KR20030083915A - 웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템에 관한 것으로, 구동 모터의 구동에 따라 회전축이 회전하면서 선단에 설치된 임펠러를 회동시키고 이 임펠러의 회동에 따라 교반물이 고르게 혼합되도록 하는 교반기에 있어서, 상기 교반기의 구동 모터에 인가되는 전류를 측정하기 위한 전류 측정 센서와, 상기 교반기의 출력축, 구동축, 임펠러축에 해당하는 축의 변동률을 측정하여 진동을 감지하기 위한 가속도계와, 상기 전류 측정 센서와 가속도계에서 검출된 전류 신호 및 진동 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와, 상기 A/D 변환기에서 변환된 디지털 신호에 대해 웨이브렛 변환을 수행하는 웨이브렛 변환기와, 측파대와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 이용하여 미리 설정된 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨에서 상기 웨이브렛 변환기에서 웨이브렛 변환된 전류 신호 및 진동 신호를 기준 신호와 비교하여 기준 신호 이상인 경우 교반기가 이상 상태임을 알리는 결과를 출력하는 신호 비교회로와, 상기 신호 비교회로에서 출력되는 비교 결과에 따라 상기 구동 모터를 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템 {DANGER SENSORING SYSTEM USING WAVELET TRANSFORM}

본 발명은 웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템에 관한 것으로, 특히 측파대(Sideband)와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 사용하여 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨을 설정하고, 교반기로부터 검출된 전류 신호 및 진동 신호를 웨이브렛 변환하여 상기 미리 설정된 에너지 레벨에서 기준 신호와 비교하며, 이 비교 결과에 따라 교반기의 구동 모터를 제어하여 교반기의 구동 및 정지를 원활하게 제어할 수 있고 교반기의 과부하 동작과 이상 동작을 방지할 수 있도록 한 웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템에 관한 것이다.

일반적으로 분말 상태로 된 도료 등을 포함하여 각종 액상의 혼합물을 혼합하거나, 기본 물질에 화약 약품 등을 넣고 이들을 고르게 혼합시키기 위하여 교반기를 이용하고 있다.

특히, 산업용 교반기의 경우는 도 1에 도시된 바와 같이 교반기 본체(1)의 상부에 구동 모터(2)를 설치하고, 이 구동 모터(2)의 하방에는 구동 모터(2)의 피니언과 결합하여 회전력을 증가시키는 감속기(3)를 설치하며, 이 감속기(3)의 출력축(4)에 구동축(5)을 연결 설치하고, 이 구동축(5)에는 교반용 임펠러(7)가 선단에 설치된 임펠러축(6)을 연결 설치하여 구성되어 있다.

상기 교반기 본체(1)를 혼합조에 고정 설치한 상태에서 구동 모터(2)를 구동시키게 되면, 구동 모터(2)의 피니언이 상기 감속기(3)를 작동시키게 되고, 이 감속기(3)에서 감속되면서 회전력이 증가된 출력축(4)이 구동축(5)과 임펠러축(6)을 회동시키게 되며, 이 임펠러축(6)의 회전에 따라 상기 임펠러(7)가 회동하게 되면서 상기 액상의 혼합물을 교반시키게 되어 있다.

그러나, 현재 사용되고 있는 교반기는 교반 작업도중 과부하가 발생될 경우, 이를 감지할 수 없었기 때문에 과부하가 걸린 교반기를 즉시 정지시킬 수 없었으며, 상기 혼합물의 교반 작업이 완료되고 혼합물이 배출된 경우에도 이를 육안으로 확인한 후에만이 상기 교반기를 정지시키도록 되어 있었다.

그리고, 상기 임펠러를 포함한 축들에서 이상 진동이 발생되는 경우, 이 이상 진동 등에 의하여 상기 축 등에서 휨이 발생되거나 또는 아예 파손되는 폐단이 있었다.

특히, 자동화된 공정에 있어서는 상기 과부하 등이 발생될 경우 교반기의 속도 등을 적절하게 제어해야 하는데, 종래의 교반기에는 이러한 이상 상태를 자동으로 감지할 수 없었기 때문에 작업자의 감각이나 육안에 의하여 일일이 확인하고 이상 발생시 작업자가 수동적으로 조치를 하도록 하고 있었다.

따라서, 상기와 같은 이상 발생시 신속하게 교반기를 제어할 수 없었으며, 이에 따라 상기 교반기의 축이 휘거나 축과 임펠러 및 혼합조와 연결되는 부분 등이 파손될 염려가 있었고, 상기 과부하가 걸릴 경우 교반기의 구동 모터가 손상되는 문제점 등이 있었다.

한편, 본 출원인이 이전에 출원한 출원번호 제2000-18840호에서 상기와 같은문제점을 해결하기 위해 교반기의 위험감지시스템을 제안하였는데, 이는 상기 교반기의 임펠러축에서 발생하는 진동을 감지하고 이 감지된 진동 신호에 따라 구동 모터를 제어하도록 한 시스템이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 위험감지시스템의 경우, 상기 감지된 진동 신호가 시간 영역에서의 신호로서, 이 시간 영역에서의 신호만으로는 교반기의 이상을 감지하는 것이 힘들다고 하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 구동 모터의 구동에 따라 회전축이 회전하면서 선단에 설치된 임펠러를 회동시키고 이 임펠러의 회동에 따라 교반물이 고르게 혼합되도록 하는 교반기에 있어서, 측파대와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 이용하여 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨을 설정하고, 상기 교반기로부터 검출된 전류 신호 및 진동 신호를 웨이브렛 변환하여 상기 미리 설정된 에너지 레벨에서 기준 신호와 비교하며, 이 비교 결과에 따라 교반기의 구동 모터를 제어하여 교반기의 구동 및 정지를 원활하게 제어할 수 있고 교반기의 과부하 동작과 이상 동작을 방지할 수 있도록 한 웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템을 제공하는 데에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 위험감지시스템이 적용된 교반기의 단면을 보인 도면,

도 2는 본 발명에 의한 위험감지시스템의 블록 구성도,

도 3의 (가)와 (나)는 시간 영역에서의 전류 신호 및 진동 신호를 보인 도면,

도 4의 (가)와 (나)는 전류 신호 및 진동 신호에 대해 웨이브렛 변환을 수행한 결과를 보인 도면,

도 5는 전류 신호 및 진동 신호에 대한 각 레벨의 에너지를 보인 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 교반기 본체2 : 구동 모터

3 : 감속기4 : 출력축

5 : 구동축6 : 임펠러축

7 : 임펠러8 : 전류 측정 센서

9 : 가속도계10 : A/D 변환기

11 : 웨이브렛 변환기12 : 신호 비교회로

13 : 제어부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템은, 구동 모터의 구동에 따라 회전축이 회전하면서 선단에 설치된 임펠러를 회동시키고 이 임펠러의 회동에 따라 교반물이 고르게 혼합되도록하는 교반기에 있어서, 상기 교반기의 구동 모터에 인가되는 전류를 측정하기 위한 전류 측정 센서와, 상기 교반기의 출력축, 구동축, 임펠러축에 해당하는 축의 변동률을 측정하여 진동을 감지하기 위한 가속도계와, 상기 전류 측정 센서와 가속도계에서 검출된 전류 신호 및 진동 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와, 상기 A/D 변환기에서 변환된 디지털 신호에 대해 웨이브렛 변환을 수행하는 웨이브렛 변환기와, 측파대와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 이용하여 미리 설정된 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨에서 상기 웨이브렛 변환기에서 웨이브렛 변환된 전류 신호 및 진동 신호를 기준 신호와 비교하여 기준 신호 이상인 경우 교반기가 이상 상태임을 알리는 결과를 출력하는 신호 비교회로와, 상기 신호 비교회로에서 출력되는 비교 결과에 따라 상기 구동 모터를 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 위험감지시스템의 블록 구성도로서, 상기 교반기의 구동 모터(2)에 인가되는 전류를 측정하기 위한 전류 측정 센서(8)와, 상기 교반기의 출력축(4), 구동축(5), 임펠러축(6)에 해당하는 축의 변동률을 측정하여 진동을 감지하기 위한 가속도계(9)와, 상기 전류 측정 센서(8)와 가속도계(9)에서 검출된 전류 신호 및 진동 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(10)와, 상기 A/D 변환기(10)에서 변환된 디지털 신호에 대해 웨이브렛 변환을 수행하는 웨이브렛 변환기(11)와, 측파대와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 이용하여 미리 설정된 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨에서 상기 웨이브렛 변환기(11)에서 웨이브렛 변환된 전류 신호 및 진동 신호를 기준 신호와 비교하여 그 결과를 출력하는 신호 비교회로(12)와, 상기 신호 비교회로(12)에서 출력되는 비교 결과에 따라 상기 구동 모터(2)를 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부(13)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에서는 웨이브렛 변환을 이용한 에너지 레벨 분석을 통해 교반기의 이상 상태를 쉽게 감지할 수 있도록 하고 있다.

즉, 웨이브렛 변환이란 분석하고자 하는 신호를 주어진 기저함수의 특성을 이용하여 분할하는 과정을 말하며, 이때 사용하는 기저함수는 스케일링 함수(t)와 웨이브렛 함수(t)로 나눌 수 있다. 이러한 웨이브렛의 기저들은 모웨이브렛(mother wavelet)(t)의 확장(dilation)과 천이(translation)로부터 얻어지며, 다음 두 가지 조건을 만족해야 한다.

스케일 a와 시간 b에 대응하는 웨이브렛은 다음과 같이 주어진다.

여기서, a와 b는 각각 확장과 천이 변수이며, 연속 웨이브렛 변환(continuous wavelet transform, CWT)은 다음과 같이 정의된다.

여기서 *는 공액 복소수(complex conjugate)를 의미한다.

이산 웨이브렛 변환(DWT)은 상기 수학식에서 a, b를 2의 거듭제곱이 되는 스케일(dyadic scale)을 사용하여 나타내게 된다.일 때, 웨이브렛은로 표현되며, DWT는 다음으로 정의된다.

여기서,는 웨이브렛 계수이며 원래의 신호 x(t)의 시간-주파수 그래프상에 나타나게 된다.

웨이브렛 이론의 배경은 주어진 신호를 직교성을 가지고 있는 웨이브렛들을 적용하여 분해할 수 있다는 것이다. 이러한 원리로부터 다중해상도 분석이 수립되었으며, 이는 신호의 성분을 단계별로 더욱 세밀하게 표현하는 웨이브렛을 만들어서 적용하는 과정을 거치게 된다. 스케일링 함수는 스케일링 계수를 낳게 되고, DWT는 웨이브렛 계수와 스케일링계수를 다음과 같이 계산한다.

j>0에서, 스케일링 계수와 웨이브렛 계수는

으로 주어진다. 여기서, g, h는 각각 웨이브렛와 스케일링 함수로부터 유도된 고주파, 저주파 통과 필터 계수에 해당한다. 따라서는 고주파 통과 필터를 통과한 신호 x(t)의 고주파 성분(detail)에 해당하며,는 저주파 통과 필터를 통과한 신호이다.

한편, 측파대와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 이용하여 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨을 설정하는 과정을 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

교반기의 임펠러 회전속도는 일정하게 맞추어져 있으며, 교반기에 변속기가 설치되어 있어 분당 1회전 이하에서 1000회전까지 회전수의 변환이 가능하다.

그리고, 교반기의 경우 교반 물질의 점도, 수위, 회전속도 등에 따라 전류와 진동의 측정 신호가 달라지게 되는데, 본 발명에서는 교반 물질을 물로 하고, 수위는 액면 통과, 공회전, 교반축의 끝단에서 30cm 위까지 수위를 만들어 실험하였으며, 교반기의 구동 모터(3상 유도 전동기)의 인입전류를 측정하기 위해 나나 일렉트로닉(Nana Electronics)사의 SY-05 홀센서를 사용하였고, 진동을 측정하기 위해 PCB사의 1Hz∼1kHz의 진동을 측정할 수 있는 가속도계를 사용하였다. 13mm의 교반축으로 여러 회전속도에 대한 데이터를 1000Hz의 샘플링 주파수로 2048개의 데이터를 수집하였다.

도 3의 (가)와 (나)는 시간 영역에서의 전류 신호 및 진동 신호를 나타낸 도면으로서, 정상인 축과 휜 축에 있어서 전류 신호의 경우 거의 차이가 없음을 알 수 있고, 진동 신호의 경우 차이가 있기는 하지만 이 신호만으로는 시간축에 걸쳐서 데이터를 모두 다 받아 봐야 함으로 적시에 이상을 감지하는 방법으로는 사용하기에 부적절하다.

도 4의 (가)와 (나)는 전류 신호 및 진동 신호에 대해 웨이브렛 변환을 수행한 결과를 보인 도면으로서, 회전속도 540rpm의 정상인 축과 휜 축에 대해 전류 신호 및 진동 신호를 최대 분할 레벨인 11레벨까지 웨이브렛 변환을 수행한 결과이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 전류 신호의 경우 51, 69Hz와 42, 78Hz의 측파대를 포함하는 3,4레벨(31.25-125Hz)에서 에너지가 나타나며, 진동 신호의 경우 회전속도에 해당하는 회전주파수(9Hz)를 포함하는 6레벨(7.8125-15.625Hz)에서 에너지가 나오는 것을 알 수 있으며 차이가 있음을 알 수 있다.

따라서, 일반적으로 교반기의 작동시 측파대와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 알 수 있으므로 특정 에너지 레벨만 선택한 후, 웨이브렛 변환을 하여 비교 분석함으로써 교반기의 이상 상태를 보다 쉽게 감지할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 교반기 본체(1)를 혼합조에 고정 설치한 상태에서 구동 모터(2)를 구동시키게 되면, 구동 모터(2)의 피니언이 상기 감속기(3)를 작동시키게 되고, 이 감속기(3)에서 감속되면서 회전력이 증가된 출력축(4)이 구동축(5)과 임펠러축(6)을 회동시키게 되며, 이 임펠러축(6)의 회전에 따라 상기 임펠러(7)가 회동하게 되면서 상기 액상의 혼합물을 교반시키게 된다.

이때, 상기와 같이 작동되는 교반기에 과부하가 걸리거나 혼합물의 배출로 인하여 갑작스런 변화가 발생하게 되면, 상기 교반기에 인가되는 전류 신호의 변화 및 상기 교반기의 축 등에서 진동이 발생하게 되는데, 이 전류 신호 및 진동 신호를 상기 전류 측정 센서(8)와 가속도계(9)를 이용하여 검출하게 된다.

즉, 상기 전류 측정 센서(8)는 상기 교반기의 구동 모터(2)에 인가되는 전류를 측정하고, 상기 가속도계(9)는 상기 교반기의 출력축(4), 구동축(5), 임펠러축(6)에 해당하는 축의 변동률을 측정하여 진동을 감지한다.

이때, 상기 전류 측정 센서(8)로서 홀 센서를 이용한다.

이어, A/D 변환기(10)는 상기 전류 측정 센서(8)와 가속도계(9)에서 검출된 전류 신호 및 진동 신호를 디지털 신호로 변환하고, 웨이브렛 변환기(11)는 상기A/D 변환기(10)에서 디지털 신호로 변환된 전류 신호 및 진동 신호에 대해 웨이브렛 변환을 수행한다.

이후, 신호 비교회로(12)는 측파대와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 이용하여 미리 설정된 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨에서 상기 웨이브렛 변환기(11)에서 웨이브렛 변환된 전류 신호 및 진동 신호를 기준 신호와 비교하여 그 결과를 제어부(13)로 출력한다.

즉, 본 발명에서는 교반기의 작업시 알 수 있는 측파대와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 이용하여 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨을 미리 설정한 후, 이 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨에서 상기 검출된 전류 신호 및 진동 신호가 기준 신호 이상인지를 비교 판단하는 것이다.

상기 신호 비교회로(12)에서의 비교 판단 결과, 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨에서 상기 웨이브렛 변환된 전류 신호 및 진동 신호가 기준 신호 이상이면 교반기에 이상 상태가 발생한 것으로 판단하여 소정 레벨의 신호를 출력하여 그 결과를 제어부(13)에게 알린다.

그러면, 상기 제어부(13)는 상기 신호 비교회로(12)에서 출력되는 이상 신호에 따라 제어신호를 구동 모터(2)로 출력함으로써 구동 모터(2)의 적절한 조치가 이루어지도록 제어한다.

이에 따라, 상기 교반기의 구동 및 정지를 원활하게 제어할 수 있어 교반기의 과부하 동작과 이상 동작을 방지할 수 있게 된다.

이상, 상기 설명에서와 같이 본 발명은, 웨이브렛 변환을 이용한 에너지 레벨 분석을 통해 교반기의 이상 상태를 쉽게 감지할 수 있게 되는 효과가 있으며, 교반기에 과부하가 걸리거나 또는 혼합물의 배출로 인한 공회전시에도 즉각적인 감지 및 적절한 조치로 상기 교반기의 구동 모터 손상을 방지하고, 휨 발생에 따른 상기 교반기 축들의 변형 및 파손을 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 자동화 공정에서의 교반기의 작동을 원활하게 하면서 구동을 안정화시킬 수 있게 되며, 상기 교반기의 구동 및 정지 제어가 신속하고 정확하게 이루어지므로 교반기의 고장을 방지하게 되는 점 등의 효과가 있다.

Claims (1)

1. 구동 모터의 구동에 따라 회전축이 회전하면서 선단에 설치된 임펠러를 회동시키고 이 임펠러의 회동에 따라 교반물이 고르게 혼합되도록 하는 교반기에 있어서,

   상기 교반기의 구동 모터에 인가되는 전류를 측정하기 위한 전류 측정 센서와,

   상기 교반기의 출력축, 구동축, 임펠러축에 해당하는 축의 변동률을 측정하여 진동을 감지하기 위한 가속도계와,

   상기 전류 측정 센서와 가속도계에서 검출된 전류 신호 및 진동 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와,

   상기 A/D 변환기에서 변환된 디지털 신호에 대해 웨이브렛 변환을 수행하는 웨이브렛 변환기와,

   측파대와 임펠러의 회전속도에 의해 결정되는 회전주파수를 이용하여 미리 설정된 특정 웨이브렛 변환의 에너지 레벨에서 상기 웨이브렛 변환기에서 웨이브렛 변환된 전류 신호 및 진동 신호를 기준 신호와 비교하여 기준 신호 이상인 경우 교반기가 이상 상태임을 알리는 결과를 출력하는 신호 비교회로와,

   상기 신호 비교회로에서 출력되는 비교 결과에 따라 상기 구동 모터를 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 웨이브렛 변환을 이용한 교반기의 위험감지시스템.