사전에 대응하기 어렵다는 문제점을 가진다.In order to diagnose these errors, the automation system is monitored by adding diagnostic codes inside the PLC program that controls the flow of processes and logistics. In general, the automotive industry, a representative of automation systems, monitors the PLC program through a predicted abnormality display module when an error occurs in an automated manufacturing line. In other words, since the conventional monitoring method predicts an area with a high possibility of error occurrence and separately writes and adds a code according to the object for error diagnosis, all signals cannot be monitored. Therefore, the process to be monitored can be said to be very limited, and there is a limit as a monitoring method to detect errors that occur gradually. That is, it has a problem that it is difficult to respond in advance to the phenomenon of work failure occurring due to gradual wear of an apparatus or accessory.
특히, PLC 제어 시스템의 동작에 큰 영향을 미치지 않는 시스템 이상의 경우에는 제어 프로세스 모델을 통해 이상여부를 판단할 수 없어서, 아날로그 입출력 신호와 관련된 모든 유형의 오류를 검출할 수는 없다는 문제점이 있다.In particular, in the case of a system abnormality that does not significantly affect the operation of the PLC control system, there is a problem in that it is not possible to detect all types of errors related to analog input/output signals because it is not possible to determine the abnormality through the control process model.
본 발명은 PLC 제어 프로세스에서 관찰된 상태 전이 동작이 모델링된 상태 전이 동작과 일치하는지 여부를 비교하여 PLC 제어 시스템의 오류 여부를 검출하고, PLC 입출력 신호 또는 전력 소비 신호에 근거하여 PLC 제어 시스템의 오류 여부를 검출할 수 있도록 하는 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템에 관한 것이다.The present invention compares whether the state transition operation observed in the PLC control process matches the modeled state transition operation to detect whether an error in the PLC control system is detected, and the error in the PLC control system based on the PLC input/output signal or the power consumption signal. It relates to an error detection system according to PLC control that enables detection of whether or not.
상기 과제를 해결하기 위한 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템은 PLC(Programmable Logic Controller) 제어시스템의 PLC 입출력신호에 따른 복수의 디바이스 동작들 각각에 대한 동일 시각에서의 상태값들을 상기 PLC 제어시스템에 대한 상태천이정보로서 검출하고, 상기 검출된 상태천이정보와 상기 PLC 제어시스템의 정상 동작 시의 기준 상태천이정보를 비교하여 상기 PLC 제어시스템의 오류 여부를 검출하는 제1 오류 검출부; 및 상기 PLC 제어시스템의 제어에 따른 전력 소비신호 또는 상기 PLC 제어시스템의 제어에 따른 PLC 입출력신호를 분할하고, 분할된 신호로부터 복수개의 통계적 특징정보들을 추출하고, 상기 추출된 통계적 특징정보들을 트레이닝된 자기 연상 신경망(ANNN: Autoassociative Neural Network)에 적용하여 상기 PLC 제어시스템의 이상 여부를 검출하는 제2 오류 검출부를 포함하고, 상기 제1 오류 검출부는, 상기 PLC 입출력신호를 구성하는 PLC 디지털 입출력신호 및 PLC 아날로그 입출력신호에 대한 상기 기준 상태천이정보를 모델링하는 모델링 모듈; 및 상기 모델링 모듈에서 모델링된 상기 기준 상태천이정보를 상기 검출된 상태천이정보와 비교하여 상기 PLC 제어시스템의 오류 여부를 결정하고, 상기 PLC 제어시스템에 대한 오류 결정에 따라 오류 유형을 검출하는 제1 오류검출모듈을 포함하고, 상기 모델링 모듈은, 상기 PLC 디지털 입출력신호에 대응하는 천이 타임아웃 시간정보 및 신호상태 벡터정보를 포함하는 상기 기준 상태천이정보에 대한 MDSVTF 모델링을 수행하는 것을 특징으로 한다.The error detection system according to PLC control for solving the above problem is the state values for the PLC control system at the same time for each of a plurality of device operations according to the PLC input/output signal of the PLC (Programmable Logic Controller) control system. A first error detection unit detecting an error in the PLC control system by detecting as transition information and comparing the detected state transition information with reference state transition information during normal operation of the PLC control system; And dividing a power consumption signal according to the control of the PLC control system or a PLC input/output signal according to the control of the PLC control system, extracting a plurality of statistical feature information from the divided signal, and training the extracted statistical feature information. A second error detection unit applied to an autoassociative neural network (ANNN) to detect an abnormality in the PLC control system, and the first error detection unit includes a PLC digital input/output signal constituting the PLC input/output signal and A modeling module for modeling the reference state transition information for a PLC analog input/output signal; And a first comparing the reference state transition information modeled in the modeling module with the detected state transition information to determine whether an error exists in the PLC control system, and detecting an error type according to an error determination for the PLC control system. And an error detection module, wherein the modeling module performs MDSVTF modeling on the reference state transition information including transition timeout time information and signal state vector information corresponding to the PLC digital input/output signal.
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상기 모델링 모듈은, 상기 PLC 아날로그 입출력신호를 통계 기준에 따라 급격하게 변동하는 시점을 기준으로 복수의 세그먼트 구간들로 구분하고, 구분된 세그먼트 구간들의 양자화 정보를 포함하는 상기 기준 상태천이정보에 대한 MDSVTF 모델링을 수행하는 것을 특징으로 한다.The modeling module divides the PLC analog input/output signal into a plurality of segment segments based on a time point at which the PLC analog input/output signal rapidly fluctuates according to a statistical standard, and MDSVTF for the reference state transition information including quantization information of the segment segments. It is characterized by performing modeling.
상기 제1 오류검출모듈은, 상기 검출된 PLC 디지털 입출력신호와 MDSVTF 모델링에 따른 상기 기준 상태천이정보의 온/오프 상태가 다른 경우에 상기 검출된 PLC 디지털 입출력신호에 대해 오류로 검출하는 것을 특징으로 한다.The first error detection module is characterized in that when the detected PLC digital input/output signal and the on/off status of the reference state transition information according to MDSVTF modeling are different from each other, the detected PLC digital input/output signal is detected as an error. do.
상기 제1 오류검출모듈은, 상기 검출된 PLC 아날로그 입출력신호와 MDSVTF 모델링에 따른 상기 기준상태천이정보의 신호 상태 값이 일치하지 않는 경우에 상기 검출된 PLC 아날로그 입출력신호에 대해 오류로 검출하는 것을 특징으로 한다.The first error detection module is configured to detect the detected PLC analog input/output signal as an error when the detected PLC analog input/output signal and the signal state value of the reference state transition information according to MDSVTF modeling do not match. It is done.
상기 제2 오류 검출부는, 상기 PLC 제어시스템의 동작을 위한 PLC 입출력 신호에 대해 통전 사이클을 기준으로 분할하는 입출력신호 분할모듈; 및 상기 PLC 제어시스템의 동작을 위해 제공되는 전력 소비신호에 대해 각각의 장치 클러스터마다 분할하는 전력신호 분할모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.The second error detection unit may include an input/output signal dividing module for dividing PLC input/output signals for operation of the PLC control system based on a power cycle; And a power signal dividing module for dividing the power consumption signal provided for the operation of the PLC control system for each device cluster.
상기 제2 오류 검출부는, 상기 분할된 전력 소비신호 또는 상기 분할된 아날로그 입출력신호 각각에 대해 3개의 구간으로 세분화하고, 3개의 구간으로 세분화된 상기 전력 소비신호 또는 상기 아날로그 입출력신호 각각에 대해 평균값 수식, 표준편차 수식, 제곱평균 수식, 형상인자 수식, 피크값 수식, 피크투피크값 수식, 파고인자 수식, 임펄스인자 수식, 잉여인자 수식, 왜곡값 수식, 왜곡인자 수식, 첨예도 수식, 첨예도인자 수식 및 엔트로피 수식 중 어느 하나 이상의 통계 수식을 적용하여 상기 통계적 특징정보를 각각 추출하는 통계적 정보 검출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.The second error detection unit divides each of the divided power consumption signals or the divided analog input/output signals into three sections, and formulates an average value for each of the power consumption signals or the analog input/output signals subdivided into three sections. , Standard deviation formula, mean square formula, shape factor formula, peak value formula, peak-to-peak value formula, crest factor formula, impulse factor formula, redundant factor formula, distortion value formula, distortion factor formula, sharpness formula, sharpness factor formula And a statistical information detection module for extracting the statistical feature information by applying any one or more of the entropy equations.
상기 제2 오류 검출부는, 상기 분할된 전력 소비신호 또는 상기 분할된 아날로그 입출력신호로부터 특이값 분해(Singular Value Decomposition (SVD)) 알고리즘에 의한 특이값정보들을 추출하는 특이값 검출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.The second error detection unit comprises a singular value detection module for extracting singular value information using a Singular Value Decomposition (SVD) algorithm from the divided power consumption signal or the divided analog input/output signal. It is done.
상기 제2 오류 검출부는, 상기 추출된 통계적 특징정보들 및 상기 특이값 정보들을 상기 자기 연상 신경망(ANNN) 알고리즘에 의한 동질성 매핑 과정을 수행하여 상기 PLC 제어시스템의 이상 여부를 검출하는 제2 오류검출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.The second error detection unit performs a homogeneity mapping process using the self-associative neural network (ANNN) algorithm on the extracted statistical feature information and the singular value information to detect whether the PLC control system is abnormal. It characterized in that it comprises a module.
본 발명에 따르면, PLC 제어 또는 입출력 신호의 로그 데이터 기록을 이용해 PLC 제어 프로세스의 상태 전이 동작, 즉, DFA 기반 제어 프로세스 모델을 사용한 PLC 제어 오류를 용이하게 검출할 수 있다. According to the present invention, it is possible to easily detect a state transition operation of a PLC control process, that is, a PLC control error using a DFA-based control process model, by using PLC control or recording log data of input/output signals.
또한, PLC 입출력신호 또는 전력 소비신호에 따른 프로세스 행동 모델을 이용하여 시스템에 큰 영향을 미치지 않으면서 PLC 상태 전이 동작에 의해 검출되지 않는 PLC 제어 오류를 검출할 수 있다.In addition, it is possible to detect a PLC control error that is not detected by a PLC state transition operation without significantly affecting the system by using a process behavior model according to a PLC input/output signal or a power consumption signal.
도 1은 본 발명의 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템을 설명하기 위한 일 실시예의 구성 블록도이다.
도 2는 MDSVTF 제어 프로세스 모델 구축 절차를 예시하는 참조도이다.
도 3은 MPFDT의 오류 및 이상 탐지 및 격리 절차를 예시하는 참조도이다.
도 4는 MDSVTF 모델 구축 절차를 설명하기 위한 PLC 제어 시스템의 시나리오를 예시하는 참조도이다.
도 5는 도 4에 도시된 PLC 제어 시스템의 PLC 입출력신호(센서 및 액추에이터 신호)의 신호 상태 대 타임 차트를 예시하는 타이밍도이다.
도 6은 도 4에 도시된 PLC 제어 시스템 MDSVTF 자동 모델을 예시하는 참조도이다.
도 7은 PLC 제어 시스템 중에서 스탬핑 프레스 시스템을 예시하는 참조도이다.
도 8은 도 7에 도시된 스탬핑 프레스 시스템에 관한 PLC 아날로그 입출력신호의 상태 대 시간 차트를 예시하는 참조도이다.
도 9는 도 7에 도시된 스탬핑 프레스 시스템의 MDSVTF 모델을 예시하는 참조도이다.
도 10은 제2 오류 검출부에 의해 수행되는 전반적인 오류 검출 절차를 예시하는 참조도이다.
도 11은 아날로그 입출력신호의 분할 과정을 설명하기 위한 작업 실시예의 참조도이다.
도 12는 전력 사용 데이터의 수집 과정을 예시하는 참조도이다.
도 13은 소규모 장치 클러스터에 관한 것으로 로봇 드릴링 서브 시스템의 동작 과정을 예시하는 참조도이다.
도 14는 도 13에 도시된 장치 클러스터의 전력 소비 신호 프로파일 및 신호 분할 과정을 예시하는 참조도이다.
도 15는 제2 오류 검출부에 의해 수행되는 통계적 특징 추출, 특징 선택 및 AANN 학습 절차를 전체적으로 설명하기 위한 일 실시예의 흐름도이다.
도 16a 내지 도 16d는 도 16에 도시된 흐름도를 상세히 설명하기 위한 부분 흐름도이다.
도 17a 내지 도 17c는 본 발명에 따른 제2 오류 검출부의 분류 성능을 예시하는 참조도이다. 1 is a block diagram of an embodiment for explaining an error detection system according to PLC control of the present invention.
2 is a reference diagram illustrating an MDSVTF control process model building procedure.
3 is a reference diagram illustrating an error and anomaly detection and isolation procedure of MPFDT.
4 is a reference diagram illustrating a scenario of a PLC control system for explaining the MDSVTF model building procedure.
5 is a timing diagram illustrating a signal state versus time chart of PLC input/output signals (sensor and actuator signals) of the PLC control system shown in FIG. 4.
6 is a reference diagram illustrating an automatic model of the PLC control system MDSVTF shown in FIG. 4.
7 is a reference diagram illustrating a stamping press system among PLC control systems.
8 is a reference diagram illustrating a state versus time chart of a PLC analog input/output signal in the stamping press system shown in FIG. 7.
9 is a reference diagram illustrating an MDSVTF model of the stamping press system shown in FIG. 7.
10 is a reference diagram illustrating an overall error detection procedure performed by a second error detection unit.
11 is a reference diagram of a working embodiment for explaining a process of dividing an analog input/output signal.
12 is a reference diagram illustrating a process of collecting power usage data.
13 is a reference diagram illustrating an operation process of a robot drilling subsystem, which relates to a small device cluster.
14 is a reference diagram illustrating a power consumption signal profile and a signal division process of the device cluster shown in FIG. 13.
FIG. 15 is a flowchart of an embodiment for explaining as a whole a procedure for statistical feature extraction, feature selection, and AANN learning performed by a second error detection unit.
16A to 16D are partial flowcharts for explaining the flowchart shown in FIG. 16 in detail.
17A to 17C are reference diagrams illustrating classification performance of a second error detection unit according to the present invention.
일반적으로, PLC (Programmable Logic Controller) 제어 시스템의 결함 및 이상 탐지 및 격리는 까다롭다. 이 발명은 PLC 제어 시스템의 결함 및 이상을 정확하게 탐지하고 격리 할 수있는 MPFDT(Manufacturing Process Failure Diagnosis Tool)라는 제조 프로세스 실패진단을 위한 자동화 도구를 제시한다.In general, detection and isolation of faults and abnormalities in PLC (Programmable Logic Controller) control systems is difficult. This invention proposes an automated tool for manufacturing process failure diagnosis called MPFDT (Manufacturing Process Failure Diagnosis Tool) that can accurately detect and isolate defects and abnormalities in PLC control systems.
본 발명에 따른 MPFDT는 결함 및 이상 탐지 및 격리 목적을 충족시키기 위해 제조 시스템의 두 가지 독립적인 지식 기반 프로세스 동작 모델을 사용한다. 기본적으로 모델링된 공정과 관찰된 제조 공정의 불일치를 탐지한다. 첫 번째 프로세스 동작 모델은 PLC 제어 프로세스의 관찰된 상태 천이 동작이 모델링된 상태 천이 동작과 일치하는지 여부를 결정하는데 사용되는 PLC 제어 프로세스의 DFA 기반 모델에 기반한 오류 검출이다. PLC 제어 또는 입출력 신호의 로그 데이터 레코드는 특정 목적을 달성하는데 사용된다. 대부분의 경우 장치 또는 장치의 일부에서 오류가 발생하면 정상 PLC 제어 프로세스의 상태 천이 동작, 즉, MPFDT는 DFA 기반 제어 프로세스 모델을 사용하여 MPFDT를 쉽게 감지하고 격리시킬 수 있다. 이 결함 및 비정상 검색 작업은 온라인으로 수행될 수 있다. The MPFDT according to the present invention uses two independent knowledge-based process operation models of the manufacturing system to meet the purpose of detection and isolation of defects and anomalies. Basically, it detects inconsistencies between the modeled process and the observed manufacturing process. The first process behavior model is error detection based on the DFA-based model of the PLC control process, which is used to determine whether the observed state transition behavior of the PLC control process matches the modeled state transition behavior. Log data records of PLC control or input/output signals are used to achieve a specific purpose. In most cases, when a device or part of a device fails, the state transition behavior of a normal PLC control process, i.e. MPFDT, can easily detect and isolate the MPFDT using a DFA-based control process model. This defect and anomaly search operation can be performed online.
한편, PLC 제어 시스템의 모든 종류의 결함 및 이상(특히 PLC 제어 프로세스의 상태 천이 동작에 많은 영향을 주지는 않는 경우)은 제어 프로세스 모델(첫 번째 프로세스 동작 모델)을 사용하여 감지 될 수는 없다. 이에 따라, 또 다른 독립적이고 보완적인 지식 기반 프로세스 행동 모델이 제공된다. On the other hand, all kinds of defects and abnormalities in the PLC control system (especially when they do not affect the state transition operation of the PLC control process much) cannot be detected using the control process model (the first process operation model). Accordingly, another independent and complementary knowledge-based process behavior model is provided.
두 번째 프로세스 행동 모델은 기본적으로 자기 연상 신경망(ANNN: Autoassociative Neural Network) 기반의 일류(one class) 분류 기준을 식별하는 데 사용된다. PLC 제어 시스템의 관찰된 전력 소비 프로파일과 기준 전력 소비 프로파일 사이에 중요한 차이가 있는지 여부를 검출하게 되는데, 일반적으로 결함 또는 이상 발생으로 인해 전력 소비 행동에 큰 변화가 발생하며, 제어 프로세스의 거동에 영향을 미친다. 따라서 전력 소비 신호 분석 기술을 사용함으로써 오류를 검출할 수 있도록 한다. 또한, 아날로그 PLC 입출력 신호의 동작에 중요한 변화가 있는지 여부를 검출하게 되는데, 아날로그 입출력신호와 관련된 대부분의 오류 및 이상을 두번째 프로세스 행동 모델을 사용하여 감지 할 수 있다.The second process behavior model is basically used to identify one class classification criteria based on an autoassociative neural network (ANNN). It detects whether there is a significant difference between the observed power consumption profile of the PLC control system and the reference power consumption profile, which generally causes a large change in power consumption behavior due to the occurrence of a fault or anomaly, and affects the behavior of the control process. Crazy. Therefore, it is possible to detect errors by using power consumption signal analysis technology. In addition, it detects whether there is a significant change in the operation of the analog PLC input/output signal, and most errors and abnormalities related to the analog input/output signal can be detected using the second process behavior model.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템(10)을 설명하기 위한 일 실시예의 구성 블록도이다.1 is a block diagram of an embodiment for explaining an
도 1을 참조하면, PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템(10)은 제1 오류 검출부(100) 및 제2 오류 검출부(200)를 포함한다.Referring to FIG. 1, an
제1 오류 검출부(100)는 PLC(Programmable Logic Controller) 제어시스템의 PLC 입출력신호에 따른 복수의 디바이스 동작들 각각에 대한 동일 시각에서의 상태값들을 상기 PLC 제어시스템에 대한 상태천이정보로서 검출하고, 상기 검출된 상태천이정보와 상기 PLC 제어시스템의 정상 동작 시의 기준 상태천이정보를 비교하여 상기 PLC 제어시스템의 오류 여부를 검출한다. The first
MPFDT는 신호 상태 벡터 및 타임 아웃 기능 (MDSVTF) 모델이 반영된 수정 DFA라고 불리는 무결점 PLC 제어 프로세스의 새로운 DFA(Deterministic Finite-state Automaton)기반 모델을 구성한다. 제1 오류 검출부(100)는 그 모델을 사용하여 결함 및 이상을 탐지하고 격리시킨다. 제1 오류 검출부(100)는 관찰된 제어 프로세스 동작이 모델링된 제어 프로세스와 일치하는지 여부를 확인하는 것이다. 이 전체 절차에는 PLC 메모리 테이블 (PLC 신호 로그 데이터 레코드)에 저장된 제어 신호 데이터가 사용된다. 각 로그 데이터는 기본적으로 모든 PLC 입출력(I / O)신호의 (정수) 상태값을 포함하는 정수 벡터(또는 배열)이다. 벡터의 i 번째 요소는 i 번째 PLC 입출력신호의 상태 값을 나타낸다. MPFDT constructs a new DFA (Deterministic Finite-state Automaton)-based model of a faultless PLC control process called Modified DFA, which reflects the signal state vector and timeout function (MDSVTF) model. The first
도 2는 MDSVTF 제어 프로세스 모델 구축 절차를 예시하는 참조도이고, 도 3은 MPFDT의 오류 및 이상 탐지 및 격리 절차를 예시하는 참조도이다.2 is a reference diagram illustrating an MDSVTF control process model construction procedure, and FIG. 3 is a reference diagram illustrating an error and anomaly detection and isolation procedure of an MPFDT.
도 2에 도시된 바와 같이, 처음에는 PLC 제어 프로세스의 MDSVTF 자동 모델이 무결점 제조 시스템에서 가져온 PLC 신호 로그 데이터를 사용하여 구축된다. 도 3에 도시된 바와 같이, MDSVTF 모델이 관찰된 신호 로그 데이터와 비교되어 결함 및 이상을 탐지하고 격리한다. PLC 입출력 신호의 관측된 동작과 예상된 동작 사이의 차이가 없으면 시스템은 오류 및 이상이 없는 것으로 간주된다. 그렇지 않으면 결함 또는 이상이 제조 시스템에서 발생했음을 나타내며 상세한 진단 정보와 함께 보고된다.As shown in Fig. 2, initially, an MDSVTF automatic model of the PLC control process is built using the PLC signal log data taken from the defect-free manufacturing system. As shown in Fig. 3, the MDSVTF model is compared with the observed signal log data to detect and isolate defects and anomalies. If there is no difference between the observed and expected behavior of the PLC input and output signals, the system is considered to be error-free and fault-free. Otherwise, it indicates that a defect or anomaly has occurred in the manufacturing system and is reported with detailed diagnostic information.
제1 오류 검출부(100)는 전술한 기능의 수행을 위해 모델링 모듈(110) 및 제1 오류검출모듈(120)을 포함한다.The first
모델링 모듈(110)은 상기 PLC 입출력신호를 구성하는 PLC 디지털 입출력신호 및 PLC 아날로그 입출력신호에 대한 상기 기준 상태천이정보를 모델링한다. 이를 위해, 모델링 모듈(110)은 상기 PLC 디지털 입출력신호에 대응하는 천이 타임아웃 시간정보 및 신호상태 벡터정보를 포함하는 기준 상태천이정보에 대한 MDSVTF 모델링을 수행한다. The
도 4는 MDSVTF 모델 구축 절차를 설명하기 위한 PLC 제어 시스템의 시나리오를 예시하는 참조도이고, 도 5는 도 4에 도시된 PLC 제어 시스템의 PLC 입출력신호(센서 및 액추에이터 신호)의 신호 상태 대 타임 차트를 예시하는 타이밍도이다. 또한, 도 6은 도 4에 도시된 PLC 제어 시스템 MDSVTF 자동 모델을 예시하는 참조도이다. 4 is a reference diagram illustrating a scenario of a PLC control system for explaining the MDSVTF model building procedure, and FIG. 5 is a signal state versus time chart of the PLC input/output signals (sensor and actuator signals) of the PLC control system shown in FIG. It is a timing diagram exemplifying. In addition, FIG. 6 is a reference diagram illustrating the automatic model of the PLC control system MDSVTF shown in FIG. 4.
도 5는 각 타임에서 신호 상태값(0, 1 또는 기타의 값(100, 150))이 예시되어 있다. 기본적으로 MDSVTF의 특정 상태는 고유한 정수 벡터를 나타낸다. 벡터에는 모든 PLC 입출력 신호의 정수 상태값이 포함된다. 도 6에 도시된 바와 같이, MDSVTF 모델에 속하는 각 상태천이는 다음의 두 가지 유형의 정보가 첨부되어 있다. 즉, i) 천이 타임아웃 (TTO) 시간 (각 상태 천이는 해당 TTO 시간 내에 완료되어야 함) ; 및 ii) 신호 상태 벡터를 포함한다. 5 illustrates a signal state value (0, 1 or other values (100, 150)) at each time. Basically, a specific state of MDSVTF represents a unique vector of integers. The vector contains the integer status values of all PLC input/output signals. As shown in FIG. 6, the following two types of information are attached to each state transition belonging to the MDSVTF model. I) Transition Timeout (TTO) time (each state transition must be completed within the corresponding TTO time); And ii) a signal state vector.
MDSVTF 모델의 두 상태 간의 천이를 유도하는 신호 상태 벡터는 실제로 해당 상태 천이 프로세스 중에 발생하는 신호 상태 변경(SSC) 이벤트로 구성된다. 신호 이름과 정수 상태 값은 '_'을 예시할 수 있다. 예를 들어 SSC 이벤트 AWS_100 (AWS 신호의 상태 값이 100으로 업데이트됨을 의미함)은 X1 → X2로의 천이에 대한 독립적인 책임이 있다. The signal state vector that induces the transition between the two states of the MDSVTF model actually consists of signal state change (SSC) events that occur during that state transition process. The signal name and integer state value may exemplify'_'. For example, the SSC event AWS_100 (meaning that the state value of the AWS signal is updated to 100) is independently responsible for the transition from X1 to X2.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 모델링 모듈(110)은 MPFDT에서 정규 표현식은 복수의 방향으로 진행하는 천이가 나타내는 각 MDSVTF 모델 상태에 첨부한다. 정규식 수식은 연관된 천이 실행 패턴 또는 동작 정보를 간결하게 인코딩하는데 사용된다. 예를 들어, 도 6의 상태 X1에서 모든 천이가 0부터 시작하여 번호가 매겨졌다고 가정하면,따라서 천이 X1 → X2 및 X1 → X7이 숫자 0과 1로 각각 기호화된다. 그리고 이들은 제어 시스템에 의해 선택적으로 실행된다고 가정한다. 노드 X1에 첨부된 정규 표현식, 즉 RE (X1) = (01) *은 이 사실을 효율적인 방식으로 간단히 설명한다. 정규 표현식 (01) *은 천이 0 (즉, X1 → X2)이 먼저 실행된 다음 천이 1 (즉, X1 → X7)이 실행되는 것을 의미하며, 이 프로세스는 특정 종료 조건에 도달 할 때까지 반복을 계속한다. 특정 상태로부터의 천이가 실행되는 순서 또는 시퀀스는 항상 반복 패턴을 따르는 것은 아니며, 천이 실행 동작은 천이 확률값 (천이 실행 / 천이 발생)으로 특징 지어진다. 이와 같은 동일한 절차를 수행하면 천이 시간 패턴 정보를 정의하는 정규 표현식이 복수의 TTO 시간을 갖는 각 천이에 첨부된다(도 6 5 참조). 천이 시간 인스턴스의 시퀀스 패턴을 적절하게 정의할 수 있는 정규 표현식이 없다면, 천이 타임 패턴 정보는 확률값으로 특징 지워질 수 있으며, 이에 따라 MDSVTF 모델에 많은 제어 프로세스 정보를 포함할 수 있다. As shown in FIGS. 5 and 6, the
또한, 모델링 모듈(110)은 PLC 아날로그 입출력신호를 통계 기준에 따라 급격하게 변동하는 시점을 기준으로 복수의 세그먼트 구간들로 구분하고, 구분된 세그먼트 구간들의 양자화 정보를 포함하는 상기 기준 상태천이정보에 대한 MDSVTF 모델링을 수행한다. In addition, the
대부분의 PLC 아날로그 입출력신호는 상태가 자주 변경된다. 모델링 모듈(110)은 연속적으로 변하는 PLC 아날로그 입출력신호에 대해 다음과 같은 방식으로 처리한다.Most PLC analog input/output signals change their state frequently. The
MDSVTF 모델에서 상태 및 천이는 신호의 상태 값 변경 작업을 기반으로 정의된다. 따라서, PLC 아날로그 입출력신호의 상태값이 자주 변경되면 MDSVT 모델에 너무 많은 상태와 천이가 발생할 수 있다. 이것은 상태 공간과 메모리 공간의 엄청난 크기를 요구할 수 있다. 따라서 모델링 모듈(110)은 MDSVTF 모델의 상태 공간 복잡성을 크게 줄이기 위해 신호 양자화(또는 데이터 비닝) 과정을 수행한다. In the MDSVTF model, states and transitions are defined based on a change in the state value of a signal. Therefore, if the state value of the PLC analog input/output signal is frequently changed, too many states and transitions may occur in the MDSVT model. This can require a huge amount of state space and memory space. Therefore, the
도 7은 PLC 제어 시스템 중에서 스탬핑 프레스 시스템을 예시하는 참조도이고, 도 8은 도 7에 도시된 스탬핑 프레스 시스템에 관한 PLC 아날로그 입출력신호의 상태 대 시간 차트를 예시하는 참조도이다. 또한, 도 9는 도 7에 도시된 스탬핑 프레스 시스템의 MDSVTF 모델을 예시하는 참조도이다.7 is a reference diagram illustrating a stamping press system among the PLC control systems, and FIG. 8 is a reference diagram illustrating a state versus time chart of a PLC analog input/output signal in the stamping press system shown in FIG. 7. In addition, FIG. 9 is a reference diagram illustrating an MDSVTF model of the stamping press system shown in FIG. 7.
모델링 모듈(110)은 PLC 아날로그 입출력신호에 대한 MDSVTF 모델링을 도 6에서 설명한 것과 동일한 절차에 따라 수행한다. 그러나 아날로그 센서 신호 ADS는 각각의 신호 주기에서 시간 간격 TI1 및 TI2 동안 주기적으로 그들의 상태값이 변경된다. 이들 두 간격 윈도우 내의 신호 ADS의 데이터 포인트들은 모델의 상태 공간 복잡성을 줄이기 위해 양자화 및 부호화될 필요가 있다(도 8 및 도 9 참조).The
도 8에 도시된 바와 같이, 시간 간격 TI1은 2 개의 불연속적이고 인접한 간격에 해당하는 즉 TI11 및 TI12로 분할된다. 또한, 시간 간격 TI2는 2 개의 동일한 길이의 간격, 즉 TI21 및 TI22로 분할된다. 이하, 이러한 유형의 시간 간격 분할은 '마크된 시간 간격(marked time interval)'으로 지칭되고, 마크된 시간 간격 내의 신호 세그먼트는 '마크된 신호 세그먼트'로 언급된다(판독기는 마크된 신호 세그먼트에 속하는 데이터 포인트들이 현저하게 변동하는 것을 인지해야 한다). 마크된 시간 간격 또는 마크된 신호 세그먼트의 경계가 분열적인 SSC 이벤트(이후 아날로그 입출력신호가 그 기울기를 급격하게 변경함)의 발생 시간에 근거하여 결정될 뿐만 아니라, 간격의 상태값 범위를 기반으로 결정된다. 모델링 모듈(110)은 기본적으로 사전 정의된 통계 기준에 따라 마크된 신호 세그먼트의 경계를 자동으로 결정한다. 마크된 신호 세그먼트 또는 마크된 시간 간격 내의 PLC 아날로그 입출력 신호의 모든 상태 값은 하나의 그룹을 구성하며 단일 SSC 이벤트로 간주된다 (즉, 대응하는 상태값 내의 상태값들은 단일 상태값으로 양자화된다).As shown in Fig. 8, the time interval TI1 is divided into two discontinuous and adjacent intervals, namely TI11 and TI12. Further, the time interval TI2 is divided into two equal length intervals, TI21 and TI22. Hereinafter, this type of time interval division is referred to as a'marked time interval', and a signal segment within a marked time interval is referred to as a'marked signal segment' (the reader belongs to the marked signal segment. It should be noted that the data points fluctuate significantly). The marked time interval or the boundary of the marked signal segment is determined not only based on the occurrence time of a disruptive SSC event (the analog input/output signal changes its slope sharply afterwards), but also based on the range of state values of the interval. . The
도 9에 도시된 바와 같이, 신호 상태 벡터의 SSC 요소는 정확히 같은 방법으로 계산된다. 그러나 PLC 아날로그 입출력 신호의 경우, 마크된 신호 세그먼트 내의 상태값은 상태값 범위 레이블(즉, 신호 이름의 연결 및 상태값 범위의 시작 및 끝 값 - 토큰은 '_'으로 구분된다)에 의해 확장 된 신호 레이블에 의해 단일 유닛으로 표시된다. 위의 신호 양자화 단계를 적용하여 MDSVTF 모델의 상태 공간 또는 메모리 공간 복잡성을 크게 줄일 수 있다. 여기서, sig_p_q 형식의 SSC 이벤트(여기서 sig는 PLC 아날로그 입출력신호의 이름이고 p와 q는 상태값 범위의 시작 및 끝점이다)는 PLC 아날로그 입출력신호 sig의 업데이트된 상태값이 [p, q] 범위 내에 있어야 한다는 것을 나타낸다(도 8 및 도 9 8 참조). 신호 상태 벡터가 그러한 SSC 이벤트를 포함하는 천이는 약간 다른 특성을 갖는다. 예를 들어, 천이 x → sig_p_q x'는 상태 x의 MDSVTF가 SSC 이벤트 sig_p_q (신호 sig의 업데이트 된 상태 값이 유효한 범위 내에 있다)를 승인하고, 다음 상태로 x '로 진행한다는 것을 나타낸다. 그러나 MDSVTF 는 상태 x '를 벗어날 때까지 그리고 다음 유효한 상태로 이동할 때까지, 아날로그 신호 sig의 연속적 변화 상태값은 [p, q] 범위 내에 있어야 한다.As shown in Fig. 9, the SSC element of the signal state vector is calculated in exactly the same way. However, in the case of PLC analog input/output signals, the status value within the marked signal segment is extended by the status value range label (i.e., the connection of the signal name and the start and end values of the status value range-tokens are separated by'_'). It is represented as a single unit by the signal label. By applying the above signal quantization step, the state space or memory space complexity of the MDSVTF model can be greatly reduced. Here, the SSC event in the form sig_p_q (where sig is the name of the PLC analog input/output signal and p and q are the start and end points of the status value range), the updated status value of the PLC analog input/output signal sig is within the range of [p, q]. Indicates that there should be (see Figs. 8 and 9 8). Transitions in which the signal state vector contains such SSC events have slightly different characteristics. For example, transition x → sig_p_q x'indicates that the MDSVTF of state x acknowledges the SSC event sig_p_q (the updated state value of signal sig is within the valid range) and proceeds to the next state x'. However, until the MDSVTF exits the state x'and moves to the next valid state, the value of the continuous change state of the analog signal sig must be within the range [p, q].
제1 오류검출모듈(120)은 모델링 모듈(110)에서 모델링된 상기 기준 상태천이정보를 상기 검출된 상태천이정보와 비교하여 상기 PLC 제어시스템의 오류 여부를 결정하고, 상기 PLC 제어시스템에 대한 오류 결정에 따라 오류 유형을 검출한다. The first
예를 들어, 제1 오류검출모듈(120)은 상기 검출된 PLC 디지털 입출력신호와 MDSVTF 모델링에 따른 상기 기준 상태천이정보의 온/오프 상태가 다른 경우에 상기 검출된 PLC 디지털 입출력신호에 대해 오류로 검출한다. 또한, 제1 오류검출모듈(120)은 상기 검출된 PLC 아날로그 입출력신호와 MDSVTF 모델링에 따른 상기 기준상태천이정보의 신호 상태 값이 일치하지 않는 경우에 상기 검출된 PLC 아날로그 입출력신호에 대해 오류로 검출한다.For example, when the detected PLC digital input/output signal and the on/off status of the reference state transition information according to MDSVTF modeling are different from each other, the first
제1 오류검출모듈(120)은 MDSVTF 모델의 상태 천이와 유사하지 않은 시스템 상태 천이가 관찰되는 경우에, 시스템에서 오류가 발생했음을 검출할 수 있다. MPFDT는 MDSVTF 모델 레이아웃에서 구현할 수 있다. 제1 오류검출모듈(120)은 다음과 같은 두 가지 유형의 오류를 감지 할 수 있다.The first
i) 천이 시간 오류 : 천이가 해당 TTO 시간보다 더 오래 걸리면 이러한 유형의 오류가 발생한다. i) Transition time error: This type of error occurs when the transition takes longer than the corresponding TTO time.
ii) 천이 및 천이 시간 확률 오류 : 특정 상태 또는 천이와 관련된 천이 또는 천이 시간 내에서 유의한 변화가 관찰되는 경우에 이러한 유형의 오류가 발생한다.ii) Transition and Transition Time Probability Errors: This type of error occurs when a significant change is observed within the transition or transition time associated with a particular state or transition.
오류 상태에서 PLC 입출력 신호가 발견되면 제어 프로세스에 오류가 발생한다. PLC 디지털 입출력신호의 경우, ON 상태 대신 OFF 상태가 관찰되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 반면 PLC 아날로그 입출력신호의 경우 관찰된 신호 세그먼트의 상태값 범위가 해당 마크된 신호 세그먼트의 상태값 범위와 일치하지 않는다는 것을 의미한다. If PLC input/output signals are found in an error state, an error occurs in the control process. In the case of PLC digital input/output signals, the OFF state is observed instead of the ON state, and vice versa. On the other hand, in the case of PLC analog input/output signals, it means that the range of the observed signal segment does not match the range of the marked signal segment.
PLC 제어 프로세스에는 두 가지 유형의 오류가 발생할 수 있다. 첫 번째 유형의 오류는 제어 시스템이 오류 또는 유효하지 않은 천이를 실행할 때 발생한다. 즉, 해당 MDSVTF 모델의 천이와 일치하지 않는 천이가 관찰되는 경우로, 이러한 유형의 오류가 더 자주 발생된다. 두 번째 유형의 오류는 제어 프로세스가 무한 루프에 있을 때 발생한다. 경우에 따라 센서 또는 엑츄에이터가 작동을 중지하면 후속 작업을 완료하지 않은 상태에서 제어 프로세스가 무한 루프에 갇히게 된다. 제1 오류검출모듈(120)은 입출력 신호 또는 시스템 상태의 상태 값이 오랜 시간 동안 변경되지 않았음(또는 아날로그 입출력신호의 경우에는 약간의 변화가 있을 수 있다)을 관찰할 수 있으므로, 이러한 유형의 오류를 식별할 수 있다.Two types of errors can occur in the PLC control process. The first type of error occurs when the control system executes an error or invalid transition. That is, when a transition that does not match the transition of the corresponding MDSVTF model is observed, this type of error occurs more often. The second type of error occurs when the control process is in an infinite loop. In some cases, when a sensor or actuator goes down, the control process gets stuck in an infinite loop without completing subsequent work. Since the first
제1 오류검출모듈(120)은 오류가 감지되면 잠재적인 오류 SSC 이벤트 (오류 후보 집합)를 모두 식별한다. 예를 들어, 오류의 첫 번째 유형인 경우에, 제1 오류검출모듈(120)은 MPFDT에 의해 생성된 오류 후보 집합으로서, 상태 X1에서 가능한 모든 천이의 모든 SSC 요소와 오류 천이의 모든 SSC 요소를 검출할 수 있다. 즉, 제1 오류검출모듈(120)은 기본적으로 발생할 것으로 예상되는 SSC 이벤트와 실제로 발생한 SSC 이벤트를 첫번째 유형의 오류 후보 결합으로 검출할 수 있다. 또한, 두 번째 유형의 오류(제어 프로세스가 무한 루프에 해당)의 경우, 제1 오류검출모듈(120)은 마지막으로 관찰된 천이의 액추에이터 SSC 요소(오류 천이의 SSC 요소 대신에)를 오류 후보 집합으로 검출한다. 이것은 마지막으로 관찰된 상태 천이와 연관된 액추에이터 동작 중 일부가 올바르게 실행되지 않았을 가능성이 있기 때문이다.When an error is detected, the first
실제 현장에서 PLC로 제어되는 시스템에서 얻은 로그 데이터는 일반적으로 수많은 데이터 부정확성이 포함되어 있다. 간단히 말해서 데이터 로거가 입출력 신호의 일부 빠른 상태 변환을 감지하지 못할 수도 있다. 따라서 MDSVTF 모델에서는, '안정적인 시스템 상태(stable system states)'의 카테고리에 속하는 상태만을 포함한다. 안정 시스템 상태는 데이터 로거가 완전한 상태 정보(모든 입출력 신호의 상태값)를 기록할 수 있는 긴 시간을 제어 프로세스가 소비(또는 정지)하는 상태를 나타낸다. Log data obtained from a system controlled by a PLC in the field generally contains a number of data inaccuracies. In short, the data logger may not detect some fast state transitions of the input and output signals. Therefore, in the MDSVTF model, only states belonging to the category of'stable system states' are included. Stable system state refers to a state in which the control process spends (or stops) a long time for the data logger to record complete state information (status values of all input and output signals).
또한, 상태 천이는 항상 일정한 시간이 걸리고 실제 시나리오에서는 그렇지 않기 때문에, TTO 시간 계산에 있어서 관찰된 천이 시간 인스턴스의 최대값은 실제 천이 시간으로 취해진다. 같은 이유로 PLC 아날로그 입출력신호의 상태값의 변동 때문에, sig_p_q 형식의 SSC 이벤트와 관련된 상태값 범위는 모든 관찰된 마크된 신호 세그먼트의 범위보다 넓게 설정될 수 있다.Further, since the state transition always takes a certain amount of time and not in an actual scenario, the maximum value of the observed transition time instances in the TTO time calculation is taken as the actual transition time. For the same reason, due to fluctuations in the status values of the PLC analog input/output signals, the status value range associated with the SSC event of the sig_p_q format can be set wider than the range of all observed marked signal segments.
전술한, MDSVTF 모델을 사용하여 시스템 작동에 심각한 영향을 미치는 오류 또는 이상을 확실히 감지할 수 있다. 그러나 시스템 작동에 큰 영향을 미치지 않는 일부 소프트 결함 및 이상은 감지되지 않을 수 있다. 오류가 제어 프로세스 작동에 많은 영향을 미치지 않는 두 가지 이유가 있을 수 있다. 첫째, 독립적인 센서에서 오류가 발생하면, 이는 시스템 아키텍처 설계 문제에 더 가깝기 때문에 시스템 아키텍처 설계 단계에서 해결해야 한다. 두 번째는 액추에이터 오류가 발생했기 때문이다. 액추에이터 신호가 출력 신호이기 때문에, 센서 고장과 달리 액추에이터 고장은 PLC 메모리 테이블에 반영되지 않는다. 따라서 제어 프로세스 모델은 변경되지 않을 수 있다. Using the MDSVTF model described above, errors or anomalies that seriously affect the operation of the system can be reliably detected. However, some soft faults and anomalies that do not significantly affect system operation may not be detected. There can be two reasons the error does not have much effect on the operation of the control process. First, when an error occurs in an independent sensor, it is more of a system architecture design problem and must be addressed in the system architecture design stage. The second is because an actuator error has occurred. Since the actuator signal is an output signal, unlike sensor failure, actuator failure is not reflected in the PLC memory table. Therefore, the control process model may remain unchanged.
이러한 이유로, 제2 오류 검출부(200)에 의한 오류 검출이 필요한 이유이다. 제2 오류 검출부(200)는 PLC 제어시스템의 제어에 따른 전력 소비신호 또는 상기 PLC 제어시스템의 제어에 따른 PLC 입출력신호를 분할하고, 분할된 신호로부터 복수개의 통계적 특징정보들과 특이값 분해(Singular Value Decomposition (SVD)) 알고리즘에 의한 특이값정보들을 추출하고, 상기 추출된 통계적 특징정보들 및 상기 특이값정보들을 트레이닝된 자기 연상 신경망(AANN: Autoassociative Neural Network)에 적용하여 PLC 제어시스템의 이상 여부를 검출한다. 제2 오류 검출부(200)는 아날로그 PLC 입출력 신호의 동작에 중요한 변화가 있는지 여부 또는 PLC 제어 시스템에서 장치의 전력 소비 프로파일에 중요한 변화가 있는지 여부를 기초로 하여 시스템의 오류 여부를 결정할 수 있다.For this reason, it is the reason that the second
도 10은 제2 오류 검출부(200)에 의해 수행되는 전반적인 오류 검출 절차를 예시하는 참조도이다. 제2 오류 검출부(200)는 기본적으로 자기 연상 신경망 (AANN) 기반의 단일 클래스 분류기에 해당하는 것으로, 해당 시계열 신호 즉, 전력 소비 또는 아날로그 입출력 신호의 특정 세그먼트의 중요한 변경 사항을 감지할 수 있는 방식으로 설계 및 훈련된다. 10 is a reference diagram illustrating an overall error detection procedure performed by the second
제2 오류 검출부(220)의 신호 분할 절차는 총 (N + M) 개의 시계열 데이터베이스를 생성한다. N 및 M 개의 데이터베이스가 각각 전력 소비 신호 및 아날로그 입출력신호의 분할 절차에 의해 생성된다(도 10 참조). 제2 오류 검출부(220)는 시계열 데이터베이스의 시계열 신호가 정상인지 또는 결함인지를 확인하는 것이다. 즉, 특정 시계열 데이터베이스에서 시계열 신호의 상당 부분이 결함으로 분류 된 경우에, 이러한 고장 또는 이상이 해당 센서 또는 액추에이터에서 발생했음을 결정할 수 있다. 이를 위해, 제2 오류 검출부(220)는 각 시계열 데이터베이스 당 하나씩 (N + M) 오류 검출부들을 구비할 수 있다. 각각의 제2 오류 검출부들은 서로 독립적으로 작동하며 모두 동일한 방식으로 정확하게 작동한다.The signal segmentation procedure of the second
이를 위해, 제2 오류 검출부(200)는 입출력신호 분할모듈(210), 전력신호 분할모듈(220), 통계적정보 검출모듈(230), 특이값 검출모듈(240) 및 제2 오류검출모듈(250)을 포함한다.To this end, the second
입출력신호 분할모듈(210)은 PLC 제어시스템의 동작을 위한 PLC 아날로그 입출력 신호에 대해 통전 사이클을 기준으로 분할한다. 입출력신호 분할모듈(210)은 분할된 PLC 아날로그 입출력신호를 통계적정보 검출모듈(230) 및 특이값 검출모듈(240)로 전달한다.The input/output
관심 영역을 분리하여 적절한 시계열 신호의 길이를 유지하기 위해, 입출력신호 분할모듈(210)은 아날로그 입출력 신호를 제2 오류검출모듈로 전달되기 전에 유사한 통계를 갖는 영역 (또는 세그먼트)으로 분할한다. In order to separate the region of interest and maintain the appropriate length of the time series signal, the input/output
도 11은 아날로그 입출력신호의 분할 과정을 설명하기 위한 일 실시예의 참조도이다. 도 11의 (a)는 AOD(Argon Oxygen Decarburization) 제강 시스템을 예시하고 있으며, 도 11의 (b)는 용광로 챔버 내부의 압력은 APS라는 아날로그 압력 센서로 측정되며, 아날로그 센서신호 APS의 신호 상태 대 타임 차트를 예시하고 있다.11 is a reference diagram of an embodiment for explaining a process of dividing an analog input/output signal. Figure 11 (a) illustrates an AOD (Argon Oxygen Decarburization) steelmaking system, and Figure 11 (b) shows that the pressure inside the furnace chamber is measured by an analog pressure sensor called APS, and the signal state of the analog sensor signal APS Here is an example of a time chart.
도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 입출력신호 분할모듈(210)은 전체 아날로그 입출력신호를 개별적인 통전 사이클로 분할하여, 궁극적으로 훈련 또는 분류를 위해 제2 오류 검출모듈(220)로 제공한다. PLC 입출력신호가 활성화되거나 스위치 ON될 때 통전 사이클이 시작되고, 비활성화 또는 스위치 OFF될 때 통전 사이클이 끝난다. 통전 사이클 윈도우 (각각, 대기 시간 간격 윈도우) 내의 신호 세그먼트 또는 영역은 일반적으로 활성 또는 비활성 신호 세그먼트 또는 영역으로 지칭된다. 입출력신호 분할모듈(210)은 아날로그 입출력 신호가 베이스 라인 레벨에서 멀어지기 시작할 때 활성화 상태로 판단하고, 베이스 라인 레벨로 되돌아 왔을 때 비활성화 상태로 판단한다. As shown in (b) of FIG. 11, the input/output
입출력신호 분할모듈(210)은 통전 사이클을 기반으로 아날로그 입출력 신호를 다음과 같은 기준으로 분할한다.센서에 결함이 발생하거나 액추에이터의 제어 프로세스에 오류가 있다면, 입출력신호 분할모듈(210)은 해당 아날로그 입출력 신호의 활성 영역이 비활성 영역보다 정상으로부터 벗어나는 경향이 있을 때 분할한다. 또한, 아날로그 입출력신호의 비활성 영역이 일반적으로 너무 길어서 신호 파형에서 주기 대 주기 차이를 보다 잘 포착하기 위해 신호에서 제거해야 할 필요가 있는 경우에 분할한다.The input/output
전력신호 분할모듈(220)은 PLC 제어시스템의 동작을 위해 제공되는 전력 소비신호에 대해 각각의 장치 클러스터마다 분할한다. 전력신호 분할모듈(220)은 분할된 전력소비신호를 통계적정보 검출모듈(230) 및 특이값 검출모듈(240)로 전달한다.The power
도 12는 전력 사용 데이터의 수집 과정을 예시하는 참조도이다. 12 is a reference diagram illustrating a process of collecting power usage data.
도 12를 참조하면, i) PLC 제어 제조 시스템에서 장치 또는 기계는 본질적으로 (전기 연결 지점에서) 다른 장치 클러스터들에 내재적으로 체계화된다. ii) 각 장치 클러스터의 전력 사용 데이터(순간 전력량)는 전력계에 의해 연속적으로 기록 (또는 샘플링)되어 해당 전력 사용량 로그 데이터베이스에 삽입된다. 따라서, 기본적으로 각 장치 클러스터마다 하나씩 전력 사용 로그 데이터베이스를 가질 수 있다. 전력신호 분할모듈(220)은 전력 소비 신호 (또는 전력 사용 로그 데이터베이스)를 개별적 및 독립적으로 처리한다. 이러한, 전력 소비 신호에 대한 분할 절차는 각 디바이스 클러스터 또는 전력 사용 로그 데이터베이스에 따라 반복될 필요가 있다.Referring to Fig. 12, i) a device or machine in a PLC controlled manufacturing system is inherently organized (at the point of electrical connection) in different device clusters. ii) Power usage data (instantaneous power consumption) of each device cluster is continuously recorded (or sampled) by a power meter and inserted into the corresponding power usage log database. Therefore, it is possible to basically have one power usage log database for each device cluster. The power
도 13은 소규모 장치 클러스터에 관한 것으로 로봇 드릴링 서브 시스템의 동작 과정을 예시하는 참조도이고, 도 14는 도 13에 도시된 장치 클러스터의 전력 소비 신호 프로파일 및 신호 분할 과정을 예시하는 참조도이다. 13 is a reference diagram illustrating an operation process of a robot drilling subsystem for a small device cluster, and FIG. 14 is a reference diagram illustrating a power consumption signal profile and a signal division process of the device cluster shown in FIG. 13.
생산 시스템 사이클 또는 생산주기는 원자재의 수령과 함께 시작하여 완제품의 방출로 끝난다. 도 14에 도시된 바와 같이, 먼저, 전력신호 분할모듈(220)은 각 생산 주기에 해당하는 장치 클러스터의 전력 소비 신호를 액추에이터 동작의 별개 세트에 근거하여(즉, 액츄에이터 세트는 그 특정 시간주기 동안 활성화된다는 것에 근거하여) 여러 개의 작은 세그먼트로 분할한다. 각각의 그러한 신호 세그먼트는 작업별 전력 세그먼트로 칭한다. 작업별 전력 세그먼트 TPS1은 기본적으로 액추에이터가 작동하지 않을 때의 전력 사용 프로파일을 나타낸다. 이를 전력 소비 신호의 비활성 세그먼트 또는 영역이라고 칭한다. The production system cycle or production cycle begins with the receipt of raw materials and ends with the release of the finished product. As shown in FIG. 14, first, the power
그 후, 전력신호 분할모듈(220)은 다음 단계에서 작업별 전력 세그먼트를 해당 특정 시간 동안 활성(또는 작동) 중인 액추에이터 유형에 따라 병합하거나 폐기한다(도 14 참조). 제어 공학 관점에서 제조 시스템은 두 가지 유형의 액추에이터를 가질 수 있다. 첫번째, 느슨하게 결합된 액추에이터로서, 액추에이터의 작동 상태 (예 : 정상 또는 결함)가 후속 제어 프로세스 작업에 어떤 영향을 미치지 않는 경우에 느슨하게 결합된 액추에이터라 칭한다. 두번째, 강하게 결합된 액추에이터로서, 대응하는 물리적 동작을 성공적으로 완료하지 않은 상태에서 나머지 제어 프로세스 동작이 정상적으로 실행될 수 없는 경우에 강하게 결합된 액추에이터라 칭한다. MPFDT의 MDSVTF 모델 기반 오류 및 이상 탐색 절차는 느슨하게 연결된 액추에이터와 관련된 오류 및 이상을 감지하지 못할 수 있다, 이러한 유형의 오류 및 예외는 전체 제어 프로세스 동작 또는 MDSVTF 모델에 의해 효과적으로 처리되지 않는다.Thereafter, the power
따라서, 느슨하게 결합된 액츄에이터에 해당하는 작업별 전력 세그먼트에 대해 추가적인 검사가 필요하다. 도 14에 도시된 바와 같이, 장치 클러스터에서 느슨하게 결합된 각 액추에이터의 경우에, 액츄에이터가 활성 상태인 동안 작업별 전력 세그먼트가 병합되고, 그 결과 세그먼트는 해당 시계열 데이터베이스에 삽입된다. 나머지 작업별 전력 세그먼트는 무시되거나 배제될 수 있다. 상기 신호 분할 프로세스는 각 생산 사이클에 대응하는 전력 소비 신호에 대해 반복될 수 있다. Therefore, additional inspection is required for the power segment per operation corresponding to the loosely coupled actuator. As shown in Fig. 14, for each actuator that is loosely coupled in the device cluster, the power segments for each task are merged while the actuator is active, and as a result, the segments are inserted into the corresponding time series database. The remaining task-specific power segments can be ignored or excluded. The signal dividing process may be repeated for the power consumption signal corresponding to each production cycle.
통계적정보 검출모듈(230)은 분할된 전력소비신호 또는 분할된 아날로그 입출력신호 각각에 대해 3개의 구간으로 세분화하고, 3개의 구간으로 세분화된 전력소비신호 또는 아날로그 입출력신호 각각에 대해 복수개의 통계 수식들을 이용하여 통계적 특징정보들을 검출한다.The statistical
통계적정보 검출모듈(230)은 통계수식으로서 다음의 표 1에 도시된 14개의 통계 수식들을 사용할 수 있다. The statistical
표 1에 기재된 바와 같이, 통계적정보 검출모듈(230)은 통계 수식으로서, 평균값(Mean) 수식, 표준편차(Standard Deviation) 수식, 제곱평균(Root Mean Square) 수식, 형상인자(Shape Factor) 수식, 피크값(Peak Value) 수식, 피크투피크값(Peak-to-Peak Value) 수식, 파고인자(Crest Factor) 수식, 임펄스인자(Impulse Factor) 수식, 잉여인자(Margin 또는 Clearance Factor) 수식, 왜곡값(Skewness) 수식, 왜곡인자(Skewness Factor) 수식, 첨예도(Kurtosis) 수식, 첨예도인자(Kurtosis Factor) 수식 및 엔트로피(Entropy) 수식 중 어느 하나 이상의 통계 수식을 적용하여 상기 통계적 특징정보를 각각 추출한다.As shown in Table 1, the statistical
도 15는 제2 오류 검출부(200)에 의해 수행되는 통계적 특징 추출, 특징 선택 및 AANN 학습 절차를 전체적으로 설명하기 위한 일 실시예의 흐름도이다. 또한, 도 16a 내지 도 16d는 도 15에 도시된 흐름도를 상세히 설명하기 위한 부분 흐름도이다.FIG. 15 is a flowchart of an embodiment for explaining the procedure of statistical feature extraction, feature selection, and AANN learning performed by the second
특징 추출 프로세스의 출력으로서 기본적으로 특징 데이터베이스 또는 P × 17 매트릭스를 포함하고 있다. 여기서 P는 시계열 데이터베이스에서 시계열 신호의 수이다. 통계적정보 검출모듈(230)은 10 개의 통계적 특징 값을 각 시계열 신호에서 추출하며, 후술하는 바와 같이 특이값 검출모듈(240)이 7 개의 특이값을 검출한다. As the output of the feature extraction process, it basically contains a feature database or a P × 17 matrix. Where P is the number of time series signals in the time series database. The statistical
도 16a는 통계적정보 검출모듈(230)의 동작 과정을 설명하는 흐름도의 일부 단계이다.16A is a partial step of a flowchart illustrating an operation process of the statistical
도 16a를 참조하면, 통계적정보 검출모듈(230)은 전술한 표 1에 기재된 복수의 통계 수식들을 이용하여 신호의 특징을 추출한다. 통계적정보 검출모듈(230)은사용되는 통계 수식 중에서 보다 오류 여부를 명확히 구분할 수 있는 수식을 선택할 수 있다. 통계적정보 검출모듈(230)은 아날로그 입출력 신호 또는 전력 소비신호를 3개의 신호로 세분화한다. 일반적으로, 3개로 분할하는 것이 가장 뚜렷한 특징을 얻을 수 있다. 통계적정보 검출모듈(230)는 세분화된 3개의 신호 각각에 대하여 통계 수식을 선정한다. 우선, 통계적정보 검출모듈(230)는 14개의 통계 수식을 각 신호에 대입하여 값을 산출한다. 그 후, 통계적정보 검출모듈(230)은 각 신호에 대입한 14개의 통계 수식 중에서 이상 신호를 잘 구분할 수 있는 상위 3개의 수식을 선정한다. 각 신호에서 3개의 값이 선정되므로, 총 9개의 값이 선정될 수 있을 것이다. 상위 3개의 수식을 선정하는 기준으로, 통계적정보 검출모듈(230)는모든 신호에 대하여 결과 값의 변동이 적은 수식을 선정하거나, 정상 상태에서의 신호와 오류 발생 시의 신호를 비교하였을 때, 명확한 결과 값의 차이를 제공하는 수식을 선택하거나, 같은 군집 내의 값이 밀집되어 있으며, 서로 다른 군집 간의 거리는 증가할 수록 좋은 특징을 갖는 수식으로 선정한다. Referring to FIG. 16A, the statistical
특이값 검출모듈(240)은 세분화된 신호로부터 특이값 분해(Singular Value Decomposition (SVD) 알고리즘에 의한 특이값정보들을 추출한다.The singular
도 16b는 특이값 검출모듈(240)의 동작 과정을 설명하는 흐름도의 일부 단계이다.16B is a partial step of a flowchart illustrating an operation process of the singular
도 16b를 참조하면, 특이값 검출모듈(240)은 통계적 방식으로 추출하기 어려운 특이값을 SVD 알고리즘을 이용하여 탐색한다. 예를 들어, 특이값 검출모듈(240)은 아날로그 입출력신호 또는 전력 소비신호를 11행의 크기를 갖는 행렬로 변환한다. 그 후, 특이값 검출모듈(240)은 변환된 행렬의 각 행을 SVD (Singular Value Decomposition) 알고리즘에 대입하여 11개의 결과를 추출한다. 특이값 검출모듈(240)은 11개의 결과 중에서 상위 7개의 결과를 선정한다. 정상과 이상 데이터를 가장 잘 구분할 수 있는 결과를 기준으로 선정한다. Referring to FIG. 16B, the singular
제2 오류검출모듈(250)은 추출된 통계적 특징정보들 및 상기 특이값 정보들을 상기 자기 연상 신경망(AANN) 알고리즘에 의한 동질성 매핑 과정을 수행하여 상기 PLC 제어시스템의 이상 여부를 검출한다. The second
도 16c 및 도 16d는 제2 오류검출모듈(250)의 동작 과정을 설명하는 흐름도의 일부 단계이다.16C and 16D are some steps of a flowchart illustrating an operation process of the second
도 16c에 도시된 바와 같이, 제2 오류검출모듈(250)은 시계열 길이값 1개를 포함한 통계적 특징정보 10개와 특이값 정보 7개를 포함한 17개의 특징을 데이터베이스에 저장한다. 이 때, 제2 오류검출모듈(250)은 신호의 길이 벡터 1개를 함께 저장한다. As shown in FIG. 16C, the second
그 후, 도 16d에 도시된 바와 같이, 제2 오류검출모듈(250)은 데이터베이스에 저장된 특징들을 자기 연상 신경망(AANN) 알고리즘을 통해 학습시킨다. 제2 오류검출모듈(250)은 학습된 결과를 별도의 데이터베이스에 저장할 수 있으며, 이렇게 학습된 신경망을 통해 등록된 정보들과 관찰된 정보들을 비교하여 PLC 제어 시스템의 오류를 검출할 수 있다. Thereafter, as shown in FIG. 16D, the second
제2 오류검출모듈(250)은 두 개의 데이터베이스 즉, 참조 시계열 데이터베이스와 쿼리 시계열 데이터베이스를 구비하고 있다. 참조 시계열 데이터베이스에는 많은 수의 정상 시계열 신호를 포함하고 있다. 제2 오류검출모듈(250)은 참조 시계열 데이터베이스의 샘플을 사용하여 학습한다. 반면, 쿼리 시계열 데이터베이스는 관찰된 아날로그 입출력신호 또는 전력 소비 신호로부터 추출된 적은 수의 샘플들을 포함한다. 제2 오류검출모듈(250)은 시계열 데이터베이스 내의 시계열 신호가 정상 또는 오류인지 여부를 결정한다. 이를 위해, 제2 오류검출모듈(250)은 각 시계열 데이터베이스에 대해 AANN 기반 신호편차 검출 알고리즘을 구비한다.The second
제2 오류검출모듈(250)은 참조 특징 데이터베이스의 특성 벡터를 사용하여 훈련될 필요가 있다. 제2 오류검출모듈(250)이 완전히 훈련되면 쿼리 시계열 데이터베이스에서 시계열 신호를 분류하는데 적용할 수 있다. 제2 오류검출모듈(250)은 AANN을 시계열 분류기로 사용한다. AANN은 기본적으로 동질성 매핑을 수행하도록 설계된 자체 감독 피드 포워드 신경망의 한 종류이다. 네트워크가 특정 클래스의 샘플로부터 추출된 특징 벡터를 사용하여 완전히 훈련되면, 동일한 클래스의 샘플로부터 추출된 입력 특징 벡터에 대한 재구성 에러는 다른 클래스의 샘플의 그것보다 상당히 낮을 것으로 예상된다. 따라서, AANN의 입력 벡터와 출력 벡터 사이의 거리(흔히 NOVELTY INDEX라고도 함)는 입력 샘플의 상태를 특성화하기 위한 지표로 사용될 수 있다. 또한, 적절한 임계값을 결정함으로써, 테스트 또는 쿼리 샘플은 정상 또는 오류 그룹으로 분류될 수 있다. The second
다음은 참조 시계열 데이터베이스와 쿼리 시계역 데이터베이스의 예시적인 사례를 의미한다. The following is an example of a reference time series database and a query time range database.
사례 1: 도 8에 도시된 아날로그 센서신호의 ADS의 활성 신호 세그먼트 Case 1: Active signal segment of ADS of analog sensor signal shown in FIG. 8
참조 시계열 데이터베이스는 200 개의 정규 신호 샘플을 포함할 수 있다. 신호 샘플은 도 7의 스탬핑 프레스 시스템을 시뮬레이션하여 생성된다. 시뮬레이터는 아날로그 센서 신호 ADS의 각 통전 사이클이 60 ~ 61 초 내에 완료되는 방식으로 프로그램되어 있다.The reference time series database may include 200 normal signal samples. Signal samples are generated by simulating the stamping press system of FIG. 7. The simulator is programmed in such a way that each energization cycle of the analog sensor signal ADS is completed within 60 to 61 seconds.
이에 대응하는 쿼리 시계열 데이터베이스는 90 개의 신호 샘플을 포함할 수 있다. 첫 번째 60개 샘플은 정상 신호 샘플이고 나머지 30개 샘플은 결함이 있는 신호 샘플이다. 표준 신호 샘플은 참조 시계열 데이터베이스에서 설명한 절차와 동일한 절차에 따라 생성된다. 오류 신호 샘플을 생성하기 위해, 시뮬레이터는 아날로그 센서신호 ADS의 각 통전 사이클이 완료되는데 61.5 ~ 62.5 초가 걸리는 방식으로 재 프로그래밍된다. 실제로 이는 스탬핑 프레스 액추에이터를 무작위로 느리게 하거나 속도를 높임으로써 이루어질 수 있다. 스탬핑 프레스 시스템의 속도 향상 또는 감속 모드는 해당 통전 사이클 시간 내에 언제라도 시작할 수 있고 완료 할 수 있다.The corresponding query time series database may include 90 signal samples. The first 60 samples are normal signal samples and the remaining 30 samples are defective signal samples. Standard signal samples are generated according to the same procedure as described in the reference time series database. To generate a sample of the error signal, the simulator is reprogrammed in such a way that it takes 61.5 to 62.5 seconds for each energization cycle of the analog sensor signal ADS to complete. In practice this can be done by randomly slowing down or increasing the speed of the stamping press actuator. The speed up or deceleration mode of the stamping press system can be started and completed at any time within the corresponding energization cycle time.
사례 2: 도 11에 도시된 아날로그 센서신호의 ADS의 활성 신호 세그먼트Case 2: Active signal segment of ADS of analog sensor signal shown in FIG. 11
참조 시계열 데이터베이스는 200 개의 정규 신호 샘플을 포함할 수 있다. 신호 샘플은 도 11의 AOD 스테인리스 제강 시스템을 시뮬레이션하여 생성된다. 시뮬레이터는 용광로 내부의 압력이 120 (± 2) 초 간격으로 0.7 (± 0.02) 기압 (atm)에서 0.5 (± 0.02) 기압으로 떨어지는 방식으로 프로그래밍된다.The reference time series database may include 200 normal signal samples. Signal samples are generated by simulating the AOD stainless steel system of FIG. 11. The simulator is programmed in such a way that the pressure inside the furnace drops from 0.7 (± 0.02) atmosphere (atm) to 0.5 (± 0.02) atmosphere in 120 (± 2) second intervals.
이에 대응하는 쿼리 시계열 데이터베이스는 90 개의 신호 샘플을 포함할 수 있다. 첫 번째 60 개 샘플은 정상 신호 샘플이고 나머지 30 개 샘플은 결함이 있는 신호 샘플이다. 정상 신호 샘플은 참조 시계열 데이터베이스에서 설명한 절차와 동일한 절차에 따라 생성된다. 오류 신호 샘플을 생성하기 위해 시뮬레이터는 용광로 내부의 압력이 121 (± 3) 초 간격으로 0.76 (± 0.03) 기압에서 0.44 (± 0.03) 기압으로 떨어지는 방식으로 재 프로그램된다.The corresponding query time series database may include 90 signal samples. The first 60 samples are normal signal samples and the remaining 30 samples are defective signal samples. Normal signal samples are generated according to the same procedure as described in the reference time series database. To generate a sample of the error signal, the simulator is reprogrammed in such a way that the pressure inside the furnace drops from 0.76 (± 0.03) air pressure to 0.44 (± 0.03) air pressure in 121 (± 3) second intervals.
사례 3: 도 14에 도시된 로봇 드릴링 시스템의 소비 전력 신호 세그먼트Case 3: Power consumption signal segment of the robotic drilling system shown in FIG. 14
참조 시계열 데이터베이스는 200 개의 정규 신호 샘플을 포함한다. 소비 전력 신호는 3 분 동안 스핀들 모터를 가동하여 수집되며, 이 프로세스는 40 개의 소비 전력 샘플을 얻기 위해 40 번 반복될 수 있다. 다른 160 개의 신호 샘플은 40 개의 신호 샘플에 작은 랜덤 노이즈를 추가하여 생성된다.The reference time series database contains 200 normal signal samples. The power consumption signal is collected by running the spindle motor for 3 minutes, and this process can be repeated 40 times to obtain 40 power consumption samples. Another 160 signal samples are generated by adding small random noise to the 40 signal samples.
이에 대응하는 쿼리 시계열 데이터베이스는 40 개의 신호 샘플을 포함한다. 처음 30 개 샘플은 정상 신호 샘플이고 나머지 10 개 샘플은 결함이 있는 신호 샘플이다. 정상 신호 샘플은 참조 시계열 데이터베이스에서 설명한 절차와 동일한 절차에 따라 생성된다. The corresponding query time series database contains 40 signal samples. The first 30 samples are normal signal samples and the remaining 10 samples are defective signal samples. Normal signal samples are generated according to the same procedure as described in the reference time series database.
도 17a 내지 도 17c는 본 발명에 따른 제2 오류 검출부(200)의 분류 성능을 예시하는 참조도이다. 도 17a는 사례 1의 쿼리 시계열 데이타베이스에 대한 제2 오류 검출부(200)의 분류 성능을 나타내고, 도 17b는 사례 2의 쿼리 시계열 데이타베이스에 대한 제2 오류 검출부(200)의 분류 성능을 나타내고, 도 17c는 사례 3의 쿼리 시계열 데이타베이스에 대한 제2 오류 검출부(200)의 분류 성능을 나타내는 참조도이다.17A to 17C are reference diagrams illustrating classification performance of the second
도 17a 내지 도 17c에 도시된 바와 같이, 제2 오류 검출부(200)는 거의 모든 샘플을 정확하게 분류 할 수 있다. 도 17a에서 알 수 있듯이, 제2 오류 검출부(200)는 2개를 제외하고 대부분의 샘플을 정확하게 분류 할 수 있다. 사례 1의 경우 제2 오류 검출부(200)는 이 사례 연구에서 사용된 결함이 있는 샘플이 정상적인 샘플과 크게 다르지 않기 때문에 몇 가지 샘플을 올바르게 분류하지 못한다. 그러나, 사례 2 및 사례 3에서는 현실적인 교육 및 테스트 샘플이 사용되었으며, 제2 오류 검출부(200)는 모든 샘플을 정확하게 분류하고 있음을 확인할 수 있다. 17A to 17C, the second
본 발명은 소프트웨어적인 프로그램으로 구현하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 소정 기록매체에 의해 구현될 수 있다. 예컨대, 기록매체는 각 재생장치의 내장형으로 하드디스크, 플래시 메모리, RAM, ROM 등이거나, 외장형으로 CD-R, CD-RW와 같은 광디스크, 콤팩트 플래시 카드, 스마트 미디어, 메모리 스틱, 멀티미디어 카드일 수 있다.The present invention can be implemented by a computer-readable recording medium by implementing a software program. For example, the recording medium may be a hard disk, flash memory, RAM, ROM, etc. as a built-in type of each playback device, or an optical disk such as a CD-R or CD-RW, a compact flash card, a smart media, a memory stick, or a multimedia card as an external type. have.
이상과 같이 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments disclosed in the specification of the present invention are not intended to limit the present invention. The scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technologies within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
100: 제1 오류 검출부
110: 모델링 모듈
120: 제1 오류검출모듈
200: 제2 오류 검출부
210: 입출력신호 분할모듈
220: 전력신호 분할모듈
230: 통계적정보 검출모듈
240: 특이값 검출모듈
250: 제2 오류 검출모듈 100: first error detection unit
110: modeling module
120: first error detection module
200: second error detection unit
210: I/O signal division module
220: power signal division module
230: statistical information detection module
240: singular value detection module
250: second error detection module
Claims (10)
상기 PLC 제어시스템의 제어에 따른 전력 소비신호 또는 상기 PLC 제어시스템의 제어에 따른 PLC 입출력신호를 분할하고, 분할된 신호로부터 복수개의 통계적 특징정보들을 추출하고, 상기 추출된 통계적 특징정보들을 트레이닝된 자기 연상 신경망(ANNN: Autoassociative Neural Network)에 적용하여 상기 PLC 제어시스템의 이상 여부를 검출하는 제2 오류 검출부를 포함하고,
상기 제1 오류 검출부는,
상기 PLC 입출력신호를 구성하는 PLC 디지털 입출력신호 및 PLC 아날로그 입출력신호에 대한 상기 기준 상태천이정보를 모델링하는 모델링 모듈; 및
상기 모델링 모듈에서 모델링된 상기 기준 상태천이정보를 상기 검출된 상태천이정보와 비교하여 상기 PLC 제어시스템의 오류 여부를 결정하고, 상기 PLC 제어시스템에 대한 오류 결정에 따라 오류 유형을 검출하는 제1 오류검출모듈을 포함하고,
상기 모델링 모듈은,
상기 PLC 디지털 입출력신호에 대응하는 천이 타임아웃 시간정보 및 신호상태 벡터정보를 포함하는 상기 기준 상태천이정보에 대한 MDSVTF 모델링을 수행하는 것을 특징으로 하는 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템. The state values at the same time for each of a plurality of device operations according to the PLC input/output signal of the PLC (Programmable Logic Controller) control system are detected as state transition information for the PLC control system, and the detected state transition information and the A first error detection unit that compares reference state transition information during normal operation of the PLC control system to detect whether or not there is an error in the PLC control system; And
The power consumption signal according to the control of the PLC control system or the PLC input/output signal according to the control of the PLC control system are divided, a plurality of statistical feature information is extracted from the divided signal, and the extracted statistical feature information is trained. Including a second error detection unit for detecting the abnormality of the PLC control system by applying to an associative neural network (ANNN: Autoassociative Neural Network),
The first error detection unit,
A modeling module for modeling the reference state transition information for a PLC digital input/output signal and a PLC analog input/output signal constituting the PLC input/output signal; And
The first error for determining whether or not the PLC control system has an error by comparing the reference state transition information modeled in the modeling module with the detected state transition information, and detecting an error type according to the error determination for the PLC control system. Including a detection module,
The modeling module,
An error detection system according to PLC control, characterized in that performing MDSVTF modeling on the reference state transition information including transition timeout time information and signal state vector information corresponding to the PLC digital input/output signal.
상기 모델링 모듈은,
상기 PLC 아날로그 입출력신호를 통계 기준에 따라 급격하게 변동하는 시점을 기준으로 복수의 세그먼트 구간들로 구분하고, 구분된 세그먼트 구간들의 양자화 정보를 포함하는 상기 기준 상태천이정보에 대한 MDSVTF 모델링을 수행하는 것을 특징으로 하는 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템. The method according to claim 1,
The modeling module,
Dividing the PLC analog input/output signal into a plurality of segment segments based on a time point at which the PLC analog input/output signal rapidly fluctuates according to a statistical standard, and performing MDSVTF modeling on the reference state transition information including quantization information of the segmented segment segments. Error detection system according to PLC control, characterized by.
상기 제1 오류검출모듈은,
상기 검출된 PLC 디지털 입출력신호와 MDSVTF 모델링에 따른 상기 기준 상태천이정보의 온/오프 상태가 다른 경우에 상기 검출된 PLC 디지털 입출력신호에 대해 오류로 검출하는 것을 특징으로 하는 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템. The method according to claim 1,
The first error detection module,
Error detection system according to PLC control, characterized in that when the detected PLC digital input/output signal and the on/off status of the reference state transition information according to MDSVTF modeling are different, the detected PLC digital input/output signal is detected as an error. .
상기 제1 오류검출모듈은,
상기 검출된 PLC 아날로그 입출력신호와 MDSVTF 모델링에 따른 상기 기준상태천이정보의 신호 상태 값이 일치하지 않는 경우에 상기 검출된 PLC 아날로그 입출력신호에 대해 오류로 검출하는 것을 특징으로 하는 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템. The method according to claim 1,
The first error detection module,
Error detection according to PLC control, characterized in that when the detected PLC analog input/output signal and the signal status value of the reference state transition information according to MDSVTF modeling do not match, the detected PLC analog input/output signal is detected as an error. system.
상기 제2 오류 검출부는,
상기 PLC 제어시스템의 동작을 위한 PLC 아날로그 입출력 신호에 대해 통전 사이클을 기준으로 분할하는 입출력신호 분할모듈; 및
상기 PLC 제어시스템의 동작을 위해 제공되는 전력 소비신호에 대해 각각의 장치 클러스터마다 분할하는 전력신호 분할모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템. The method according to claim 1,
The second error detection unit,
An input/output signal dividing module for dividing a PLC analog input/output signal for operation of the PLC control system based on an energization cycle; And
And a power signal dividing module for dividing the power consumption signal provided for the operation of the PLC control system for each device cluster.
상기 제2 오류 검출부는,
상기 분할된 전력 소비신호 또는 상기 분할된 아날로그 입출력신호 각각에 대해 3개의 구간으로 세분화하고, 3개의 구간으로 세분화된 상기 전력 소비신호 또는 상기 아날로그 입출력신호 각각에 대해 평균값 수식, 표준편차 수식, 제곱평균 수식, 형상인자 수식, 피크값 수식, 피크투피크값 수식, 파고인자 수식, 임펄스인자 수식, 잉여인자 수식, 왜곡값 수식, 왜곡인자 수식, 첨예도 수식, 첨예도인자 수식 및 엔트로피 수식 중 어느 하나 이상의 통계 수식을 적용하여 상기 통계적 특징정보를 각각 추출하는 통계적 정보 검출모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템. The method of claim 7,
The second error detection unit,
The divided power consumption signal or each of the divided analog input/output signals is subdivided into three sections, and the average value formula, standard deviation formula, and square mean for each of the power consumption signals or the analog input/output signals subdivided into three sections Any one or more of formula, shape factor formula, peak value formula, peak-to-peak value formula, crest factor formula, impulse factor formula, redundant factor formula, distortion value formula, distortion factor formula, sharpness formula, sharpness factor formula, and entropy formula And a statistical information detection module for extracting each of the statistical feature information by applying a statistical formula.
상기 제2 오류 검출부는,
상기 분할된 전력 소비신호 또는 상기 분할된 아날로그 입출력신호로부터 특이값 분해(Singular Value Decomposition (SVD)) 알고리즘에 의한 특이값정보들을 추출하는 특이값 검출모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템. The method of claim 7,
The second error detection unit,
Error according to PLC control, characterized in that it comprises a singular value detection module for extracting singular value information by a singular value decomposition (SVD) algorithm from the divided power consumption signal or the divided analog input/output signal. Detection system.
상기 제2 오류 검출부는,
상기 추출된 통계적 특징정보들 및 상기 특이값 정보들을 상기 자기 연상 신경망(AANN) 알고리즘에 의한 동질성 매핑 과정을 수행하여 상기 PLC 제어시스템의 이상 여부를 검출하는 제2 오류검출모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 PLC 제어에 따른 오류 검출 시스템.
The method of claim 9,
The second error detection unit,
And a second error detection module configured to detect an abnormality in the PLC control system by performing a homogeneity mapping process using the self-associative neural network (AANN) algorithm on the extracted statistical feature information and the singular value information. Error detection system according to PLC control.
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Families Citing this family (5)
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---|---|---|---|---|
KR102220138B1 (en) * | 2020-08-03 | 2021-02-26 | 주식회사 유디엠텍 | Apparatus and method for detecting process abnormality according to analysis of control section temperature signal |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005115426A (en) * | 2003-10-02 | 2005-04-28 | Omron Corp | Anomaly recovery support apparatus and anomaly recovery support system |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10281859A (en) * | 1997-04-07 | 1998-10-23 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | Abnormality diagnostic method and device |
JPH11212637A (en) * | 1998-01-22 | 1999-08-06 | Hitachi Ltd | Method and device for preventive maintenance |
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005115426A (en) * | 2003-10-02 | 2005-04-28 | Omron Corp | Anomaly recovery support apparatus and anomaly recovery support system |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102484932B1 (en) * | 2022-03-24 | 2023-01-06 | 온시큐리티 주식회사 | Method and apparatus for detecting anomalies in industrial control system using status information of industrial facilities |
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