KR102635440B1 - 전동기 기반 제어기의 고장진단장치 - Google Patents

전동기 기반 제어기의 고장진단장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동기 기반 제어기의 고장진단장치에 관한 것으로서, 전동기의 회전에 의해 제어대상 기기를 제어하는 제어기의 전동기의 전류를 검출하는 전류검출부와, 전동기에서 발생되는 진동을 검출하는 진동센서부와, 제어기에서 발생되는 음향을 검출하는 음향검출부와, 전류검출부에서 출력되는 신호와, 진동센서부에서 출력되는 신호 및 음향검출부에서 출력되는 신호 각각에 대해 주파수 영역으로 변환하는 FFT변환부와, FFT변환부에서 생성되는 신호를 고장판별 기준모델과 비교하여 고장여부를 진단하고, 진단결과정보를 통신부를 통해 진단관리서버에 제공하는 고장진단부를 구비한다. 이러한 전동기 기반 제어기의 고장진단장치에 의하면, 진동과 음향 및 전류신호를 복합적으로 이용하여 고장진단에 대한 효율성 및 정밀성을 향상시킬 수 있다.

Description

전동기 기반 제어기의 고장진단장치{fault diagnosis apparatus of actuator based on motor}
본 발명은 전동기 기반 제어기의 고장진단장치에 관한 것으로서, 상세하게는 전동기로부터 발생되는 진동신호를 포함한 센싱신호를 이용하여 고장여부를 진단할 수 있도록 된 전동기 기반 제어기의 고장진단장치에 관한 것이다.
본 연구는 장성군의 재원으로 전남테크노파크 '2021년 장성군 스타기업육성사업'의 지원을 받아 수행된 사업에 의해 이루어진 것임.
전동기는 산업현장에서 다양한 제어기를 구성하는데 이용되고 있다. 일 예로서, 정수장이나 하수 및 폐수처리장에는 처리수 저장조에 저장된 처리수를 처리수 이송로를 통해 이송시키면서 정수 처리하거나 하수 및 폐수 처리하기 위한 수처리 과정에서 유로를 전동기에 기반하여 개폐하는 밸브장치가 적용되어 있다. 이러한 밸브장치는 전동기와, 전동기에서 발생된 동력을 유로를 개폐하는 밸브판을 회전시키도록 동력을 중계하는 동력중계기 등 다양한 방식으로 구축되어 있다. 그런데, 밸브장치의 구성품의 일부의 고장 또는 동작 실패시 용수공급 중단 등의 사고가 발생할 수 있다.
최근, 이러한 고장들에 의한 사고를 미연에 방지할 수 있는 고장진단 기술이 유지보수의 측면과 더불어 중요한 부분으로 부각되고 있다.
한국공개특허공보 제10-2005-0063441호에는 유도전동기의 이상상태를 진단하는 장치가 개시되어 있다. 그런데, 상기 진단 장치는 베어링 고장과 같이 일부 에너지 레벨이 낮은 고장에 대해서는 잡음에 의해 이상상태를 쉽게 발견하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 이상상태에 대한 진단 효율성을 향상시킬 수 있는 전동기 기반 제어기의 고장진단장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전동기 기반 제어기의 고장진단장치는 전동기의 회전에 의해 제어대상 기기를 제어하는 제어기의 상기 전동기의 전류를 검출하는 전류검출부와; 상기 전동기에서 발생되는 진동을 검출하는 진동센서부와; 상기 제어기에서 발생되는 음향을 검출하는 음향검출부와; 상기 전류검출부에서 출력되는 신호와, 상기 진동센서부에서 출력되는 신호 및 상기 음향검출부에서 출력되는 신호 각각에 대해 주파수 영역으로 변환하는 FFT변환부와; 상기 FFT변환부에서 생성되는 신호를 고장판별 기준모델과 비교하여 고장여부를 진단하고, 진단결과정보를 통신부를 통해 진단관리서버에 제공하는 고장진단부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 진동센서부는 상기 전동기의 축방향 진동신호를 검출하는 제1진동센서와; 상기 전동기의 축방향에 수직인 수직 방향 진동신호를 검출하는 제2진동센서와; 상기 전동기의 축방향과 상기 수직방향에 모두 수직인 수평 방향 진동신호를 검출하는 제3진동센서;를 포함한다.
또한, 상기 고장진단부는 상기 음향검출부로부터 상기 FFT변환부를 거쳐 수신된 음향데이터에 설정된 고장영역 주파수 대역에서 설정된 기준레벨 이상의 신호가 포함되는 것으로 판단되면, 상기 통신부를 통해 긴급조치메시지를 송출하도록 구축될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제어기는 상기 전동기의 축에 결합된 워웜과, 상기 워웜에 치합되는 웜휠을 구비하는 동력중계부와; 상기 웜휠의 회전에 연동되어 배관 내부를 개폐하는 밸브판;을 구비하고, 상기 음향검출부는 상기 동력중계부에서 발생되는 음향을 검출하게 상기 동력중계부에 장착된다.
또한, 상기 고장진단부는 상기 전류검출부에서 출력되어 주파수 영역으로 변환된 제1데이터에 대해 고장판별 전류기준모델과 비교한 제1비교결과정보에 대해 설정된 제1가중치를 부여하여 제1진단값을 산출하고, 상기 진동센서부에서 출력되어 주파수 영역으로 변환된 제2데이터에 대해 고장판별 진동기준모델과 비교환 제2비교결과정보에 대해 설정된 제2가중치를 부여하여 제2진단값을 산출하고, 상기 제1진단값과 상기 제2진단값을 합산한 값으로부터 고장레벨을 결정하고, 결정된 고장레벨 정보를 상기 통신부를 통해 전송하도록 구축될 수 있다.
본 발명에 따른 전동기 기반 제어기의 고장진단장치에 의하면, 진동과 음향 및 전류신호를 복합적으로 이용하여 고장진단에 대한 효율성 및 정밀성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전동기 기반 제어기의 고장진단장치를 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기 기반 제어기의 고장진단장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전동기 기반 제어기의 고장진단장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고장진단장치(100)는 전류검출부(110), 진동센서부(120), 음향검출부(130), FFT변환부(140), 고장진단부(150)를 구비한다.
제어기(10)는 전동기(M)(20)의 회전에 의해 제어대상 기기를 제어하는 밸브장치가 예시되어 있다. 제어기(10)는 구동부(60)에 의해 구동되는 전동기(20)와, 전동기(20)의 축(22)에 결합된 워웜(31)과, 워웜(31)에 치합되는 웜휠(32)을 구비하는 동력중계부(30), 웜휠(32)의 회전축(32a)의 회전에 연동되어 배관(40) 내부의 유로를 개폐하는 밸브판(50)을 구비한다.
제어기(10)는 도시된 예와 다른 작동 구조에 전동기를 적용한 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
전류검출부(110)는 전동기(20)의 전류를 검출한다. 도시된 예에서는 3상 전류를 공급받는 전동기(20)의 각 상 전류를 검출하도록 되어 있고, 단상 전동기가 적용되는 경우 하나의 전력 공급선에 흐르는 전류를 검출하도록 구축되면 된다.
전류검출부(110)는 측정된 전류에 대해 고주파 전류성분을 제거하여 출력하는 저역통과필터가 적용될 수 있다.
진동센서부(120)는 전동기(20)에서 발생되는 진동을 검출한다. 진동센서부(120)는 진동기(20)에서 발생하는 3방향의 진동을 각각 검출할 수 있도록 제1 내지 제3진동센서(121 내지 123)이 적용되어 있다.
제1진동센서(121)는 전동기(20)의 축방향 진동신호를 검출하도록 설치된다.
제2진동센서(122)는 전동기(20)의 축방향에 수직인 수직 방향 진동신호를 검출하도록 설치된다.
제3진동센서(123)는 전동기(20)의 축방향과 제2진동센서(122)의 진동검출방향인 수직방향에 모두 수직인 수평 방향 진동신호를 검출하도록 설치된다.
제1진동센서(121)는 진동기(20)의 축(22)에 설치되고, 제2진동센서(121)는 전동기(20)의 하우징상에서 축방향과 직교되는 제1방향에 설치되고, 제3진동센서(121)는 전동기(20)의 하우징상에서 축방향 및 제1방향과 직교되는 제2방향에 설치될 수 있다.
음향검출부(130)는 동력중계부(30)에서 발생되는 음향을 검출하게 동력중계부(30)에 장착된다.
음향검출부(130)는 전동기(20)의 베어링으로부터 발생하는 음향을 수신할 수 있게 전동기(20)의 베어링 위치에 대응되게 음향을 검출하는 음향센서를 추가로 설치할 수 있음은 물론이다.
FFT변환부(140)는 전류검출부(110)에서 출력되는 각상의 전류신호와, 진동센서부(120)의 제1 내지 제3진동센서(121 내지 123)에서 각각 출력되는 진동신호 및 음향검출부(130)에서 출력되는 음향 신호 각각에 대해 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform)과정을 거쳐 주파수 영역의 데이터로 변환한다.
고장진단부(150)는 FFT변환부(140)에서 생성되는 데이터를 고장판별 기준모델과 비교하여 고장여부를 진단하고, 진단결과정보를 통신부(160)를 통해 진단관리서버(200)에 설정된 주기마다 제공한다.
일 예로서, 고장진단부(150)는 구동부(60)가 다수의 스위치 소자의 온/오프에 의해 전력을 공급하는 인버터가 적용되고, 전동기(20)가 유도전동기가 적용된 경우 구동부(60)의 입력전류로서 전류검출부(110)에서 검출되어 고주파 전류성분이 제거된 후 FFT변환부(140)를 거쳐 출력되는 신호에 직류성분만 존재하면, 정상동작으로 진단한다. 이와는 다르게, 고장진단부(150)는 구동부(60) 입력전류에 직류성부에 주파수를 갖는 특정 교류성분이 존재하면, 고장이라고 진단한다. 즉, 고장진단부(150)는 전동기(20)의 고정자에 공급되는 전류의 주파수가 fs이고 회전자에 흐르는 전류의 주파수가 fr이라고 할 때, 구동부(60) 입력 전류에 2fs 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 고정자 권선 부분단락 고장이라고 진단하고, 구동부(60) 입력 전류에 (1-2s)fs 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 회전자 바 균열 고장이라고 진단하도록 구축될 수 있다.
이와는 다르게 고장진단부(150)는 전류검출부(110)에서 출력되어 주파수 영역으로 변환된 제1데이터에 대해 고장판별 전류기준모델과 비교하여 고정관련 상관도를 산출하여 고장여부를 결정하도록 구축될 수 있다. 여기서, 전류기준모델은 정상상태와 고장상태를 비교하여 판별할 수 있도록 확보되어 기록된 전류 데이터셋을 적용할 수 있다.
또한, 고장진단부(150)는 진동센서부(120)에서 출력되어 FFT변환부(140)를 통해 출력되는 3축 진동 데이터에 대해 설정된 고장판별 진동기준모델과 비교하여 고장여부를 진단하도록 구축될 수 있다. 여기서, 고장판별 진동기준모델은 전동기(20)의 고장이 발생했을 때 각 방향에서 발생되는 진동신호에 대해 기록된 진동 데이터 셋을 적용할 수 있다. 여기서 진동 데이터 셋은 3축 진동 모두를 조합한 조합기준데이터로 기록되고, 고장진단부(150)는 FFT변환부(140)를 통해 출력되는 3축 진동 데이터에 대해 설정된 조합방식으로 조합한 후 조합기준데이터와 비교하여 고장여부를 판별하도록 구축될 수 있다.
또한, 고장진단부(150)는 전류검출부(110)에서 출력되어 주파수 영역으로 변환된 제1데이터에 대해 고장판별 전류기준모델과 비교한 제1비교결과정보에 대해 설정된 제1가중치를 부여하여 제1진단값을 산출하고, 진동센서부(120)에서 출력되어 주파수 영역으로 변환된 제2데이터에 대해 고장판별 진동기준모델과 비교환 제2비교결과정보에 대해 설정된 제2가중치를 부여하여 제2진단값을 산출하고, 제1진단값과 제2진단값을 합산한 값으로부터 고장레벨을 결정하고, 결정된 고장레벨 정보를 통신부(160)를 통해 전송하도록 구축될 수 있다.
고장진단부(150)는 음향검출부(130)로부터 FFT변환부(140)를 거쳐 수신된 음향데이터에 설정된 고장영역 주파수 대역에서 설정된 기준레벨 이상의 신호가 포함되는 것으로 판단되면, 통신부(160)를 통해 긴급조치메시지를 송출하도록 구축될 수 있다. 여기서, 고장영역 주파수는 기어마모에 의해 치합시 발생되는 소음의 주파수를 적용하면 되고, 기준레벨은 교체수리를 바로 진행하도록 안내해야할 정도에서 적절하게 결정하면 된다.
고장진단부(150)는 통신부(160)를 통해 수신된 가동제어신호에 따라 구동부(60)를 제어하여 전동기(20)의 가동을 제어하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
진단관리 서버(200)는 통신부(160)를 통해 수신되는 진단결과정보를 진단대상 제어기(10)의 고유식별정보에 대응되게 데이터베이스(미도시)에 진단 이력정보로서 기록하여 열람가능하게 제공하고, 수신된 고장정보에 따라 관리자에게 긴급통보가 요구되는 경우 관리자 단말기(미도시)로 진단정보를 송출하도록 구축될 수 있다.
이상에서 설명된 전동기 기반 제어기의 고장진단장치에 의하면, 진동과 음향 및 전류신호를 복합적으로 이용하여 고장진단에 대한 효율성 및 정밀성을 향상시킬 수 있다.
110: 전류검출부 120: 진동센서부
130: 음향검출부 140: FFT변환부
150: 고장진단부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 구동부에 의해 구동되는 전동기의 회전에 의해 제어대상 기기를 제어하는 제어기의 상기 전동기의 전류를 검출하는 전류검출부와;
    상기 전동기에서 발생되는 진동을 검출하는 진동센서부와;
    상기 제어기에서 발생되는 음향을 검출하는 음향검출부와;
    상기 전류검출부에서 출력되는 신호와, 상기 진동센서부에서 출력되는 신호 및 상기 음향검출부에서 출력되는 신호 각각에 대해 주파수 영역으로 변환하는 FFT변환부와;
    상기 FFT변환부에서 생성되는 신호를 고장판별 기준모델과 비교하여 고장여부를 진단하고, 진단결과정보를 통신부를 통해 진단관리서버에 제공하는 고장진단부;를 구비하고,
    상기 진동센서부는
    상기 전동기의 축방향 진동신호를 검출하는 제1진동센서와;
    상기 전동기의 축방향에 수직인 수직 방향 진동신호를 검출하는 제2진동센서와;
    상기 전동기의 축방향과 상기 수직방향에 모두 수직인 수평 방향 진동신호를 검출하는 제3진동센서;를 포함하며,
    상기 고장진단부는
    상기 전류검출부에서 출력되어 주파수 영역으로 변환된 제1데이터에 대해 고장판별 전류기준모델과 비교한 제1비교결과정보에 대해 설정된 제1가중치를 부여하여 제1진단값을 산출하고, 상기 진동센서부에서 출력되어 주파수 영역으로 변환된 제2데이터에 대해 고장판별 진동기준모델과 비교한 제2비교결과정보에 대해 설정된 제2가중치를 부여하여 제2진단값을 산출하고, 상기 제1진단값과 상기 제2진단값을 합산한 값으로부터 고장레벨을 결정하고, 결정된 고장레벨 정보를 상기 통신부를 통해 전송하도록 구축되어 있고,
    상기 고장진단부는 상기 음향검출부로부터 상기 FFT변환부를 거쳐 수신된 음향데이터에 설정된 고장영역 주파수 대역에서 설정된 기준레벨 이상의 신호가 포함되는 것으로 판단되면, 상기 통신부를 통해 긴급조치메시지를 송출하며,
    상기 고장진단부는 상기 구동부 입력전류에 직류성분에 주파수를 갖는 특정 교류성분이 존재하면 고장이라고 진단하며, 상기 전동기의 고정자에 공급되는 전류의 주파수가 fs이고 회전자에 흐르는 전류의 주파수가 fr일 때, 상기 구동부 입력 전류에 2fs 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 고정자 권선 부분단락 고장이라고 진단하고, 상기 구동부 입력 전류에 (1-2s)fs 주파수를 갖는 전류성분이 존재하면, 회전자 바 균열 고장이라고 진단하도록 된 것을 특징으로 하는 전동기 기반 제어기의 고장진단장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어기는
    상기 전동기의 축에 결합된 워웜과, 상기 워웜에 치합되는 웜휠을 구비하는 동력중계부와;
    상기 웜휠의 회전에 연동되어 배관 내부를 개폐하는 밸브판;을 구비하고,
    상기 음향검출부는 상기 동력중계부에서 발생되는 음향을 검출하게 상기 동력중계부에 장착된 것을 특징으로 하는 전동기 기반 제어기의 고장진단장치.
  5. 삭제
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