KR20040072551A - 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법 - Google Patents

인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유압서보밸브의 성능진단에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 생산설비 등에 유압서보밸브가 부착되어 사용되고 있는 상태에서 유압서보밸브의 영점변동, 스풀고착, 마모 등을 진단하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법에 관한 것이다.
이를 위하여 유압실린더 내부의 유체에 가해지는 압력을 측정하는 압력센서와; 피스톤의 변위를 측정하는 위치센서를 유압서보시스템에 부착하여,
상기 압력센서로부터 측정되는 피스톤 내부유체의 압력신호와; 위치센서를 통해 측정되는 피스톤의 변위신호와; 공정 제어기로부터 나오는 서보밸브 지령신호를 측정하여 A/D변환기를 거쳐 디지털화한 다음 휴대용 컴퓨터의 마이크로프로세서로 상기 신호들을 처리함으로써 유압서보밸브의 영점변동 또는 스풀고착 또는 마모 등의 유압서보밸브의 성능을 진단하는 것을 특징으로 한다.
한편, 유압서보시스템이 힘제어계일 경우에는 상기 위치제어계에 있어서 압력센서 대신에 피스톤에 힘센서를 부착하고, 압력신호 대신에 힘신호를 사용하게 된다.

Description

인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법{the in-process performance diagnosis for hydraulic servo valves}
본 발명은 유압서보밸브의 성능진단에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 생산설비 등에 유압서보밸브가 부착되어 사용되고 있는 상태에서 유압서보밸브의 영점변동, 스풀고착, 마모 등을 진단하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법에 관한 것이다.
일반적으로 유압서보밸브는 제철소의 압연기, 발전설비의 터빈제어, 정밀주조의 다이캐스트, 피로시험기, 인장시험기, 탱크 터릿제어기 등의 다양한 산업분야에 사용되고 있다.
이러한 유압서보밸브는 하나의 가격이 수백만원에서 수천만원에 이르는 고가이며 초정밀 부품이므로 유체내에 존재하는 먼지나 오염물질 등에 의하여 쉽게 고장이 초래되고 그로 인한 생산손실액과 영향은 지대한 규모이다.
따라서 이러한 유압서보밸브는 상기와 같은 고장이 발생하기 전에 미리 교체하여야 하는데 생산설비 등에 부착된 상태에서는 유압서보밸브의 기계적, 전기적 성능 특성을 직접 확인할 수 없어 지금까지의 교환이력을 바탕으로 일정시간(교환주기)이 지나면 교환하고 있는 실정이다.
그러나 교환이력을 바탕으로 일정시간이 지나면 교환하는 방법은 성능상태가 양호하든 불량하든 관계없이 고가의 유압서보밸브를 수명이전에 폐기함으로써 경제적 손실을 초래하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 비경제적인 문제점을 해결하기 위하여 실용신안등록 제0257805호(이하, '등록고안'이라 함)이 제시되고 있다.
그러나 상기 등록고안은 유압서보시스템의 측정신호들을 단순히 모니터링(monitoring)하는 방법이 제시되고 있을 뿐 측정신호들을 분석처리하여 고장의 원인(原因)과 정도(程度)를 진단하지는 못하는 한계가 있었다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로써, 본 발명의 목적은 설비에 부착되어 작동중인 유압서보밸브의 압력신호(힘신호), 피스톤 변위신호, 서보밸브 지령신호 등의 데이터를 직접 입력받아 마이크로 프로세서 등으로 분석처리하여 서보밸브의 영점변동, 스풀고착, 마모의 정도(程度) 등을 진단할 수 있는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 진단대상인 유압서보밸브의 일례를 보여주는 도면이며,
도 2는 유압서보밸브를 사용한 유압서보시스템(위치제어계)의 일례를 개략적으로 보여주는 도면이며,
도 3은 본 발명에 의한 영점변동을 진단하는 순서도를 보여주는 도면이며,
도 4는 본 발명에 의한 시간지연을 통하여 유압서보밸브의 마모여부를 진단하는 순서도를 보여주는 도면이며,
도 5는 본 발명에 의한 유압서보밸브의 스풀고착여부 및 기울기비를 통하여 유압서보밸브의 마모여부를 진단하는 순서도를 보여주는 도면이며,
도 6은 힘제어계의 유압서보시스템의 경우 근사적 압력게인을 통하여 유압서보밸브의 마모여부를 진단하는 순서도를 보여주는 도면이며,
도 7은 힘제어계의 유압서보시스템의 경우 유압시스템 전체가 스풀이 중립에 위치하는 상태를 중심으로 대칭성을 가진다고 가정할 때의 압력게인곡선이다.
< 도면의 주요부분에 대한 설명 >
1 : 코일 2 : 전기자(armature)
3 : 플랩퍼(flapper) 4 : 피드백 스프링
5 : 스풀(spool) 6 : 오리피스(orifice)
7 : 노즐(nozzle) 10 : 유압서보밸브
20 : 유압 피스톤 21 : 위치센서
22 : 압력센서 30 : 유압펌프
40 : 공정 제어기 50 : A/D 변환장치
60 : 휴대용 컴퓨터 D1 : 서보밸브 지령신호
D2 : 압력신호 D3 : 피스톤 변위신호
이하 상기한 목적을 달성하기 위한 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 진단대상인 유압서보밸브의 일례를 보여주고 있으며, 도 2는 유압서보밸브를 사용한 유압서보시스템의 개략도를 보여주고 있다.
유압서보시스템은 유압서보밸브의 제어대상에 따라 위치제어계와 힘제어계로 나눌 수 있는데, 먼저 위치제어계의 경우에는 도 2에서 보는 바와 같이 유압실린더 내부의 유체에 가해지는 압력을 측정하는 압력센서(22)와; 피스톤의 변위를 측정하는 위치센서(21)를 유압서보시스템에 부착하여,
공정 제어기(40)로부터 나오는 서보밸브 지령신호(D1)와; 상기 압력센서(22)로부터 측정되는 내부유체의 압력신호(D2)와; 위치센서를 통해 측정되는 피스톤의 변위신호(D3)를 사용한다.
한편, 유압서보시스템이 힘제어계일 경우에는 상기 위치제어계에 있어서 압력센서(22) 대신에 피스톤에 힘센서를 부착하고, 압력신호(D2) 대신에 힘신호(D2')를 사용하게 된다.(D1', D2', D3' 는 도면에 미도시된 부호로써 힘제어계에서의 서보밸브 지령신호, 힘제어계에서의 힘신호, 힘제어계에서의 피스톤 변위신호를 각각나타낸다.)
상기의 신호들은 A/D변환기(50)를 통하여 디지털신호로 변환되며, 휴대용 컴퓨터(60)의 마이크로 프로세서를 통해 분석처리된다.
이하에서는 도 2에 나타난 유압서보시스템(위치제어계)을 중심으로 상기 3가지 신호를 이용하여 유압서보밸브의 영점변동, 스풀고착, 마모 등의 성능을 진단하는 방법을 제시한다.
1. 영점변동(Null Shift)
영점변동이란 서보밸브 지령신호(D1)가 '0'임에도 불구하고 서보밸브의 스풀(5)이 영점상태를 유지하지 못하고 어느 한쪽으로 치우쳐 있는 상태를 말한다.
이러한 영점변동이 있는 경우에는 피스톤이 정지하고 있는 경우, 서보밸브 내에서 스풀(5)의 치우침을 보상하기 위해 생성한 서보밸브 지령신호(D1)를 이용하여 정상적인 경우인 서보밸브의 지령신호 '0'의 값과의 편차로서 영점변동의 여부판단과 그 크기를 산출할 수 있다.
구체적으로 도 3의 순서도를 참조하여 살펴보면 서보밸브 지령신호(D1)가 설정값1 이하(S1)일 때, 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1)와 피스톤 변위신호의 기울기(△D3)를 계산(S2)한다.
다음 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1)가 설정값3 이하(S3)이고, 피스톤 변위신호의 기울기(△D3)가 설정값4 이하(S4)인 경우, 즉 서보밸브 지령신호(D1)와 피스톤 변위신호(D3)의 변화가 거의 없는 경우(S4)에, 서보밸브 지령신호(D1)의 평균값의 반대부호를 가지는 값이 영점변동으로 진단된다.
2. 스풀고착(Spool Stick)
스풀고착이란 서보밸브 지령신호가 '동작'지령일 때 유압서보밸브의 스풀(5)이 고착되어 움직이지 않는 경우를 말한다.
이러한 스풀고착의 진단방법은 서보밸브 지령신호(D1)가 변화할 때, 압력신호(D2)가 '동작'구간의 값이면 스풀고착은 없다고 보며, 압력신호(D2)의 변화가 없으면 스풀고착으로 판단한다. (여기서 힘제어계의 경우에는 압력신호(D2) 대신 힘신호(D2')를 사용한다.)
구체적인 판단은 도 4 내지 5의 순서도에서 보는 바와 같이 서보밸브 지령신호(D1)가 '구동'신호이어야 하므로 트리거값6 보다 큰 상태(S6)에서, 압력신호의 기울기(△D2) 값을 계산(S11)하여 '0'에 가까운 설정값12 보다 작은 경우(S12)에 스풀고착으로 판단한다.
3. 마모(Wear)
마모를 판단하는 방법은 압력신호의 기울기비(slew rate ratio), 압력게인(pressure gain), 시간지연(time delay) 등의 항목을 이용하는 3가지 방법으로 다시 나눌 수 있다.
a. 압력신호의 기울기비(Slew rate Ratio)
유압서보밸브의 스풀(5)에는 시간이 경과함에 따라 마모가 발생되는데 이러한 마모량이 증가할수록 누설유량은 점점 증가하게 된다.
따라서 마모가 어느정도 진행되고 있는 경우에는 누설이 적은 정상적인 경우와 비교하여, 서보밸브 지령신호(D1)가 '구동'신호일 때 유압피스톤에 공급되어져야 할 압력값에 도달하는 상승률(기울기)이 점점 작아지게 된다.
이에 본 발명에서는 서보밸브 구동신호(D1)의 상승시간 영역에서의 기울기를 기준으로 하여 압력신호(D2)의 압력상승률에 대한 상대적인 크기의 값을 기울기비(slew rate ratio)로 정의하여 마모의 경향 및 정도를 나타낼 수 있는 정보로 사용한다.
구체적으로 도 4 내지 5에 나타난 순서도를 참고하여 살펴보면, 서보밸브 지령신호(D1)가 '구동'신호이어야 하므로 트리거값6 보다 큰 상태이어야 하고(S6), 이러한 상태의 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1)와 압력신호의 기울기(△D2)를 계산(S11)하여 기울기비 값을 산출(S13)하여 설정값14 이하인 경우(S14)에는 유압서보밸브는 '교체를 요하는 정도의 마모상태'로 판단한다.
b. 시간지연(Time Delay)
유압서보밸브의 스풀(5)의 점진적인 마모경향을 알아내기 위한 방법의 하나로써 서보밸브 지령신호(D1)의 '구동'지령 시작점과 상기 서보밸브 지령신호(D1)에 의해 압력신호(D2)가 변화하는 시작점간의 시간간격(time gap)을 이용하여 스풀(5)의 마모경향을 파악할 수 있다.
이는 누설이 적은 정상적인 경우 서보밸브 지령신호(D1)의 '구동'지령에 대하여 유압피스톤(20)에 공급되어지는 압력의 작용이 매우 빠른 반면, 누설이 많은 경우 소실되는 압력에너지가 증가함으로써 유압피스톤(20)에 공급되어지는 압력의 작용이 점점 느려지게 되기 때문이다.
구체적으로 도 4의 순서도를 참고하여 살펴보면, 서보밸브 지령신호(D1)가 '구동'신호이어야 하므로 트리거값6 보다 큰 상태이어야 하고(S6), 이러한 상태의 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1)를 계산(S7)하여 그 값이 설정값8 보다 큰 경우(S8), 즉 서보밸브 지령신호(D1)가 계속 증가하고 있는 경우에 압력신호(D2)가 트리거값9 보다 큰 조건을 만족하는 순간까지의 압력신호(D2)의 수(n)를 카운팅(S9)한다.
다음 카운팅된 압력신호의 수(n)를 샘플링율(단위시간당 샘플링횟수,[1/sec])로 나누어 시간지연을 계산하여 설정값10 보다 큰 값이면(S10) 유압서보밸브는 '교체를 요하는 정도의 마모상태'로 판단한다.
c. 압력게인(Pressure Gain)
부하유량이 '0'인 경우에 한하여 밸브 스풀이 영점상태로부터 밸브스풀의 변위가 증가함에 따라 부하압력이 공급압력까지 증가하게 되어지는데, 이러한 밸브 스풀변위와 부하압력과의 상관관계를 보여주는 특성곡선을 압력게인곡선 또는 압력민감도곡선이라고 한다.
이는 마모된 유압서보밸브일수록 압력게인의 값은 점점 작아지게 되는 경향을 보여줌으로써 마모의 척도로 사용될 수 있는데, 압력게인을 이용한 마모진단은 위치제어계에서는 적용될 수 없고 힘센서가 부착된 힘제어계에서만 적용될 수 있다.
이러한 압력게인을 측정함에 있어 인-프로세스 상태에서는 이상적인 실험법을 적용하여 압력게인을 구할 수 없으므로, 부하가 작용하면서 부하유량이 '0'에 가까운 상태(정상상태)를 기준으로 하여 피스톤 측의 압력과 서보밸브 지령신호를이용하여 근사적인 압력게인을 구하는 방법을 사용한다.
한편 유압서보밸브, 유압배관, 피스톤이 유압서보밸브의 스풀이 중립에 위치하는 상태를 중심으로 대칭성을 가진다고 가정할 경우 다음과 같은 관계식이 성립하며 이에 해당하는 압력게인곡선은 도 7에서 볼 수 있다.
여기서,의 관계를 가지며 , k는 서보밸브 입력전류iv에 대한 서보밸브 스풀변위 xv의 비례게인(Gain)이다.
상기와 같은 가정과 근사적인 방법에 근거하여 도 6에 나타난 순서도를 통하여 구체적인 진단방법을 살펴본다.
정상상태일 것이 요구되므로 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1'), 힘신호의 기울기(△D2'), 피스톤 변위신호의 기울기(△D3') 등을 계산(S20)하여 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1')가 설정값21 이하(S21), 힘신호의 기울기(△D2')가 설정값22 이하(S22), 피스톤 변위신호의 기울기(△D3')가 설정값23 이하(S23)인 값이 되어야 한다. 여기서 설정값21, 22, 23은 '0'에 가까운 값이 될 것이다.
다음 이러한 상태에서 압력게인 값을 구하여 설정값24 보다 작은 경우(S24)에는 '교체가 필요한 마모상태'로 진단한다.
상기 각 단계의 설정값 또는 트리거값들은 제조사의 모델에 따라 실험을 거쳐 정해지는 것임을 밝혀둔다.
이로써 본 발명은 유압서보밸브를 생산설비 등에서 분리하지 않고 생산설비 등에 유압서보밸브가 부착되어 사용되고 있는 상태에서 유압서보시스템의 측정신호를 직접 입력받아 마이크로 프로세서 등으로 분석처리하여 고장의 원인과 정도를 진단함으로써 유압서보밸브의 교환시기를 파악할 수 있는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한 고장의 가능성이 높은 유압서보밸브에 대하여 예방보전(predictive maintenance)을 가능케 함으로써 제철소의 압연공정, 발전소의 터빈제어 등의 전체공정에 대한 예방효과를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 유압서보시스템 내에서 작동중인 유압서보밸브의 성능을 진단하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능을 진단하는 방법에 있어서,
    유압실린더 내부의 유체에 가해지는 압력을 측정하는 압력센서(22)와;
    피스톤의 변위를 측정하는 위치센서(21)를 유압서보시스템에 설치하여,
    공정 제어기(40)로부터 나오는 서보밸브 지령신호(D1)와;
    상기 압력센서(22)로부터 측정되는 피스톤 내부유체의 압력신호(D2)와;
    위치센서(21)를 통해 측정되는 피스톤의 변위신호(D3)를 측정하고,
    A/D 변환기(50)를 거쳐 상기 신호들(D1, D2, D3)을 디지털화한 다음 휴대용 컴퓨터(60)의 마이크로프로세서로 처리함으로써,
    유압서보밸브의 영점변동 또는 스풀고착 또는 마모 등 유압서보밸브의 성능을 진단하는 것을 특징으로 하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    영점변동을 진단하는 경우에는,
    서보밸브 지령신호(D1)가 설정값1 이하(S1)일 때, 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1)와 피스톤 변위신호의 기울기(△D3)를 계산하는 단계(S2)와;
    서보밸브 지령신호의 기울기(△D1)가 설정값3 이하(S3)이고, 피스톤 변위신호의 기울기(△D3)가 설정값4 이하(S4)일 때, 서보밸브 지령신호(D1)의 평균값의 반대부호를 가지는 값을 영점변동으로 진단하는 단계(S5)를 거치는 것을 특징으로 하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    스풀고착을 진단하는 경우에는,
    서보밸브 지령신호(D1)가 트리거값6 보다 큰 상태(S6)에서, 압력신호의 기울기(△D2) 값을 계산하는 단계(S11)와;
    상기 압력신호의 기울기(△D2) 값이 '0'에 가까운 설정값12 보다 작으면 유압서보밸브는 스풀고착으로 진단하는 단계(S12)를 거치는 것을 특징으로 하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    유압서보밸브의 마모를 진단하는 경우에는,
    서보밸브 지령신호(D1)가 트리거값6 보다 큰 상태(S6)에서, 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1)와 압력신호의 기울기(△D2)를 계산(S11)하고, 기울기비를 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1)에 대한 압력신호의 기울기(△D2)의 상대적인 크기의 값으로 계산하는 단계(S13)와;
    상기 기울기비의 값이 설정값14 보다 작으면 유압서보밸브는 교체를 요하는 정도의 마모상태로 진단하는 단계(S14)를 거치는 것을 특징으로 하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    유압서보밸브의 마모를 진단하는 경우에는,
    서보밸브 지령신호(D1)가 트리거값6 보다 큰 상태(S6)에서, 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1)를 계산하는 단계(S7)와;
    상기 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1) 값이 설정값8 보다 큰 경우(S8)에, 압력신호(D2)가 트리거값9 보다 큰 조건을 만족하는 순간까지의 압력신호(D2)의 수(n)를 카운팅하는 단계(S9)와;
    상기 카운팅된 압력신호의 수(n)를 샘플링율로 나눔으로써 계산된 시간지연값이 설정값10 보다 큰 값이면 유압서보밸브는 교체를 요하는 정도의 마모상태로 진단하는 단계(S10)를 거치는 것을 특징으로 하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법.
  6. 제 1항 내지 3항에 있어서,
    유압서보시스템이 힘제어계일 경우에는,
    상기 압력센서(22) 대신에 유압실린더 내부의 피스톤 가해지는 힘을 측정하는 힘센서를 설치하여;
    상기 압력신호(D2) 대신에 힘센서로부터 측정되는 힘신호(D2')를 사용하여 처리되는 것을 특징으로 하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    유압서보시스템이 힘제어계일 경우 유압서보밸브의 마모를 진단함에 있어서,
    서보밸브 지령신호의 기울기(△D1'), 힘신호의 기울기(△D2'), 피스톤 변위신호의 기울기(△D3') 등을 계산하는 단계(S20)와;
    상기 서보밸브 지령신호의 기울기(△D1')가 설정값21 이하(S21)이고, 힘신호의 기울기(△D2')가 설정값22 이하(S22)이며, 피스톤 변위신호의 기울기(△D3')가 설정값23 이하(S23)인 상태에서,
    압력게인을 서보밸브 지령신호의 증가값(△D1')과 정상상태로부터의 피스톤 측의 압력 증가값(△D2')의 비로 값을 구하여 설정값24 보다 작으면 유압서보밸브는 교체가 필요한 마모상태로 진단하는 단계(S24)를 거치는 것을 특징으로 하는 인-프로세스형 유압서보밸브의 성능진단방법.
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