KR102513378B1 - 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전기기의 결함신호를 이미지로 표현함으로써, 회전기기 등의 기계 장치에 대한 고장 또는 결함등의 상태를 용이하게 모니터링 하는 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치 및 방법을 제안한다. 본 발명의 이미지화 장치는, 회전기기에서 감지한 센서신호를 포락 분석하여 포락 신호를 생성하는 포락신호 분석부와, 상기 회전기기의 회전속도를 측정하여 상기 포락신호에서 주파수 스펙트럼에 대한 1회전당 신호 샘플 수를 계산하는 시간-주파수 분석부, 상기 회전기기의 결함주파수를 계산하여 주파수 제한범위를 계산하는 주파수 제한범위 계산부, 상기 1회전당 신호 샘플수와 상기 주파수 제한 범위를 이용하여 센서 신호를 이미지로 변환하는 이미지 변환부, 및 변환된 이미지를 추출하는 이미지 추출부를 포함하여 구성된다.

Description

회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치 및 방법{Apparatus and method for imaging time series signals of rotating equipment}
본 발명은 시계열 신호의 이미지화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전기기의 결함신호를 이미지로 표현함으로써, 회전기기 등의 기계 설비에 대한 고장 또는 결함등의 상태를 용이하게 모니터링 가능한 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치 및 방법에 관한 것이다.
베어링과 같은 회전기기의 결함 검출은, 과거에는 숙련된 기술자가 직접 진단하고 고장여부를 판단하였으나, 대부분 진단 시간이 길고, 주관적이며, 경우에 따라 기기 시스템의 작동을 중단해야 하는 문제를 지니고 있다. 최근에는 기기 시스템의 작동을 유지하면서, 회전기기의 고장을 진단할 수 있는 시스템이 요구됨에 따라 지속적으로 회전기기의 작동상태를 모니터링하여 고장 전에 미리 이상을 발견할 수 있는 형태의 기술로 발전되고 있다.
결함 검출의 예로, 고장이 발생할 수 있는 기기의 위치에 센서를 부착하여 신호를 취득하고, 취득된 신호를 주파수 영역에서 분석하여 고장을 진단할 수 있다.
하지만, 이러한 종래 모니터링 방법들 모두 일련의 센서신호를 기초로 하여 모니터링한다는 점에서 결함 등에 대한 진단이 쉽지 않았다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 진동 또는 음향 등의 센서신호를 시간-주파수가 반영된 이미지로 변환하여, 각종 설비에 대한 결함 상태를 용이하게 모니터링 할 수 있는 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치는, 회전기기에서 감지한 센서신호를 포락 분석하여 포락 신호를 생성하는 포락신호 분석부; 상기 회전기기의 회전속도를 측정하여 상기 포락 신호에서 주파수 스펙트럼에 대한 1회전당 신호 샘플 수를 계산하는 시간-주파수 분석부; 상기 회전기기의 결함주파수를 계산하여 주파수 제한범위를 계산하는 주파수 제한범위 계산부; 상기 1회전당 신호 샘플수와 상기 주파수 제한 범위를 이용하여 센서 신호를 이미지로 변환하는 이미지 변환부; 및 변환된 이미지를 추출하는 이미지 추출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 주파수 제한범위 계산부는, 회전기기의 결함 주파수의 소정 배수에 해당하는 주파수를 주파수 제한범위로 설정한다.
상기 이미지 변환부는, 2차원 시간-주파수 행렬을 생성하여 이미지로 표현한다.
상기 이미지 변환부는, 1 사이클(Cycle)마다 센서신호에 대한 주파수를 각각 계산하여 이미지를 생성한다.
본 발명의 실시 예에 따른 회전기기 시계열 신호의 이미지화 방법은, 회전 기기 구동시 발생하는 신호를 센서가 감지하는 단계; 상기 감지된 신호에서 포락신호를 추출하는 단계; 상기 포락신호에서 주파수 스펙트럼에 대한 1회전당 신호 샘플 수 및 주파수 제한범위를 계산하는 단계; 상기 계산된 1회전당 신호 샘플 수 및 상기 주파수 제한범위를 이용하여 상기 센서가 감지한 신호를 이미지로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 이미지를 저장하고 시각화하는 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 주파수 제한범위를 계산하는 단계는, 회전기기의 결함 주파수를 계산하는 단계; 상기 결함 주파수의 최대치를 계산하는 단계; 상기 최대치의 소정 배수에 해당하는 주파수를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 주파수를 주파수 제한범위로 계산하는 단계를 포함한다.
상기 이미지로 변환하는 단계는, x축은 시간, y축은 주파수로 할당하는 2차원 시간-주파수 행렬을 생성하여 이미지로 표현하고, x축의 1사이클(Cycle)마다 주파수를 각각 계산하여 이미지를 생성, 변환한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치 및 방법에 따르면, 회전기기의 결함 신호를 이미지로 변환함으로써 이미지를 통한 결함 여부를 쉽게 확인할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 한 사이클마다 센서 신호에 대한 주파수를 각각 계산하여 결함 이미지를 생성하고 있어, 결함 여부를 더 정확하게 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 회전기기 시계열 신호의 이미지화 방법을 나타낸 제어 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 주파수 제한 범위 계산을 설명하기 위해 제시된 구름요소 베어링을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 분석 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 센서 신호를 변환하여 형성된 이미지의 결함을 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이 이미지화 장치(100)는, 베어링과 같은 회전기기(회전체)에 장착된 복수 개의 센서들로부터 발생하는 음향, 진동신호 등을 측정하는 신호 측정부(110)를 포함한다. 상기 음향이나 진동신호 등은 센서가 감지한 신호를 말할 수 있는바, 이하에서는 이들 신호들은 '센서 신호'로 통칭하기로 한다.
그리고 상기 신호 측정부(110)로부터 입력받은 센서신호(즉 음향, 진동신호)를 포락 분석하여 포락 신호를 생성하는 포락신호 분석부(120)를 포함한다. 포락 분석은 변조된 신호의 포락신호를 구하여 변조된 신호에서 저주파 성분을 복조하는 방법으로 결함 주파수 성분의 포함여부는 해당 부대역 신호의 포락 분석을 통해 알 수 있다. 참고로, 센서신호를 힐버트 변환을 하고 포락 신호를 생성한 후, 포락 신호의 파워 스펙트럼을 생성하는 일련의 과정을 포락 분석이라 한다. 포락 분석은 진폭 변조된 신호를 분석할 수 있는 수단이기에, 베어링 및 베어링을 포함한 기어나 회전기기 등의 결함을 조사하는데 일반적으로 사용되는 분석 방법이다.
본 발명의 실시 예에서도 센서신호의 주파수를 분석하기 위하여 포락 분석을 사용할 수 있다. 또한 포락 분석을 통해 원래의 결함신호에 내재된 노이즈나 고유주파수를 제거할 수 있다. 즉 상기 포락신호 분석부(120)에 의해 생성된 포락신호는 나중에 설명하는 베어링의 결함 신호를 추출하는데 사용된다.
본 발명의 이미지화 장치(100)는, 회전기기의 회전속도 측정을 통해 1-cycle 단위로 FFT를 수행하는 1회전당 시간-주파수 분석부(130)를 포함한다. 회전기기의 1회전 시간을 계산하여 1회전당 신호 샘플수를 계산하고, 소정 회전마다 스펙트럼을 계산한다. 회전속도 측정은 유도 전동기에 내장된 인코더나 회전기기의 회전축에 장착되는 회전속도계인 타코미터(Tachometer) 등을 통해 측정할 수 있다.
본 발명의 이미지화 장치(100)는, 주파수 제한범위 계산부(140)를 포함한다. 주파수 제한범위 계산부(140)는 먼저 가능한 결함 주파수의 최대치를 계산하고, 상기 계산된 최대치의 소정 배수, 예를 들어 5배에 해당하는 주파수를 주파수 제한범위로 설정하면 된다.
상기 결함 주파수란 회전기기에 결함이 발생할 경우 주파수 영역에서 나타날 수 있는 특정 주파수 성분을 의미한다. 예로 도 3에 도시한 구름요소 베어링의 결함의 종류로는 외륜과 내륜, 룰러 결함이 있고, 각 결함 주파수는 다음 수학식 1 내지 3을 통해 산출할 수 있다.
Figure 112020143345646-pat00001
Figure 112020143345646-pat00002
Figure 112020143345646-pat00003
여기서, fr는 회전속도, Nb는 볼 개수, Db는 볼의 직경, Dp는 피치(pitch) 직경, α는 볼과 내륜의 접촉각이다.
본 발명의 이미지화 장치(100)는, 1회전당 시간-주파수 분석부(130) 및 주파수 제한범위 계산부(140)의 값을 이용하여 이미지로 변환하는 이미지 변환부(150)와, 변환된 이미지를 저장하거나 시각화하는 이미지 추출부(160)를 포함한다. 변환된 이미지에는 예를 들어, 회전기기의 각종 결함 등이 포함될 수 있다. 이미지는 사이클별로 주파수가 생성되기 때문에 이처럼 한 사이클다마 발생하는 주파수별로 이미지를 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 회전기기 시계열 신호의 이미지화 방법을 나타낸 제어 흐름도이다. 도 2를 참조하면서 센서신호를 처리하여 이미지에 결함을 표시하는 과정을 살펴본다.
신호 측정부(110)는, 회전기기로부터 실시간으로 센서신호를 측정한다(S100). 센서신호는 베어링과 같은 회전기기에서 발생하는 진동, 전류, 전압, 음향 신호일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 상기 센서신호는 특정 주파수를 검출함으로써 대상의 결함 여부를 판단할 수 있는 방식이 적용 가능한 경우라면, 회전기기가 아닌 그 밖의 물체로부터 발생하는 진동, 전류, 전압, 음향 등의 신호를 포함할 수도 있다.
센서신호가 측정되면, 포락신호 분석부(120)는 상시 센서신호를 포락 분석하여 포락 신호를 생성한다(S110). 앞에서 설명한 바와 같이 포락 분석은 회전기기의 결함을 모니터링하는데 일반적으로 사용되는 분석방법이다.
이후 포락 신호가 추출되면, 1회전당 시간-주파수 분석부(130)가 상기 추출된 포락신호로부터 상기 회전기기의 1회전 시간을 계산하여 1회전당 신호 샘플수를 계산한다(S120). 그리고 상기 신호 샘플수를 이용하여 각 회전당 스펙트럼을 추출한다.
예를 들어, 회전기기의 회전속도가 1800RPM(초당 30회전)이면, 1회전당 시간은 1/30초가 된다. 그리고 샘플링율이 초당 25600개라면, 1회전당 샘플 수는 853 샘플 개수(25600/30)가 된다. 신호길이가 5초라면, 도 4에 도시한 바와 같이 스펙트럼을 계산할 수 있다.
이와 같이 각 회전당 스펙트럼이 계산되면, 주파수 제한범위 계산부(140)가 주파수 제한범위를 계산한다(S130). 주파수 제한범위는 결함 주파수의 5배에 해당하는 주파수를 주파수 제한범위로 설정할 수 있다. 예를 들어 도 3에 구름요소 베어링의 경우 결함 주파수의 최대주파수는 내륜 결함 주파수가 된다. 베어링과 같은 회전기기는 내륜 결함 주파수가 가장 크기 때문에 다른 결함 등을 모두 포함할 수 있도록 상기 내륜 결함 주파수를 최대 주파수로 하기 때문이다.
구름 요소 베어링의 회전속도는 18000RPM(초당 30회전), 볼 개수는 13개, 볼의 직경은 9, 피치 직경은 46. 5라고 하면, 내륜 결함 주파수는 상기 수학식 2에 의해 232.7㎐가 된다.
그리고 본 발명은 이러한 내륜 결함 주파수의 5배에 해당하는 주파수를 주파수 제한범위로 설정하기 때문에, 상기 구름 요소 베어링의 주파수 제한 범위는 0 ~ 1163.5㎐가 된다.
상기와 같이 1회전당 신호 스펙트럼이 추출되면, 상기 주파수 제한범위 계산부(140)에 의해 계산된 주파수 제한범위를 이용하여, 이미지 변환부(150)는 1회전당 스펙트럼을 X축은 시간 축으로 하고 Y축은 주파수 제한범위로 하여 계속 축적하여 이미지를 생성한다(S140). 이후 생성된 이미지는 이미지 추출부(160)가 추출하고(S150), 추출된 이미지는 결함 판정을 하거나 다른 용도로 활용할 수 있다. 이때 결함판정을 위한 결함 신호의 추출은 상기 포락신호 분석부(120)에 의해 생성된 포락신호을 이용한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 센서 신호를 변환하여 형성된 이미지의 결함을 나타내는 도면이다. 도 5에서 X축은 시간, Y축은 주파수로 하는 2차원 시간-주파수 행렬을 생성하여 이미지로 표현한 것이다. 이미지에서 낮은 값일수록 파란색, 높은 값일 수록 노란색으로 표현하였다.
도 5에서 보듯이 1초 길이의 베어링 롤러 결함 신호에 대해 변환된 이미지로서 Y축 상 룰러 결함 주파수에서 높은 값이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 노란색이 발견되어 롤러 결함으로 판단할 수 있다. 반면 노란색이 발견되지 않으면 이상이 없다고 판단할 수 있는 것이다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110: 신호 측정부
120: 포락신호분석부
130:1회전당 시간-주파수 분석부
140: 주파수 제한범위 계산부
150: 이미지 변환부
160: 이미지 추출부

Claims (7)

  1. 회전기기에서 감지한 센서신호를 포락 분석하여 포락 신호를 생성하는 포락신호 분석부;
    상기 회전기기의 1회전당 스펙트럼을 추출하도록, 상기 회전기기의 회전속도를 측정하여 상기 생성된 포락신호로부터 상기 회전기기의 1회전 시간을 계산하여 1회전당 신호 샘플수를 계산하는 시간-주파수 분석부;
    상기 회전기기의 결함주파수를 계산하여 주파수 제한범위를 계산하는 주파수 제한범위 계산부;
    상기 추출된 1회전당 스펙트럼과 상기 주파수 제한범위 계산부에 의해 계산된 주파수 제한범위를 이용하여, 상기 1회전당 스펙트럼을 X축은 시간 축으로 하고 Y축은 주파수 제한범위로 하여 계속 축적하여 이미지를 생성하는 이미지 변환부; 및
    상기 변환된 이미지를 추출하는 이미지 추출부를 포함하고,
    상기 추출된 이미지에서 결함 신호는 상기 포락신호 분석부에 의해 생성된 포락신호를 이용하여 분석하는 것을 특징으로 하는 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주파수 제한범위 계산부는,
    회전기기의 결함 주파수의 소정 배수에 해당하는 주파수를 주파수 제한범위로 설정하는 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 변환부는,
    2차원 시간-주파수 행렬을 생성하여 이미지로 표현하는 회전기기 시계열 신호의 이미지화 장치.
  4. 삭제
  5. 회전 기기 구동시 발생하는 신호를 센서가 감지하는 단계;
    상기 감지된 신호에서 포락신호를 추출하는 단계;
    상기 포락신호에서 상기 회전기기의 1회전 시간을 계산하여 1회전당 신호 샘플수를 계산하는 단계;
    상기 1회전당 신호 샘플수에서 상기 회전기기의 각 회전당 스펙트럼을 추출하는 단계;
    상기 스펙트럼으로부터 상기 회전기기의 결함 주파수를 통해 주파수 제한범위를 설정하는 단계;
    상기 추출된 스펙트럼 및 상기 주파수 제한범위를 이용하여 상기 1회전당 스펙트럼을 X축은 시간 축으로 하고 Y축은 주파수 제한범위로 하여 계속 축적하여 이미지를 생성, 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 이미지를 저장하고 시각화하는 하는 단계를 포함하며,
    상기 변환된 이미지에서 결함 신호는 상기 포락신호를 이용하여 분석하는 것을 특징으로 하는 회전기기 시계열 신호의 이미지화 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 주파수 제한범위를 계산하는 단계는,
    회전기기의 결함 주파수를 계산하는 단계;
    상기 결함 주파수의 최대치를 계산하는 단계;
    상기 최대치의 소정 배수에 해당하는 주파수를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 주파수를 주파수 제한범위로 계산하는 단계를 포함하는 회전기기 시계열 신호의 이미지화 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 이미지로 변환하는 단계는,
    x축은 시간, y축은 주파수로 할당하는 2차원 시간-주파수 행렬을 생성하여 이미지로 표현하는 회전기기 시계열 신호의 이미지화 방법.
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