KR20040036980A - 기계 상태 감시 시스템 및 그 서버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전으로 인해 진동이 발생되는 기계 장치의 이상 여부를 모니터링하되, 기계 장치의 이상 여부를 원격지에서 판단하고 이상 발생시 원격지에서 기계 장치를 제어할 수 있도록 한 기계 감시 시스템 및 그 서버에 관한 것으로서;

기계 설비에 설치되어 기계 설비의 상태 신호를 취득하고 데이터 베이스화하며 설비에 대한 비상 제어가 가능하고 인터넷에 연결된 전용 서버와, 인터넷을 통해 상기 전용 서버와 무선 데이터 통신이 가능하고 상기 전용 서버로부터 전송된 진동신호를 분석하여 기계 상태를 표시함과 동시에 상기 전용 서버로 비상 제어 신호를 전송하는 클라이언트로 구성됨으로써;

기계의 오버하울 회수를 줄여 생산성이 향상되고, 생산설비의 불시 정지로 인한 손실이 감소되며, 원격 모니터링이 가능하여 현장 모니터링 인력을 축소시킬 수 있으므로 인건비가 절감되는 기계 감시 시스템과 그 서버에 관한 것이다.

Description

기계 상태 감시 시스템 및 그 서버{machine condition monitering system and its server }

본 발명은 회전으로 인해 진동이 발생되는 기계 장치의 이상 여부를 모니터링 할 수 있도록 하는 기계 감시 시스템에 관한 것으로서, 특히 기계 장치의 이상 여부를 원격지에서 판단하고 이상 발생시 원격지에서 기계 장치를 제어할 수 있도록 한 기계 감시 시스템 및 그 서버에 관한 것이다.

최근 수년 동안 첨단분야(non-Mechanics area)라고 할 수 있는 컴퓨터, 통신 및 전자공학 분야에서 급속한 발전이 이루어지고 있다. 특히, 무선 인터넷은 기술 정보 통신분야에서 상당한 화두로 떠올랐지만, 기계공학과의 통합 시도는 상대적으로 부족한 것이 사실이다. 따라서, 기계공학의 원천기술에 비기계 공학분야의 신기술을 통합하여 새로운 제품을 개발할 경우 경제성 면에서 상당한 효과가 있을 것이다.

기계 공학적인 면을 살펴보면 산업의 발전과 시장경제의 가속화에 따라 기계설비는 고출력, 고성능, 초고속, 경량화되고 있는 것이 현실이다. 이러한 발전이 가속화될수록 기계의 구조 역시 복잡해지게 되므로, 설비의 유지관리 측면에서 많은 문제가 발생하게 되며 예기치 않은 고장으로 인한 생산중단(Down-time) 등의 큰 손실이 발생되기도 한다. 따라서 이러한 심각한 고장의 발생을 사전에 방지하기 위하여 고장에 대한 예측(Prediction), 감시(Monitoring), 진단(Diagnosis) 기술의 중요성이 부각되었고, 최근에는 기계설비에서 발생되는 진동을 감지하여 기계설비의 고장을 분석하고 예측하는 새로운 설비관리 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.

현재 우리가 알고 있는 일반적인 기계 설비 보전비는 설비의 규모와 실제 설비 보존 능력에 따라 결정되는데, 보통 설비 보전비 지출은 매출액의 20% 정도에 해당되고 있으며 제조설비에 따라 더 큰 비중을 차지하기도 한다. 또한, 1997년 한국은행의 기업분석 자료에 의하면 설비 보전비의 10% 절감은 순이익을 기준으로 볼 때 매출액 70% 이상의 증가와 동일한 효과를 갖는 것으로 나타나고 있다. 따라서, 설비 보존비의 절감은 경제성 측면에서 매우 중요하다 할 것이다.

일반적으로 기계의 상태를 모니터링하기 하기 위해서는 여러 가지 요소를 살펴볼 수 있으며, 오늘날 가장 많이 사용되는 모니터링 대상은 진동의 크기이다. 기계의 상태를 모니터링하기 위해서는 여러 가지 파라미터를 모니터링해야 하겠지만, 한가지 파라미터만이 모니터링 가능하다면 진동의 크기가 가장 적절한 파라미터라 할 수 있다. 그러나, 진동의 크기만으로는 기계의 상태를 정확히 파악하기가 힘들므로, 진동의 여러 가지 요소를 동시에 모니터링할 필요가 있다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같은 시스템을 기계장치에 연결하여 진동의 시간 영역, RMS, PEAK는 물론 주파수 분석 등을 지원하여 기계의 상태를 정확하게 파악할 수 있도록 하고 있는 것이다. 그러나, 이러한 시스템은 휴대가 불편하다는 단점이 있으며, 이를 개선하기 위해 노트북 타입 분석기와 휴대가 간편한 포터블 분석기 등이 개발되고 있다.

노트북 타입 분석기는 매우 고가의 장비일 뿐 아니라 기계 장치에 연결하여야만 기계의 상태를 분석할 수 있다는 문제점이 있으며, 도 2에 도시된 포터블 분석 시스템은 디지털 신호의 처리가 어려운 문제점이 있다. 즉, 종래의 포터블 분석 시스템은 시스템 자체에 운영 체제가 내장되어 있지 않고 전용 하드웨어에 LCD를 내장한 형태로 개발되어 있으므로, 주파수 분석과 같은 디지털 신호처리 기능을 제공하지 않고 단지 순간 진동 신호의 크기를 표시해주는 단순 기능만을 가지고 있는 것이다

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기계 설비를 감시 및 제어하는 장치를 설치하고 이 장치와 무선 데이터 통신이 가능한 장치를 이용하여 기계 설비의 상태를 상시적으로 진단하고 기계 설비를 원격지에서 비상 제어할 수 있도록 함으로써 기계 설비의 상태를 예측하여 설비 보존 비용을 절감할 수 있도록 하는 기계 감시 시스템 및 그 서버를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기계 진단 시스템의 외관이 도시된 사시도,

도 2는 종래의 휴대용 주파수 분석 시스템이 도시된 사시도,

도 3은 본 발명에 의한 기계 감시 시스템이 개략적으로 도시된 블록도,

도 4는 본 발명에 의한 기계 감시 시스템용 서버가 도시된 블록도,

도 5는 본 발명의 기계 감시 시스템용 서버의 주요 기능인 진동 신호 모니터링에 대한 기능이 표시된 블록도,

도 6은 본 발명의 기계 감시 시스템용 서버의 요부 구성인 데이터 베이스 툴이 도시된 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 전용 서버 11 : 센서

12 : PC 13 : 모뎀

14 : 액추에이터 15 : 인터넷

20 : 클라이언트 21 : 제어부

22 : 표시부 24 : 조작부

50 : 제어부 51 : 진동감시부

52 : 경향분석부 53 : 프리셋부

54 : DB 관리부 55 : 고장진단부

61 : 데이터 획득부 62 : 액추에이터

63 : 통신부

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기계 감시 시스템은 기계 설비에 설치되어 기계 설비의 상태 신호를 취득하고 데이터 베이스화하며 설비에 대한 비상 제어가 가능하고 인터넷에 연결된 전용 서버와, 인터넷을 통해 상기 전용 서버와 무선 데이터 통신이 가능하고 상기 전용 서버로부터 전송된 진동신호를 분석하여 기계 상태를 표시함과 동시에 상기 전용 서버로 비상 제어 신호를 전송하는 클라이언트로 구성된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 기계 감시 시스템용 서버는 기계 설비의 회전 부분에 설치되어 진동 등의 각 파라미터를 감지하는 데이터 획득부와, 이상 상황 발생시 기계 설비의 동작을 비상 제어하는 액추에이터와, 상기 데이터 획득부의 신호를 분석하여 고장을 진단하고 상기 액추에이터를 동작시키는 제어부와, 상기 제어부에 의해 도출된 결과를 인터넷으로 전송하는 통신부로 구성되어 무선 단말기와의 무선 인터넷 통신을 통해 기계 설비를 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 기계 감시 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 기계 설비(1)에 설치되어 기계 설비(1)의 상태 신호를 취득하고 데이터 베이스화하며 기계 설비(1)에 대한 비상 제어가 가능하고 인터넷(15)에 연결된 전용 서버(10)와, 인터넷(15)을 통해 상기 전용 서버(10)와 무선 데이터 통신이 가능하고 상기 전용서버(10)로부터 전송된 진동신호를 분석하여 기계 상태를 표시함과 동시에 상기 전용 서버(10)로 비상 제어 신호를 전송하는 클라이언트(20)로 구성된다.

여기서, 상기 전용 서버(10)는 기계 설비(1)의 회전부에 각각 설치되어 기계 설비(1)의 진동을 감지하는 센서(11)와, 인터넷(15)과의 연결을 위한 모뎀(13)을 구비하고 상기 센서(11)에 의해 감지된 진동 신호를 데이터 베이스화 하는 PC(12)와, 상기 클라이언트(20)의 제어 신호에 따라 상기 PC(12)에 의해 작동되어 기계 설비(1)를 비상 제어하는 액추에이터(14)로 구성된다. 또, 상기 클라이언트(20)는 인터넷(15)과의 데이터 통신을 통해 상기 전용 서버(10)의 데이터를 획득하여 표시하는 단말기로서, 인터넷(15)을 통해 획득된 설비 정보를 화면으로 표시하고 조작부(24)를 통해 상기 액추에이터(14)의 작동을 제어할 수 있도록 하고 있다. 상기 클라이언트(20)의 제어부(21)는 모뎀(23)을 통하여 인터넷(15)에 연결되며, 조작부(24)의 조작을 통해 표시부(22)에 나타나는 정보를 변화시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 기계 감시 시스템은 기계 설비의 진동 등 여러 파라미터를 실시간으로 파악하여 설비의 이상 여부를 확인할 수 있도록 함으로써 설비의 보존 비용을 절감할 수 있게 한다.

기계 설비(1)의 각 회전부에 센서(11)를 각각 설치하여 기계 설비(1)의 진동 등 여러 파라미터를 획득한다. 상기 기계 설비(1)로부터 획득된 여러 파라미터는 전용 서버(10)의 PC(12)에 저장되어 분석된다. PC(12)는 기계 설비의 여러 파라미터를 이용하여 기계의 이상 유무를 판단하고, 이를 데이터 베이스화 하여 인터넷(15)에 올려 두게 된다. 인터넷(15)에 올려진 기계 설비(1)에 대한 정보는무선을 통해 작업자의 단말기, 즉 클라이언트(20)에 전달된다. 작업자는 클라이언트(20)의 표시부(22)에 나타난 설비 정보를 통해 기계 설비(1)의 상태를 모니터링할 수 있다. 기계 설비(1)의 상태에 대한 모니터링 결과 기계 설비(1)에 이상이 발생된 경우 인터넷(15)을 통해 PC(12)에 액추에이터 제어 신호를 보내게 된다. 즉, 클라이언트(20)의 조작부(24)를 조작하면 제어부(21)가 그 제어신호를 모뎀(23)을 통해 인터넷(15)에 올려두게 되고, 이것을 전용 서버(10)의 PC(12)가 모뎀을 통해 받아들이게 된다. PC(12)는 클라이언트(20)로부터 전달된 액추에이터 제어 신호에 따라 액추에이터(14)를 작동시킴으로써 액추에이터(14)가 기계 설비(1)를 제어할 수 있도록 한다.

상기와 같은 작업을 통해 도출된 기계 설비(1)의 상태는 모뎀(13)을 통해 인터넷(15)으로 전송되고, 작업자는 클라이언트(20)에 해당되는 무선 단말기와 인터넷(15) 사이의 무선 데이터 통신을 통해 기계 설비(1)의 상태를 실시간으로 확인할 수 있게 된다. 따라서, 작업자는 기계 상태에 이상이 있을 경우 인터넷(15)을 통하여 전용 서버(10)의 PC(12)에 지시를 내릴 수 있게 되고, PC(12)는 그 지시에 따라 액추에이터(14)를 작동시킴으로써 기계 설비(1)를 비상 제어 할 수 있게 된다.

또, 본 발명에 의한 기계 감시 시스템용 서버는 도 4에 도시된 바와 같이 기계 설비의 회전 부분에 설치되어 진동 등의 각 파라미터를 감지하는 센서로 이루어진 데이터 획득부(61)와, 이상 상황 발생시 기계 설비의 동작을 비상 제어하는 액추에이터(62)와, 상기 데이터 획득부(61)의 신호를 분석하여 고장을 진단하고 상기 액추에이터(62)를 동작시키는 제어부(50)와, 상기 제어부(50)에 의해 도출된 결과를 인터넷으로 전송하는 모뎀 등의 통신부(63)로 구성된다.

상기 제어부(60)는 기계 설비의 진동 신호를 감시하는 진동 감시부(51)와, 진동의 변화 추이를 분석하는 경향 분석부(52)와, 진동 등의 파라미터가 설정된 한계치를 초과할 경우 각 파라미터를 초기화하는 프리셋부(53)로 구성된 기계 상태 감시부로서, 진동의 패턴 인식을 통하여 기계 설비의 고장을 진단하는 고장 진단부(54)와, 상기 진동 감시부(51)를 통해 인식된 매 순간의 진동을 데이터 베이스화하여 관리하는 DB 관리부(54)를 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 기계 감시 시스템용 서버는 원격지에 있는 무선 단말기와의 무선 인터넷 통신을 통해 기계 설비를 제어하게 된다.

기계 설비에 설치된 각 센서를 통해 기계 설비의 진동 등 각종 파라미터들에 관한 데이터가 제어부(50)로 전달된다. 따라서, 제어부(50)는 진동 신호를 시간 영역과 주파수 영역에서 모니터링할 수 있고, 제어부(50)의 경향 분석부(52)에서는 진동 경향을 파악하게 된다. 또한, 각 파라미터에 대한 한계치가 설정되어 있어 센서를 통해 획득된 각 파라미터의 값이 설정된 한계치를 초과할 경우 그 파라미터를 초기화함과 동시에 알람 기능을 통해 작업자에게 경고를 하게 된다. 또한, 고장 진단부(54)에서는 MATLAB 기반의 후처리 프로그램을 통한 패턴인식 기법으로 고장을 진단하고, DB 관리부(55)에서는 MS-ACCESS 기반의 DB 관리 도구를 이용하여 매 순간의 진동 상대를 데이터 베이스화하여 저장함으로써 고장 진단부(54)에서 패턴 인식을 통해 고장을 진단할 수 있도록 한다.

본 시스템에서 제공하는 진동 감지부(51)의 진동 신호 모니터링 기능을 살펴보면 도 5에 도시된 바와 같이 나타난다. 위상각을 결정하고 오버롤(Overall) 진폭, 주파수, 그리고 로터가 동적으로 진동하는 모습을 확인하는데 이용하는 오비트-타임 선도(Orbit/Time base plot)와, 어떤 기계의 고장은 특정 진동 주파수에서 나타나므로 주파수 성분을 점검하여 기계의 고장 원인을 확인하는데 이용하는 스펙트럼 선도(Spectrum Plot) 및 균형 공진(balance resonance)의 존재를 파악하고 로터/베어링/구조지지물 시스템의 동기 진폭계수(Q)를 결정하는데 이용되는 보데-폴라 선도 (Bode/Polar Plot) 등을 파악할 수 있다. 여기서, 보데-폴라 선도는 진동모드의 형태에 대한 정보를 제공하며, 축 균열에 대한 진단에 도움이 된다. 그 외에도 RMS, Peak, 나이키스트(Nyquist), 캡스트럼(Cepstrum) 등의 결과를 확인할 수 있다.

또, 상기 제어부(50)에서는 진동의 경향 분석을 통해 장기간에 걸친 회전체의 상태 변화 추이를 알 수 있게 한다. 따라서, 회전체의 운전 상태 및 이상점을 미리 판정하여 대책을 수립함으로써 생산성 향상을 꾀할 수 있게 된다. 경향 감시가 가능한 파라미터는 RMS, Peak, 0.5X, 1X, 1.5X, 2.0X, 2.5X, 3X, 그리고 베어링의 특징 주파수이며, 년, 월, 일간의 시간대별 경향 분석이 가능하다. 또한, 한계치 설정 기능을 이용하여 회전체 진동의 한계치를 설정한 후 진동 신호 값이 한계치 보다 크면 경고 메시지를 줌으로써, 기계의 고장에 대한 경보를 하여 큰 고장을 미리 방지할 수 있게 한다. 본 시스템에서는 모니터링하는 모든 파라미터에 대한 한계치 설정이 가능하다. DB 관리부(55)에서는 도 6에 도시된 바와 같이 각 진동부에 대한 순간 순간의 진동 경향을 저장함으로써, 저장된 데이터를 이용하여 경향분석을 수행할 수 있도록 하고, 고장 진단부(54)로 하여금 고장 진단이 가능하게 한다.

따라서, 원격지에 있는 작업자가 인터넷을 통하여 기계 설비의 이상 유무를 실시간으로 판단할 수 있게 되고, 기계 설비에 이상이 있을 경우는 원격지에서의 조작을 통해 기계 설비의 동작을 제어할 수 있게 된다. 동시에 제어 프로그램에 따라 여러 가지 진동 특성을 파악할 수 있으므로, 기계 설비의 진동 특성을 파악하여 고장을 예측할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 기계 감시 시스템 및 그 서버는 현장으로부터 멀리 떨어진 위치에 있는 작업자가 기계의 상태를 실시간으로 파악할 수 있도록 하여 기계의 오버하울 회수를 줄여 생산성이 향상되고, 생산설비의 불시 정지로 인한 손실이 감소되며, 원격 모니터링이 가능하여 현장 모니터링 인력을 축소시킬 수 있으므로 인건비가 절감되는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 기계 설비에 설치되어 기계 설비의 상태 신호를 취득하고 데이터 베이스화하며 설비에 대한 비상 제어가 가능하고 인터넷에 연결된 전용 서버와, 인터넷을 통해 상기 전용 서버와 무선 데이터 통신이 가능하고 상기 전용 서버로부터 전송된 진동신호를 분석하여 기계 상태를 표시함과 동시에 상기 전용 서버로 비상 제어 신호를 전송하는 클라이언트로 구성된 것을 특징으로 하는 기계 감시 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전용 서버는 설비의 회전부에 각각 설치되어 설비의 진동을 감지하는 센서와, 인터넷과의 연결을 위한 모뎀을 구비하고 상기 센서에 의해 감지된 진동 신호를 데이터 베이스화 하는 PC와, 상기 클라이언트의 제어 신호에 따라 상기 PC에 의해 작동되어 설비를 비상 제어하는 액추에이터로 구성된 것을 특징으로 하는 기계 감시 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 클라이언트는 인터넷을 통한 데이터 통신을 통해 상기 전용 서버의 데이터를 획득하여 표시하는 단말기로서, 인터넷을 통해 획득된 설비 정보를 표시부의 화면으로 표시하고 조작부를 통해 상기 액추에이터의 작동을 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 기계 감시 시스템.
4. 기계 설비의 회전 부분에 설치되어 진동 등의 각 파라미터를 감지하는 데이터 획득부와, 이상 상황 발생시 기계 설비의 동작을 비상 제어하는 액추에이터와, 상기 데이터 획득부의 신호를 분석하여 고장을 진단하고 상기 액추에이터를 동작시키는 제어부와, 상기 제어부에 의해 도출된 결과를 인터넷으로 전송하는 통신부로 구성되어 무선 단말기와의 무선 인터넷 통신을 통해 기계 설비를 제어하는 것을 특징으로 하는 기계 감시 시스템용 서버.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제어부는 기계 설비의 진동 신호를 감시하는 진동 감시부와, 진동의 변화 추이를 분석하는 경향 분석부와, 진동 등의 파라미터가 설정된 한계치를 초과할 경우 각 파라미터를 초기화하는 프리셋부로 구성된 기계 상태 감시부로 기능하는 것을 특징으로 하는 기계 감시 시스템용 서버.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 제어부는 진동의 패턴 인식을 통하여 기계 설비의 고장을 진단하는 고장 진단부와, 상기 진동 감시부를 통해 인식된 매 순간의 진동을 데이터 베이스화하여 관리하는 DB 관리부를 포함한 것을 특징으로 하는 기계 감시 시스템용 서버.