KR20000075872A - 진단 대상을 자동으로 진단하는 방법 - Google Patents

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Abstract

진단 대상이 있는 한 곳에 고정 배치되어 자동으로 작업하는 데이터 파악 유니트 및 이곳과 공간적으로 떨어져 있는 감시 터미널을 통해, 진단 대상, 특히 드라이브 트레인을 자동으로 진단하는 방법으로서, 손상 상태를 양적으로 기술하고 이어서 데이터 전송 기능을 활성화시키고 그 다음에 진단에 관한 메시지를 감시 터미널에 전달하는 것이 손상의 종류에 따라 비중화된, 하나의 손상 특성의 시그니피컨스 또는 상이한 손상 특성들의 조합의 시그니피컨스에 의해 촉발되며, 손상 특성들이 운동학적 작용에 속하는 물리적 크기의 진폭에 의해 조건으로서 지정되며, 물리적 크기들이 센서를 통해 기계 표면에서 검출된 광대역 신호의 스펙트럼에서의 고조파형 여진을 위해서 또는 충격 펄스형 여진을 위해서 그 광대역 신호의 고역 통과 필터링된 포락선 스펙트럼으로부터 형성되거나, 불연속적으로 나타나 결정된 충격 여진을 위해서 그 광대역 신호의 최대값 포락선 스펙트럼으로부터 형성되며, 그리고 손상 특성의 시그니피컨스 역치에 대한 손상 특성의 진폭의 비율이 시그니피컨스에 의해 기술되며, 이때 가변적인 시그니피컨스 역치가 기초가 되며, 이렇게 해서 손상 특성을 둘러싸는 스펙트럼선의 진폭을 근거로 손상 특성의 시그니피컨스의 레벨이 제시되는 방법이 제시된다.

Description

진단 대상을 자동으로 진단하는 방법{METHOD FOR AUTOMATED DIAGNOSIS OF DIAGNOSTIC OBJECTS}
드라이브 트레인에서의 운동학적 작용은 힘의 작용으로 이어지고, 이것은 기계 구조물에서 파동으로 전달되어 기계 표면에서 진동으로 검출될 수 있다. 이때 검출은 예컨대 가속도 센서를 통해 기계적 신호를 전기적 신호로 변환하여 전송함으로써, 경우에 따라서는 아날로그 전기 신호의 아날로그 예비 처리, 안티-에일리어싱(anti-aliasing) 필터링, 디지털화 및 디지털 임시 저장을 통해서, 이루어진다. 디지털 상태의 시간 신호는 다시 예컨대 주파수대역 필터링, 포락선 발생 또는 데이터 리덕션을 통해 예비 처리될 수 있다. 푸리에 변환을 통해서, 일반적으로는 고속 푸리에 변환을 통해서, 신호의 스펙트럼, 포락선 스펙트럼 및 최대값 포락선 스펙트럼이 얻어진다. 그러면 운동학적 작용에 속하는 주파수의 스펙트럼선이 진단 대상의 운동학적 작용 및 교란신호 성분을 구체화해 준다.
하나의 스펙트럼선 또는 스펙트럼선들의 조합이 그 주파수를 통해 어떤 운동학적 작용에 분명하게 대응될 수 있고, 손상 종류에 따른 중요도가 정해진 스펙트럼선 진폭이 광대역 여진의 성분일 뿐 아니라 시그니피컨트(significant)하다는 것이 가정될 수 있으면, 문제가 되는 운동학적 작용이 존재할 개연성이 높다.
서술한 이러한 방법은 예컨대 라이너 비르트(Reiner Wirth)의 1994년 치타우 공과대학(TH Zittau) 박사학위논문 "구름 베어링의 진동 진단 방법의 신뢰성에 미치는 영향"(Einfluse auf die Zuverlassigkeit von Schwingungsdiagnoseverfahren an Wazlagern)에 기술되어 있고 오프-라인(off-line) 방법을 위해서 이미 적용되고 있다.
시그니피컨스 분석은 수리 통계학에서 유래하며 예컨대 바이어(O. Bayer), 하켈(H. Hackel), 피퍼(V. Pieper), 티트케(J. Tiedke)의 "확률 계산과 수리 통계학"(Wahrscheinlichkeitsrechnung und mathematische Statistik) (MINOL Band 17, B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1988)에 기술되어 있다.
반면에 스펙트럼과 포락선 스펙트럼의 감시를 실현하는 온-라인(on-line) 방법도 있는데, 이것은 예컨대 쉴레(R. Schuehle), 베커(E. Becker)의 "발전소, 광산 시설 및 처리 시설에서 인터맥을 통해 상태를 감시하기"(Zustandsuberwachung mit InterMAC in Kraftwerks-, Bergwerks- und Prozeβanlagen) (출전: 젤링어[A. Seelinger] 편저 "유지, 진단, 시설 감시에 관한 아헨 콜로키움", 1996년 5월 30-31일 아헨의 콜로키움 회의록[AKIDA - Aachener Kolloquium fur Instandhaltung, Diagnose und Anlagenuberwachung" - Tagungsband des Kolloquiums vom 30. - 31. Mai 1996 in Aachen])에 보고되어 있다. 그 밖에도 개별 특성들의 진폭 감시에 의한 온-라인 방법이 실현되어 있는데, 이것도 앞서 언급한 출판물에 기술되어 있다.
이러한 온-라인 방법에 의한 스펙트럼 감시에는 규칙적인 데이터 전송과 전문가에 의한 정기적인 분석이 필요하다. 개별 특성들의 자동적인 진폭 감시는 연속적인 프로세스에만 적합하다. 부하 또는 환경의 영향에 의한 변화가 생기면, 적용된 방법이 기능을 발휘하지 못한다.
본 발명은 진단 대상을, 특히 드라이브 트레인을 자동으로 진단하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 블록배선도이다.
본 발명의 목적은 상태 파라미터의 원격 진단을 위한 온-라인 데이터 파악의 도중에 부하 변동 및 환경 영향이 있는 경우라도 확실하고 분명한 특성들을 내놓고, 진단 신뢰성을 높여 주며, 저렴한 비용으로 작업하는 방법을 제시하는 데 있다.
이 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징들을 통해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시 형태들은 종속 청구항에 제시되어 있다. 여기서 특히 유리한 것으로 밝혀진 것은, 진단 대상에 고정되어 자동으로 작업하는 데이터 파악 유니트가 희망하는 특성 파라미터의 시그니피컨스(significance)를 감시하고, 이때 각 손상 종류에 대한 시그니피컨스의 레벨이 사전에 주어지는 것이다. 시그니피컨스가 사전에 주어진 특정한 값을 초과하면, 다시 말해 운동학적 현상에 속하는 진동 성분의 진폭이 이 특성 파라미터에 대한 시그니피컨스 역치를 초과하면, 시그니피컨스 제어되는 데이터 전송이 감시 터미널을 향해 이루어지고, 전송된 데이터는 감시 터미널에 저장되며 이와 병행하여 메시지 전달 또는 경보 발생이 이루어진다.
물리적 특성 파라미터로서 진동 가속도 대신에 진동 속도 또는 진동 경로 또한 감시될 수 있다. 하우징 진동 외에도 샤프트 진동, 회전 불규칙 또는 토션 진동 및 그 밖의 다른 상태 파라미터도 측정할 수 있다.
이하에서는 본 발명을 블록 배선도에 도시된 실시예를 통해 더 자세히 설명하고 프로그램 진행을 통해 기술한다.
블록 배선도에는 진단 대상(1)이 있는데, 본 경우에는 드라이브 트레인이 될 수 있으며 데이터 파악 유니트(2)와 연결되어 있다. 데이터 파악 유니트(2)에는 종래의 센서들이 포함되는데, 이것들은 공간적으로는 진단 대상(1) 주위에 설치되어 있다. 그 밖에도 센서들을 위해서는 통상적인 전류 공급장치와 신호 컨디셔닝 필터가 부여되어 있다. 더 나아가 센서들이 내놓는 각 신호 연속체에 대하여 데이터 파악 유니트(2)의 디지털화 장치로서 아날로그-디지털 변환기가 부여되어 있다. 디지털화된 신호는 부속 기억장치에 저장된다. 이 기억장치는 통상적인 계산기의 구성요소가 되며, 이 계산기는 제어장치의 기능도 동시에 하면서 시그니피컨스 분석도 수행한다. 그 밖에 또 데이터 파악 유니트(2)에 마련된 통상적인 인터페이스를 통해서, 감시 터미널(4)과의 통신을 위한 데이터 전송(3)이 실현된다.
데이터 전송(3)은 바람직하게는 주어진 유선 또는 무선 전화망 또는 위성 전화망 또는 인터넷을 통해 수행될 수 있다.
감시 터미널(4)에도 데이터 파악 유니트(2)와의 통신을 위한 통상적인 인터페이스가 마련되어 있다. 대체로 감시 터미널(4)는 모니터와 컴퓨터를 갖춘 통상적인 PC 작업장과 동일한 구성요소를 갖는데, 여기로 들어오는 신호는 저장되어 모니터에 디스플레이된다. 따라서 모든 메시지들이 감시 목적을 위해 디스플레이될 수 있고 경우에 따라 필요한 개입을 위해 이용할 수 있게 된다.
자동화 진단 방법을 위한 프로그램 진행의 예를 기술하기 위해서는, 관계들을 분명하게 기술하기 위한 단순한 전제조건으로서, 필요한 명칭들을 정의하는 것이 필요하다. x를 진단 대상(모터, 전동장치 등과 같은 드라이브 트레인의 구성요소)에서 파악된 물리적 크기라 하자. 이러한 물리적 크기의 예는 다음과 같다.
·진동 가속도
·진동 속도
·상대 또는 절대 진동경로
·회전 모멘트
·각속도 또는
·이러한 물리적 크기들 중 하나의 포락선
그 다음에 x의 진폭 스펙트럼은 i=1,2,...,N 및인 주파수 채널 f(i)과 진폭 채널 x(i)에 의해 조건으로서 지정된다고 하자. 이때 fi는 각 개별값에 속하는 주파수를, f1는 진폭을 나타낸다.
진단의 전제조건으로서 각 진단 특성에 대하여 다음이 주어져 있고 매트릭스에 맡겨져 있다고 하자.
·k - 진단 특성의 명칭
·- 고속파를 기준으로 한 차수
△fku% - 허용 하한 범위 (퍼센트)
·△fko% - 허용 상한 범위 (퍼센트)
·△ikS- 시그니피컨스의 폭 (퍼센트)
·zk- 특성 고유 상수 (시그니피컨스 이론의 α문자와 상당함)
·- 이것은 경보 발생 전에 시그니피컨스 역치를 몇 번이나 초과해도 되는지를 규정한다.
zk에는 시그니피컨스의 레벨과, 손상 종류와 관련한 중요도가 포함되어 있다.
진단에 필요한 특성(k)은 이론적 운동학적 주파수(fk.th)와 그에 속하는 진폭(xk.th)에 의해 조건으로서 지정된다고 하자.
각 특성(k)에 대해서는 다음이 적용된다.
이론적 운동학적 관계들을 토대로 하여, 특성(k)의 진단을 위해 최고 시그니피컨스의 진폭이 고려된다. 이를 위해서는 허용 하한 범위(△fku%)와 허용 상한 범위(△fko%)가 이용된다.
이제 특성(k)에 대한 최고 시그니피컨스는 i가 조건을 충족시키면서 구성된다.
이때 각 Si에 대해 다음이 적용된다.
여기서이고
이다.
결국 Si는 시그니피컨스를, 다시 말해 유동적인 시그니피컨스 역치(ci)에 대한 진폭(xi)의 비율을 말한다.
실제 처리를 위해서는 매트릭스의 확정이 필요하다.
(여기서는 보울 밀(bowl mill) 전동장치를 예로 든다)
·k - 진단 특성의 명칭
·- 고속파를 기준으로 한 차수
△fku% - 허용 하한 범위 (퍼센트)
·△fko% - 허용 상한 범위 (퍼센트)
·△ikS- 시그니피컨스의 폭 (퍼센트)
·zk- 특성 고유 상수 (시그니피컨스 이론의 α문자와 상당함)
·- 이것은 경보 발생 전에 시그니피컨스 역치를 몇 번이나 초과해도 되는지를 규정한다.
zk에는 시그니피컨스의 레벨과, 손상 종류와 관련한 중요도가 포함되어 있다.
진단에 필요한 특성(k)은 이론적 운동학적 주파수(fk.th)와 그에 속하는 진폭(xk.th)에 의해 조건으로서 지정된다고 하자.
각 특성(k)에 대해서는 다음이 적용된다.
이론적 운동학적 관계들을 토대로 하여, 특성(k)의 진단을 위해 최고 시그니피컨스의 진폭이 고려된다. 이를 위해서는 허용 하한 범위(△fku%)와 허용 상한 범위(△fko%)가 이용된다.
이제 특성(k)에 대한 최고 시그니피컨스는 i가 조건을 충족시키면서 구성된다.
이때 각 Si에 대해 다음이 적용된다.
여기서이고
이다.
결국 Si는 시그니피컨스를, 다시 말해 유동적인 시그니피컨스 역치(ci)에 대한 진폭(xi)의 비율을 말한다.
다음에서는 도식적인 프로그램 진행의 원칙이 제시된다:
터보 파스칼(Turbo-Pascal) 프로그램을 통한 예:
시뮬레이션과 검증을 위해 터보 파스칼 프로그램이 사용되었는데, 이것은 x와 k에 대한 작동 방식만 명시적으로 보여 주고 있다. 원격 진단에서는 자유롭게 컨피규레이션될 수 있는 매트릭스로부터 입력값, △fku%, △fko%, △ikS, zk및이 취해지며, f1이 측정된다.
손상된 구름 베어링에서의 시그니피컨스의 변화:
1996년 10월 2일과 1996년 8월 1일에 두 차례 있었던 실제 측정의 결과 비교는 시그니피컨스 분석의 도움으로 다음과 같이 나온다:
그림 1: 96년 10월 2일 측정의 포락선 스펙트럼과 시그니피컨스 스펙트럼
그림 2: 97년 8월 1일 측정의 포락선 스펙트럼과 시그니피컨스 스펙트럼
시그니피컨스 스펙트럼에 있는 문자 (v.l.n.r) K(케이지 로테이션 주파수), n(회전 주파수), W(구름체 스핀 주파수 또는 구름체 롤오버 주파수), A(외부링 롤오버 주파수) 및 I(내부링 롤오버 주파수)는 탐색된 주파수선마다 산출된 시그니피컨스를 나타낸다. 밝은 청색선 또는 쇄선은 스펙트럼에서 시그니피컨스 역치를 표시한다.
그림 1과 그림 2에서 볼 수 있듯이, 모든 베어링 롤오버 주파수의 시그니피컨스가 높아졌다. 따라서 베어링의 손상이 확실하게 증명될 수 있다.

Claims (3)

  1. 진단 대상이 있는 한 곳에 고정 배치되어 자동으로 작업하는 데이터 파악 유니트 및 이곳과 공간적으로 떨어져 있는 감시 터미널을 통해, 진단 대상, 특히 드라이브 트레인을 자동으로 진단하는 방법에 있어서,
    손상 상태를 양적으로 기술하고 이어서 데이터 전송 기능을 활성화시키고 그 다음에 진단에 관한 메시지를 감시 터미널에 전달하는 것이 손상의 종류에 따라 비중화된, 하나의 손상 특성의 시그니피컨스 또는 상이한 손상 특성들의 조합의 시그니피컨스에 의해 촉발되는 단계,
    손상 특성들이 운동학적 작용에 속하는 물리적 크기의 진폭에 의해 조건으로서 지정되는 단계,
    물리적 크기들이 센서를 통해 기계 표면에서 검출된 광대역 신호의 스펙트럼에서의 고조파형 여진을 위해서 또는 충격 펄스형 여진을 위해서 그 광대역 신호의 고역통과 필터링된 포락선 스펙트럼으로부터 형성되거나, 불연속적으로 나타나 결정된 충격 여진을 위해서 그 광대역 신호의 최대값 포락선 스펙트럼으로부터 형성되는 단계, 그리고
    손상 특성의 시그니피컨스 역치에 대한 손상 특성의 진폭의 비율이 시그니피컨스에 의해 기술되며, 이때 유동적인 시그니피컨스 역치가 기초가 되어, 손상 특성을 둘러싸는 스펙트럼선의 진폭을 근거로 손상 특성의 시그니피컨스의 레벨이 제시되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 물리적 크기로서 진동 가속도, 진동 속도, 상대 또는 절대 진동경로 또는 회전 모멘트가 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 센서로서는 가속도 센서, 인덕턴스 또는 와류 센서 또는 텐션 측정 테이프가 파악될 물리적 크기에 따라 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
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