KR20150063184A - Fault diagnosis method of variable Speed Refrigeration System - Google Patents

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배영호
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동명대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a fault diagnosis method of a variable speed refrigeration system capable of more rapidly and accurately diagnosing whether or not a refrigerator malfunctions. The fault diagnosis method of a variable speed refrigeration system according to the present invention is a method for diagnosing whether or not a variable speed refrigeration system malfunctions. Whether or not the variable refrigeration system malfunction is diagnosed by analyzing residual information defined as a difference between a real-time electric current applied in real time to the variable speed refrigeration system and an estimated electric current applied to the variable speed refrigeration system when the variable speed refrigeration system functions normally.

Description

가변속 냉동시스템의 고장진단방법{Fault diagnosis method of variable Speed Refrigeration System}{Fault diagnosis method of variable speed refrigeration system}

본 발명은 가변속 냉동시스템의 고장진단방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fault diagnosis method of a variable speed refrigeration system.

냉동기는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기와 같은 부품, 즉 구성요소에 의해 구성되는 냉매 순환형 냉각 장치로써, 고장원인은 주로 냉동기의 열화나, 시스템운영의 불균형으로 발생하는 부분고장이 대부분으로, 이러한 부분고장은 점진적으로 진행되어 특정부분에 누적되기 때문에 시간이 갈수록 냉동기의 성능 및 냉방능력을 저하시키는 특징을 가지고 있으며, 이로 인해 저장중인 물품에 심대한 손상을 초래할 수 있어 매우 신중한 접근을 필요로 하는 분야이다.A refrigerator is a refrigerant circulation type cooling device composed of components such as a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator, that is, a refrigerant circulation type cooling device composed mostly of components. Most of the failures are caused by deterioration of a refrigerator, This partial failure progressively progresses and accumulates in a particular area, so that the performance and cooling capacity of the freezer are deteriorated over time, which can cause serious damage to the stored articles and requires a very careful approach Field.

특히 농촌의 경우 농산물의 생산시기가 성수기와 비수기로 나누어지며, 성수기에는 대량생산으로 인해 가격이 폭락하고, 비수기에는 품귀현상으로 가격이 폭등한다. 따라서 농산물의 수급 불균형을 조절하고 수확한 농작물을 저온으로 보관하기 위한 저온저장시설의 건설이 장려되고 있으며, 상기 저온저장시설에는 냉동기가 장착되고 있으나 상기 냉동기는 작은 고장 하나만으로도 대량의 농산물을 부패시키기 때문에 이로 인한 경제적 손실이 엄청난 실정이다.In rural areas, the production period of agricultural products is divided into high season and low season. In peak season, prices are plummeted due to mass production. In low season, prices are skyrocketing. Therefore, the construction of a low-temperature storage facility for controlling the supply-demand imbalance of agricultural products and storing the harvested crops at a low temperature is promoted, and the refrigerator is installed in the low-temperature storage facility. However, Therefore, the economic loss caused by this is huge.

이에 따라, 대한민국 공개특허 10-2005-0090597호(이하, 선행특허)에서는 냉동기의 고장 여부를 진단하는 방법에 관해 제안하고 있다. 선행특허에서는 압축기, 응축기, 증발기의 흡입구와 토출구의 온도변화를 감지하고, 이로부터 냉동기의 고장상태를 진단한다. 하지만, 이와 같이 온도변화를 감지하여 고장 여부를 진단하는 방식은 그 진단속도가 다소 느리다는 한계가 있다. 따라서, 보다 더 신속하게 고장여부를 진단할 수 있는 방법의 개발이 필요하다. Accordingly, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2005-0090597 (hereinafter referred to as "prior patent") proposes a method for diagnosing whether or not a freezer breaks down. In the prior patent, the temperature change of the inlet and outlet of the compressor, the condenser and the evaporator is detected, and the fault condition of the refrigerator is diagnosed. However, there is a limit in that the diagnosis speed is somewhat slow in the method of detecting the temperature change and diagnosing the failure. Therefore, it is necessary to develop a method that can diagnose the failure more quickly.

대한민국 공개특허 10-2005-0090597호(발명의 명칭 : 냉동기용 고장진단시스템)Korean Patent Laid-Open No. 10-2005-0090597 (Title: Fault Diagnosis System for Refrigerators)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 보다 신속하고 정확하게 냉동기의 고장여부를 진단할 수 있는 가변속 냉동시스템의 고장진단방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a fault diagnosis method of a variable speed refrigeration system capable of diagnosing whether or not a refrigerator is broken down more quickly and accurately.

본 발명에 따른 가변속 냉동시스템의 고장진단방법은 가변속 냉동시스템(Variable Speed Refrigeration System)의 고장여부를 진단하기 위한 방법으로, A method for diagnosing a fault of a variable speed refrigeration system according to the present invention is a method for diagnosing a fault of a variable speed refrigeration system,

상기 가변속 냉동시스템에 실시간으로 인가되는 실시간 전류와, 상기 가변속 냉동시스템이 정상적으로 동작할 때에 상기 가변속 냉동시스템에 인가되는 추정 전류의 차이로 정의되는 잔차 정보를 분석하여 상기 가변속 냉동시스템의 고장여부를 진단하는 것을 특징으로 한다.The present invention analyzes the residual information defined as the difference between the real time current applied to the variable speed refrigeration system in real time and the estimated current applied to the variable speed refrigeration system when the variable speed refrigeration system operates normally to diagnose whether the variable speed refrigeration system is malfunctioning .

본 발명에 따르면, 상기 잔차 정보가 양(+)의 값을 가지면 상기 가변속 냉동시스템의 응축기에 결함이 발생한 것으로 진단하고, 상기 잔차 정보가 음(-)의 값을 가지면 상기 가변속 냉동시스템의 증발기에 결함이 발생한 것으로 진단하는 것이 바람직하다.According to the present invention, when the residual information has a positive value, it is diagnosed that the condenser of the variable-speed refrigeration system is defective. If the residual information has a negative value, the evaporator of the variable- It is preferable to diagnose that a defect has occurred.

본 발명에 따르면 가변속 냉동시스템에 인가되는 전류의 변화로부터 가변속 냉동시스템의 고장여부를 실시간으로 진단할 수 있으며, 따라서 종래에 비하여 신속 정확하고 간단하게 가변속 냉동시스템의 고장여부를 진단할 수 있다.According to the present invention, it is possible to diagnose the failure of the variable speed refrigeration system in real time from the change of the current applied to the variable speed refrigeration system. Accordingly, it is possible to diagnose the failure of the variable speed refrigeration system quickly and simply.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고장진단시스템(FDDS)의 개략적인 구성도이다.
도 2는 고장진단모듈의 개략적인 구성도이다.
도 3은 고장검출부에서 잔차정보를 획득하는 방식을 나타내는 구성도이다.
도 4는 측정된 전류와 NFM(1)에 의해 추정된 전류와의 비교결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 전류, 온도, 압력정보를 이용한 가변속냉동시스템의 고장진단을 위한 장치도이다.
도 6은 고장검출에 관한 알고리즘이다.
도 7은 응축기 전열면적 감소에 따른 고장규명 알고리즘이다.
도 8은 응축전열면적 감소에 따른 평균잔차정보를 나타내는 그래프이다.
도 9는 NFM(2)을 위한 데이터를 획득하기 위한 그래프이다.
도 10은 전류정보를 이용한 가변속냉동시스템의 고장진단을 위한 장치도이다.
도 11 내지 13는 응축기 전열면적 감소에 따른 고장진단 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 응축전열면적 50%감소시킨 직후 전류에 의한 잔차정보와 압력, 온도와의 비교 그래프이다.
도 15는 응축기 오염을 모사한 전열면적 30% 감소에 따른 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도를 나타낸 그래프이다.
도 16은 응축기 오염에 따른 응축 온도를 나타낸 그래프이다.
도 17은 응축기 오염에 따른 압축기 토출압력을 나타낸 그래프이다.
도 18은 응축기 오염에 따른 잔차정보를 나타낸 그래프이다.
도 19 및 도 20은 전류정보만을 이용한 VSRS의 응축기 오염에 대한 고장 진단 결과 그래프이다.
도 21 및 도 22는 FDDS(2)를 이용한 VSRS의 증발기 팬 고장에 대한 고장 진단 결과 그래프이다.
도 23은 기본 냉동사이클의 이상적인 모리엘선도를 나타낸 그래프이다.
도 24는 응축기 전열면적 감소에 따른 p-h선도의 변화 그래프이다.
도 25는 증발기 팬 고장에 따른 p-h선도의 변화 그래프이다.
1 is a schematic block diagram of a fault diagnosis system (FDDS) according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic configuration diagram of the failure diagnosis module.
3 is a configuration diagram showing a method of acquiring residual information in the failure detection unit.
4 is a graph showing a comparison result between the measured current and the current estimated by the NFM (1).
5 is a device diagram for diagnosing faults in a variable speed refrigeration system using current, temperature, and pressure information.
6 is an algorithm relating to failure detection.
7 is a fault identification algorithm according to the reduction of heat transfer area of the condenser.
8 is a graph showing the average residual information according to the reduction of heat transfer area of condensation.
FIG. 9 is a graph for acquiring data for the NFM 2. FIG.
10 is a device diagram for fault diagnosis of a variable speed refrigeration system using current information.
11 to 13 are graphs showing the results of fault diagnosis according to the reduction of heat transfer area of the condenser.
14 is a graph showing a comparison of residual information, pressure, and temperature due to the current immediately after the heat transfer area of condensation is reduced by 50%.
15 is a graph showing the inverter frequency and the opening degree of the electronic expansion valve according to the reduction of the heat transfer area 30% in which condenser contamination is simulated.
16 is a graph showing the condensation temperature due to condenser contamination.
17 is a graph showing compressor discharge pressure due to condenser contamination.
18 is a graph showing residual information due to condenser contamination.
19 and 20 are graphs showing the results of fault diagnosis for condenser contamination of VSRS using only current information.
Figs. 21 and 22 are graphs showing the diagnostic results of fault diagnosis of the evaporator fan failure of the VSRS using the FDDS (2).
23 is a graph showing an ideal Morel's line diagram of the basic refrigeration cycle.
24 is a graph of the change in the ph diagram according to the reduction of the heat transfer area of the condenser.
25 is a graph of the change in ph diagram according to an evaporator fan failure.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 고장진단방법에 관하여 설명한다.Hereinafter, a fault diagnosis method of a variable speed refrigeration system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

먼저, 냉동시스템은 기본적으로 증발기, 응축기, 압축기 및 팽창밸브로 구성된다. 최근에는 에너지 절약과 효율 향상을 위하여 인버터로 구동되는 압축기 모터를 가진 가변속 냉동시스템(Variable Speed Refrigeration System, 이하 VSRS)이 점차 증가하고 있으며, 본 발명에서는 이러한 가변속 냉동시스템의 고장여부를 진단하고자 한다.First, the refrigeration system is basically composed of an evaporator, a condenser, a compressor, and an expansion valve. In recent years, a variable speed refrigeration system (hereinafter, referred to as VSRS) having a compressor motor driven by an inverter has been increasing to save energy and improve efficiency. In the present invention, it is tried to diagnose the failure of such a variable speed refrigeration system.

이하에서는, 먼저 본 발명의 내용 및 결과에 관하여 간략하게 정리한 후, 본 발명에 따른 가변속 냉동시스템의 고장진단방법을 구현하는 고장진단시스템(Fault Detection and Diagnosis System, 이하 FDDS)의 구성과, 고장진단시스템을 이용하여 가변속 냉동시스템의 고장을 진단하는 방법에 관하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the contents and the results of the present invention will be summarized briefly. Then, the configuration of a fault diagnosis and diagnosis system (hereinafter referred to as " FDDS ") for implementing a fault diagnosis method of a variable speed refrigeration system according to the present invention, A method of diagnosing a failure of a variable speed refrigeration system using a diagnostic system will be described in detail.

본 발명에 따른 FDDS는 고장을 검출하는 고장검출부(fault detection part)와, 고장검출부로부터 얻어지는 정보를 이용하여 고장의 위치 식별과 고장의 정도를 규명하는 고장진단부(fault diagnosis part)를 포함한다. The FDDS according to the present invention includes a fault detection part for detecting a fault and a fault diagnosis part for identifying the location of the fault and the extent of the fault using the information obtained from the fault detection part.

고장검출부에서의 고장검출은 전류의 잔차(residual)정보를 이용한다. 잔차정보는 실제 시스템의 상태를 반영하는 실시간 검출 전류(I d )와 고장이 없는 정상적인 상태에서의 다양한 운전 조건 하에서 얻어진 전류모델로부터 생성되는 추정 전류(I e )의 차로부터 구해진다. 추정 전류는 정상상태(normal state) 하에서 얻어진 무고장모델(No Fault Model, 이하 NFM)에서 생성된다. NFM은 실험을 위해 제작된 기본냉동사이클 장치에 대해 다양한 운전 조건 하에서의 실험을 통해 얻어진 데이터에 기초하여 선형회귀분석(linera regression analysis)을 통해 구해진다. The failure detection in the failure detection unit uses the residual information of the current. The residual information is obtained from the difference between the real-time detection current ( I d ) reflecting the state of the actual system and the estimated current ( I e ) generated from the current model obtained under various operating conditions in a normal state without a fault. The estimated current is generated in the No Fault Model (NFM) obtained under the normal state. The NFM is obtained by linera regression analysis based on the data obtained from experiments under various operating conditions for the basic refrigeration cycle unit designed for the experiment.

본 발명에서는 두 가지 NFM에 대해 검토한다. 첫 번째는 독립변수로 다른 제어변수와 함께 온도와 압력 정보를 포함시킨 경우의 NFM(1)이고, 두 번째는 독립변수에 온도와 압력 정보를 모두 배제시킨 경우의 NFM(2)이다. 이때, 종속변수는 NFM(1), NFM(2) 모두 전류로 설정한다. 독립변수는 NFM(1)의 경우, 조작량인 인버터 주파수(f)를 포함한 온도와 압력정보 7개로 구성되고, NFM(2)의 경우, 인버터 주파수(f)와 전자팽창밸브 개도(VO)로 구성된다.In the present invention, two NFMs are examined. The first is the NFM (1) when the temperature and pressure information are included with the other control variables as independent variables, and the second is the NFM (2) when the temperature and pressure information are excluded from the independent variables. At this time, the dependent variable is set to current in both NFM (1) and NFM (2). Independent variable for NFM (1), it is composed of temperature and seven pressure information including the operation amount of the drive frequency (f), when the NFM (2), consists of an inverter frequency (f) and the electronic expansion valve opening degree (VO) do.

후술하는 바와 같이, 제안된 두 NFM 가운데 NFM(2)는 온도와 압력에 대한 피드백제어기의 보상효과는 물론 온도와 압력정보가 갖는 큰 시정수(time constant)의 영향도 배제시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 검출해야할 정보의 수를 줄임으로써 센서에 소요되는 가격, 센서의 트러블 발생, 그리고 검출정보에 노이즈가 수반될 가능성도 최소화시킬 수 있다. 따라서, NFM(2)가 보다 더 바람직하다고 할 수 있으며, 이에 관해서는 후술하는 실험결과를 통해 확인할 수 있다.As described later, among the two proposed NFMs, the NFM (2) can eliminate the effect of the time constant of the temperature and pressure information as well as the compensation effect of the feedback controller on temperature and pressure. In addition, by reducing the number of information to be detected, it is possible to minimize the price required for the sensor, the trouble of the sensor, and the possibility that noise accompanies detection information. Therefore, it can be said that NFM (2) is more preferable, and this can be confirmed through the experimental results to be described later.

고장진단부는 고장의 위치를 식별하고 고장의 정도(level)를 규명하는 역할을 한다. 고장진단부에서는 고장검출부에서 생성된 잔차정보를 이용하여 고장식별과 고장규명의 역할을 수행하기 때문에 열교환기 고장에 따른 잔차정보의 특성을 분석할 필요성이 있고, 분석 결과 잔차정보는 두 가지 정보를 가지고 있음을 알 수 있었다. 하나는 잔차정보의 경향(pattern)이었고, 다른 하나는 잔차정보의 크기이다. 잔차정보의 경향은 응축기 오염의 경우 양(+)의 방향으로 증가하는 경향을 나타내었고, 증발기 팬 고장의 경우 음(-)의 방향으로 증가하는 경향을 나타낸다.The fault diagnosis part identifies the location of the fault and identifies the level of the fault. Since the fault diagnosis unit plays a role of fault identification and fault identification using the residual information generated by the fault detection unit, it is necessary to analyze the characteristics of the residual information according to the fault of the heat exchanger. As a result of analysis, I have found. One is the pattern of the residual information, and the other is the size of the residual information. The tendency of the residual information shows a tendency to increase in the direction of positive (+) direction in case of condenser contamination, and to increase in the direction of negative (-) in case of evaporator fan failure.

그리고, 잔차정보의 크기는 응축기 오염의 경우 오염 정도에 비례하여 증가하였고, 증발기 팬 고장의 경우 팬 고장 모사 후 급격히 감소하였다. 이러한 열교환기의 고장에 대한 잔차정보의 두 가지 특성을 이용하여 고장식별과 고장규명을 포함하는 고장진단부의 알고리즘을 생성한다.Also, the size of the residual information increased in proportion to the degree of contamination in case of condenser pollution, and in the case of evaporator fan failure, it decreased rapidly after pan failure simulation. Using the two characteristics of the residual information on the failure of the heat exchanger, an algorithm of the fault diagnosis section including fault identification and fault identification is generated.

그리고, 본 발명에서 제안한 고장검출과 고장진단 알고리즘의 효용성을 검증하기 위해 VSRS의 고장진단 실기 실험시스템을 구축한다. 실험시스템은 크게 3부분으로 제어대상인 VSRS, 이 VSRS의 압축기와 전자팽창밸브를 제어하기 위한 제어부 그리고 FDDS로 구성된다. VSRS로는 단일 냉동시스템이 사용되고, 제어부에서는 이 시스템의 실내온도와 과열도를 제어변수(control variable)로 설정하여 퍼지로직(Fuzzy logic)으로 구성된 피드백제어기를 PLC(Programmable Logic Controller)상에서 구현된다. 또한, 압축기의 농형유도모터와 전자팽창밸브의 스텝모터를 구동하기 위해 주파수 가변장치인 인버터(inverter)와 스텝모터드라이브가 각각 사용되었다. FDDS는 PC(personal computer)와 DAQ(Data Aquisition, NI사)장비를 이용하여 구현된다. In order to verify the effectiveness of the fault detection and fault diagnosis algorithms proposed in the present invention, a fault diagnosis practical test system of VSRS is constructed. Experimental system consists of three parts: VSRS, VSRS compressor, and control unit for controlling the electronic expansion valve and FDDS. The VSRS uses a single refrigeration system and the controller sets the room temperature and the degree of superheat of the system as a control variable so that a feedback controller composed of fuzzy logic is implemented on a programmable logic controller (PLC). Further, in order to drive the stepping motor of the squirrel cage induction motor and the electronic expansion valve of the compressor, a frequency variable device, an inverter, and a step motor drive were used, respectively. FDDS is implemented using PC (personal computer) and DAQ (Data Acquisition, NI) equipment.

실험에서 VSRS의 열교환기 고장 모사는 응축기의 경우, 전열면적을 인위적으로 감소시켰고, 증발기의 경우는 증발기 팬을 원하는 시각에 강제로 정지시키는 방법을 취하였다.In the experiment, the heat exchanger failure simulation of VSRS reduced the heat transfer area artificially in the case of the condenser, and forcedly stopped the evaporator fan at the desired time in the case of the evaporator.

FDDS는 일정한 정밀도를 보증하면서 검출정보의 수가 적을수록, 속응성(quick responsibility)과 신뢰성이 좋을수록 그 성능이 우수하다고 볼 수 있다. 따라서 본 발명에서는 기존의 온도와 압력정보를 배제한 NFM(2)을 최종적으로 제안하고자 한다. 제안한 방법의 성능을 비교하기 위해 우선 온도와 압력정보가 포함된 NFM(1)에 대한 실험을 진행하고 순차적으로 NFM(2)에 대한 실험을 행한 후 그 결과들을 상호 비교하였다. 또한, 열교환기의 각 고장에 대하여 p-h선도를 이용한 개념적인 해석을 통해 각 고장 시의 전류변동 원인을 유추하였다.The FDDS guarantees a certain precision, and the smaller the number of detected information, the better the quick responsibility and reliability, the better the performance. Therefore, in the present invention, the NFM (2) excluding the existing temperature and pressure information is finally proposed. In order to compare the performance of the proposed method, we first experimented with NFM (1) with temperature and pressure information, and then experimented with NFM (2) sequentially and then compared the results. In addition, the cause of the current fluctuation at each fault was inferred through conceptual analysis using the p-h diagram for each failure of the heat exchanger.

본 발명에서 사용되는 용어에 관하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.The terms used in the present invention will be briefly described as follows.

고장(fault) : 시스템 특성 또는 파라미터가 규정조건에서 허용편차 이상 벗어난 상태Fault: If the system characteristic or parameter is outside the allowable deviation from the specified condition

잔차(residual) : 측정치와 공정모델에 의해 계산된 추정치의 편차 또는 그 편차에 근거한 고장 지시변수 Residual: a failure indication variable based on the deviation of the estimate computed by the measurement and the process model or its deviation

고장검출(fault detection) : 시스템 내 고장 발생여부의 결정 Fault detection: Determining whether a fault occurs in the system

고장식별(fault isolation) : 고장의 종류, 위치 및 검출시간의 결정 Fault isolation: Determination of fault type, location and detection time

고장규명(fault identification) : 고장의 크기와 시변 특성의 결정 Fault identification: Determination of fault size and time-varying characteristics

고장진단(fault diagnosis) : 고장식별과 규명을 포함하며 고장의 종류, 위치, 크기와 검출시간을 결정 Fault diagnosis: includes fault identification and identification, and determines the type, location, size and detection time of the fault

이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고장진단시스템(FDDS)의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, FDDS(100)는 크게 고장진단모듈(10)과 평가모듈(20)로 구성된다. 고장진단모듈(10)은 고장발생시 고장을 진단하고, 고장진단의 결과에 따라 조치를 취하거나 사용자에게 알려주는 역할을 한다.1 is a schematic block diagram of a fault diagnosis system (FDDS) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the FDDS 100 mainly includes a fault diagnosis module 10 and an evaluation module 20. The fault diagnosis module 10 diagnoses a fault in the event of a fault, takes action according to the result of the fault diagnosis or informs the user.

도 2는 고장진단모듈의 개략적인 구성도이다. 도 2를 참조하면, 고장진단 모듈(10)은 고장검출부(Fault detection)(11)와 고장진단부(Fault diagnosis)(12)로 구성된다. 고장검출부(11)는 잔차정보 생성과 고장 발생 유무를 확인하는 역할을 하고, 고장진단부(12)는 고장검출부(11)에서 생성된 정보를 이용하여 발생한 고장에 대해 고장식별과 고장규명의 역할을 한다. 여러 가지 고장 발생시 잔차정보의 경로에 따라 고장의 위치를 검출할 수 있고, 잔차정보의 크기로써 고장의 정도를 파악할 수 있다. 잔차정보의 양상은 각 고장에 대하여 독립적이고, 잔차정보의 신뢰성이 높아야 고장진단의 안정성을 확보할 수 있다. 2 is a schematic configuration diagram of the failure diagnosis module. Referring to FIG. 2, the fault diagnosis module 10 includes a fault detection unit 11 and a fault diagnosis unit 12. The failure diagnosis unit 11 generates residual information and confirms whether or not a failure has occurred. The failure diagnosis unit 12 performs a failure identification and identification of the failure (failure) using the information generated by the failure detection unit 11 . The location of the fault can be detected according to the path of the residual information when various faults occur and the degree of the fault can be grasped by the size of the residual information. The aspect of the residual information is independent of each failure, and the reliability of the failure diagnosis can be secured if the reliability of the residual information is high.

도 3은 고장검출부에서 잔차정보를 획득하는 방식을 나타내는 구성도이다. 고장검출부(11)의 목적은 고장발생유무를 확인하고, 고장진단을 위한 잔차정보를 생성하는 것이다. 잔차정보 발생기구로써 고장검출부는 대단히 중요하므로 고장에는 민감하고, 기타 고장, 잡음 및 외란등에는 둔감하도록 구성되어야 한다. 그러기 위해서는 변수를 고장진단의 목적에 맞게 적절히 선택해야 하고, 선택된 정보가 계측될 때 노이즈를 최소화시켜야 한다. 잔차정보를 생성하기 위해서 여러 가지 방법이 사용되고 있지만 본 발명에서는 모델을 기반으로 하는 방법을 사용한다.3 is a configuration diagram showing a method of acquiring residual information in the failure detection unit. The purpose of the failure detection unit 11 is to check whether a failure has occurred and to generate residual information for failure diagnosis. As the residual information generating mechanism, the fault detecting unit is very important, so it is sensitive to faults and should be configured to be insensitive to other faults, noise, disturbance, and the like. To do this, the variables must be selected appropriately for the purpose of fault diagnosis and the noise should be minimized when the selected information is measured. Although various methods are used to generate the residual information, the present invention uses a model-based method.

VSRS의 정상상태(normal state)의 무고장모델을 생성하기 위해 VSRS의 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도에 따른 정상상태(steady state)값들을 수집하고, 그 값들을 선형회귀분석하여 NFM을 생성한다. 그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 NFM에 의한 추정 전류값와 실시간 전류값을 비교하여 잔차정보를 생성한다. In order to generate a steady state model of the VSRS, the steady state values according to the inverter frequency of the VSRS and the opening degree of the electronic expansion valve are collected, and the values are subjected to a linear regression analysis to generate the NFM. Then, as shown in FIG. 3, the estimated current value by the NFM is compared with the real time current value to generate residual information.

이하에서는 실시간 고장진단을 위한 시스템에 대해 설명한다. 앞서 언급한 바와 같이 고장검출부의 무고장모델에 따라 두 가지 시스템을 소개한다. 첫째로 전류, 온도, 압력을 이용한 고장진단시스템(NFM1)에 대하여 설명하고, 그에 따른 고장진단장치 및 알고리즘을 소개한다. 두 번째로 전류정보만을 이용한 고장진단시스템(NFM2)에 대하여 기술하고, 마찬가지로 장치 및 알고리즘을 설명한다.Hereinafter, a system for real-time fault diagnosis will be described. As mentioned above, two systems are introduced according to the fault-free model of the fault detector. First, the fault diagnosis system (NFM1) using current, temperature and pressure will be explained and the fault diagnosis apparatus and algorithm will be introduced. Secondly, the fault diagnosis system (NFM2) using only current information will be described, and the apparatus and algorithm will be explained in the same manner.

1. NFM(1)에 관한 설명1. Explanation of NFM (1)

고장을 진단함에 있어 가장 중요한 것은 고장진단 결과의 신뢰성과 속응성이다. 신뢰성을 좋게 하기 위해서는 속응성이 나빠질 수 있고, 속응성을 좋게 하기 위해서는 신뢰성이 나빠질 수 있다. 하지만 신뢰성과 속응성은 모두 고장진단에 있어서 매우 중요한 요소이기 때문에 한 요소를 포기할 수는 없다. 이 두 가지 요소를 동시에 확보하기 위해서는 고장을 검출하기 위한 NFM의 변수 선택이 가장 중요하다. NFM의 변수의 선택은 고장검출의 신뢰성과 속응성뿐만 아니라 전체적인 고장진단의 성능을 좌우하기 때문이다.The most important factor in diagnosing faults is the reliability and responsiveness of fault diagnosis results. In order to improve the reliability, the viscosity may be deteriorated and the reliability may be deteriorated in order to improve the viscosity. However, reliability and flexibility are all important factors in fault diagnosis, so we can not give up one factor. In order to obtain both of these factors simultaneously, it is most important to select the NFM variable to detect the failure. The choice of the NFM's parameters depends not only on the reliability and fault tolerance of fault detection but also on the performance of the overall fault diagnosis.

먼저 NFM(1)의 변수로는 전류, 인버터 주파수, 온도, 압력을 선정한다. 그 이유는 냉동시스템의 모든 상황을 반영하고자 했기 때문이다. 전류, 인버터 주파수, 온도, 압력에 의한 NFM(1)은 하기 표 1과 같다.
First, the current, inverter frequency, temperature, and pressure are selected as the variables of the NFM (1). The reason is because we wanted to reflect all the circumstances of the refrigeration system. NFM (1) due to current, inverter frequency, temperature and pressure is shown in Table 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

[표 1][Table 1]

표 1은 NFM(1)을 위한 회귀분석 데이터이다. 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도를 일정하게 유지하고, 정상상태에 도달했을 때 각각의 값들의 대표값을 측정했다. 측정 변수는 I r , f, VO , T a , T o , T c , T SH , P out , P in 이 고, 이 중에서 종속변수는 I r 이고, 독립변수는 f, T a , T o , T c , T SH , P out , P in 이다. VO는 다른 독립변수들보다 영향력이 적어 제외시켰다. Table 1 shows regression analysis data for NFM (1). The inverter frequency and the opening of the electronic expansion valve were kept constant, and representative values of the respective values were measured when the steady state was reached. The measured variable is the I r, f, VO, T a, T o, T c, T SH, P out, P in the high, of which the dependent variable I r, independent variables f, T a, T o, T c , T SH , P out , and P in . VO is less influential than other independent variables.

선형회귀분석 결과 NFM(1)은 식 (1)과 같다.As a result of linear regression analysis, NFM (1) is shown in Equation (1).

Figure pat00002
...........식 (1)
Figure pat00002
... (1)

종속변수 Y는 I r 를 나타내고, 독립변수 X 1 f, X 2 T a , X 3 T o , X 4 T c , X 5 T SH , X 6 P out , X 7 P in 을 나타낸다. 식(1)의 결정계수 R Square는 94.9%로써 매우 높은 적합도를 나타낸다. 따라서 NFM(1)은 시스템의 정상상태를 잘 반영한다는 것을 알 수 있다. The dependent variable Y represents I r , the independent variable X 1 is f , X 2 is T a , X 3 is T o , X 4 is T c , X 5 is T SH , X 6 is P out , X 7 is P in . The coefficient of determination R square of equation (1) is 94.9%, which shows very high fitness. Thus, it can be seen that NFM (1) reflects the steady state of the system.

도 4는 측정된 전류와 NFM(1)에 의해 추정된 전류와의 비교결과를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 측정된 전류가 높은 전류와 낮은 전류로 양분되는 현상은 인버터 주파수와 관련이 있다. 인버터 주파수 60[Hz]일 때는 높은 전류가 측정되었고, 그 외의 주파수에서는 낮은 주파수가 측정된다. 4 is a graph showing a comparison result between the measured current and the current estimated by the NFM (1). Referring to FIG. 4, the phenomenon that the measured current is divided into a high current and a low current is related to the inverter frequency. High current is measured at the inverter frequency of 60 [Hz], and low frequency is measured at the other frequencies.

도 5는 전류, 온도, 압력정보를 이용한 가변속냉동시스템의 고장진단을 위한 장치도이다. 냉동시스템은 압축기, 응축기, 수액기, 전자팽창밸브, 증발기로 단일 냉동시스템을 구성한다. 제어를 위해 PLC(Programmable Logic Controller)로써 퍼지로직을 이용한 피드백제어기가 구현되고, 고장진단을 위하여 NI-DAQ장비로 고장진단에 필요한 정보가 획득되고, Labview로써 프로그래밍 된다. 5 is a device diagram for diagnosing faults in a variable speed refrigeration system using current, temperature, and pressure information. The refrigeration system consists of a single refrigeration system consisting of a compressor, a condenser, a receiver, an electronic expansion valve, and an evaporator. A feedback controller using fuzzy logic is implemented as a PLC (Programmable Logic Controller) for control, and information necessary for fault diagnosis is acquired by NI-DAQ device for fault diagnosis and programmed as Labview.

피드백제어기는 실내온도와 증발기 입출구 차인 과열도 각각을 일정하게 유지시키기 위해서 압축기 회전수와 전자팽창밸브 개도를 변화시킨다. 압축기의 회전수를 변화시켜 실내온도를 일정하게 유지시키고, 에너지를 절감시킨다. 그리고 전자팽창밸브 개도를 변화시켜 과열도를 일정하게 유지함으로써 최대의 효율을 내도록 설계한다. 압축기 회전수를 변화시키기 위한 인버터는 V/f=const 제어 타입이 사용되고, 전자팽창밸브 개도를 변화시키기 위해서 스테핑모터 드라이버가 사용된다. 실내온도와 과열도의 설정값은 각각 3와 6로 용량제어와 과열도제어를 독립적으로 구현한다. 제어와 고장진단을 위해서 측정된 인자는 전류, 인버터 주파수, 전자팽창밸브 개도, 실내온도, 과열도, 실외온도, 응축온도, 압축기 토출 압력, 압축기 흡입 압력이다. 전류는 인버터와 압축기 사이의 3상 중 한 상에 CT(Current Transformer)를 연결하여 측정한다. The feedback controller changes the compressor rotation speed and the opening degree of the electronic expansion valve so as to keep the room temperature and the superheat, which is the evaporator inlet / outlet difference, constant. By changing the number of revolutions of the compressor, the room temperature is kept constant and energy is saved. And, by changing the opening degree of the electronic expansion valve, the superheat degree is kept constant, so that the efficiency is maximized. A V / f = const control type is used for the inverter for changing the compressor rotational speed, and a stepping motor driver is used for changing the opening degree of the electronic expansion valve. The set values of room temperature and superheat degree are 3 and 6, respectively, and realize capacity control and superheat control independently. The parameters measured for control and fault diagnosis are current, inverter frequency, electronic expansion valve opening, room temperature, superheat, outdoor temperature, condensation temperature, compressor discharge pressure, compressor suction pressure. The current is measured by connecting a CT (Current Transformer) to one of the three phases between the inverter and the compressor.

한편, 고장진단을 위해 전류정보를 계측할 때 인버터의 스위칭방식으로 인해 리플(ripple)이 발생하므로 전류값을 보정해 줄 필요가 있다. 그래서 CT에서 측정된 전류값을 안정화시키기 위하여 평활화 필터를 사용하여 지수 이동평균하였고, 30초당 최대값을 대표값(I r )으로 지정하였다. 전류의 대표값은 주파수에 따라 그 값이 달라지므로 냉동시스템의 고장유무를 판별하기 적절하다. 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도는 피드백제어기에 의해 결정되므로 그 지령값을 PLC의 D/A Module로부터 NI-DAQ장비로 전송시켰다. 온도정보는 T-type 열전대를 이용하여 측정하였고, PLC의 Thermal Module에 의해 수집된다. 압력은 고압과 저압 게이지를 사용하여 PLC의 A/D Module에 의해 수집된다. 온도와 압력정보의 노이즈를 제거하기 위해 각 센서의 위치를 최적으로 선정하고, PLC로 10초당 이동 평균하여 NI-DAQ로 이식시켰으며, Labview로서 평활화 필터를 설계여 그 정보를 사용하였다. 이때, 평활화 필터의 지수는 50 또는 100으로 설정한다.On the other hand, when measuring current information for fault diagnosis, it is necessary to correct the current value because ripple occurs due to the switching method of the inverter. To stabilize the current value measured by CT, the exponential moving average was averaged using a smoothing filter, and the maximum value per 30 seconds was designated as the representative value ( I r ). Since the representative value of the current varies depending on the frequency, it is appropriate to determine whether the refrigeration system is malfunctioning or not. Since the inverter frequency and the opening of the electronic expansion valve are determined by the feedback controller, the command value is transferred from the D / A Module of the PLC to the NI-DAQ device. Temperature information is measured using a T-type thermocouple and is collected by a PLC thermal module. The pressure is collected by the PLC's A / D Module using high and low pressure gauges. In order to eliminate the noise of temperature and pressure information, the optimal position of each sensor was selected, and the moving average was transferred to the NI-DAQ every 10 seconds by the PLC, and a smoothing filter was designed and used as Labview. At this time, the exponent of the smoothing filter is set to 50 or 100.

도 6은 고장검출에 관한 알고리즘이다. 고장검출부에서는 고장진단의 척도인 잔차정보를 생성하고, 그 잔차정보를 이용하여 고장의 발생 유무를 판단한다. 실시간으로 측정되는 전류 I d 와 NFM(1)에 의해 추정되는 전류 I e 의 차가 잔차정보이므로 정상상태에서는 I d I e 는 같다. 하지만 응축기 전열 면적이 감소할 수록 I d I e 의 차는 커지게 된다. 따라서 잔차정보는 커지게 되고, 그 잔차정보가 고장에 대하여 신뢰성을 가질 수 있는 최소의 크기일 때 고장 발생 유무를 결정짓는 판단 기준이 된다. 고장 발생이 확인되면 잔차정보는 고장진단을 위하여 고장진단부로 전송되게 된다.6 is an algorithm relating to failure detection. The failure detection unit generates residual information, which is a measure of the failure diagnosis, and uses the residual information to determine whether a failure has occurred. I d and I e are the same in the steady state because the difference between the current I d measured in real time and the current I e estimated by NFM (1) is the residual information. However, as to reduce the heat transfer area of the condenser is large difference between the I d and I e. Therefore, the residual information becomes large, and when the residual information is the minimum size that can be relied on for the failure, it becomes a criterion for determining whether or not a failure occurs. When the occurrence of the fault is confirmed, the residual information is transmitted to the fault diagnosis section for fault diagnosis.

도 7은 응축기 전열면적 감소에 따른 고장규명 알고리즘이다. 고장진단은 고장식별과 고장규명으로 나뉠 수 있지만 응축기 전열면적 감소에 따른 고장만을 다루므로 고장식별은 필요치 않았다. 따라서, 이하에서는 고장규명에 관한 알고리즘만 소개한다.7 is a fault identification algorithm according to the reduction of heat transfer area of the condenser. Fault diagnosis can be divided into fault identification and fault identification, but fault identification is not necessary because it deals only with faults due to the reduced heat transfer area of the condenser. Therefore, only algorithms for fault identification are described below.

고장규명을 위해서는 주기가 필요하다. 그 이유는 고장규명의 신뢰성 때문이다. 측정되는 전류 I d 에는 센서와 측정기기들에 의한 노이즈가 있고, 추정되는 전류 I e 에도 역시 온도, 압력등의 센서에 의한 노이즈가 있기 때문이다. 고장진단을 위한 판단 주기를 고장진단 주기라 정의한다. 도 7의 고장진단 주기는 고장에 의해 시스템이 위험하기까지의 시간의 1/2을 넘어서는 안된다. 본 시스템의 고장진단 주기는 속응성과 신뢰성을 고려한 결과 300초로 설정되었다. 그 300초 사이에 잔차정보가 무고장상태의 범위인 0.001A을 넘는지를 체크하고, 0.001A를 넘은 시간이 150초가 넘으면 고장규명을 하게 되고, 그렇지 않으면 정상으로 출력하게 된다. 고장규명의 실시 여부를 위해 카운팅되는 그 시간을 t over 라 정의한다. t over 에 의해 고장규명을 시작하게 되면, 수집되었던 잔차정보를 300초로 나누어 초당 평균값을 산출해 낸다. 그 값을 평균잔차정보(Mean residual, I mean )으로 정의한다. 그리고, 평균잔차정보의 크기에 따라 고장은 규명되고 고장정도가 판명된다.A cycle is required for fault identification. This is because of the reliability of fault identification. The measured current I d is due to noise from sensors and measuring instruments, and the estimated current I e is also due to noise from sensors such as temperature and pressure. The judgment period for the fault diagnosis is defined as the fault diagnosis period. The failure diagnosis period in Fig. 7 should not exceed one half of the time until the system becomes dangerous due to a failure. The fault diagnosis cycle of this system is set to 300 seconds as a result of considering the dependability and reliability. It is checked whether the residual information exceeds 0.001A, which is the range of the non-fault state, within 300 seconds. If the time exceeding 0.001A exceeds 150 seconds, the fault is diagnosed. Otherwise, the fault information is output normally. Define the time that is counted for failure identification as t over . When fault identification is initiated by t over , the collected residual information is divided by 300 seconds and the average value per second is calculated. The value is defined as mean residual ( I mean ). Then, the failure is identified according to the size of the average residual information, and the degree of failure is determined.

도 8은 응축전열면적 감소에 따른 평균잔차정보를 나타내는 그래프로, 이는 고장규명의 결과인 고장의 정도를 결정하기 위한 데이터이다. NFM(1)을 적용시킨 시스템에 응축전열면적을 감소시킨 후, 그 때의 평균잔차정보를 수집한다. 응축전열면적을 10 ~ 70%까지 감소시키면, 전열면적 감소량이 증가할수록 평균잔차정보 역시 증가하는 경향을 보인다. 하지만 실험 결과 10%일 때는 평균잔차정보의 신뢰성이 확보되지 않아 고장 검출이 어려울 것으로 판단된다. 따라서 20~30%에 상당하는 응축기 고장을 Low, 40~50%에 상당하는 응축기 고장을 Middle, 60%이상에 상당하는 응축기 고장을 High로 정의하고 고장규명 알고리즘에 적용시킨다.FIG. 8 is a graph showing average residual information according to reduction in heat transfer area of condensation, which is data for determining the degree of failure, which is a result of fault identification. After reducing the heat transfer area of condensation to the system to which NFM (1) is applied, the average residual information at that time is collected. When the heat transfer area of condensation is reduced to 10 ~ 70%, the average residual information tends to increase as the heat transfer area decrease increases. However, when the experimental result is 10%, the reliability of the average residual information can not be secured and it is considered that failure detection is difficult. Therefore, the condenser failure corresponding to 20 ~ 30% is defined as Low, the condenser failure corresponding to 40 ~ 50% is defined as middle, and the condenser failure corresponding to 60% or more is defined as High, and applied to the fault identification algorithm.

2. NFM(2)에 관한 설명2. Description of NFM (2)

앞서, 전류, 온도, 압력정보를 이용한(NFM(1)) FDDS를 소개하였다. 하지만 온도와 압력정보는 피드백제어기에 의한 보상효과와 큰 시정수를 가지기 때문에 FDDS에서 신뢰성을 확보하기 위한 고장진단 주기 역시 길어질 수밖에 없다. 그리고 다수의 검출 정보로 인해 많은 센서의 수를 동반함으로써 가격이 상승할 뿐만 아니라 센서의 고장과 노이즈가 수반될 가능성이 높아 신뢰성도 떨어질 수 밖에 없다. 그렇기 때문에 고장진단을 위한 변수로 온도와 압력정보를 배제시키는 방안이 최적의 방안으로 생각된다. 이하에서는, 온도와 압력정보를 배제시키고, 전류정보만을 이용한 FDDS를 소개한다. Previously, we introduced FDDS (NFM (1)) using current, temperature, and pressure information. However, since the temperature and pressure information have a compensation effect by the feedback controller and a large time constant, the fault diagnosis period for ensuring reliability in the FDDS also becomes long. In addition, due to a large number of detection information, it is accompanied by a large number of sensors, which not only raises the price, but also has a high possibility that sensor failure and noise accompany the reliability. Therefore, it seems to be the best way to exclude temperature and pressure information as a parameter for fault diagnosis. In the following, FDDS using only current information is introduced, excluding temperature and pressure information.

NFM(2)를 위한 변수를 선정함에 있어 온도와 압력정보를 제외시키고, 전류, 인버터 주파수, 전자팽창밸브 개도를 선택한다. 피드백제어기에 의한 변화에 가장 빠른 정보를 제공할 수 있는 것은 제어기의 지령값인 인버터 주파수와 전자팽창밸브의 개도이기 때문이다. 온도와 압력정보의 경우는 시정수가 커서 반응이 느리기 때문에 긴급한 고장의 경우 진단이 늦어 시스템에 무리를 주거나 극단적으로는 동작 불능의 상태로 만들 수 있기 때문이다.In selecting variables for NFM (2), the temperature and pressure information are excluded and current, inverter frequency, and electronic expansion valve opening are selected. This is because the inverter frequency, which is the command value of the controller, and the opening of the electronic expansion valve can provide the fastest information to the change by the feedback controller. In the case of temperature and pressure information, since the time constant is large and the response is slow, the diagnosis is delayed in case of an emergency failure, which can cause the system to be overloaded or extremely inoperable.

아래의 표 2는 NFM(2) 생성을 위한 I rms , f, VO의 일부를 나타낸 것이다. 전류정보는 실효값을 사용하였다. 각각 인버터 주파수 f와 전자팽창밸브 개도 VO를 고정하고, 충분히 정상상태에 도달했을 때 값을 기록하였다.
Table 2 below shows some of the I rms , f , and VO for NFM (2) generation. The current information used the rms value. The inverter frequency f and the electronic expansion valve opening VO were fixed, respectively, and the values were recorded when the steady state was sufficiently attained.

Figure pat00003
Figure pat00003

[표 2][Table 2]

도 9는 NFM(2)을 위한 데이터를 획득하기 위한 그래프로, 도 9의 (a)는 fVO의 변화를 나타낸다. fVO의 변화는 전류정보의 실효값을 획득하기 위한 지령값으로 f는 40~60[Hz]의 범위사이에 5[Hz]단위로 변화시켰고, VO는 각 f마다 60~100[%]의 범위에 10%단위로 변화시켰다. FIG. 9 is a graph for acquiring data for the NFM 2. FIG. 9 (a) shows changes of f and VO . changes in f and VO is a command value for obtaining an effective value of the current information f have caused in 5 [Hz] unit in the range of 40 ~ 60 [Hz], VO is 60 to 100 [%] for each f In the range of 10%.

도 9의 (b)는 fVO의 변화에 따른 I rms 의 변화를 나타낸 것이다. I rms 의 경향은 f보다는 VO와 비슷했다. 따라서 I rms f보다는 VO에 영향을 많이 받을 것이라는 것을 예측할 수 있다.FIG. 9 (b) shows the change of I rms according to the change of f and VO . The trend of I rms was similar to VO rather than f . Therefore, it can be predicted that I rms will be more affected by VO than f .

그리고, 상기 표 2의 데이터를 이용하여 NFM(2)을 생성하기 위해 선형회귀분석을 수행하면 아래의 식 (2)의 결과가 도출된다.When the linear regression analysis is performed to generate NFM (2) using the data in Table 2, the following equation (2) is derived.

Figure pat00004
................................식 (2)
Figure pat00004
................................ Equation (2)

식 (2)의 독립변수 X 1 , X 2 는 각각 fVO이고, 종속변수 YI rms 이다. 식 (2)의 R Square는 93.3%으로 높은 적합도를 나타낸다. 따라서 식 (2)는 NFM(2)으로서 적합함을 알 수 있다. The independent variables X 1 and X 2 in equation (2) are f and VO , respectively, and the dependent variable Y is I rms . R Square of Equation (2) is 93.3%, indicating high fitness. Therefore, equation (2) is suitable as NFM (2).

도 10은 전류정보를 이용한 가변속냉동시스템의 고장진단을 위한 장치도를 나타낸다. 가변속냉동시스템의 고장진단 장치도는 앞서 설명한 도 5와 내용이 유사하므로 차이점만 설명하도록 한다. 피드백제어기를 위한 설정 실내온도와 과열도는 11와 6로 각각 설정하였다. 제어와 고장진단을 위해서 측정된 인자는 전류, 인버터 주파수, 전자팽창밸브 개도이다. 고장진단을 위해 전류정보를 계측할 때 인버터의 스위칭방식으로 인해 리플(ripple)이 발생하므로 전류값을 보정해 줄 필요가 있다. 리플정보는 스위칭과정에서 발생하는 이상(abnormal) 전류이다. 따라서 인버터 주파수 지령값은 한 가지이지만 출력값은 여러 가지 주파수를 포함하게 된다. 이를 제거하는 방법은 하드웨어적인 필터링 방법이 있고, 소프트웨어적인 필터링 방법이 있다. 본 발명에서는 Labview를 이용하여 High pass filter와 Low pass filter를 프로그래밍하여 소프트웨어적으로 최소화시켰다. High pass filter의 경우 38Hz로 설정하였고, Low pass filter의 경우 62Hz로 설정하여 40~60Hz의 전류정보를 안정적으로 받을 수 있게 하였다. 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도는 PLC내의 퍼지로직에 의해 결정되므로, 그 정보를 PLC의 D/A Module에서 NI-DAQ장비로 전송시켰다. 하지만 전송과정에서도 노이즈가 발생하므로 Labview로서 평활화필터를 설계하여 노이즈를 최소화시켰다. 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도의 정보는 온도와 압력정보와 같은 센서에 의한 값이 아니기 때문에 노이즈가 많지 않아 평활화 필터의 지수는 50으로 설정하였다. 10 shows a device diagram for fault diagnosis of a variable speed refrigeration system using current information. The diagram of the fault diagnosis apparatus of the variable speed refrigeration system is similar to that of FIG. 5 described above, so only the difference will be described. The set room temperature and superheat for the feedback controller were set to 11 and 6 respectively. The parameters measured for control and fault diagnosis are current, inverter frequency, and electronic expansion valve opening. When measuring the current information for fault diagnosis, it is necessary to correct the current value because ripple occurs due to the switching method of the inverter. The ripple information is an abnormal current that occurs during the switching process. Therefore, the inverter frequency reference value is one, but the output value includes various frequencies. There are hardware filtering methods and software filtering methods. In the present invention, a high pass filter and a low pass filter are programmed using Labview to minimize software. In case of high pass filter, it is set to 38Hz. In case of low pass filter, it is set to 62Hz so that the current information of 40 ~ 60Hz can be stably received. Since the inverter frequency and the electronic expansion valve opening are determined by the fuzzy logic in the PLC, the information was transferred from the D / A Module of the PLC to the NI-DAQ device. However, as noise is generated in the transmission process, the smoothing filter is designed as Labview to minimize the noise. Since the information of the inverter frequency and the degree of opening of the electronic expansion valve is not a sensor value such as temperature and pressure information, the number of the smoothing filter is set to 50 because there is not much noise.

알고리즘에 관하여 설명하면 다음과 같다.The algorithm will be described as follows.

고장검출부에서는 잔차정보를 생성하고, 고장의 발생 유무를 판단한다. 잔차정보는 NFM(2)에 의한 추정된 전류 I e 와 실시간으로 측정되는 인버터 전류 I d 의 차에 의해서 생성되고, 고장 발생 유무의 판단은 무고장상태의 범위인 잔차정보-0.5 ~ 0.2[A]의 범위를 벗어나면 고장 발생 신호를 보내도록 설정하였다. The failure detection unit generates residual information and determines whether or not a failure has occurred. Residual information is generated by the difference of the current I e and the inverter current I d which is measured in real-time estimation by NFM (2), determines the failure has occurred is no fault condition, the range of the residual information -0.5 ~ 0.2 [A of ], It is set to send a fault occurrence signal.

고장진단부는 고장검출부의 고장 발생 신호에 의해서 동작한다. 잔차정보는 인버터의 리플, 측정 장비의 노이즈, NI-DAQ장치의 노이즈, PLC Module의 노이즈 정보를 모두 담고 있기 때문에 신뢰성을 가지기 위해서 60초 단위로 이동평균하여 고장식별과 고장규명을 할 수 있도록 하였다. 큰 시정수와 피드백제어기에 의한 보상효과를 가진 온도와 압력정보를 배제시킴으로써 NFM(1)에 의한 고장진단시스템의 300초보다 짧은 주기 설정이 가능하였다. 고장이 발생하면 먼저 고장식별을 하게 된다. 고장식별에서는 잔차정보를 초당 잔차정보인 평균잔차정보로 연산하고, 그 평균잔차정보가 상승하면 응축기 고장이고, 감소하면 증발기 고장으로 고장의 위치를 식별도록 했다. 고장식별이 끝나면 고장규명을 하게 된다. 고장의 위치에 따라 다른 알고리즘으로 설계하였다. 응축기 오염의 경우, 평균잔차정보가 0.2~0.5[A]의 범위를 가지면 고장의 정도를 30%로 정하고, 0.5[A]이상일 때는 고장의 정도를 50%로 정하여 시스템을 설계하였다. 그리고 증발기 팬 고장의 경우는 빠른 시간내에 시스템에 무리를 주고, 실내온도 상승으로 인한 실내환경이 악화될 수 있으므로 빠른 초치가 필요하다. 따라서 평균잔차정보가 -0.5[A]이하이면 증발기 팬 고장을 출력하도록 설계하였다.The fault diagnosis unit operates by the fault occurrence signal of the fault detection unit. Since the residual information contains the ripple of the inverter, the noise of the measuring instrument, the noise of the NI-DAQ device, and the noise information of the PLC module, the error information can be identified and the fault can be identified by moving averages every 60 seconds . By excluding the temperature and pressure information with the compensation effect by the large time constant and the feedback controller, it is possible to set the period shorter than 300 seconds in the fault diagnosis system by NFM (1). If a fault occurs, the fault is first identified. In the fault identification, the residual information is calculated as the average residual information, which is the residual information per second. When the average residual information rises, the condenser is broken down. If the average residual information rises, the fault location is identified by the evaporator failure. After fault identification is completed, the fault is identified. The algorithm is designed according to the location of the fault. In the case of condenser contamination, the degree of failure is set to 30% if the average residual information is in the range of 0.2 to 0.5 [A], and the system is designed to have the degree of failure at 50% when the average residual information is more than 0.5 [A]. In the case of a failure of the evaporator fan, it is necessary to quickly set the temperature of the system because the system may be overloaded quickly and the indoor environment may be deteriorated due to a rise in the room temperature. Therefore, if the average residual information is less than -0.5 [A], the evaporator fan failure is designed to be output.

이하, 실험결과에 관하여 설명한다. 표 3은 실험에 이용된 가변냉동기의 사양이다.Hereinafter, experimental results will be described. Table 3 shows specifications of the variable freezer used in the experiment.

Figure pat00005
Figure pat00005

[표 3][Table 3]

< NFM(1) 실험결과 ><NFM (1) Experimental Results>

NFM(1)을 이용한 VSRS의 FDDS를 이용하여 응축전열면적 감소에 따른 고장진단을 수행하였다. The fault diagnosis was performed according to the decrease of the heat transfer area of condensation by using FDDS of VSRS using NFM (1).

표 4는 응축기전열면적을 감소시킨 시간과 감소량을 나타낸다. 응축기 전열면적은 10~70%까지 다양하게 감소시켰고, 각 고장을 일으킨 후에는 시스템이 정상상태로 회복할 시간을 두어 다음 고장에 대하여 영향이 없도록 하였다.Table 4 shows the time and amount of reduction of the heat transfer area of the condenser. The heat transfer area of the condenser was variously reduced to 10 ~ 70%. After each failure, the system was allowed to recover to the normal state so that it would not affect the next failure.

Figure pat00006
Figure pat00006

[표 4][Table 4]

도 11 내지 13는 응축기 전열면적 감소에 따른 고장진단 결과이다. 도 11의 (a)는 I d I e 를 나타낸다. 고장의 정도에 따라 I d 는 상승하였고, I e 는 대폭 감소하는 결과를 보였다. 이는 NFM(1)의 독립변수 중 압축기 토출 압력인 P out 의 영향이 큼을 알 수 있다. 응축기 전열면적을 감소시키면 증발기 입구 온도가 상승하여 과열도가 감소하게 된다. 따라서 피드백제어기에 의해 팽창밸브의 개도는 감소하게 되고, 냉매량은 줄어들게 되어 냉매의 순환이 원활하지 못하게 된다. 그리고 실내온도는 냉매의 플래시 가스 발생으로 냉동능력이 감소하므로 상승하려는 경향을 보이고, 그에 따라 압축기 회전수는 증가하는 경향을 보인다. 냉매는 불응축상태에서 팽창되어 증발기로 들어가게 되고, 적은 냉매가 많은 압축일량을 받으므로 압축기 토출압력이 상승하게 된다. NFM(1)에서 압축기 토출압력의 독립변수 X 6 는 음의 부호를 가지므로 (a)와 같이 I e 가 크게 감소하는 결과를 나타내게 된다.11 to 13 are the results of diagnosis of the fault according to the reduction of the heat transfer area of the condenser. 11 (a) shows I d and I e . Depending on the degree of failure, I d increased and I e decreased significantly. It can be seen that the influence of the compressor discharge pressure P out among the independent variables of the NFM (1) is large. If the heat transfer area of the condenser is reduced, the evaporator inlet temperature rises and the superheat degree decreases. Accordingly, the opening degree of the expansion valve is reduced by the feedback controller, the amount of refrigerant is reduced, and the circulation of the refrigerant is not smooth. Also, the room temperature tends to rise because the refrigerating capacity of the refrigerant is reduced due to the generation of the flash gas of the refrigerant, and the compressor rotation speed tends to increase accordingly. The refrigerant expands in the non-condensed state and enters the evaporator. Since a small amount of refrigerant receives a large amount of compressed air, the compressor discharge pressure rises. In the NFM (1), the independent variable X 6 of the compressor discharge pressure has a negative sign, so that I e is greatly reduced as shown in (a).

도 11의 (b)는 응축전열면적 감소에 따른 잔차정보와 평균잔차정보를 나타낸다. 잔차정보는 (a)의 결과에 의해 생성되고, 응축전열면적 10~20% 감소에서의 경향은 정상상태와 크게 다르지 않다는 것을 알 수 있다. 하지만 응축전열면적 30% 감소부터는 잔차정보의 경향은 정상상태와는 다르게 상승하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 고장의 정도가 증가할수록 잔차정보의 크기도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 고장진단 주기로 평균잔차정보도 상승하는 결과를 나타내었다.11 (b) shows the residual information and the average residual information according to the reduction of the heat transfer area of condensation. The residual information is generated by the result of (a), and it can be seen that the tendency at 10 to 20% decrease in the heat transfer area of condensation is not significantly different from the steady state. However, it can be seen that the tendency of residual information rises differently from the steady state from 30% reduction of heat transfer area of condensation. As the degree of failure increases, the size of the residual information increases. As a result, average residual information is also increased in the fault diagnosis period.

도 12의 (a)는 응축전열면적 감소에 따른 압력의 변화를 나타낸다. 압축기 흡입 압력의 경우 큰 변화를 보이진 않았지만 압축기 토출 압력은 응축기 전열 면적 감소를 잘 반영하는 것을 확인할 수 있다.12 (a) shows the change in pressure due to the decrease in the heat transfer area of condensation. Although the compressor suction pressure did not show a large change, it can be confirmed that the compressor discharge pressure reflects the reduction of the heat transfer area of the condenser.

도 12의 (b)는 응축전열면적 감소에 따른 온도의 변화를 나타낸다. 피드백제어기의 제어변수인 실내온도와 과열도는 고장 후 일정하게 유지하려는 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 따라서 고장진단의 변수로서는 적절하지 않음을 알 수 있다. 실외온도 역시 일정하게 유지되므로 고장진단의 변수로서는 적당하지 않음을 알 수 있다. 하지만 응축온도의 경우 응축기 출구 온도로서 응축전열면적 감소를 잘 반영한다.FIG. 12 (b) shows the change in temperature due to the decrease in the heat transfer area of condensation. It can be seen that the control variables of the feedback controller, the room temperature and the superheat degree, tend to keep constant after the failure. Therefore, it is not appropriate as a parameter of fault diagnosis. The outdoor temperature is also kept constant, which is not suitable as a parameter for fault diagnosis. However, in case of condensation temperature, condenser outlet temperature reflects the decrease in condensation heat transfer area.

도 13은 응축전열면적 감소에 따른 고장규명 결과이다. NFM(1)을 적용한 고장진단시스템은 응축전열면적 10~20%의 감소는 고장을 검출하지 못했기 때문에 고장이 규명되지 않았다. 하지만 30%이상의 감소에는 정확하게 반응하였고, 그 결과 정확하게 고장이 규명됨을 확인할 수 있다..Fig. 13 shows the result of fault identification according to the reduction of heat transfer area of condensation. In the fault diagnosis system using NFM (1), the decrease of 10 ~ 20% of the heat transfer area of condensation did not detect the fault, so the fault was not identified. However, it was precisely responded to a decrease of more than 30%, and as a result, it can be confirmed that the fault is accurately identified.

NFM(1)에 의한 FDDS(1)으로 응축기 오염에 대한 실험 결과는 응축전열면적 30% 이상에서는 정확하게 진단하는 신뢰성을 확보하였고, 고장진단 주기는 300초로 응축기 오염에 대한 FDDS(1)의 속응성도 충분할 것으로 판단된다.The results of FDDS (1) by the NFM (1) showed that the condensation was more accurate in the case of condensation heat transfer area than 30%, and the fault diagnosis period was 300 seconds. The FDDS (1) It will be sufficient.

도 14는 응축전열면적 50%감소시킨 직후 전류에 의한 잔차정보와 압력, 온도와의 비교 그래프이다. 14 is a graph showing a comparison of residual information, pressure, and temperature due to the current immediately after the heat transfer area of condensation is reduced by 50%.

도 14의 (a)는 고장 직후 잔차정보와 평균잔차정보 그리고 고장규명결과를 나타낸 것이다. 고장 직후 잔차정보는 급격히 상승한 것을 알 수 있다. 변화 크기는 5mA정도로 아주 적은 크기이지만, 필터로 인해 안정된 값이고 전류정보의 특성상 이 정도의 크기는 매우 신뢰할 만한 크기이다. 잔차정보의 상승 후 고장진단 주기 300초가 흐른 뒤 평균잔차정보가 상승하여 고장이 규명됨을 알 수 있다. 14 (a) shows the residual information immediately after the failure, the average residual information, and the fault identification result. It can be seen that the residual information immediately after the failure has risen sharply. The size of the change is very small, about 5mA, but it is stable due to the filter and the size of the current information is very reliable. It can be seen that after the rise of the residual information, the average residual information rises after 300 seconds of the fault diagnosis cycle, and the fault is identified.

도 14의 (b)는 고장 직후 압축기 출구 압력과 응축온도를 나타낸 것이다. 여러가지 압력과 온도 중 두 가지의 경우만 제시한 것은 나머지 압력과 온도는 고장을 진단할만한 특성을 찾기 힘들기 때문이다. 압축기 출구 압력과 응축온도 역시 고장을 진단할만한 정보를 가지고 있다. 이 정보의 조합에 의해 잔차정보가 만들어지고, 그에 따라 고장진단이 된다. 하지만 개개의 정보들은 피드백제어기의 보상효과에 의해 큰 진동의 폭을 보였다. 이는 무고장상태에서 부하의 급변화에 의해 충분히 나타날 수 있는 진동이다. 그러므로 고장 발생 후 진단을 하기 위해서는 진동이 안정화된 후의 시간인 최소 1000초가 필요할 것으로 판단된다. 하지만 전류정보의 결과는 고장 발생 후, 정상상태와 비교되는 크기를 가지고 진동을 하는 것을 알 수 있고, 전류정보를 이용하는 것이 고장진단에 있어서 보다 신뢰성을 가지기 쉬움을 알 수 있다.14 (b) shows the compressor outlet pressure and the condensation temperature immediately after the failure. Only two of the various pressures and temperatures are presented because the remaining pressure and temperature are difficult to characterize. Compressor outlet pressure and condensation temperature also have information to diagnose faults. The combination of the information makes the residual information, thereby diagnosing the fault. However, the individual information showed a large vibration amplitude due to the compensation effect of the feedback controller. This is a vibration that can be sufficiently exhibited by sudden changes in the load under no fault conditions. Therefore, it is considered that a minimum of 1000 seconds after vibration stabilization is required for diagnosis after fault occurrence. However, it can be seen that the result of the current information is oscillated with a magnitude comparable to the steady state after the occurrence of the fault, and it is easy to use the current information to have more reliability in the fault diagnosis.

한편, VSRS에서는 피드백제어기를 사용한다. 피드백제어기는 실내 온도와 과열도를 일정하게 유지하도록 설계된다. 응축기 전열면적이 감소되면 온도와 압력이 변하게 된다. 이때, 실내 온도와 과열도 역시 변하게 된다. 피드백제어기는 이들 두 값을 일정하게 유지하기 위하여 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도를 변화시킨다. 이는 실내 온도와 과열도만을 일정하게 유지시키는 것이 아니라 다른 온도와 압력 정보에도 보상효과를 일으킨다. 피드백제어기에 의한 온도와 압력정보의 보상효과를 확인하고, 그때 NFM(2)에 의한 잔차정보와 온도, 압력정보를 비교하여 고장진단에서의 잔차정보의 이점을 밝히기 위해 응축기 전열면적 30%를 7500초 시점에 감소시켰다.On the other hand, VSRS uses a feedback controller. The feedback controller is designed to keep the room temperature and superheat constant. As the heat transfer area of the condenser decreases, the temperature and pressure change. At this time, the room temperature and the superheat also change. The feedback controller changes the inverter frequency and the electronic expansion valve opening to keep these two values constant. This not only keeps the room temperature and superheat constant but also compensates for other temperature and pressure information. To verify the compensation effect of the temperature and pressure information by the feedback controller and to compare the residual information by NFM (2) with the temperature and pressure information, the advantage of the residual information in the fault diagnosis was ascertained. The heat transfer area of the condenser was 30% Lt; / RTI &gt;

도 15는 응축기 오염을 모사한 전열면적 30% 감소에 따른 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도를 나타낸다. 고장 모사 후 증발기 입구 온도가 급격히 상승하고, 과열도가 급격히 떨어졌다. 그 결과 피드백제어기에 의해 전자팽창밸브의 개도는 줄어들게 되었다. 인버터 주파수 역시 변화하는 실내 온도를 설정 온도로 유지하기 위해 변화하는 것을 확인할 수 있다.15 shows the inverter frequency and the opening degree of the electronic expansion valve according to the reduction of the heat transfer area of 30% in which condenser contamination is simulated. After the failure simulation, the evaporator inlet temperature rose sharply, and the superheat degree dropped sharply. As a result, the opening degree of the electronic expansion valve is reduced by the feedback controller. The inverter frequency also changes to keep the changing room temperature at the set temperature.

도 16은 응축기 오염에 따른 응축 온도를 나타낸다. 응축 온도만을 제시한 이유는 실내 온도와 과열도는 피드백제어기의 제어대상으로서 일정하게 유지되어 고장 진단을 위한 정보로는 의미가 없기 때문이다. 고장 모사후 응축기는 외부와 열교환을 충분히 하지 못해 응축 온도가 상승하였다. 그론 인한 VSRS의 실내온도와 과열도는 변하게 되고, 이에 피드백제어기는 온도와 압력에 대해 보상효과를 일으켜 응축온도가 큰 폭으로 진동하였다. 그리고 고장 모사 후 500초가 지난 8000초부터는 고장 전의 응축온도와 비교하여 큰 차이가 없었다. 또한 온도 정보의 경우 주변 환경에 따라 민감하게 변하므로 16의 결과로써 VSRS의 고장 진단을 위한 온도정보는 신뢰성을 확보하기 힘들다는 것을 알 수 있다.Figure 16 shows the condensation temperature due to condenser contamination. The reason why only the condensation temperature is suggested is because the room temperature and the superheat degree are kept constant as a control target of the feedback controller, so that the information for the fault diagnosis is meaningless. After the failure simulation, the condenser did not sufficiently perform heat exchange with the outside, and the condensation temperature rose. The room temperature and superheat of the VSRS changed, and the feedback controller compensated for the temperature and pressure, and the condensation temperature oscillated to a large extent. From 8000 seconds after 500 seconds after the failure simulation, there was no significant difference compared to the condensation temperature before the failure. Also, since the temperature information is sensitive to the surrounding environment, the temperature information for the fault diagnosis of the VSRS can not be reliably obtained as a result of 16.

도 17은 응축기 오염에 따른 압축기 토출압력을 나타낸 것이다. 압축기 흡입압력의 경우 고장 전과 후의 변화가 미미하였다. 하지만 압축기 토출압력은 응축기 오염에 대하여 민감하게 반응하였다. 고장 모사 후 압축기 토출압력은 상승하였으나 응축 온도와 마찬가지로 8000초 이후에는 일정수준으로 유지되는 것을 볼 수 있었다. 압력정보는 응축온도에 비하여 응축기 오염에 대해 고장 전후의 차이가 다소 있지만 신뢰성을 확보할만한 차이는 아니다.17 shows the compressor discharge pressure due to condenser contamination. In the case of the suction pressure of the compressor, the change before and after the failure was insignificant. However, compressor discharge pressure was sensitive to condenser contamination. After the failure simulation, the discharge pressure of the compressor increased, but it remained at a constant level after 8000 seconds, just like the condensation temperature. The pressure information is slightly different before and after the failure for the condenser pollution compared to the condensation temperature, but it is not a reliable difference.

도 18은 응축기 오염에 따른 잔차정보를 나타낸 것이다. 잔차정보는 압축기의 부하의 크기에 따라 변화하게 된다. 압축기의 부하는 곧 냉매의 상태와 직결되므로 잔차정보는 고장 모사 후 상승하고, 온도와 압력과 마찬가지로 보상효과에 의해 일정한 값으로 수렴한다. 하지만 잔차정보는 온도와 압력정보와는 다르게 고장 모사 직후부터 고장 모사 전과 비교할 수 있을 정도의 차이를 보였다. 대략 고장 전후의 평균값은 0.2~0.3[A] 차이가 났다. 이 값은 NFM(2)의 f, VOI d 에 의한 것이므로 오직 전류정보에 기인한 것이다. 따라서 전류정보의 특성을 고려해 볼 때 고장 전후의 차이는 충분히 신뢰성을 가질 수 있다. 18 shows residual information due to condenser contamination. The residual information changes according to the load of the compressor. Since the load of the compressor is directly connected to the state of the refrigerant, the residual information rises after the failure simulation and converges to a constant value by the compensation effect like the temperature and the pressure. However, unlike temperature and pressure information, the residual information showed a difference from immediately after failure simulation to a comparable level before failure simulation. The average value before and after the failure was about 0.2 ~ 0.3 [A]. This value is due to f , VO and I d of NFM (2), and it is only due to the current information. Therefore, considering the characteristics of the current information, the difference before and after the failure can be sufficiently reliable.

< NFM(2) 실험결과 ><NFM (2) Experimental Results>

도 19 및 도 20은 전류정보만을 이용한 VSRS의 응축기 오염에 대한 고장 진단 결과이다. 1000~2050초, 4400~4900초에 응축기 전열면적 30%, 50%를 각각 감소시킨다.19 and 20 are diagnostic results of the VSRS contamination of the condenser using only current information. The heat transfer area of the condenser is reduced by 30% and 50% in the range of 1000 to 2050 seconds and 4400 to 4900 seconds, respectively.

도 19의 (a)는 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도의 변화를 나타낸다. 고장의 정도가 클수록 전자팽창밸브 개도가 급격히 감소하고 감소량이 커짐을 알 수 있다.19 (a) shows changes in inverter frequency and opening degree of the electronic expansion valve. It can be seen that as the degree of failure increases, the opening degree of the electronic expansion valve decreases sharply and the reduction amount increases.

도 19의 (b)는 응축기 오염에 따른 잔차정보와 평균잔차정보를 나타낸다. 고장의 정도가 커짐에 따라 잔차정보의 크기가 커짐을 알 수 있고, 그에 따라 고장 진단에 이용될 전류 평균잔차정보 역시 커짐을 알 수 있다. 평균잔차정보는 충분한 신뢰성을 가짐을 알 수 있고, 이 정보는 고장진단에 이용된다.FIG. 19 (b) shows residual information and average residual information due to condenser contamination. It can be seen that as the degree of failure increases, the size of the residual information becomes larger, and the current average residual information to be used for the diagnosis of the fault also becomes larger. It can be seen that the average residual information has sufficient reliability, and this information is used for fault diagnosis.

도 20의 (a)와 (b)는 고장식별과 고장규명 결과를 각각 나타낸다. 고장 식별 결과 고장 모사 후 정확하게 고장을 식별해낸다. 그리고 고장 규명 결과 역시 고장 모사 후 정확하게 고장의 정도를 판별해낸다. 하지만 1740초에 한 번 오진을 한 것을 볼 수 있으나, 이는 고장 진단의 안정화를 위한 필터설계로 쉽게 해결될 수 있을 것으로 판단된다.20 (a) and 20 (b) show fault identification and fault identification results, respectively. Fault identification result Identify faults correctly after fault simulation. Also, the fault identification result accurately identifies the degree of fault after the fault simulation. However, it can be seen that the fault is diagnosed once every 1740 seconds, but it can be solved easily by the filter design to stabilize the fault diagnosis.

도 19 및 20의 결과로서 VSRS의 응축기 오염에 대하여 FDDS(2)는 충분한 신뢰성과 속응성을 가지는 것을 알 수 있다.As a result of Figs. 19 and 20, it can be seen that the FDDS (2) has sufficient reliability and fast response to VSRS condenser contamination.

도 21 및 도 22는 FDDS(2)를 이용한 VSRS의 증발기 팬 고장에 대한 고장 진단 결과이다. 1150초에 증발기 팬 고장을 모사했다.Figs. 21 and 22 are diagnostic results of fault diagnosis of the evaporator fan failure of the VSRS using the FDDS (2). I simulated an evaporator fan failure in 1150 seconds.

도 21의 (a)는 인버터 주파수와 전자팽창밸브 개도의 변화를 나타낸다. 증발기 팬 고장 이후 증발기 출구 온도 감소에 의한 과열도 감소로 전자팽창밸브 개도가 줄어들고 실내 온도의 상승에 따라 인버터 주파수가 상승함을 알 수 있다.21 (a) shows changes in inverter frequency and opening degree of the electronic expansion valve. It can be seen that the opening of the electronic expansion valve is reduced due to the decrease of the superheat due to the decrease of the evaporator outlet temperature after the evaporator fan failure, and the inverter frequency is increased with the increase of the room temperature.

도 21의 (b)는 잔차정보와 평균잔차정보를 나타낸다. 증발기 팬 고장의 경우 전류 잔차는 급격한 하락을 보인다. 이는 냉매가 증발기에서 열교환이 되지 않아 압축기의 부하를 줄여줬기 때문이다. 증발기 팬 고장과 같은 경우 압축기의 액압축의 문제가 발생할 수 있으므로 빠른 조치가 필요하다. 잔차정보는 60초마다 고장을 진단하므로 온도와 압력 정보보다 빠른 정보를 제공해 시스템 손상을 최소화할 수 있다.FIG. 21 (b) shows the residual information and the average residual information. In the case of an evaporator fan failure, the current residuals show a sharp drop. This is because the refrigerant does not heat-exchange in the evaporator, which reduces the load on the compressor. In the event of an evaporator fan failure, problems may arise in compressor compression, so quick action is required. Residual information diagnoses failures every 60 seconds, providing faster information than temperature and pressure information, minimizing system damage.

도 22는 고장식별과 고장규명 결과를 나타낸다. 증발기 팬 고장의 경우 냉동시스템에 큰 무리를 주어 계속적으로 실험을 진행할 수 없다. 그러나 짧은 시간에도 전류 정보는 고장의 위치와 발생 여부를 정확하게 파악할 수 있음을 알 수 있다.22 shows fault identification and fault identification results. If the evaporator fan fails, the refrigeration system will be overloaded and the experiment can not be continued. However, it can be seen that the current information can accurately detect the location and occurrence of the fault even in a short time.

도 21 및 도 22 결과로서 VSRS의 증발기 팬 고장에 대해서도 전류정보를 이용하여 고장 진단이 가능함을 알 수 있다.As a result of FIGS. 21 and 22, it can be seen that the fault diagnosis can be performed using the current information for the evaporator fan failure of the VSRS.

앞서 검토한 바와 같이, 열교환기 고장에 대하여 응축기 전열면적 감소와 증발기 팬고장에 대하여 전류정보를 이용한 고장진단 결과를 보인다. 이와 같이, 압축기의 전류정보가 변하는 원리는 어릴 때 가지고 놀던 DC모터가 달린 장난감 자동차를 생각해보면 이해할 수 있다. 예를 들어, 자동차 바퀴를 잡은 채 전원을 On시키면 모터가 타게 되는데, 이것은 모터의 부하가 엄청나게 걸려 모터가 돌지 않는 상황이다. 이때 모터의 역기전력은 0와 가까워지고, 전류는 에 가까워지게 되어 모터가 타게 된다. 반대로 모터의 부하가 없다면 역기전력이 상승하여 전류는 낮아지게 된다. 그리고, 이 원리가 냉동시스템의 압축기에도 적용된다. 즉, 압축기의 일량에 의해 전류 실효값의 증가 혹은 감소가 결정된다.As discussed above, the fault diagnosis results using the current information are shown for the evaporator fan failure and the heat transfer area reduction of the condenser with respect to the failure of the heat exchanger. Thus, the principle of changing the current information of a compressor can be understood by considering a toy car with a DC motor that plays with it as a child. For example, if you turn on the power while holding the wheels of the car, the motor will be driven. This is a situation where the load of the motor is so great that the motor does not turn. At this time, the counter-electromotive force of the motor becomes close to 0, and the current becomes close to that, and the motor is driven. Conversely, if there is no load on the motor, the counter-electromotive force increases and the current decreases. This principle also applies to the compressor of the refrigeration system. That is, the increase or decrease of the current effective value is determined by the amount of the compressor.

도 23은 기본 냉동사이클의 이상적인 모리엘선도를 나타낸다. 여기서 압축기의 일량은

Figure pat00007
이며 COP는 압축기 일량을 냉동능력으로 나누어준
Figure pat00008
이다.Fig. 23 shows an ideal morel curve of the basic refrigeration cycle. Here,
Figure pat00007
And the COP divides the compressor capacity by the refrigeration capacity
Figure pat00008
to be.

도 24는 응축기 전열면적 감소에 따른 p-h선도의 변화이다. 응축기 전열면적이 감소하게 되면 응축 불량이 되어 점 2는 점 2로 이동하게 된다. 이 때 증발기 입구온도가 상승하게 되어 과열도가 줄어들게 되고, 피드백제어기에 의해 전자팽창밸브 개도는 줄어들게 된다. 따라서 냉동시스템에 흐르는 냉매량이 줄어들게 되어 냉동능력이 줄어들게 된다. 냉동능력이 줄어들게 되면 실내온도가 상승하게 되므로 피드백제어기에 의해서 압축기 회전수는 증가하게 된다. 결론적으로 p-h선도는 1234와 같이 그려지게 된다. 압축기 일량이

Figure pat00009
가 되게 되어 증가하게 된다. 그 결과 압축기 모터의 역기전력이 줄어들게 되고, 전류는 증가하게 된다. 그리고 COP는 압축기 일량은 늘어나고, 냉동능력은 줄어들게 되어 줄어들게 된다.24 is a change in the ph diagram according to the decrease in heat transfer area of the condenser. When the heat transfer area of the condenser decreases, the condensation failure occurs and the point 2 moves to the point 2. At this time, the evaporator inlet temperature rises and the superheat degree is reduced, and the electronic expansion valve opening degree is reduced by the feedback controller. Therefore, the amount of refrigerant flowing through the refrigeration system is reduced, thereby reducing the refrigeration capacity. When the freezing capacity is reduced, the room temperature rises, so that the number of revolutions of the compressor is increased by the feedback controller. As a result, the ph diagram is drawn as 1234. Compressor workload
Figure pat00009
. As a result, the counter electromotive force of the compressor motor is reduced, and the current is increased. And the COP decreases as the compressor workload increases and the refrigeration capacity decreases.

도 25는 증발기 팬 고장에 따른 p-h선도의 변화이다. 증발기 팬이 고장나서 정지하게 되면 실내의 부하를 냉매가 흡수하지 못하게 된다. 따라서 증발기 출구의 점 4는 점 4로 이동하게 된다. 이 때 증발기 출구 온도가 감소하게 되어 과열도는 감소하게 된다. 따라서 피드백제어기에 의해 전자팽창밸브의 개도는 줄어들게 되고, 냉매량은 줄어들게 된다. 그리고 증발기에서 열교환이 되지 않으므로 실내온도는 상승하게 된다. 그 결과 피드백제어기에 의해 압축기 회전수는 상승하게 된다. 이에 따라 증발기 팬 고장이 발생하면 냉동사이클은 1234와 같이 그려지게 된다. 압축기 일량은 등엔트로피 과정이기 때문에 냉매의 액과 기체 혼합 영역에서는 압축기의 일량은 현저히 줄어들게 된다. 따라서 압축기 일량이 줄어들었기 때문에 압축기 모터의 역기전력은 증가하게 되고, 전류는 줄어들게 된다.25 is a change of the p-h line according to the failure of the evaporator fan. If the evaporator fan fails and stops, the refrigerant will not absorb the load in the room. Therefore, point 4 of the evaporator outlet moves to point 4. At this time, the evaporator outlet temperature decreases and the degree of superheat decreases. Therefore, the opening degree of the electronic expansion valve is reduced by the feedback controller, and the amount of refrigerant is reduced. And since the evaporator does not exchange heat, the room temperature rises. As a result, the compressor rotational speed is increased by the feedback controller. Thus, if an evaporator fan failure occurs, the refrigeration cycle is drawn as 1234. Since the amount of compressor work is isentropic, the amount of compressor work is significantly reduced in the region of liquid and gas mixture of refrigerant. Therefore, since the compressor load is reduced, the counter electromotive force of the compressor motor is increased, and the current is reduced.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 가변속냉동시스템(VSRS)의 열교환기 고장에 대해 전류정보를 이용한 실시간 고장검출과 고장진단 알고리즘을 구성하고, 고장진단시스템(FDDS)을 구축하였으며, 실험을 통해 제안된 FDDS의 효용성을 검증하였다.As described above, in the present invention, a real-time fault detection and fault diagnosis algorithm using a current information for a heat exchanger failure of a variable speed refrigeration system (VSRS) is constructed, a fault diagnosis system (FDDS) is constructed, The validity of FDDS was verified.

고장검출을 위해 NFM(1)과 NFM(2)의 두 모델을 제안하고 이 두 모델에 대한 각각의 FDDS를 구성하여 열교환기 고장에 대한 실험을 한 결과, FDDS(1)은 응축기 전열면적 감소 30%이상, FDDS(2)는 응축기 전열면적 감소 30%이상과 증발기 팬 고장에 대하여 정확하고 빠른 FDD 결과를 확인하였다.In this paper, we propose two models of NFM (1) and NFM (2) for fault detection. The FDDS (1) %, And FDDS (2) showed accurate and quick FDD results for over 30% reduction of the heat transfer area of condenser and evaporator fan failure.

FDDS는 고장에 대한 신뢰성과 속응성 확보가 대단히 중요하다. FDDS의 성능인 신뢰성과 속응성은 FDDS를 위한 모델의 변수 선택에 따라 결정되므로 이 두 성능은 모델과 상호 긴밀한 연관성을 가진다. NFM(1)은 인버터 주파수, 온도, 압력정보를 사용하였고, NFM(2)는 온도와 압력정보를 배제하고 인버터 주파수와 전자팽창밸브개도 정보를 사용하였다. 각 NFM에 의한 FDDS의 실험 결과, FDDS(1)과 FDDS(2)의 신뢰성은 열교환기 고장 모사 결과로 확보됨을 확인하였으나, 신뢰성 확보를 위해 필요한 고장진단 주기를 검토한 결과 FDDS(2)의 경우가 FDDS(1)에 비해 주기를 5배 짧게 설정할 수 있는 것으로 나타나 결과적으로 속응성이 더 뛰어남을 알 수 있었다. 이는 NFM(2)에서 큰 시정수와 피드백제어기의 보상 효과를 지닌 온도 및 압력정보를 모델에서 배제시켰고, 고장 정보 추출을 위한 측정 센서의 수도 8개에서 1개로 줄여 각 정보의 잡음 축소를 위한 노이즈 필터링 처리 시간이 최소화될 수 있었기 때문으로 해석된다. 이리하여 NFM(2)를 이용한 FDDS(2)는 VSRS의 열교환기 고장 상태를 압축기의 부하에 따른 전류정보만을 이용함으로써 더욱 정확하고 빠른 FDDS가 가능하다. FDDS is very important for reliability and fast response to faults. The performance and reliability of FDDS are determined by the choice of model parameters for FDDS, so these two performances are closely related to each other. NFM (1) used inverter frequency, temperature and pressure information, and NFM (2) used inverter frequency and electronic expansion valve opening information excluding temperature and pressure information. As a result of FDDS test by each NFM, it is confirmed that the reliability of FDDS (1) and FDDS (2) is secured as a result of simulation of heat exchanger failure. However, FDDS (2) Was 5 times shorter than that of FDDS (1). As a result, it was found that the fastness was better. In the NFM (2), temperature and pressure information with compensation effect of large time constant and feedback controller are excluded from the model, and the number of measurement sensors for extracting fault information is reduced from 8 to 1, It is interpreted that the filtering processing time can be minimized. Thus, the FDDS (2) using the NFM (2) can more accurately and quickly perform the FDDS by using only the current information according to the load of the compressor in the heat exchanger failure state of the VSRS.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the embodiment in which said invention is directed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the appended claims.

100...고장진단시스템
10...고장진단모듈 11...고장검출부
12...고장진단부 20...평가모듈
100 ... Fault diagnosis system
10 ... fault diagnosis module 11 ... fault detection section
12 ... fault diagnosis unit 20 ... evaluation module

Claims (2)

가변속 냉동시스템(Variable Speed Refrigeration System)의 고장여부를 진단하기 위한 방법으로,
상기 가변속 냉동시스템에 실시간으로 인가되는 실시간 전류와, 상기 가변속 냉동시스템이 정상적으로 동작할 때에 상기 가변속 냉동시스템에 인가되는 추정 전류의 차이로 정의되는 잔차 정보를 분석하여 상기 가변속 냉동시스템의 고장여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 가변속 냉동시스템의 고장진단방법.
A method for diagnosing the failure of a variable speed refrigeration system,
The present invention analyzes the residual information defined as the difference between the real time current applied to the variable speed refrigeration system in real time and the estimated current applied to the variable speed refrigeration system when the variable speed refrigeration system operates normally to diagnose whether the variable speed refrigeration system is malfunctioning And the failure diagnosis method of the variable speed refrigeration system.
제1항에 있어서,
상기 잔차 정보가 양(+)의 값을 가지면 상기 가변속 냉동시스템의 응축기에 결함이 발생한 것으로 진단하고,
상기 잔차 정보가 음(-)의 값을 가지면 상기 가변속 냉동시스템의 증발기에 결함이 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 가변속 냉동시스템의 고장진단방법.
The method according to claim 1,
If the residual information has a positive value, diagnoses that a defect has occurred in the condenser of the variable speed refrigeration system,
And diagnosing that a fault has occurred in the evaporator of the variable speed refrigeration system if the residual information has a negative value.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPWO2017212606A1 (en) * 2016-06-09 2019-01-17 三菱電機株式会社 Refrigeration cycle equipment
EP3563097A4 (en) * 2016-12-29 2019-12-11 Ecoer Inc. A variable speed compressor based ac system and control method
WO2024005324A1 (en) * 2022-06-27 2024-01-04 주식회사 한화 Method and device for predicting state of chamber by using artificial neural network

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