KR19990066119A - Error Diagnosis Method of Rotating Machine Using Fuzzy Logic - Google Patents

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Abstract

퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법은 기계장치의 회전축요소로부터 계측된 진동신호를 근거로 이상운전징후를 감시하고, 그 이상원인을 퍼지추론기법을 사용하여 진단하기 위한 것이다. 본 발명은 회전구동요소들에 설치된 다수의 변위센서 및 가속도센서로부터 검출된 신호들이 입력되는 진동정보입력단계, 상기 입력단계에서 입력된 회전속도와 각 센서의 진동신호 및 설치정보를 입력인자로 하여 퍼지추론을 행해 각각의 센서의 개별적인 진단결과를 제시하는 1차진단단계, 및 전문가의 지식을 기반으로 각 결함의 주파수영역, 입력된 센서의 개수, 센서의 종류등을 종합적으로 고려한 가중치를 적용하여 1차진단의 개별적인 결과들로부터 최종적인 이상원인을 제시하는 2차진단단계를 포함한다. 이에 의해 본 발명은 이상운전징후를 감시, 진단하여 운전시 발생할 수 있는 여러가지 이상원인을 운전자에게 경고함으로써 기계의 고장을 사전에 예측방지하고, 회전체구성요소의 교체시기를 추정하여 치명적인 고장의 발생이전에 운전자가 장치를 보수할 수 있게 하여 작업능률을 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라 회전구동시스템의 신뢰도를 향상할 수 있다.The fault diagnosis method of a rotating machine using fuzzy logic is to monitor the abnormal operation signal based on the vibration signal measured from the rotating shaft element of the mechanical device, and to diagnose the cause of the fault using the fuzzy reasoning technique. The present invention is a vibration information input step of inputting the signals detected from a plurality of displacement sensors and acceleration sensors installed on the rotational drive elements, the rotational speed input in the input step and the vibration signal and installation information of each sensor as input factors Based on the first diagnosis step of presenting the individual diagnosis result of each sensor through fuzzy inference, and based on the expert's knowledge, the weighting factor considering the frequency range of each defect, the number of input sensors and the type of sensor is applied. A second diagnostic step is included that suggests the final cause of anomalies from the individual results of the first diagnosis. Accordingly, the present invention monitors and diagnoses abnormal driving symptoms and warns the driver of various abnormal causes that may occur during operation, thereby preventing the failure of the machine in advance, and estimating the replacement time of the rotating body components, thereby causing a fatal failure. Previously, the operator can repair the device, which not only increases work efficiency but also improves the reliability of the rotary drive system.

Description

퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법Abnormal Diagnosis Method of Rotating Machine Using Fuzzy Logic

본 발명은 회전기계의 진동에 근거하여 이상상태를 진단하는 진동진단시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기계장치의 회전축요소로부터 계측된 진동신호를 근거로 이상운전징후를 감시하고, 그 이상원인을 퍼지추론기법을 이용하여 신뢰성있는 진단을 할 수 있도록 한 퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법에 관한 것이다.The present invention relates to a vibration diagnosis system for diagnosing abnormal conditions on the basis of vibrations of a rotating machine, and more particularly, to monitor abnormal driving signs based on vibration signals measured from rotating shaft elements of a mechanical device. The present invention relates to a method for diagnosing abnormalities of a rotating machine using fuzzy logic that enables reliable diagnosis using fuzzy reasoning technique.

일반적으로, 기계는 모터나 엔진과 같은 동력원의 회전운동을 그 장치의 용도에 맞는 운동형태로 변환하여 사용한다. 따라서, 동력원의 운동을 전달하기 위한 회전축등의 회전전달장치는 기계에 있어 필수적인 요소이다. 이러한 회전축등의 회전요소는 회전운동에 따라 진동등이 발생할 뿐만 아니라 마찰등이 형성돼 이상상태를 유발하는 요인으로 작용하게 된다. 이를 해소하기 위해 대부분의 회전기계는 회전축의 진동상태를 파악하여 자가진단하는 시스템을 구축하고 있다. 현재 사용되는 있는 위와 같은 진동진단시스템은 크게 두 가지로 구분할 수 있는 데, 한 시스템은 사전에 경험과 실험을 통하여 진동신호의 한계크기를 설정하고, 그 크기를 초과하는 진동신호가 발생할 때 운전자에게 이상상태를 경고하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 시스템으로는 대상물의 이상유무를 판별할 수는 있으나, 대상시스템의 운전이상을 사전에 예측하여 능동적으로 대처할 수 없음은 물론 구체적인 이상원인을 알 수 없어 경고발생시 전문가에 의하여 대상시스템 전체에 대한 이상원인검색이 추가로 실시되어야 하는 번거로움이 있었다.In general, a machine converts a rotational motion of a power source such as a motor or engine into a motion type suitable for the purpose of the device. Therefore, a rotation transmission device such as a rotating shaft for transmitting the motion of the power source is an essential element in the machine. Rotating elements such as the rotating shaft is not only a vibration light occurs in accordance with the rotational movement but also a friction light is formed to act as a factor causing an abnormal state. In order to solve this problem, most rotary machines have constructed a system for self-diagnosis by identifying the vibration state of the rotating shaft. The above-mentioned vibration diagnosis system which is currently used can be divided into two types. One system sets the limit size of the vibration signal through experience and experiment in advance, and provides the driver with a vibration signal exceeding the magnitude. I am using a method to warn of an abnormal condition. Such a system can be used to determine whether an object is abnormal, but it is not possible to proactively cope with the operation abnormality of the target system in advance, and it is not possible to know the specific cause of the error. There has been the hassle of additional cause detection.

또한, 다른 하나의 진단시스템은 사전에 전문가에 의해서 제공되어진 진단규칙에 대한 검색을 수행하여 이상원인을 찾아내는 것으로서, 진단규칙을 준비하는 데 매우 많은 시간이 소요되고, 진단규칙의 작성에 개인의 주관적인 차이가 있을 수 있으며, 실시간으로 관계트리를 검색하여 진동진단을 수행하기 위해서는 고성능의 컴퓨터가 요구되는 문제가 있었다. 더우기, 모든 경우의 이상현상에 관한 진단규칙을 작성하는 것은 근본적으로 불가능하므로 진동신호와 같은 불명확한 패턴의 신호가 발생하는 경우 진단규칙이 누락되어 진단이 이루어지지 못하는 경우가 발생할 수 있는 폐단이 있었다.In addition, the other diagnosis system is to find out the cause of the abnormality by performing a search for the diagnosis rule provided by the expert in advance, and it takes a lot of time to prepare the diagnosis rule, subjective individual's subjective There may be a difference, and a high performance computer is required to perform a vibration diagnosis by searching a relation tree in real time. Moreover, it is fundamentally impossible to draw up diagnostic rules for abnormalities in all cases, so in the case of signals with indefinite patterns such as vibration signals, there is a possibility that diagnosis can not be made due to missing diagnostic rules. .

따라서, 본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 기계장치의 회전축요소로부터 계측된 진동신호를 근거로 이상운전징후를 감시하고, 그 이상원인을 퍼지(Fuzzy)추론기법을 통해 진단하여 운전시 발생할 수 있는 여러가지 이상원인을 운전자에게 경고함으로써 기계의 고장을 사전에 예측방지하고, 치명적인 고장의 발생이전에 운전자가 장치를 보수할 수 있도록 하는 퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to devise a solution to the above-mentioned conventional defects, and to monitor the abnormal driving signal based on the vibration signal measured from the rotating shaft element of the mechanical device, and to purge the cause of the abnormality. Rotating machine using fuzzy logic that diagnoses through an inference technique and warns the driver of various abnormalities that may occur during operation, and prevents the failure of the machine in advance and enables the driver to repair the device before the fatal failure occurs. To provide a diagnostic method for abnormalities.

도 1은 본 발명이 적용된 회전기계 진동진단시스템을 나타내는 구성도,1 is a configuration diagram showing a vibration machine vibration diagnosis system to which the present invention is applied,

도 2는 도 1 1차진단부의 퍼지추론에 의한 진단을 하기 위한 내부구조도,2 is an internal structural diagram for diagnosing by fuzzy inference of the primary diagnosis of FIG.

도 3은 도 1 1차진단부의 퍼지전문가에 의한 진단을 설명하기 위한 도면,3 is a view for explaining the diagnosis by the fuzzy expert of FIG.

도 4a-4d는 본 발명의 일실시예에 적용되는 저어널 베어링에 설치된 변위센서의 소속함수를 나타낸 그래프.Figure 4a-4d is a graph showing the membership function of the displacement sensor installed in the journal bearing applied to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 회전기계 20 : 진동신호입력부10: rotating machine 20: vibration signal input unit

21 : 센서 22 : 신호처리기21 sensor 22 signal processor

30 : 1차진단부 40 : 2차진단부30: 1st diagnosis part 40: 2nd diagnosis part

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법은, 회전구동시스템의 이상진단방법에 있어서, 회전구동요소들에 설치된 다수의 변위센서 및 가속도센서로부터 검출된 신호들이 입력되는 진동정보입력단계; 상기 입력단계에서 입력된 회전속도와 각 센서의 진동신호 및 설치정보를 입력인자로 하여 퍼지추론을 행해 각각의 센서의 개별적인 진단결과를 제시하는 1차진단단계; 및 전문가의 지식을 기반으로 각 결함의 주파수영역, 입력된 센서의 개수, 센서의 종류등을 종합적으로 고려한 가중치를 적용하여 1차진단의 개별적인 결과들로부터 최종적인 이상원인을 제시하는 2차진단단계를 포함한다.The abnormal diagnosis method of a rotary machine using the fuzzy logic of the present invention for achieving the above object, in the abnormal diagnosis method of the rotary drive system, the signals detected from a plurality of displacement sensors and acceleration sensors installed on the rotary drive element Inputting vibration information; A first diagnosis step of performing fuzzy inference based on the rotational speed inputted in the input step, the vibration signal of each sensor, and installation information as input factors to present an individual diagnosis result of each sensor; And a second diagnosis step that proposes the final cause of abnormality from the individual results of the first diagnosis by applying weights in consideration of the frequency range of each defect, the number of input sensors, and the type of sensor based on expert knowledge. It includes.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명이 적용된 회전기계 진동진단시스템의 구성도를 나타낸다. 도 1에 보여지는 시스템은, 이상진단의 대상인 회전기계(10)와, 회전기계(10)의 회전축요소로부터 진동신호를 계측하여 진단을 위한 신호로 입력하기 위한 진동신호입력부(20)를 구비한다. 진동신호입력부(20)는 회전기계(10)의 회전구동요소들에 설치되는 다수의 센서들(21)과, 센서들(21)에 대응되게 연결되며, 센서들(21)에 의해 계측되어진 진동신호를 소정의 신호처리하는 다수의 신호처리기들(22)로 이루어진다. 또한, 퍼지추론기법을 이용하는 1차진단부(30), 1차진단부(30)의 1차진단결과들을 종합하여 최종진단을 내리는 2차진단부(40), 및 2차진단부(40)에 의한 최종진단결과를 제공받는 사용자인터페이스(GUI)(50)를 구비한다. 이러한 구성을 갖는 도 1의 시스템에 대한 동작을 도 2 내지 도 4를 참조하여 좀더 구체적으로 설명한다.1 shows a configuration diagram of a rotary machine vibration diagnosis system to which the present invention is applied. The system shown in FIG. 1 includes a rotary machine 10, which is an object of abnormal diagnosis, and a vibration signal input unit 20 for measuring a vibration signal from a rotary shaft element of the rotary machine 10 and inputting it as a signal for diagnosis. . The vibration signal input unit 20 is connected to the plurality of sensors 21 installed on the rotary drive elements of the rotary machine 10 and the sensors 21 correspondingly, and the vibration measured by the sensors 21. It consists of a plurality of signal processors 22 which process a signal. In addition, the primary diagnosis unit 30 using the fuzzy inference technique, the secondary diagnosis unit 40 for the final diagnosis by combining the primary diagnosis results of the primary diagnosis unit 30, and the secondary diagnosis unit 40 A user interface (GUI) 50 provided with the final diagnosis result is provided. An operation of the system of FIG. 1 having such a configuration will be described in more detail with reference to FIGS. 2 to 4.

진동신호입력부(20)의 센서들(21)은 이상진단의 대상인 회전기계(10)의 회전구동요소들의 진동을 계측한다. 센서들(21)중 하나는 포토커플러를 사용하여 회전속도를 계측한다. 신호처리기들(22)은 대응되는 센서들(21)에 의해 계측된 신호를 1차진단부(30)에서 인식할 수 있도록 소정의 신호처리하여 1차진단부(30)에 입력한다. 1차진단부(30)는 센서들(21)의 진동신호와 회전속도, 그리고 센서셋업에 관한 정보 즉, 설치정보를 입력인자로 하여 퍼지추론을 행해 각각의 센서의 개별적인 진단결과를 제시하게 된다. 여기서, 이용되는 설치정보에는 설치방향, 센서의 종류 및, 측정위치등이 있다. 그리고, 2차진단부(40)는 전문가의 지식을 기반으로 각 결함의 주파수영역, 입력된 센서의 개수, 센서의 종류등을 종합적으로 고려한 가중치를 적용하여 1차진단부(30)의 개별적인 결과들로부터 최종적인 이상원인을 제시한다. 이하에서는 이에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.The sensors 21 of the vibration signal input unit 20 measure vibrations of the rotational driving elements of the rotary machine 10, which is an object of abnormal diagnosis. One of the sensors 21 measures the speed of rotation using a photocoupler. The signal processors 22 process a predetermined signal so as to recognize the signal measured by the corresponding sensors 21 in the primary diagnosis unit 30 and input the signal to the primary diagnosis unit 30. The primary diagnosis unit 30 performs fuzzy inference based on vibration signals, rotational speeds, and sensor setup information, that is, installation information of the sensors 21, and presents individual diagnostic results of each sensor. . Here, the installation information used includes an installation direction, a type of sensor, a measurement position, and the like. In addition, the secondary diagnosis unit 40 individually applies the weights in consideration of the frequency domain of each defect, the number of input sensors, the type of the sensor, and the like, based on the expert's knowledge. The final cause of the problem is suggested. This will be described in more detail below.

1. 진동신호의 입력1. Input of vibration signal

본 시스템은 회전기계(10)의 회전축 상태를 얻기 위해서 다수의 센서들(21)을 구비하고 있는 데, 이 중 변위센서는 회전하고 있는 축의 변위를 직접적으로 측정하여 회전축의 거동에 관한 정보를 파악할 수 있게 하며, 가속도센서는 축의 지지부나 베이스에 부착되어 축을 지지하는 베어링과 하우징에 관한 정보를 얻는 데 이용된다. 특히, 본 시스템에서는 가속도센서와 변위센서를 각각 최대 4개까지의 신호를 입력받을 수 있도록 적정개수가 설치되는 데, 이는 2차진단중 각 센서신호의 1차진단결과를 종합하는 과정에서 임의의 수의 센서들의 1차진단결과들의 조합에 관한 모든 가중치를 데이터베이스화할 수 없기 때문이다.The system is equipped with a plurality of sensors 21 to obtain the state of the rotating shaft of the rotary machine 10, of which the displacement sensor can directly measure the displacement of the rotating shaft to grasp information about the behavior of the rotating shaft. The acceleration sensor is attached to the shaft support or base and used to obtain information about the bearings and housing that support the shaft. In particular, in this system, an appropriate number is installed to receive up to four signals for each of the acceleration sensor and the displacement sensor, which is random in the process of synthesizing the first diagnosis result of each sensor signal during the second diagnosis. This is because it is not possible to database all the weights for the combination of the first order diagnostic results of a number of sensors.

또한, 회전축은 회전속도의 변화에 따라 축에 작용하는 가진력 및 축을 지지하는 강성등이 변화하여 전체시스템의 진동특성에 변화를 주게 되므로 회전속도를 진단을 위한 기준신호로 받아들이게 된다.In addition, the rotational shaft changes the vibration force of the whole system by changing the excitation force acting on the shaft and the rigidity supporting the shaft as the rotational speed changes, so the rotational speed is taken as a reference signal for diagnosis.

2. 1차 진단(Diagnosis)2. Diagnosis

1차진단은 퍼지추론을 행하는 단계로, 도 2는 도 1 1차진단부(30)의 퍼지추론에 의한 진단을 하기 위한 내부구조도이고, 도 3은 1차진단부(30)의 퍼지전문가에 의한 진단을 설명하기 위한 도면이다. 이 두 도면을 참조하여 1차진단과정에 대해 상세히 설명한다.First diagnosis is a step of performing a fuzzy inference, Figure 2 is an internal structural diagram for the diagnosis by the fuzzy inference of the first diagnostic unit 30, Figure 3 is a fuzzy expert of the primary diagnostic unit 30 It is a figure for demonstrating diagnosis. With reference to these two drawings will be described in detail the first diagnostic process.

퍼지논리는 일반적으로 시스템의 특성이 복잡하여 기존의 정량적인 방법으로는 해석할 수 없거나, 얻어지는 정보가 정성적이고, 부정확하며, 불확실한 경우에 기존의 논리체계에 의해 추론하는 것보다 우수한 결과를 얻을 수 있다. 따라서, 회전축의 진동과 같이 여러가지 원인이 복합적으로 결합되어 나타나는 이상원인의 진단과 같이 전문가의 오랜 경험을 필요로 하는 경우에 그 적용이 적합하다. 이제, 1차진단과정을 순서에 따라 보다 상세히 후술한다.In general, fuzzy logic is more complex than the existing quantitative methods, and the information obtained is qualitative, inaccurate, and uncertain. have. Therefore, the application is suitable when a long time experience of an expert is required, such as the diagnosis of abnormal causes that appear in combination with various causes such as vibration of a rotating shaft. Now, the first diagnosis process will be described in more detail in order.

- 정규화(Normalization)Normalization

퍼지진단기의 입력변수는 회전체의 결함진단을 위해 전문가가 참조하는 시스템상태에 관한 정보로서, 회전속도와 변위센서 및 가속도센서에 의해 측정된 회전체의 상태값이 되며, 출력변수로는 회전축요소의 결함이 된다. 회전축 진동신호의 특성은 시간영역에서보다 주파수영역에서 특정주파수의 파워변화를 통해 용이하게 관찰될 수 있으므로, 센서신호를 A/D변환한 후 FFT처리하여 각 주파수성분으로 분해한 다음 회전체의 결함과 관련이 있는 주파수성분들의 값들을 입력변수로 이용한다. 아래의 표 1에서는 이러한 입력변수들의 종류와 정의를 보여주고 있으며, 표2는 퍼지진단기로부터 얻고자 하는 진단의 결과로서 퍼지출력변수의 종류 및 정의를 보여주고 있다.The input variable of the fuzzy diagnosing machine is information about the system state which the expert refers to to diagnose the defect of the rotating body, and it is the state value of the rotating body measured by the rotational speed, displacement sensor and acceleration sensor. It becomes a defect of. Since the characteristics of the vibration signal of the rotating shaft can be easily observed through the power change of a specific frequency in the frequency domain rather than in the time domain, the sensor signal is decomposed into each frequency component by A / D conversion and then FFT processed, and then the defect of the rotating body The values of frequency components related to are used as input variables. Table 1 below shows the types and definitions of these input variables, and Table 2 shows the types and definitions of fuzzy output variables as a result of the diagnosis to be obtained from the fuzzy diagnostics.

입력변수의 종류 및 정의Type and Definition of Input Variables NoNo 기 호Symbol 변 수variable 정 의Justice 1One SPSP VV 회전체의 회전속도(rpm)Rotational Speed of Rotating Body (rpm) 22 MAGMAG M1x M 1x 회전속도의 주파수(1X)에서의 진폭Amplitude at Frequency of Rotational Speed (1X) 33 Q1Q1 MQ1 M Q1 1X의 0~40%주파수에서의 진폭평균Amplitude Average at 1-40% Frequency of 1X 44 0W0 W M0W M 0W 1X의 40~50%주파수에서의 진폭최대값Maximum amplitude at 40 to 50% frequency of 1X 55 Q2Q2 MQ2 M Q2 1X의 50~60%주파수에서의 진폭평균Amplitude mean at 50 to 60% frequency of 1X 66 2X2X M2X M 2X 2X의 주파수대의 진폭Amplitude of 2X frequency band 77 3X3X M3X M 3X 3X의 주파수대의 진폭Amplitude of 3X frequency band 88 4X4X M4X M 4X 4X의 주파수대의 진폭Amplitude of 4X frequency band 99 B1B1 MB1 M B1 볼베어링결함주파수 1에서의 진폭Amplitude at Ball Bearing Fault Frequency 1 1010 B2B2 MB2 M B2 볼베어링결함주파수 2에서의 진폭Amplitude at Ball Bearing Fault Frequency 2

출력변수의 종류 및 정의Output Variable Types and Definitions NoNo 기 호Symbol 변 수variable 정 의Justice 1One MAMA DMA D MA MisalignmentMisalignment 22 UBUB DUB D UB UnbalanceUnbalance 33 LSLS DLS D LS LoosnessLoosness 44 BDBD DBD D BD Ball bearing DefectBall bearing defect 55 RBRB DRB D RB RubbingRubbing 66 OWOW DOW D OW Oil WhirlOil whirl 77 SHISHI DSHI D SHI Subharmonic InstabilitySubharmonic instability

회전체의 회전속도는 그 응용에 따라 매우 다양한 값을 가지므로, 그 절대값을 직접 퍼지추론기의 입력변수로 사용하기에는 부적합하다. 따라서, 본 발명에서는 대상 회전체시스템의 최대회전속도(Vmax)를 입력받아 현재운전회전속도(V)와의 상대적인 비를 퍼지추론기의 입력변수( )로 한다.Since the rotational speed of the rotor has a wide range of values depending on the application, it is not suitable to use the absolute value directly as an input variable of the fuzzy inference machine. Therefore, in the present invention, the relative ratio with the current operating rotational speed (V) by receiving the maximum rotational speed (V max ) of the target rotating body system input variable ( )

또한, 1X성분은 회전체진동의 주성분이며 회전속도에 동기하는 성분이므로, 그 크기가 진단에 중요한 기준이 된다. 그러나, 시스템의 구성과 운전조건에 따라 그 절대적인 크기는 변하므로 그 절대값을 직접 입력변수화할 수 없다. 그러므로, 본 발명에서는 대상시스템의 경고수준에 해당하는 진폭크기(Mwarning)를 입력받아 그 값을 기준으로 하여 상태적인 비로서 퍼지추론기의 입력변수( )로 한다.In addition, since 1X component is a main component of rotating body vibration and a component synchronizing with the rotational speed, its magnitude becomes an important criterion for diagnosis. However, since the absolute magnitude of the system varies depending on the system configuration and operating conditions, the absolute value cannot be directly converted into an input variable. Therefore, in the present invention, the amplitude value (M warning ) corresponding to the warning level of the target system is input and the input variable of the fuzzy inference unit as a state ratio based on the value ( )

표 1에서 SP와 MAG를 제외한 입력변수의 경우에는 그 입력의 절대적인 값보다는 회전체의 상대적인 크기의 비율과 형태가 진단에 많은 정보를 주게 된다. 따라서, Q1,0W,Q2,2X,3X,4X,B1,B2는 1X에서의 진폭 M1x에 대한 비율로서 아래와 같이 변환되어진다.In the case of the input variables except SP and MAG in Table 1, the ratio and shape of the relative size of the rotor rather than the absolute value of the input give much information to the diagnosis. Thus, Q1,0W, Q2,2X, 3X, 4X , B1, B2 may be converted as shown below as a percentage of the amplitude M 1x in 1X.

i = Q1,0W,Q2,2X,3X,4X,B1,B2 i = Q1,0W, Q2,2X, 3X, 4X, B1, B2

- 입출력변수의 퍼지화(Fuzzyfication)-Fuzzyfication of input / output variables

입력변수들은 퍼지추론규칙의 언어적 표현을 위하여 그 값에 따라 적절한 언어적인 형태로 표현하게 된다. 본 발명에서는 이를 위해 삼각형의 형상을 갖는 퍼지소속함수로 각 입력공간을 퍼지분할한다. 이때, 각 입력공간에 대한 퍼지분할을 행한 소속함수는 5개(ZE, SM, ME, LA, VL)의 언어적 값을 갖고 있으며, 입력변수에 따라 분할의 수를 다르게 한다. 대부분의 입력변수는 4개의 소속함수로 분할되며, 보다 세밀히 그 영향을 살필 필요가 있는 변수에 대해서는 5개의 소속함수를, 반면에 그 영향이 미세한 것은 3개의 소속함수를 사용한다.Input variables are expressed in linguistic form according to their values for the linguistic representation of the fuzzy inference rule. According to the present invention, the fuzzy division function having a triangular shape is used to purge each input space. At this time, the fuzzy partitioning function for each input space has five linguistic values (ZE, SM, ME, LA, VL), and the number of partitions varies depending on the input variable. Most input variables are divided into four membership functions, with five membership functions for variables that need to be examined more closely, and three membership functions for small influences.

각 퍼지소속함수의 중심값은 회전체의 진동진단에 대한 전문가의 지식을 토대로 구해지는 것으로서 언어적인 표현으로 바뀌었을 때 그 언어적인 값을 대표하며, 같은 입력변수라 하더라도 상황에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 특히, 측정센서의 종류, 즉 변위센서인지 가속도센서인지에 따라 같은 주파수성분에 대한 응답특성이 다르므로 그 중심값의 크기도 달라야 하며, 센서의 설치위치, 즉 볼베어링과 저어널베어링, 회전축중 어느 곳에 설치되느냐에 따라서도 변하게 된다. 그 일예로 도 4는 본 발명의 일실시예에 적용되는 저어널 베어링에 설치된 변위센서의 소속함수를 그래프로 보여주고 있다.The center value of each fuzzy control function is obtained based on the expert's knowledge of the vibration diagnosis of the rotating body. When it is changed into linguistic expression, it represents the linguistic value, and the same input variable may have different values depending on the situation. Can be. In particular, since the response characteristics for the same frequency components are different depending on the type of measurement sensor, that is, the displacement sensor or the acceleration sensor, the magnitude of the center value must be different. It will also change depending on where it is installed. As an example, Figure 4 shows a graph of the membership function of the displacement sensor installed in the journal bearing applied to an embodiment of the present invention.

- 진단을 위한 퍼지추론규칙의 작성-Preparation of Fuzzy Reasoning Rules for Diagnosis

원칙으로는 표 1에 나타나 있는 10개의 모든 입력변수를 동시에 고려하여야 한다. 하지만, 그 경우에는 필요한 퍼지추론규칙의 수가 너무 방대해지게 된다. 그러므로, 본 실시예에서는 아래의 표 3a 및 3b와 같이 정의되는 변위센서에 대한 퍼지추론규칙에서, 1X성분을 기준으로 수퍼하모닉(Superharmonic)성분들(2X,3X,4X,B1,B2)로부터 MA,UB,LS,BD에 대한 출력결과를 구하고, 서브하모닉(Subharmonic)성분들(Q1,0W,Q2)로부터 RB,0W,SHI에 대한 출력결과 구한다. 그리고, 변위센서와 가속도센서의 추론규칙을 구분한다. 그 이유는 기설명한 바와 같이 두 센서가 이상신호에 반응하는 양상에 차이가 있기 때문이다. 특히, 본 발명에서는 Min-Max방식의 퍼지추론방식을 사용한다. 이 방식은 퍼지추론의 보편적인 한 방법이므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.In principle, all ten input variables shown in Table 1 should be considered simultaneously. In that case, however, the number of fuzzy inference rules required becomes too large. Therefore, in the present embodiment, in the fuzzy inference rule for the displacement sensor as defined in Tables 3a and 3b below, the MA from the superharmonic components 2X, 3X, 4X, B1, B2 based on the 1X component is used. The output result for, UB, LS, BD is obtained, and the output result for RB, 0W, SHI is obtained from the subharmonic components Q1,0W, Q2. And, inference rules of displacement sensor and acceleration sensor are distinguished. This is because, as described above, the two sensors are different in response to the abnormal signal. In particular, the present invention uses the Min-Max fuzzy inference method. Since this method is a universal method of fuzzy inference, a description thereof will be omitted.

수퍼하모닉Super harmonic SPSP MAGMAG 2X2X 3X3X 4X4X B1B1 B2B2 MAMA UBUB LSLS BDBD R1R1 SMSM MEME ZEZE LALA MEME ZEZE ZEZE SMSM MEME SMSM ZEZE R2R2 SMSM MEME MEME MEME MEME MEME MEME ZEZE SMSM ZEZE SMSM R3R3 SMSM MEME MEME LALA MEME MEME MEME ZEZE SMSM SMSM MEME ·· ·· ··

서브하모닉Subharmonic SPSP MAGMAG Q1Q1 0W0 W Q2Q2 RBRB 0W0 W SHISHI R1R1 SMSM SMSM LALA SMSM VLVL ZEZE ZEZE SMSM R2R2 SMSM MEME MEME LALA SMSM SMSM SMSM SMSM R3R3 SMSM MEME MEME VLVL MEME SMSM MEME ZEZE ·· ·· ··

3. 2차 진단3. Secondary diagnosis

대부분의 회전체이상원인은 주파수영역에 구분을 두어 추론할 수 있다. 하지만, 특정이상원인의 경우에는 해당 특정주파수 이외의 주파수영역에도 상당한 영향을 미치는 경우가 있으므로 이러한 경우에는 추론되어진 서브하모닉영역의 이상원인과 수퍼하모닉영역의 이상원인에 대하여 가중치를 설정하여 상호간에 영향을 주도록 한다. 다음 표 4a 내지 4c는 복수변위센서에 관한 가중치를 나타낸다.Most causes of rotor failure can be inferred by separating the frequency domain. However, in the case of a specific abnormal cause, it may have a significant influence on a frequency region other than the specific frequency. In such a case, the weight is set on the cause of the inferred subharmonic region and the cause of the super harmonic region. To give. Tables 4a to 4c show weights for the multiple displacement sensors.

센서가 2개일 때When there are two sensors 1One 22 MAMA UBUB LSLS MAMA BABA 0.80.8 LSLS BABA 0.70.7 UBUB 0W0 W 0.50.5

센서가 3개일 때When there are three sensors 1One 22 33 UBUB RBRB SUBSUB MAMA MAMA UBUB 0.70.7 UBUB UBUB 0W0 W 0.80.8 0W0 W SUBSUB SUBSUB 0.80.8

센서가 4개일 때4 sensors 1번number 1 2번No.2 3번number 3 4번4 times MAMA LSLS RBRB MAMA MAMA MAMA 0W0 W 0.80.8 LSLS LSLS LSLS BABA 0.80.8 RBRB RBRB 0W0 W 0W0 W 0.70.7

이상의 과정들을 거친 각 센서들의 개별적인 진단결과들에 대한 위의 표 4a 내지 4c의 예와 같이 변위센서와 가속도센서에서 각각의 센서종류별로 그 결과를 종합한다. 센서의 수가 많을수록 판단의 신뢰도를 높일 수 있도록 입력센서의 수별로 각 센서에서 추론된 결과의 조합에 대해 서로 가중치를 주어 그 신뢰도를 조절한다. 예를 들어, 변위센서 4개의 입력에서 한 개의 센서에 오일휠이 추론되고, 나머지 3개의 센서에서 축정렬 불량이 추론되었다면 오일휠의 전체시스템에 대한 영향을 고려하여 축정렬 불량의 확률을 조절한다.As shown in Tables 4a to 4c above for the individual diagnosis results of the respective sensors that have undergone the above processes, the results are summarized for each sensor type in the displacement sensor and the acceleration sensor. As the number of sensors increases, the reliability of the judgment is adjusted by weighting each combination of the results inferred from each sensor so as to increase the reliability of the judgment. For example, if the oil wheel is inferred from one input of four displacement sensors and the axis misalignment is inferred from the other three sensors, the probability of shaft misalignment is adjusted by considering the influence of the oil wheel's overall system. .

그리고, 변위센서들로부터 얻어진 진단결과와 가속도센서들로부터 얻어진 진단결과의 상호비교가 최종적으로 필요하다. 예를 들어 오일휠(0W)의 경우는 축의 직접적인 거동을 측정하는 변위센서를 통해서 검출이 용이하고, 기계적 풀림(LS)의 경우는 하우징에 설치되는 가속도센서가 유리하므로, 이러한 각 센서종류의 특성을 고려하지 않을 수 없으며, 따라서 아래 표5와 같은 가중치를 적용하여 최종적인 진단을 내리게 된다.In addition, it is finally necessary to compare the diagnosis result obtained from the displacement sensors with the diagnosis result obtained from the acceleration sensors. For example, the oil wheel (0W) is easy to detect through a displacement sensor that measures the direct movement of the shaft. In the case of mechanical loosening (LS), the acceleration sensor installed in the housing is advantageous. Inevitably, the final diagnosis is made by applying weights as shown in Table 5 below.

센서특성을 고려한 가중치Weight Considering Sensor Characteristics 변위Displacement 가속도acceleration 변위센서Displacement sensor 가속도센서Acceleration sensor MAMA UBUB MAMA UBUB MAMA LSLS 0.80.8 UBUB LSLS 0.80.8 UBUB MAMA 0.80.8 MAMA UBUB 0.80.8

이상 설명한 2차 진단의 가중치는 회전이상진단에 대한 전문가에 의해서 작성되며, 적용시스템의 특성을 고려하여 특성에 적합하도록 적절한 수정이 필요하게 된다.The weight of the secondary diagnosis described above is prepared by an expert on the rotational fault diagnosis, and appropriate modification is necessary to suit the characteristic in consideration of the characteristics of the applied system.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법은 기계장치의 회전축요소로부터 계측된 진동신호를 근거로 이상운전징후를 감시, 진단하여 운전시 발생할 수 있는 여러가지 이상원인을 운전자에게 경고함으로써 기계의 고장을 사전에 예측방지하고, 회전체구성요소의 교체시기를 추정하여 치명적인 고장의 발생이전에 운전자가 장치를 보수할 수 있게 하여 작업능률을 향상시킬 뿐만 아니라 회전구동시스템의 신뢰도를 증진할 수 있는 효과가 있다.As described above, the fault diagnosis method of the rotating machine using the fuzzy logic of the present invention monitors and diagnoses the abnormal operation symptoms on the basis of the vibration signal measured from the rotating shaft element of the mechanical device to identify various causes that may occur during operation. By alerting the operator to prevent the failure of the machine in advance, and to estimate the replacement time of the rotor components, the operator can repair the device before the fatal failure. There is an effect that can increase the reliability.

Claims (5)

회전구동시스템의 이상진단방법에 있어서,In the abnormal diagnosis method of the rotation drive system, 회전구동요소들에 설치된 다수의 변위센서 및 가속도센서로부터 검출된 신호들이 입력되는 진동정보입력단계;A vibration information input step of inputting signals detected from a plurality of displacement sensors and acceleration sensors installed on the rotation driving elements; 상기 입력단계에서 입력된 회전속도와 각 센서의 진동신호 및 설치정보를 입력인자로 하여 퍼지추론을 행해 각각의 센서의 개별적인 진단결과를 제시하는 1차진단단계; 및A first diagnosis step of performing fuzzy inference based on the rotational speed inputted in the input step, the vibration signal of each sensor, and installation information as input factors to present an individual diagnosis result of each sensor; And 전문가의 지식을 기반으로 각 결함의 주파수영역, 입력된 센서의 개수, 센서의 종류등을 종합적으로 고려한 가중치를 적용하여 1차진단의 개별적인 결과들로부터 최종적인 이상원인을 제시하는 2차진단단계를 포함하는 퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법.Based on the expert's knowledge, the second diagnosis step is proposed to propose the final cause of abnormality from the individual results of the first diagnosis by applying the weights in consideration of the frequency range of each defect, the number of input sensors, and the types of sensors. An abnormal diagnosis method of a rotating machine using a fuzzy logic. 제 1항에 있어서, 상기 1차진단단계에서 이용되는 설치정보에는 설치방향, 센서의 종류 및, 측정위치 등인 것을 특징으로 하는 퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법.The method of claim 1, wherein the installation information used in the first diagnostic step includes an installation direction, a type of sensor, a measurement position, and the like. 제 1항에 있어서, 상기 1차진단단계는The method of claim 1, wherein the first diagnostic step 회전속도, 변위센서와 가속도센서에 의해 측정된 회전체의 상태값을 퍼지추론에 적합한 입력변수로 정규화하는 단계;Normalizing the state values of the rotating body measured by the rotational speed, the displacement sensor and the acceleration sensor to an input variable suitable for fuzzy inference; 상기 정규화된 입력변수를 퍼지추론규칙에 적합한 언어적인 형태로 표현하는 퍼지화단계;A fuzzy step of expressing the normalized input variable in a linguistic form suitable for a fuzzy inference rule; 퍼지화된 입력변수를 퍼지추론규칙을 적용하여 퍼지추론을 행하는 단계; 및Performing fuzzy reasoning on the fuzzy input variable by applying fuzzy reasoning rules; And 상기 퍼지추론된 값들을 디퍼지화하여 출력하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법.And diffusing the fuzzy inferred values and outputting the fuzzy inferred values. 제 3항에 있어서, 상기 정규화단계에서 입력변수 중 회전속도( )는 대상회전체시스템의 최대회전속도(Vmax)와 현재운전속도(V)와의 상대적인 비로 산정되고, 1X성분( )은 대상시스템의 경고수준에 해당하는 진폭크기(Mwarning)를 기준으로 하여 상대적인 비로서 산출되며, 그 외의 입력변수( )는 1X에서의 진폭(M1x)에 대한 비율로서 변환되어 다음식과 같이 정규화되는 것을 특징으로 하는 퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법.The method of claim 3, wherein the rotational speed of the input variable in the normalization step ( ) Is calculated as the ratio between the maximum rotational speed (V max ) and the current operating speed (V) of the target rotor system, and 1X component ( ) Is calculated as a relative ratio based on the amplitude magnitude (M warning ) corresponding to the warning level of the target system, and other input variables ( ) Is converted as a ratio of the amplitude (M 1x ) at 1X and normalized as follows. 다음next , 여기서, i = Q1,0W,Q2,2X,3X,4X,B1,B2 , here, i = Q1,0W, Q2,2X, 3X, 4X, B1, B2 제 3항에 있어서, 상기 퍼지추론단계는 Min-Max방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 퍼지논리를 이용한 회전기계의 이상진단방법.4. The method of claim 3, wherein the fuzzy reasoning step uses a Min-Max method.
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