KR102350323B1

KR102350323B1 - 배관 하중 모니터링 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102350323B1
Application number: KR1020210051452A
Authority: KR
Inventors: 조선영; 하승우; 백진수; 김화수
Original assignee: 케이.엘.이.에스 주식회사
Priority date: 2021-04-21
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-01-12

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배관 하중 모니터링 시스템은, 배관의 하중을 지지하는 행거와, 배관 클램프가 포함되는 배관지지장치가 마련되고, 계측부가 상기 행거와 배관 클램프 사이에 연결 장착되도록 설치되어 데이터 계측 및 모니터링을 수행하는 배관 하중 모니터링 시스템에 있어서, 배관의 변위 데이터를 측정하기 위한 변위계측부와, 로드셀을 이용하여 하중 데이터를 계측하기 위한 하중계측부를 포함하는 계측부; 계측부에 마련되어 하중 데이터와 변위 데이터에 대한 계측값을 표시하고, SIM 구동부로 하중 데이터와 변위 데이터를 전달하는 기능을 수행하는 SIM; 상기 SIM으로부터 하중 데이터와 변위 데이터를 전달받아 모니터링 화면에 제공하는 상기 SIM 구동부; 상기 SIM 구동부에서 수집된 하중 데이터 및 변위 데이터를 전송받아 저장하는 로컬서버를 포함한다.

Description

배관 하중 모니터링 시스템 및 방법{Pipe load monitoring system and method}

본 발명은 배관 하중 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배관의 하중, 변위 계측 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 기반으로 통계 데이터를 제공하여 지속적으로 모니터링하고 관리할 수 있는 배관 하중 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.

배관은 보통 지하에 매설되어 물, 가스, 원유 등을 운반하는 데 이용된다. 배관은 오랜 운용연한을 가질수록, 부식 등으로 인한 손상이 배관에 점점 더 가해질 수 있다. 게다가, 배관이 매설된 지역은 그 주변에 수많은 진동이 존재하고 있으며, 특히 배관이 매설된 지역에서 타공사가 이루어질 경우에는 그 타공사에 의한 진동으로 인해 배관에 손상이 가해질 우려가 있으므로, 이에 따라 배관에서 발생하는 이상 상태 신호를 감지해낼 수 있다면, 배관에 이상이 있는지 여부를 미리 모니터링할 수 있게 된다.

종래의 배관 모니터링 시스템은, 배관을 지지하기 위한 배관지지장치, 배관의 온도변화를 계측하기 위한 온도 계측장치, 상기 배관지지장치에 설치되며 배관의 처짐을 계측하기 위한 처짐 계측장치, 상기 배관지지장치에 설치되며, 배관의 3축 변위를 측정하기 위한 3축 변위 계측장치 등을 포함하나, 이러한 종래의 배관 모니터링 시스템은 변위를 계측하고 있을 뿐으로서 실제 배관을 지지하는 스프링 행거에 하중이 얼마나 걸리고 있는지, 스프링 행거가 제 역할을 하고 있는지 즉 스프링이 열화되어 있는지를 모니터링할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 전술한 문제를 해결하기 위하여 이러한 배관 관련 계측정보를 수집하여 체계적으로 관리하고, 모니터링 및 유지보수 등에 활용할 수 있도록 종합적으로 통합 관리하는 배관 하중 모니터링 시스템 및 방법에 대한 연구가 필요하게 되었다.

한국등록특허 제10-1147989호 (2012.05.15. 등록)

본 발명의 목적은 배관의 하중, 변위 데이터를 계측하여 지역 관리자가 확인할 수 있도록 표시하여 제공함과 아울러, 로컬서버를 거쳐 관제서버로 해당 데이터를 수집할 수 있도록 제공하고, 수집된 데이터를 토대로 배관 수명, 크리프, 피로 상태를 진단하여 통계자료로 제공하고, 모니터링을 지속적으로 수행하여 종합 관리할 수 있는 배관 하중 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 SIM 구동부는 모니터링용 PC에 설치되는 하중, 변위를 포함한 각종 배관 종합 감시 정보를 수집하여 모니터링하는 관리 프로그램을 포함하며, 상기 관리 프로그램은 각 배관에 결합된 행거 장치별로 계측되는 하중 및 변위 데이터에 대한 수집 여부가 관리자 입력에 의해 결정되도록 제공하며, 장치별 데이터에 대한 관리를 체계적으로 수행하기 위한 모니터링 뷰(Monitoring View), 설정 뷰(Setting View) 기능을 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 모니터링 뷰는 실시간으로 수집된 배관의 하중, 변위 데이터를 설치 위치별로 표현하며, 수집된 데이터를 분석하여 데이터의 이상 상태를 표현하고, 화면 구성은 수집 여부에 대한 상태와 데이터 수집시 수집 데이터의 진행도를 표시하는 진행바(Progressive Bar) 영역과 수집된 데이터를 표시하는 데이터 그리드(Data Grid) 영역으로 구성되며, 상기 설정 뷰에서는 실시간으로 수집되는 하중, 변위 데이터의 모니터링 외에 SIM의 설정 값 변경 및 읽기, 알람 범위 설정을 할 수 있도록 제공되는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 로컬서버와 통신망을 통하여 연결되고, 배관 주요 부위의 온도/변위 데이터, 배관지지장치의 하중/변위 데이터, 배관의 수명을 실시간 감시가 가능하며, 고온, 고압에 의해 배관에서 발생할 수 있는 변형이나 뒤틀림을 평가한 진단 결과를 생성하여 지속적인 배관에 대한 모니터링 및 관리를 수행하는 관제서버를 포함한다.

상기 관제서버는 발전소 배관별 설치되는 행거에 따라 체계적 관리 및 모니터링이 가능하도록 발전소 배관의 행거(Hanger) 리스트를 표시하고, 상기 행거를 선택하면 선택한 행거에 대한 수집된 하중, 변위 데이터 추이(Trend) 정보를 표시하는 화면이 제공되고, 배관 3D 모델링에 의한 3D 배관 형상 위에 배관 부위의 실시간 변위를 3D Vector 및 3D Label을 통해 표시되도록 하며, 배관 주변에 설치되는 센싱부를 통하여 수집된 실시간 온도는 온도별 색상을 통해 표시하며, 배관의 하중 및 변위는 라벨(Label)을 통해 표시되도록 하고, 설정값을 기준으로 허용 범위 이상의 변형값이 검출되면, 색상을 다르게 화면 표시함으로써 관리자에게 시각적으로 알려주도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 관제서버는 모니터링 화면에서 트렌드 뷰(Trend View) 기능을 통하여 실시간 데이터 추이를 조회할 수 있으며, 분석 뷰(Analysis View) 기능을 통하여 수집된 과거 이력 변위, 온도, 하중 데이터를 토대로 크리프/피로(Creep/Fatigue) 수명 평가와 배관 변형 추이를 분석하여 배관 부위 상태를 진단하여 진단 결과를 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 관제서버는 상기 로컬서버로부터 수집된 하중 데이터, 변위 데이터를 전송받는 통신부; 상기 통신부를 통하여 수집된 하중 데이터, 변위 데이터를 각 카테고리별로 목록화하여 저장하고 관리하는 수집부; 상기 수집부와 연계하여, 수집된 계측 데이터를 빅데이터화하여 데이터베이스에 저장하고 관리하도록 함과 아울러, 해당 데이터들을 기반으로 각 발전소 별 또는 배관 행거별로 수집된 계측 데이터 및 생성된 진단 결과 데이터에 대한 통계 자료를 생성하여 모니터링 자료로 활용되도록 관리하는 통계부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 배관 하중 모니터링 시스템을 이용한 배관 하중 모니터링 방법에 있어서, 상기 계측부에서 계측된 변위, 하중 데이터를 SIM 구동부에서 수집하는 단계; 상기 수집된 변위, 하중 데이터를 SIM 구동부의 프로그램 화면에서 표시하여 현장이나 로컬에 위한 관리자가 모니터링할 수 있도록 제공하는 단계; 상기 수집된 데이터를 통신망을 통하여 연결되는 관제서버 또는 관리자단말기로 전송하여, 지속적으로 모니터할 수 있도록 제공하는 단계; 상기 관제서버는 모니터를 통하여 하중, 변위 데이터를 기반으로 생성된 3D 모델링 형태의 배관에서 이상 배관을 확인하고, 트렌드 뷰를 통하여 수집된 하중, 변위 데이터를 그래프화시켜 실시간 추이(Trend)와 과거 이력 추이 조회가 가능하도록 제공되는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 배관 하중 모니터링 시스템 및 방법은 배관의 하중, 변위 데이터를 계측하여 지역 관리자가 확인할 수 있도록 표시하여 제공하고, 로컬서버를 거쳐 관제서버로 해당 데이터를 수집할 수 있도록 제공하고, 수집된 데이터를 토대로 배관 수명, 크리프, 피로 상태를 진단하여 통계자료로 제공하고, 모니터링을 지속적으로 수행하여 종합 관리 및 유지보수에 도움을 주는 효과가 있다.

또한 수집된 하중, 변위에 대한 계측 데이터와 센싱 데이터를 이용하여 예측모델을 통하여 각 데이터의 예측값을 산출하여 미리 예측된 결과를 활용하여 배관 관리를 효율적이고, 사전적 예방이 가능하도록 함과 아울러, 나아가 미리 설정된 기준값을 토대로 예측값이 오류인지 정상 데이터인지를 구분하는데 활용할 수 있으며, 오차에 대해서는 반복 학습을 통하여 보상하거나, 예측모델을 평가모델로 평가하는데 활용하고, 예측모델을 수정하여 업그레이드할 수 있어 모델 신뢰도를 향상시키고, 궁극적으로 단순 통계 자료 활용보다 나은 시스템 모니터링 및 유지 보수가 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 배관 하중 모니터링 시스템의 개념을 보인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 하중 모니터링 시스템의 전체 구성을 보인 블록도이다.
도 3은 도 2의 로컬서버의 세부 구성을 보인 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 하중 모니터링 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 배관 하중 모니터링 시스템에서 마련되는 하중계측부의 실시예를 보여주는 도면이다.
도 6은 SIM 구동부의 관리 프로그램 화면 예를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 관리 프로그램의 데이터 그리드에 표시되는 목록 예를 도시한 도면이다.
도 8은 배관에 설치되는 행거 목록을 표시하는 예를 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 목록으로 제공되는 데이터 예를 도시한 도면이다.
도 10은 3D 모델링 배관 및 행거 목록을 표시한 화면 예를 도시한 도면이다.
도 11은 관제서버의 모니터링 화면에서 트렌드 뷰 기능을 표시한 화면 예를 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

본 발명의 배관 하중 모니터링 시스템은 발전용 고온/고압 배관의 수명향상을 위한 통합관리시스템으로서, 예컨대 보일러, 터빈 등에 연결되어 고온/고압에서 운전되는 발전용 배관의 3차원 거동과 배관온도 및 배관지지장치의 상태 및 배관의 수명을 실시간으로 감시할 수 있으며, 배관 및 배관지지장치의 도면 등의 관련 DB를 구축하고 원격으로 종합적으로 관리, 감시할 수 있는 배관 수명향상을 위한 통합관리 시스템이다.

기본적으로 배관에 설치되는 배관지지장치는 도 5를 참조하면, 배관의 하중을 지지하며 하중 눈금을 통해 육안 계측을 할 수 있게 하는 행거와, 배관 클램프가 포함될 수 있으며, 하중 계측을 하는 로드셀(111)과, 하중을 표시하는 표시부(112) 등을 포함하는 하중계측부(110)가 배관의 행거와 배관 클램프 사이에 연결 장착되도록 설치되어 본 발명의 하중 계측을 수행할 수 있다.

또한 추가적으로 배관지지장치에는 도시하지 않았지만, 러그, 플레이트, 실린더, 플렌저, 지지대 등이 더 포함될 수 있다.

본 발명의 배관 하중 모니터링 시스템은 도 1 및 도 2를 참조하면 계측부(100), 센싱부(130), SIM(Support Indicator Module, 140), SIM 구동부(200), 로컬서버(300), 통신망(400) 상의 관제서버(500) 및 관리단말이 포함될 수 있다.

계측부(100)는 구체적으로 배관의 변위를 측정하기 위한 변위계측부(120)와, 하중을 계측하기 위한 하중계측부(110)를 더 포함할 수 있으며, 센싱부(130)는 배관과 배관 주변의 각종 센싱정보를 측정하기 위한 온도센서, 습도센서 등이 포함될 수 있다.

또한, 변위계측부(120)는 발전소 배관의 주요 부위에 설치되어 3차원 변위를 계측할 수 있는 3차원 변위계측장치(3DDMS)가 포함될 수 있으며, 배관의 실시간 3차원 변위를 측정할 수 있다.

변위계측부(120)는 변위를 계측하기 위해 배관이나, 변위 감시가 필요한 배관지지장치 측에 추가로 설치될 수도 있으며, 3차원 변위계측장치에 의해 측정되는 실시간 변위 정보는 내부 통신(예 : RS-485 시리얼 통신)으로 로컬서버(300, 예 : SPPMS Server)에 전송된다.

또한 하중계측부(110)는 하중감시가 필요한 주요 배관지지장치에 설치되며, 실시간 하중 정보를 계측할 수 있으며, 내부 통신(RS-485 시리얼 통신)으로 로컬서버(300)에 전송된다.

SIM(140)은 계측부(100)와 센싱부(130)에 개별적으로 설치되어 계측값을 표시하고, SIM 구동부(200)로 계측된 데이터를 전달하는 기능을 수행할 수 있다. 예컨대 상술한 바와 같이 도 5의 표시부(112)가 SIM(140)에 해당할 수 있다.

로컬서버(300)는 배관 변위 정보, 하중 정보, 센싱 정보를 수집 저장하고, 이러한 수집된 정보를 토대로 배관의 수명을 평가하여 저장하고, 클라이언트(Client)에 해당하는 관제서버(500) 또는 관리자단말과 통신망(400, 예: TCP 등)으로 연결되어 관리자가 요청한 수집된 각종 데이터를 전송한다.

관제서버(500) 또는 관리자단말에서는 실시간 이력 조회를 통하여 배관 변위, 하중 정보를 모니터링하고, 해당 정보들을 토대로 배관의 응력, 피로 수명, 크리프 수명 등을 평가한 배관 수명 분석을 수행한다.

즉, 로컬서버(300)에서 수집된 데이터는 로컬서버(300)에서 처리 및 저장되며, 통신망(400)을 통하여 연결되는 중앙제어실(MCR), 전산실(Computer Room) 및 관리자단말에서 로컬서버(300)와 연동하기 위한 클라이언트 프로그램(예 : PMS Viewer)을 설치하면 수집된 데이터에 해당하는 배관 종합 감시 정보(하중, 변위 데이터 등)를 확인할 수 있다.

SIM 구동부(SIM Driver, 200)는 모니터링용 PC에 설치되는 하중, 변위를 포함한 각종 배관 종합 감시 정보를 수집하여 모니터링하는 관리 프로그램 자체이거나 관리 프로그램이 설치된 모니터링용 PC에 해당하며, 각 계측부(100)와 센싱부(130)에 설치된 SIM(140)을 통해서 수집된 배관 또는 배관지지장치의 하중, 변위 데이터를 분석하여 배관 또는 배관지지장치의 이상 상태를 실시간으로 모니터링한다.

또한 SIM 구동부(200)에서 수집된 데이터는 로컬서버(300)의 데이터베이스(예: 도 1의 SPPMS Server)에 실시간으로 저장할 수 있으며, 그리고 SIM(140)의 상태를 확인할 수도 있다.

또한 SIM 구동부(200)는 각 연결된 배관에 결합된 행거 장치별로 계측되는 하중 및 변위 데이터에 대한 수집 여부가 관리자 입력에 의해 결정될 수 있으며, 장치별 데이터에 대한 관리를 체계적으로 수행하기 위한 모니터링 뷰(Monitoring View), 설정 뷰(Setting View) 기능 등을 제공한다.

모니터링 뷰는 실시간으로 수집된 배관의 하중, 변위 데이터를 설치 위치별로 표현하며, 수집된 데이터를 분석하여 데이터의 이상 상태를 표현하고, 화면 구성은 도 6을 참조하면, 수집 여부에 대한 상태와 데이터 수집시 수집 데이터의 진행도를 표시하는 진행바(Progressive Bar) 영역과 수집된 데이터를 장치(행거)별 리스트 형태로 표시하는 데이터 그리드(Data Grid) 영역으로 구성되어 있다.

데이터 그리드 영역에는 도 7을 참조하면, 발전소 호기 및 SIM 장비번호, 데이터 취득 시간, 배관지지장치 또는 배관 하중, 하중 데이터의 상태(기준값에 따라 양호 또는 불량 상태(error code) 표시), 하중 상태(Safety, Danger로 구분), 이상 하중(하중 ??설정 범위), 변위, 변위 데이터의 상태(양호 또는 불량), 이상 변위 상태(Safety, Danger로 구분), 이상 변위(변위-설정 범위) 등이 리스트 형태로 표시될 수 있다.

설정 뷰에서는 실시간으로 수집되는 데이터의 모니터링 외에 SIM(140)의 설정 값 변경 및 읽기, 알람(Alarm) 범위 설정을 할 수 있으며, 화면 구성은 프로그램 가동 상태를 표현하는 진행바 영역과 수집된 데이터를 표현하는 데이터 그리드 영역으로 구성되어 있다.

본 발명의 시스템은 상술한 데이터를 수집하는 로컬서버(300)와 통신망(400)을 통하여 연결된 관제서버(500) 또는 관리자단말에서 배관 주요 부위의 온도/변위 데이터, 배관지지장치의 하중/변위 데이터, 배관의 수명을 실시간 감시가 가능하며, 이를 통해 고온, 고압에 의해 배관에서 발생할 수 있는 순간적인 변형이나 뒤틀림을 평가한 결과를 제공받아 지속적인 배관에 대한 모니터링을 할 수 있다.

또한 관제서버(500) 또는 관리자단말의 화면에서는 발전소 배관별 설치되는 행거에 따라 체계적 관리 및 모니터링이 가능하도록 발전소 배관의 행거(Hanger) 리스트를 표시할 수 있다. 행거를 선택하고 메뉴 버튼을 실행하면 선택한 행거에 대한 수집된 하중, 변위 데이터 추이(Trend) 정보 등을 표시하는 화면이 실행된다. 화면 상에는 예를 들어 도 8 및 도 9를 참조하면, 행거의 종류 및 구성 계층(발전소 회사명, 위치, 행거 종류 등), 행거 라인 종류, 행거명, 변위계측장치 및 SIM 장비번호, 해석번호 등이 표시될 수 있다.

나아가 화면에 표시되는 부가 기능으로, 도 10을 참조하면 배관 3D 모델링에 의한 직관적인 화면을 제공하여 3D 배관 형상 위에 3차원 변위계측장치가 설치된 부위의 실시간 변위는 3D Vector 및 3D Label을 통해 표시된다.

또한 실시간 온도는 3D 배관 형상의 온도별 색상을 통해 표시되며, 그리고 SIM(140)이 설치된 위치는 스프링(Spring Symbol)을 통해 표현하며 배관지지장치의 하중 및 변위는 라벨(Label)을 통해 표시되고, 3D Design Value Vector와 실시간 3D Vector의 비교를 통해서 어떤 축으로 이탈이 발생하고 있는지 보여줄 수 있다.

또한 이때, 실시간 감시 중에 설정값을 기준으로 허용 범위 이상의 변형값이 검출되면, 3D Vector와 3D Label의 색상(예 : 적색)을 다르게 화면 표시함으로써 관리자에게 시각적으로 알려주도록 하고, 추가로 스피커를 통하여 경보음을 출력할 수도 있다.

즉, 실시간 변위 모니터링 중에 설정값의 허용 범위 이상으로 배관이 움직이면 경보가 통보되도록 하고, 경보가 발생한 배관 부위의 3D Vector 및 3D Label이 적색으로 표시되고, 경보 이력은 과거 데이터 조회 시 확인할 수 있도록 저장되어 관리된다.

또한 도 11을 참조하면, 트렌드 뷰를 통하여 실시간 데이터 추이를 조회할 수 있다. 즉, 트렌드 뷰(Trend View)는 실시간 추이(Trend)와 과거 이력 추이 조회가 모두 가능하며, 실시간 추이에서 행거의 현재 데이터 추이를 조회한다. 행거에 설치된 장치(Device)에 따라 3차원 변위 데이터(3DDMS Data)를 표현하는 차트(Chart)와 하중에 대한 SIM Data를 표현하는 차트로 구분되어 표시할 수 있다.

특히, Trend Legend에 실시간 변위(X, Y, Z)와 온도 데이터와 알람 상태가 표시되어 배관 변위 추이를 즉시 판단하여 조치가 가능하도록 표시된다.

또한 추가적으로 분석 뷰(Analysis View) 기능을 통하여 수집된 과거 이력 변위, 온도, 하중 데이터를 토대로 크리프/피로(Creep/Fatigue) 수명 평가와 배관 변형 추이를 분석하여 배관 부위 상태를 진단하여 진단 결과를 제공할 수 있다.

또한 생성되는 실시간 크리프/피로(Creep/Fatigue) 수명 데이터와 과거 Creep/Fatigue 수명 데이터 조회가 가능하며, 실시간 Creep/Fatigue 데이터에서 현재 배관의 수명 추이를 조회할 수도 있다.

종합적으로 배관 변형 추이 분석 및 진단을 수행할 수 있으며, 저장된 과거 이력 변위, 온도, 하중, 수명 데이터로 배관 변형 추이를 분석하여 배관 점검 부위 상태를 진단할 수 있다.

즉, 과거 이력을 3D Vector를 통해 행거의 변위 및 온도 변화 추이를 분석할 수 있으며, 과거 이력 추이를 통해 행거의 변위 및 온도 변화 추이를 분석할 수 있으며, 설정값 기준으로 평가된 과거 이력 크리프(Creep)/피로(Fatigue) 데이터를 통해 배관의 수명 추이 분석할 수 있다.

상술한 기능을 수행하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 관제서버(500)는 통신부(510), 수집부(520), 통계부(530), 예측학습부(540), 보안부(550) 및 데이터베이스(560)를 더 포함할 수 있다.

통신부(510)는 통신망(400)을 통하여 로컬서버(300)와 통신하기 위한 적어도 하나의 통신 프로토콜이 마련되며, 로컬서버(300)로부터 수집된 계측 데이터인 하중 데이터, 변위 데이터 및 각종 센싱 데이터(온도, 습도 등)를 전송받는다.

수집부(520)는 통신부(510)를 통하여 로컬서버(300)로부터 수집된 계측 데이터를 각 카테고리별로 목록화하여 저장하고 관리하는 기능을 수행할 수 있다.

통계부(530)는 수집부(520)와 연계하여, 수집된 계측 데이터를 빅데이터화하여 데이터베이스(560)에 저장하고 관리하도록 함과 아울러, 해당 데이터들을 기반으로 각 발전소 별 또는 배관 행거별로 수집된 계측 데이터 및 생성된 진단 결과 데이터에 대한 통계 자료를 생성하여 모니터링 자료로 활용되도록 관리한다.

통계자료에는 계측 데이터를 기반으로 배관 상태를 진단하기 위해 상술한 바와 같이 3D 모델링이나 추이 그래프 형태로 재생성하고 이상 상태를 색상, 라벨 등으로 표시한 자료가 포함될 수 있다.

예측학습부(540)는 예측모델을 이용하여 예측 결과를 산출하고, 예측 결과를 토대로 예측된 허용 오차 범위 이내인지 센싱부(130) 또는 계측부(100)의 측정값을 예측할 수 있다.

또한 계측부(100)에 계측된 하중 데이터, 변위 데이터, 온습도센서로부터 수집된 온습도에 대한 센싱정보를 토대로 예측된 예측값이 설정된 허용 오차 범위 내인지 여부에 따라 예측값의 정확도를 판별할 수 있다. 이와 같은 예측값의 정확도 판별은 데이터 패턴에 대해 정확하게 구분할 수 있도록 하는 예측기법이 사용될 수 있으며, 예컨대 서포트 벡터 머신(SVM : Support Vector Machine) 기법을 사용할 수 있다.

서포트 벡터 머신이란 클래시피케이션(classification), 리그레션(regression), 특이점 판별(outliers detection) 등에 주로 사용되는 지도 학습(Supervised Learning) 머신 러닝 방법 중 하나이다.

예를 들어, 두 그룹의 데이터셋을 구분하는 여러 가지 방법 중에 각 그룹의 최대 거리에 있는 중간지점을 정확하게 구분할 수 있는 것이 분류정확도를 높일 수 있는 최적의 방법이라고 할 수 있으며, 결과적으로 예측값이 오류인지 정상 데이터인지를 구분하는데 활용될 수 있으며, 학습을 통하여 데이터가 누적될수록 예측 정확도는 증가하게 된다.

예측모델 적용시, 센싱부(130), 계측부(100)의 데이터 예측에 대한 예측모델을 생성하며, 예측모델은 적용되는 조건에 따라 다수개가 마련될 수 있다. 또한 예측모델의 초기값으로 센싱부(130) 또는 계측부(100)의 출하시 제공되는 모델정보를 토대로 설정된 허용 오차 또는 오작동 범위 등을 입력변수로 할 수 있다.

또한, 예측학습부(540)는 예측 결과가 허용 오차 범위를 벗어난 경우 오차 차이만큼 보상하여 예측값을 관리자에게 제공하거나, 예측 기능을 중단하고 유지 보수 경고 알람을 중앙의 관제서버(500)에 연결된 관리자 화면에 팝업하여 알리거나, 관리자단말에 전송할 수도 있다.

또한 예측학습부(540)는 센싱정보 및 예측모델의 예측결과를 이용하여 학습을 수행하고, 반복된 학습을 통하여 계측부(100) 또는 센싱부(130)의 오차 또는 오작동에 대한 예측모델을 업그레이드 할 수 있다.

또한 여기서 예측모델은 인공지능 기반의 예측 알고리즘으로, 예컨대 서포터 벡터 머신 외에도 층 신경망(DNN)을 사용하거나 합성곱신경망(CNN) 또는 순환신경망(RNN) 방식 등을 복합적으로 활용할 수 있다.

이를 통해 계측부(100) 또는 센싱부(130)의 오차 또는 오작동에 대한 미세한 보정이 이루어져, 학습이 거듭될수록 예측 정확도가 향상되어 예측된 오차 범위가 줄어들어 계측된 데이터 또는 센싱 데이터의 오차 및 오작동 판단의 정확도를 높일 수 있도록 한다.

또한, 예측학습부(540)에서 센싱정보를 처리하는 경우, 시계열적인 데이터셋을 신경망을 통해 학습시키는 것보다, 센싱정보를 주파수 도메인으로 변환하여 이후 단계에서 학습이나 분석하는 것이 특히, 센서 데이터의 변화 추이가 중요한 상황에서는 효과적일 수 있고, 이러한 주파수 도메인의 변환에는 보다 구체적으로 패스트-푸리에-변환(FFT: Fast Fourier Transformation)이 바람직하다.

여기서 예측모델 및 평가모델은 인공신경망(Artificial Neural Network), RBF(Radial Basis Function) 신경망, 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine) 알고리즘 등을 기반으로 한 예측모델 및 평가모델일 수 있다.

나아가 예측학습부(540)는 초기에 수집된 센싱정보가 없는 경우 해당 계측부(100) 또는 센싱부(130)의 모델 초기값(허용 오차 등)을 기준으로 현재능력을 모델 변수로 한 평가모델을 이용하여 평가를 수행하거나 누적된 계측 데이터 및 센싱정보에 대한 빅데이터를 이용하여 예측모델의 예측값에 대하여 평가할 수 있다.

또한 예측학습부(540)는 빅데이터를 이용하여 예측모델 및 평가모델을 업그레이드한다. 이때 예측모델 및 평가모델 업그레이드는 기설정된 기준값을 이용하여 가중치에 따라 해당 모델의 변수를 조정하는 등의 업그레이드가 이루어질 수 있다. 나아가, 예측모델 및 평가모델을 통한 예측이나 평가가 수행됨에 따라 해당 모델에 대한 업그레이드가 지속적으로 이루어져 적응(Adaptation)해 나갈 수 있다.

즉, 예측모델의 수행결과 발전량 등의 예측값들이 일정한 패턴을 나타내면, 패턴에 따라 해당 모델의 변수를 조정하여 업그레이드가 지속적으로 이루어지는 적응 단계를 거치게 된다. 또한, 적응 단계를 거친 해당 모델들은 인공지능 알고리즘에 의해 궁극적으로 스스로 자가 진화(self-evolution)가 가능해진다.

센싱정보, 예측값 및 평가정보는 빅데이터화되고, 빅데이터는 주기적으로 갱신되기 때문에, 빅데이터를 이용하여 예측모델 및 평가모델을 주기적으로 업그레이드하여 빅데이터의 변화된 패턴에 따라 적응할 수 있게 함으로써, 모델의 신뢰성을 보장할 수 있게 하는 것이다.

또한 예측학습부(540)는 예측모델의 평가를 수행한 해당 평가모델에 대해서 재평가한 재평가정보를 제공받을 수 있다. 즉, 제공받은 재평가정보로 평가모델의 문제점을 머신러닝을 기반으로 적응하여 평가모델을 업그레이드하고 적응할 수 있으므로 평가모델에 대한 평가 신뢰성도 확보할 수 있다.

데이터베이스(560)는 계측 데이터, 센싱정보, 예측값 및 평가정보를 빅데이터화하여 저장하고, 복수의 예측모델 및 평가모델을 저장하고, 이들 모델의 업그레이드가 이루어지도록 빅데이터를 제공할 수 있다. 빅데이터화되는 각 정보들은 현재 수집된 데이터뿐만 아니라 과거 데이터에 대해서도 모두 포함할 수 있다.

또한 보안부(550)는 부가적으로 로컬서버(300), 관리자단말기(600), 관제서버(500)간의 주고받는 정보(예를 들어 하중, 변위에 대한 계측 데이터, 센싱정보 등)는 외부 해킹 등의 위험으로부터 정보를 보호하기 위해, 데이터 송/수신에 암/복호화 기술을 적용할 수 있다.

보다 구체적으로, 관제서버(500)는 로컬서버 또는 관리자단말기(600)에 각각 신분 증명이 가능한, 식별 정보(identification information)를 부여하여, 각 로컬서버 또는 관리자단말기(600)의 식별 정보를 사설 암호 키(private key)로 활용하는 경량 암호 알고리즘을 수행한다.

경량 암호 알고리즘에는 본원 발명의 관리자단말기(600)와 같은 스마트 기기 등의 제한된 환경에서 구현하기 위해 설계된 암호 기술로서, 대칭키 암호 알고리즘인 HIGHT(HIGh security and light weigHT), LEA(Lightweight Encryption)와 해시함수인 LSH(Lightweight Secure Hash) 등을 활용할 수 있다.

이러한 경량 암호 알고리즘을 활용하여 센싱정보 등을 암/복호화 시킴으로써 해당 데이터의 외부 유출이나 외부 해킹으로 인한 불법적인 제어 등을 막을 수 있다. 경량 암호 알고리즘은 이러한 임베디드 컴퓨팅 환경에서 적합한 경량 해시 함수(lightweight hash function)를 사용하는 것이 바람직하다.

경량 해시 함수란 SHA-3와 같은 표준적인 암호화 해시 알고리즘에서 일부 컴퓨팅 파워가 높게 소요되는 특징들을 제외하고도 송신 또는 수신되는 데이터의 무결성을 보장할 수 있도록 설계된 컴퓨팅 파워가 상대적으로 낮게 소모되는 해시 함수(일방향 함수)이다.`

보다 구체적으로는 이러한 경량 해시함수 중에서도 키가 없이(unkeyed) 데이터의 치환(permutation)이 가능하도록 하는 스폰지(Sponge) 알고리즘을 사용하는 것이 바람직하다.

좀더 구체적으로 스폰지는 원본 메시지(여기서는 랜덤키의 원본 데이터)를 일정한 크기로 만든 뒤(padding), 이를 키의 생성자만 알 수 있는 특정한 기준 크기(예를 들어 특정 비트 사이즈로 분할된 원본 메시지)로 복수 개로 분할한 뒤, 복수 개로 분할된 데이터(분할된 원본 메시지)의 후단에 랜덤한 데이터들을 여러 업데이트 함수를 활용하여 교환하고, 반대편에서는 이미 알고 있는 기준 크기를 활용하여 복호화도록 구현된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 하중 모니터링 방법의 순서도이다.

먼저, 본 발명의 배관 하중 모니터링 방법은, 계측부(100)에서 계측된 변위, 하중 데이터를 SIM 구동부(200)에서 수집할 수 있다(S100).

수집된 데이터를 SIM 구동부(200)의 프로그램 화면에서 표시하여 현장이나 로컬에 위한 관리자가 모니터링할 수 있도록 제공한다(S102).

또한 수집된 데이터는 통신망(400)을 통하여 연결되는 관제서버(500) 또는 관리자단말기(600)로 전송되어, 하중, 변위 데이터를 기반으로 3D 모델링 형태의 배관을 시각적으로 표시하여 관리자가 지속적으로 모니터할 수 있도록 제공된다(S104).

관제서버(500)의 관리자는 모니터를 통하여 하중, 변위 데이터를 기반으로 생성된 3D 모델링 형태의 배관에서 이상 배관을 직관적인 화면으로 확인할 수 있으며, 트렌드 뷰를 통하여 하중, 변위 데이터를 그래프화시켜 실시간 추이(Trend)와 과거 이력 추이 조회가 가능하도록 제공된다(S106).

또한, 이상 배관에 대해 색상(예: 적색)을 다르게 표시하여 직관적으로 확인 가능하게 하고, 경보음을 추가로 출력할 수도 있다(S108).

나아가, 관제서버(500)는 상술한 바와 같이 수집된 하중, 변위에 대한 계측 데이터와 센싱 데이터를 이용하여 예측모델을 통하여 각 데이터의 예측값을 산출할 수 있다(S110).

해당 예측값은 미리 설정된 기준값을 토대로 예측값이 오류인지 정상 데이터인지를 구분하는데 활용할 수 있으며, 오차에 대해서는 반복 학습을 통하여 보상하거나, 예측모델을 평가모델로 평가하는데 활용하고, 예측모델을 수정하여 업그레이드할 수 있다(S112).

본 명세서에서 ‘단말기’는 휴대성 및 이동성이 보장된 무선 통신 장치일 수 있으며, 예를 들어 스마트폰, 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치일 수 있다. 또한, ‘단말기’는 통신망(400)을 통해 다른 단말기 또는 서버 등에 접속할 수 있는 PC 등의 유선 통신 장치인 것도 가능하다. 또한, 통신망(400)은 단말기들 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 광역 통신망(WAN: Wide Area Network), 인터넷 (WWW: World Wide Web), 유무선 데이터 통신망, 전화망, 유무선 텔레비전 통신망 등을 포함한다.

무선 데이터 통신망의 일례에는 3G, 4G, 5G, 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evolution), WIMAX(World Interoperability for Microwave Access), 와이파이(Wi-Fi), 블루투스 통신, 적외선 통신, 초음파 통신, 가시광 통신(VLC: Visible Light Communication), 라이파이(LiFi) 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.

100 : 계측부
110 : 하중계측부
111 :　로드셀
112 : 표시부
120 : 변위계측부
130 : 센싱부
140 : SIM
200 : SIM 구동부
300 : 로컬서버
400 : 통신망
500 : 관제서버
510 : 통신부
520 : 수집부
530 : 통계부
540 : 예측학습부
550 : 보안부
560 : 데이터베이스
600 : 관리자단말기

Claims

배관의 하중을 지지하는 행거와, 배관 클램프가 포함되는 배관지지장치가 마련되고, 계측부가 상기 행거와 배관 클램프 사이에 연결 장착되도록 설치되어 데이터 계측 및 모니터링을 수행하는 배관 하중 모니터링 시스템에 있어서,
배관의 변위 데이터를 측정하기 위한 변위계측부와, 로드셀을 이용하여 하중 데이터를 계측하기 위한 하중계측부를 포함하는 계측부;
계측부에 마련되어 하중 데이터와 변위 데이터에 대한 계측값을 표시하고, SIM 구동부로 하중 데이터와 변위 데이터를 전달하는 기능을 수행하는 SIM;
상기 SIM으로부터 하중 데이터와 변위 데이터를 전달받아 모니터링 화면에 제공하는 상기 SIM 구동부;
상기 SIM 구동부에서 수집된 하중 데이터 및 변위 데이터를 전송받아 저장하는 로컬서버
상기 로컬서버와 통신망을 통하여 연결되고, 배관 주요 부위의 온도/변위 데이터, 배관지지장치의 하중/변위 데이터, 배관의 수명을 실시간 감시가 가능하며, 고온, 고압에 의해 배관에서 발생할 수 있는 변형이나 뒤틀림을 평가한 진단 결과를 생성하여 지속적인 배관에 대한 모니터링 및 관리를 수행하는 관제서버를 포함하며,
상기 관제서버는
발전소 배관별 설치되는 행거에 따라 체계적 관리 및 모니터링이 가능하도록 발전소 배관의 행거(Hanger) 리스트를 표시하고,
상기 행거를 선택하면 선택한 행거에 대한 수집된 하중, 변위 데이터 추이(Trend) 정보를 표시하는 화면이 제공되고,
배관 3D 모델링에 의한 3D 배관 형상 위에 배관 부위의 실시간 변위를 3D Vector 및 3D Label을 통해 표시되도록 하며,
배관 주변에 설치되는 센싱부를 통하여 수집된 실시간 온도는 온도별 색상을 통해 표시하며, 배관의 하중 및 변위는 라벨(Label)을 통해 표시되도록 하고,
설정값을 기준으로 허용 범위 이상의 변형값이 검출되면, 색상을 다르게 화면 표시함으로써 관리자에게 시각적으로 알려주도록 하며,
모니터링 화면에서 트렌드 뷰(Trend View) 기능을 통하여 실시간 데이터 추이를 조회할 수 있으며,
분석 뷰(Analysis View) 기능을 통하여 수집된 과거 이력 변위, 온도, 하중 데이터를 토대로 크리프/피로(Creep/Fatigue) 수명 평가와 배관 변형 추이를 분석하여 배관 부위 상태를 진단하여 진단 결과를 제공하며,
상기 관제서버는
상기 로컬서버로부터 수집된 하중 데이터, 변위 데이터를 전송받는 통신부;
상기 통신부를 통하여 수집된 하중 데이터, 변위 데이터를 각 카테고리별로 목록화하여 저장하고 관리하는 수집부;
상기 수집부와 연계하여, 수집된 계측 데이터를 빅데이터화하여 데이터베이스에 저장하고 관리하도록 함과 아울러, 해당 데이터들을 기반으로 각 발전소 별 또는 배관 행거별로 수집된 계측 데이터 및 생성된 진단 결과 데이터에 대한 통계 자료를 생성하여 모니터링 자료로 활용되도록 관리하는 통계부;
예측모델을 이용하여 예측 결과를 산출하고, 예측 결과를 토대로 예측된 허용 오차 범위 이내인지 센싱부 또는 계측부의 측정값을 예측하고, 예측 결과가 허용 오차 범위를 벗어난 경우 오차 차이만큼 보상하여 예측값을 제공하거나, 예측 기능을 중단하고 유지 보수 경고 알람을 중앙의 관제서버에 연결된 관리자 화면에 팝업하여 알리거나, 관리자단말에 전송할 수 있는 예측학습부;
상기 로컬서버, 관리자단말, 관제서버간의 주고받는 정보인 하중, 변위에 대한 계측 데이터, 센싱정보는 해당 정보를 보호하기 위해, 데이터 송/수신에 암/복호화 기술을 적용하되, 관제서버, 로컬서버 또는 관리자단말에 각각 신분 증명이 가능한, 식별 정보(identification information)를 부여하여, 각 로컬서버 또는 관리자단말의 식별 정보를 사설 암호 키(private key)로 해시함수를 활용하는 경량 암호 알고리즘을 수행하고, 경량 해시함수 중에서도 키가 없이(unkeyed) 데이터의 치환(permutation)이 가능하도록 하는 스폰지(Sponge) 알고리즘을 사용하는 보안부를 더 포함하며,
상기 예측학습부는
센싱정보 및 예측모델의 예측결과를 이용하여 학습을 수행하고, 반복된 학습을 통하여 계측부 또는 센싱부의 오차 또는 오작동에 대한 예측모델을 업그레이드 할 수 있으며,
초기에 수집된 센싱정보가 없는 경우 해당 계측 또는 센싱부의 모델 초기값을 기준으로 현재능력을 모델 변수로 한 평가모델을 이용하여 평가를 수행하거나 누적된 계측 데이터 및 센싱정보에 대한 빅데이터를 이용하여 예측모델의 예측값에 대하여 평가할 수 있으며,
상기 센싱정보, 예측결과 및 평가모델이 수행한 평가 정보는 빅데이터화되고, 빅데이터는 주기적으로 갱신되어, 빅데이터를 이용하여 예측모델 및 평가모델을 주기적으로 업그레이드하여 빅데이터의 변화된 패턴에 따라 적응할 수 있게 함으로써, 모델의 신뢰성을 보장할 수 있게 하며,
상기 예측모델 및 평가모델은 합성곱신경망(CNN), 순환신경망(RNN), 인공신경망(Artificial Neural Network), RBF(Radial Basis Function) 신경망, 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine) 알고리즘 중 어느 하나를 기반으로 한 모델인 것을 특징으로 하는 배관 하중 모니터링 시스템.
제1항에 있어서,
상기 SIM 구동부는
모니터링용 PC에 설치되는 하중, 변위를 포함한 각종 배관 종합 감시 정보를 수집하여 모니터링하는 관리 프로그램을 포함하며,
상기 관리 프로그램은 각 배관에 결합된 행거 장치별로 계측되는 하중 및 변위 데이터에 대한 수집 여부가 관리자 입력에 의해 결정되도록 제공하며, 장치별 데이터에 대한 관리를 체계적으로 수행하기 위한 모니터링 뷰(Monitoring View), 설정 뷰(Setting View) 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 배관 하중 모니터링 시스템.
제2항에 있어서,
상기 모니터링 뷰는 실시간으로 수집된 배관의 하중, 변위 데이터를 설치 위치별로 표현하며, 수집된 데이터를 분석하여 데이터의 이상 상태를 표현하고, 화면 구성은 수집 여부에 대한 상태와 데이터 수집시 수집 데이터의 진행도를 표시하는 진행바(Progressive Bar) 영역과 수집된 데이터를 표시하는 데이터 그리드(Data Grid) 영역으로 구성되며,
상기 설정 뷰에서는 실시간으로 수집되는 하중, 변위 데이터의 모니터링 외에 SIM의 설정 값 변경 및 읽기, 알람 범위 설정을 할 수 있도록 제공되는 것을 특징으로 하는 배관 하중 모니터링 시스템.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항, 제2항, 제3항 중 어느 한 항의 배관 하중 모니터링 시스템을 이용한 배관 하중 모니터링 방법에 있어서,
상기 계측부에서 계측된 변위, 하중 데이터를 SIM 구동부에서 수집하는 단계;
상기 수집된 변위, 하중 데이터를 SIM 구동부의 프로그램 화면에서 표시하여 현장이나 로컬에 위한 관리자가 모니터링할 수 있도록 제공하는 단계;
상기 수집된 데이터를 통신망을 통하여 연결되는 관제서버 또는 관리자단말로 전송하여, 지속적으로 모니터할 수 있도록 제공하는 단계;
상기 관제서버는 모니터를 통하여 하중, 변위 데이터를 기반으로 생성된 3D 모델링 형태의 배관에서 이상 배관을 확인하고, 트렌드 뷰를 통하여 수집된 하중, 변위 데이터를 그래프화시켜 실시간 추이(Trend)와 과거 이력 추이 조회가 가능하도록 제공되는 단계를 포함하는 배관 하중 모니터링 방법.