KR20180088359A

KR20180088359A - 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20180088359A
Application number: KR1020180087492A
Authority: KR
Inventors: 김양석; 김대웅; 김범년; 박영섭; 박치용; 김종석; 김형균; 이병오; 김지인; 최남우; 박용훈; 장희승; 신유수
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2018-08-03
Also published as: KR102196303B1

Abstract

위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법이 제공된다. 방법은, 위치 전송기, 구동기 및 밸브의 특성에 대한 파라미터들을 포함하고 제어 압력에 따른 밸브의 스템 변위를 출력하는 관계식을 구성하는 단계와, 공기구동 제어 밸브의 정상 작동에 따른 측정값과 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 파라미터들의 값을 조정함으로써 초기 파라미터 값을 결정하는 단계, 공기구동 제어 밸브의 진단 작동에 따른 측정값과 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 파라미터들의 값을 조정함으로써 진단 파라미터 값을 결정하는 단계 및 초기 파라미터 값과 진단 파라미터 값을 비교하여 공기 구동 제어 밸브의 이상 유무를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 공기구동 제어 밸브 작동시 이들 파라미터들의 변화를 실시간으로 평가하여 정상 상태에서의 파라미터 값과 비교하여 공기구동 제어밸브의 상태를 진단할 수 있다.

Description

위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법 및 장치{AN APPARATUS FOR DIAGNOSING A PNEUMATIC CONTROL VALVE USING POSITIONER MODEL AND METHOD THEREOF}

본 발명은 공기구동 제어 밸브에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 공기구동 제어 밸브를 진단하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

공기구동 제어 밸브는 발전 설비 등에서 사용될 수 있다. 이러한 공기구동 제어 밸브는 유량 조절이나 수위 조절 등 발전소 운전에 매우 중요한 역할을 하는 기기로써 발전소 정상 운전시 고장 없이 운전되어야 한다. 따라서, 공기구동 제어 밸브는 밸브 상태를 최적으로 유지하기 위하여 정기적으로 정비가 요구되며 중요한 부품에 대해서는 일정 주기로 교체해야 한다. 또한, 운전 중의 이상 상태가 발생하면 발전소를 정지하여 밸브 진단장비를 이용하여 상태를 점검해야 한다. 따라서, 공기구동 제어 밸브가 적절한 상태를 유지할 수 있도록 정확하게 진단하고 이상 상태를 미리 예방할 수 있는 것이 중요하다.

미국 등록특허공보 US 6,466,893 (Statistical determination of estimates of process control loop parameters)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 공기구동 제어밸브를 구성하고 있는 위치 전송기, 구동기 및 밸브에 대한 관계식을 구성하고, 그 관계식으로부터 공기구동 제어밸브의 상태를 나타내는 파라미터들을 결정하고 공기구동 제어밸브 작동시 이들 파라미터들의 변화를 실시간으로 평가하여 정상 상태에서의 파라미터(기준값) 값과 비교하여 공기구동 제어밸브의 상태를 진단할 수 있는 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법을 제공하는 것이다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 공기구동 제어밸브를 구성하고 있는 위치 전송기, 구동기 및 밸브에 대한 관계식을 구성하고, 그 관계식으로부터 공기구동 제어밸브의 상태를 나타내는 파라미터들을 결정하고 공기구동 제어 밸브 작동시 이들 파라미터들의 변화를 실시간으로 평가하여 정상 상태에서의 파라미터(기준값) 값과 비교하여 공기구동 제어 밸브의 상태를 진단할 수 있는 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 장치를 제공하는 것이다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법은, 제어 압력을 출력하는 제어기, 상기 제어 압력을 입력 신호로 받아 구동기에 공급되는 압력을 조절하는 위치 전송기, 상기 공급된 압력을 기반으로 밸브를 구동하기 위한 구동기, 및 밸브를 포함하는 공기구동 제어 밸브를 진단하기 위한 방법으로서, 상기 위치 전송기, 구동기 및 밸브의 특성에 대한 파라미터들을 포함하고 상기 제어 압력에 따른 상기 밸브의 스템 변위를 출력하는 관계식을 구성하는 단계; 상기 공기구동 제어 밸브의 정상 작동에 따른 측정값과 상기 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 상기 파라미터들의 값을 조정함으로써 초기 파라미터 값을 결정하는 단계; 상기 공기구동 제어 밸브의 진단 작동에 따른 측정값과 상기 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 상기 파라미터들의 값을 조정함으로써 진단 파라미터 값을 결정하는 단계; 및 상기 초기 파라미터 값과 상기 진단 파라미터 값을 비교하여 상기 공기 구동 제어 밸브의 이상 유무를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 파라미터들은 모델 파라미터, 내부 파라미터 및 추정 내부 파라미터를 포함하고, 상기 모델 파라미터 값의 변화에 따라 상기 관계식의 출력 값이 변화하고, 상기 내부 파라미터는 상기 공기구동 제어 밸브의 사양에 따라 고정된 값이며, 상기 추정 내부 파라미터는 상기 공기구동 제어 밸브에 대해 최초 1회 추정되어 고정되는 값을 가질 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 초기 파라미터 값을 결정하는 단계는 미리 결정된 내부 파라미터 값을 기반으로 초기 모델 파라미터 및 초기 추정 내부 파라미터를 결정하고, 상기 진단 파라미터 값을 결정하는 단계는 미리 결정된 내부 파라미터 값 및 상기 초기 추정 내부 파라미터 값을 기반으로 진단 모델 파라미터를 결정하며, 상기 판단하는 단계는 상기 초기 모델 파라미터와 상기 진단 모델 파라미터를 비교함으로써 상기 공기 구동 제어 밸브의 이상 유무를 판단할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 모델 파라미터는 상기 위치 전송기에 포함된 스프링의 프리로드 및 상기 위치 전송기에 포함된 스템 변위 피드백 연결부의 스템 변위 전달율을 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 내부 파라미터는 상기 위치 전송기에 포함된 다이어프램의 단면적 및 상기 구동기에 포함된 피스톤의 단면적을 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 추정 내부 파라미터는 상기 위치 전송기에 포함된 파일롯 밸브의 압력 증폭율 및 상기 구동기에 포함된 피스톤 내부 공기의 체적 탄성 계수를 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 관계식은 하기의 전달함수를 가질 수 있다.

단, 여기서 x_s 는 밸브의 스템 변위, P_c 는 제어 압력, A_c 는 위치 전송기 다이어프램의 단면적, F_popre 는 위치 전송기 내부 스프링의 프리로드, V_p 는 위치 전송기의 파일롯 밸브의 압력 증폭률, P_s 는 위치 전송기 파일롯 밸브의 공급 압력, A_act 는 구동기의 피스톤의 단면적, k_air 는 피스톤 내부 공기의 체적 탄성 계수, G_fb 는 스템 변위 전달율, F_stem 은 구동기 또는 밸브에서 발생하는 부하를 나타낸다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 장치는, 제어 압력을 출력하는 제어기, 상기 제어 압력을 입력 신호로 받아 구동기에 공급되는 압력을 조절하는 위치 전송기, 상기 공급된 압력을 기반으로 밸브를 구동하기 위한 구동기, 및 밸브를 포함하는 공기구동 제어 밸브를 진단하기 위한 장치로서, 상기 위치 전송기, 구동기 및 밸브의 특성에 대한 파라미터들을 포함하고 상기 제어 압력에 따른 상기 밸브의 스템 변위를 출력하는 관계식을 구성하는 모델 생성부; 상기 공기구동 제어 밸브의 정상 작동에 따른 측정값과 상기 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 상기 파라미터들의 값을 조정함으로써 초기 파라미터 값을 결정하는 초기 값 결정부; 상기 공기구동 제어 밸브의 진단 작동에 따른 측정값과 상기 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 상기 파라미터들의 값을 조정함으로써 진단 파라미터 값을 결정하는 진단 값 결정부; 및 상기 초기 파라미터 값과 상기 진단 파라미터 값을 비교하여 상기 공기 구동 제어 밸브의 이상 유무를 판단하는 진단부를 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 초기 값 결정부는 미리 결정된 내부 파라미터 값을 기반으로 초기 모델 파라미터 및 초기 추정 내부 파라미터를 결정하고, 상기 진단 값 결정부는 미리 결정된 내부 파라미터 값 및 상기 초기 추정 내부 파라미터 값을 기반으로 진단 모델 파라미터를 결정하며, 상기 진단부는 상기 초기 모델 파라미터와 상기 진단 모델 파라미터를 비교함으로써 상기 공기 구동 제어 밸브의 이상 유무를 판단할 수 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는, 제어 압력을 출력하는 제어기, 상기 제어 압력을 입력 신호로 받아 구동기에 공급되는 압력을 조절하는 위치 전송기, 상기 공급된 압력을 기반으로 밸브를 구동하기 위한 구동기, 및 밸브를 포함하는 공기구동 제어 밸브를 진단하기 위한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서, 상기 컴퓨터에 포함된 프로세서로 하여금, 상기 위치 전송기, 구동기 및 밸브의 특성에 대한 파라미터들을 포함하고 상기 제어 압력에 따른 상기 밸브의 스템 변위를 출력하는 관계식을 구성하게 하기 위한 명령어; 상기 공기구동 제어 밸브의 정상 작동에 따른 측정값과 상기 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 상기 파라미터들의 값을 조정함으로써 초기 파라미터 값을 결정하게 하기 위한 명령어; 상기 공기구동 제어 밸브의 진단 작동에 따른 측정값과 상기 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 상기 파라미터들의 값을 조정함으로써 진단 파라미터 값을 결정하게 하기 위한 명령어; 및 상기 초기 파라미터 값과 상기 진단 파라미터 값을 비교하여 상기 공기 구동 제어 밸브의 이상 유무를 판단하게 하기 위한 명령어를 포함할 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법 및 장치에 따르면, 위치 전송기, 구동기 및 밸브에 대한 관계식을 구성하고, 그 관계식으로부터 공기구동 제어밸브의 상태를 나타내는 파라미터들을 결정하고 공기구동 제어밸브 작동시 이들 파라미터들의 변화를 실시간으로 평가하여 정상 상태에서의 파라미터(기준값) 값과 비교하여 공기구동 제어밸브의 상태를 진단할 수 있다.

따라서, 공기구동 제어 밸브의 이상 현상이 발생하기 전에도 미리 공기구동 제어 밸브 내의 위치 전송기, 구동기 및 밸브 중 어느 하나의 상태 변이를 미리 확인할 수 있고, 공기구동 제어 밸브의 이상으로 발전소 설비의 운영이 중단되는 것을 방지할 수 있어 운영 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1 은 공기구동 제어 밸브의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2 는 도 1 의 공기구동 제어 밸브 시스템의 입출력 구성을 나타내는 상세 블록도이다.
도 3 은 도 2 의 파일롯 밸브의 단면을 나타낸다.
도 4 는 공기구동 제어 밸브 시스템의 동작 프로세스를 나타내는 흐름도이다.
도 5 는 공기구동 제어 밸브의 구성 기기별 자유 물체도이다.
도 6 은 수학식 1 내지 수학식 3 에 대한 블록 다이어그램이다.
도 7 은 블록 다이어그램의 간략화를 나타낸다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 밸브 시스템 모델 및 모델 파라미터를 나타낸다.
도 9 는 구동힘 공급부 신호를 입력으로 하는 블록 다이어그램이다.
도 10 은 스템 힘 신호를 입력으로 하는 블록 다이어그램이다.
도 11 은 최적화 함수를 통한 모델 파라미터 추정 프로세스를 나타낸다.
도 12 는 개발 모델 운영 프로세스를 나타낸다.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법의 흐름도이다.
도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 15 는 실험 결과와 모델 예측의 결과 비교를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 발명은 공기구동 제어 밸브를 구성하고 있는 위치 전송기와 구동기 및 밸브에 대한 관계식을 구성하고 이를 이용한 진단방법에 관한 것으로, 관계식으로부터 공기구동 제어 밸브의 상태를 나타내는 파라미터들을 결정하고 공기구동 제어 밸브 작동시 이들 파라미터들의 변화를 실시간으로 평가하여 정상 상태에서의 파라미터 (기준값) 값과 비교하여 공기구동 제어 밸브의 상태를 진단할 수 있다.

도 1 은 공기구동 제어 밸브의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 2 는 도 1 의 공기구동 제어 밸브 시스템의 입출력 구성을 나타내는 상세 블록도이다. 도 1 내지 도 2 에 도시된 바와 같이, 공기구동 제어 밸브 (1) 는 통상 입력 시스템(제어루프) (20) 과 출력 시스템(밸브-공기구동기) (10) 로 구성되어 있으며 도 1 과 같이 단순화시킬 수 있다. 입력 시스템 (20) 의 주요 구성기기는 I/P 변환기(이하 '제어기'라고 지칭될 수 있음) (21) 와 위치 전송기 (23) 이며 위치 전송기 (23) 는 제어기 (21) 에서 출력된 압력을 입력신호로 받아 구동기 (11) 에 공급하는 압력을 출력하고, 밸브 (13) 의 변위를 피드백 받아 밸브 변위가 원하는 위치로 이동할 수 있도록 제어한다. 출력 시스템 (10) 은 구동기 (11) 와 밸브 (13) 가 결합된 형태로 구성되어 있는데, 도 2 의 예는 내부에 스프링이 없는 피스톤 타입 구동기 (11) 를 사용한 것으로 제어 압력이 인가됨에 따라 출력 시스템 (10) 의 구동기 (11) 와 밸브 (13) 가 작동한다.

입·출력 시스템의 작동원리를 파악하기 위해서는 제어 압력에 따라 동작하는 위치 전송기 (23) 에 대한 이해가 필요하다. 일반적으로 밸브 (13) 를 제어하기 위해서는 제어기 (21) 에서 출력한 제어 압력에 따라 밸브 스템 (15) 이 동작해야 한다. 하지만 구동기 (11) 의 형태, 유체의 압력, 스템과 패킹 마찰에 의해 발생하는 힘의 불균형 등에 의해 제어 신호가 의도한 대로 밸브 스템 (15) 이 움직이지 않는 경우가 있다. 이러한 경우 위치 전송기 (23) 가 필요하며, 특히 구동기 (11) 내부에 스프링이 없는 피스톤 타입 구동기이거나, 작은 제어 신호 변화에 대하여 정확한 동작이 요구되는 경우에는 위치 전송기 (23) 를 사용해야 한다.

위치 전송기 (23) 의 내부 구조를 도식화한 도 2의 우측을 참조하여 위치 전송기 (23) 의 주요 구성 부품에 대해 설명하면, 다이어프램부 (24) 는 위치 전송기 (23) 의 구동기 역할을 하는 부분으로 제어기 (21) 에서 출력된 압력 (통상 3 ∼ 15 psi) 이 입력되는 부분이며, 다이어프램부 (24) 와 밸런스 빔 (25) , 내부 스프링 (27) , 파일롯 밸브 (26) 의 스템은 서로 연결되어 있어 제어 압력에 따라 함께 움직인다. 본 발명에서는 밸런스 빔 (25) 의 움직임이 파일롯 밸브 (26) 의 스템의 움직임과 동일한 것으로 가정한다. 또한 제어기 (21) 와 위치 전송기 (23) 외 실제 제어 밸브 시스템을 구성하고 있는 액세서리 중 솔레노이드 밸브, 방향전환밸브 등과 같이 시스템의 제어 신호와 관계없이 독립적인 동작 신호에 따라 동작하는 부속품은 본 발명의 관계식에 포함하지 않았다.

도 3 은 도 2 의 파일롯 밸브의 단면을 나타낸다. 즉, 도 3은 도 2에 표시한 파일롯 밸브 (26) 의 단면 형상을 도식화한 것이며, 파일롯 밸브 (26) 의 입·출력 포트를 같이 나타내었다. 도 3의 파일롯 밸브 (26) 는 공급 압력 포트 (D) 와 구동기 상부가 연결된 출력 압력 포트2 (B) 가 연결되어 있으며 구동기 하부와 연결된 출력 압력 포트1 (A) 은 스풀에 의해 차단된 상태이다. 파일롯 밸브 스템 위치는 앞에서 설명한 다이어프램부에서 발생한 구동힘의 크기에 따라 변경되고 각각의 출력 압력 포트 개도가 조절된다. 이에 따라 구동기 상·하부로 들어가는 압력이 조절된다. 구동기 상·하부로 공급되는 압력은 공급 압력 포트를 통해 입력된 것으로써 제작사마다 차이가 있으나 통상 공급압력의 범위는 25 ∼ 150 psi이다. 마지막으로 피드백 링크 구조 (28) 는 출력 시스템 (10) 의 밸브 스템 (15) 위치가 변하면 변경된 밸브 스템 위치 정보를 위치 전송기 (23) 로 피드백 해주는 다리 역할을 하는 부분으로써 출력 시스템 (10) 의 밸브 스템 (15) 과 연결되어 있다. 추가적으로 피드백 링크 구조 (28) 에 연결된 스팬 (Span) 조절 나사와 영점 (Zero) 조절 나사는 위치 전송기 (23) 의 초기 설치나 교정 시 사용한다.

도 4 는 공기구동 제어 밸브 시스템의 동작 프로세스를 나타내는 흐름도이다. 즉, 도 4는 도 2의 입력 시스템인 위치 전송기와 출력 시스템인 구동기 및 밸브의 작동원리를 도식화한 것이다. 프로세스가 시작되면 앞에서 설명한 것과 같이 위치 전송기에 제어 압력(P_c)과 공급 압력(P_s)이 입력되고 다이어프램부로 입력된 제어 압력이 구동힘(F_c)으로 변환된다. 변환된 구동힘이 위치 전송기 내부 스프링 프리로드(F_popre)보다 커지면 다이어프램부와 연결되어 있는 구성 부품들이 함께 동작하여 파일롯 밸브의 개도를 변화시킨다.

파일롯 밸브의 개도에 따라 압력 모관으로부터 공급된 압력이 구동기 상·하부 실린더에 나누어 공급되며, 출력 시스템의 구동기에 구동력이 발생한다. 발생한 구동력의 크기가 패킹 마찰력이나 실린더 및 오링에 의한 마찰력 등과 같이 구동기나 밸브에서 발생하는 부하보다 커지면 출력 시스템의 밸브 스템이 이동한다. 밸브의 스템이 이동하면 출력 시스템의 밸브 스템과 위치 전송기 사이에 연결된 피드백 링크를 통해 스템 위치가 피드백 되고, 피드백된 스템 위치를 제어 압력과 비교해 스템 위치의 재조정 여부를 결정하게 된다. 만약, 스템 위치의 조정이 필요하지 않은 경우에는 현재 스템 위치를 유지하게 된다.

도 5 는 공기구동 제어 밸브의 구성 기기별 자유 물체도이다. 도 5를 참조하여 공기구동 제어 밸브의 입·출력 시스템을 구성하고 있는 위치 전송기와 구동기 및 밸브에 대한 관계식을 설명한다. 도 5에서 실제 위치 전송기 내부 구조는 여러 가지 부속기기들이 복잡하게 구성되어 있으나 위치 전송기의 거동 특성에 영향을 주지 않는 범위에서 간략화하였다. 도 5의 좌측 그림 (a) 에서 x₁과 x₂는 각각 위치 전송기 밸런스 빔과 스템 변위 피드백 링크 구조의 움직임을 의미하며 밸런스 빔의 동작은 위치 전송기의 파일롯 밸브의 개도에 변화를 주고 구동기 상·하부로 들어가는 압력을 제어하는 역할을 한다. 또한 스템 변위 피드백 링크 구조는 밸브 스템의 변위가 발생하였을 때 스템 변위를 위치 전송기로 피드백 해주는 부분이다. 구동기와 밸브에 대한 자유 물체도는 도 5의 우측 (b) 에 표시하였으며 구동기와 밸브는 서로 독립적인 기기로 분리가 가능하지만, 실제로는 구동기, 밸브의 스템부가 커넥터로 결합되어 있을 수 있고, 점선을 기준으로 위쪽은 구동기, 아래쪽은 밸브를 의미할 수 있다.

도 5로부터 위치 전송기 다이어프램부에 제어 압력이 입력되어 발생되는 힘을 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있으며, 수학식 2는 위치 전송기의 밸런스 빔과 내부 스프링 피드백 링크 구조의 힘 평형 관계식이다. 수학식 3은 구동기 상부와 하부에 들어간 압력이 구동기 피스톤에 작용하여 발생하는 힘을 각각 F_up 와 F_lo 로 정의한 것으로, 구동기에서 발생하는 힘 F_a 는 구동기 상부와 하부에서 발생한 힘 차이와 같다. 수학식 4는 구동기와 밸브에 작용하는 힘 평형 관계식으로 F_{a_act} 는 구동기 및 밸브를 움직이는 힘을 의미한다. 또한 스템과 플러그 무게에 의한 부하(F_DS)나 패킹 부하(F_pack)등 밸브에서 발생하는 부하는 밸브 스템의 스템 힘 센서(F_stem)에서 측정될 수 있다. 그리고 주급수 제어 밸브의 구동기 내부에는 스프링이 없는 형태로 수학식 5와 같이 스템 변위를 산출하기 위해 구동기 실린더 내부에 존재하는 공기의 체적탄성계수를 가정하여 관계식을 유도할 수 있다.

도 6 은 수학식 1 내지 수학식 3 에 대한 블록 다이어그램이다. 즉, 도 6은 제어압력과 다이어프램 단면적에 대한 관계식, 파일롯 밸브 스템 변위(x₁)를 산출하기 위한 위치 전송기 실제 구동힘(F_s)과 스프링의 관계식 등을 수학식 1 내지 수학식 3을 블록 다이어그램으로 표현한 것이다. 또한 도 6의 점선 안에 표시한 VA₁, VA₂ 는 도 3의 A, B로 표시된 출력 압력 포트와 관련된 변수로써, 파일롯 밸브 스템의 변위에 따른 유량 정보나 단면적과 같은 물리적 의미들을 포함한다. 이 변수들은 출력 압력 포트를 통과하는 공기의 압력 증폭률을 의미하며, 구동기의 압력은 파일롯 밸브 스템 변위에 따라 선형으로 변한다고 가정할 수 있다. 또한, 구동기 상부압력과 하부압력을 의미하는 PaU 와 PaL 이 구동기 피스톤 단면적 (A_act) 에 작용하여 발생하는 힘을 F_up과 F_lo로 표시하였으며 그 힘의 차이인 F_a를 도 6과 같이 블록 다이어그램으로 변환하였다. F_FB 는 출력 시스템의 밸브 스템 변위가 발생하면 피드백 링크 구조를 통하여 전달되는 변위와 스프링과의 관계를 나타낸 것이다.

도 7 은 블록 다이어그램의 간략화를 나타낸 것으로서, 도 6의 점선 부분으로 표시된 블록다이어그램을 총 4단계로 간략화한 것이다. 4 단계 모두 x₁ 이 입력되어 F_a 가 출력되는 블록다이어그램으로써, 시스템의 관점에서는 STEP 1부터 STEP 4는 모두 동일한 입력과 출력을 갖고 있는 블록다이어그램으로 판단될 수 있다. 하지만 모델의 관점에서 봤을 때 블록다이어그램을 간략화하면서 변수들이 통합되고 알아야 할 변수의 수가 변경된다. 예를 들어, 간략화하기 전에는 VA₁ 과 VA₂ 와 같이 두 개로 표현되던 압력 증폭률이 간략화 마지막 단계인 STEP 4에서는 VA 로 통합될 수 있다는 것을 알 수 있다. 만약, 압력 증폭율이 추정해야할 변수라고 한다면 STEP1에서는 두 개의 변수를 추정해야 하지만, STEP4에서는 하나의 변수만 추정하면 된다는 것을 알 수 있다.

도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 밸브 시스템 모델 및 모델 파라미터를 나타낸다. 먼저, 도 8 의 (a)는 앞에서 유도한 수학식 1 내지 수학식 5를 블록다이어그램으로 도식화한 것이고, 도 8 의 (b) 는 모델 파라미터의 위치를 나타낸다. 제어 밸브 모델 블록 다이어그램은 모델 파라미터, 내부 파라미터, 추정 내부 파라미터들로 구성되어 있으며, 하기의 표 1 에 개시되어 있다. 여기서 모델 파라미터는 파라미터 값의 변화에 따라 모델의 출력 결과에 영향을 주는 파라미터이다. 도 8에 나타낸 것과 같이 본 모델에서는 구동힘 공급부와 스템 변위 피드백 연결부에 존재하는 위치 전송기의 내부 스프링 프리로드(F_popre)나 스템 변위 피드백 전달율(G_fb)이 모델 파라미터에 해당한다. 내부 파라미터는 위치 전송기 다이어프램 단면적(A_c)이나 구동기 실린더 피스톤 단면적(A_act)에 대한 정보는 제작사 제공 자료나 실측, 계산을 통해 이미 알고 있는 정보이고 모델의 고정 값으로 입력된다. 마지막으로, 추정 내부 파라미터는 모델의 대상이 되는 제어 밸브 시스템이 변경되면 초기에 한번 추정하고 고정되는 파라미터로, 값이 변해도 모델 출력 결과에 영향을 주지 않는다. 본 모델에서 정의한 파일롯 밸브 압력 증폭율(V_p)이나 구동기 체적 탄성 계수(k_air)가 추정 내부 파라미터에 해당한다.

앞에서 기술한 내용을 참조로 본 발명에 이용되는 최종 모델 관계식에 대해 설명한다. 도 9와 도 10은 도 8 의 (a) 의 제어 밸브 블록다이어그램 모델을 입력 신호에 따라 두 개의 블록다이어그램으로 나누어 재구성한 것이다. 도 9는 모델에 구동힘 공급부의 신호가 입력되고 F_stem (구동기 또는 밸브에서 발생하는 부하) 부분이 0인 상태에서 밸브 스템 변위가 출력되는 블록다이어그램이며 도 10은 모델에 F_stem 신호가 입력되고 구동힘 공급부 신호가 0인 상태에서 밸브 스템 변위가 출력되는 블록 다이어그램이다.

각 블록다이어그램의 입력과 출력에 대한 전달함수는 하기의 수학식 6 및 수학식 7 과 같이 유도된다.

수학식 8 은 수학식 6과 수학식 7을 선형 결합한 형태로 제어 밸브 시스템을 선형 시스템으로 가정한 모델의 관계식이며 아래에서 설명하는 모델 파라미터 최적화 함수에 입력된다. 여기서, x_s 는 밸브의 스템 변위, P_c 는 제어 압력, A_c 는 위치 전송기 내부 다이어프램의 단면적, F_popre 는 위치 전송기 스프링의 프리로드, V_p 는 위치 전송기의 파일롯 밸브의 압력 증폭률, P_s 는 위치 전송기 파일롯 밸브의 공급 압력, A_act 는 구동기의 피스톤의 단면적, k_air 는 피스톤 내부 공기의 체적 탄성 계수, G_fb 는 스템 변위 전달율, F_stem 은 구동기 또는 밸브에서 발생하는 부하를 나타낼 수 있다.

도 11은 모델 파라미터 최적화 프로세스를 표시한 것으로, 수학식 8을 코드화한 함수와 파라미터 초기 가정 값을 최적화 함수에 입력하여 실행시키는 방법으로 모델 파라미터를 추정할 수 있다.

도 12a 내지 도 12b 는 개발된 공기구동 제어 밸브 모델의 운영 프로세스를 도식화한 것으로, 구조와 동작 방식이 유사한 제어 밸브에 대해서는 내부 파라미터와 추정 내부 파라미터를 변경하여 적용할 수 있다. 도 12a는 제어 밸브 시스템에 개발된 제어 밸브 모델이 최초로 적용되는 경우에 운영되는 프로세스로, 측정 신호 및 모델 파라미터 가정 값, 내부 파라미터를 모델에 입력하여 실행하면, 모델 파라미터와 추정 내부 파라미터들이 출력되어 저장되는 순서로 프로세스가 진행된다. 초기 운영 프로세스에서 추정된 모델 파라미터는 제어 밸브 시스템의 현재 상태를 나타내는 기준 값이다. 도 12b는 최초 운영 프로세스를 수행한 경험이 있는 제어 밸브 시스템에 본 발명에 의한 제어 밸브 진단모델이 지속적으로 적용되는 경우로, 모델 파라미터를 추정하기 위한 가정 값은 최초 운영 프로세스와 마찬가지로 임의로 줄 수 있으나 최초 운영 프로세스에서 추정한 값을 이용하면 모텔 파라미터 추정이 더 빨라질 수 있다. 측정신호를 이용하여 모델 파라미터가 새롭게 추정되면, 데이터베이스에 저장되어 있는 과거의 추정 모델 파라미터들과의 비교를 통해 제어 밸브 시스템의 상태 변화를 감시하는 지표로 사용할 수 있다.

도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법의 흐름도이다. 이하, 도 2 및 도 13 을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법을 보다 상세히 설명한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법은, 제어 압력을 출력하는 제어기 (21), 제어 압력을 입력 신호로 받아 구동기 (11) 에 공급되는 압력을 조절하는 위치 전송기 (23), 공급된 압력을 기반으로 밸브 (13) 를 구동하기 위한 구동기 (11) 및 밸브 (13) 를 포함하는 공기구동 제어 밸브 (1) 의 상태를 진단할 수 있다.

도 13 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법은 먼저, 위치 전송기 (23), 구동기 (11) 및 밸브 (13) 의 특성에 대한 파라미터들을 포함하고 제어 압력 (P_c) 에 따른 밸브의 스템 (15) 의 변위를 출력하는 관계식을 구성할 수 있다 (단계 1310). 여기서, 파라미터들은 모델 파라미터, 내부 파라미터 및 추정 내부 파라미터를 포함할 수 있으며, 전술한 바와 같이 모델 파라미터 값의 변화에 따라 상기 관계식의 출력 값이 변화할 수 있고, 내부 파라미터는 진단의 대상이 되는 공기구동 제어 밸브 (1) 의 사양에 따라 고정된 값이며, 추정 내부 파라미터는 진단이 되는 공기구동 제어 밸브 (1) 가 변경될 경우 그 공기구동 제어 밸브 (1) 에 대해서 최초 1회 추정되어 고정되는 값을 가질 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 모델 파라미터는 예를 들어 위치 전송기 (23) 에 포함된 스프링 (27) 의 프리로드 (F_popre) 및 위치 전송기 (23) 에 포함된 스템 변위 피드백 연결부 (28) 의 스템 변위 전달율 (G_fb) 을 포함할 수 있다. 또한, 내부 파라미터는 위치 전송기 (23) 에 포함된 다이어프램 (24) 의 단면적 (A_c) 및 구동기 (11) 의 피스톤의 단면적 (A_act)을 포함할 수 있다. 아울러, 추정 내부 파라미터는 위치 전송기 (23) 에 포함된 파일롯 밸브 (26) 의 압력 증폭율 (V_p) 및 구동기 (11) 에 포함된 피스톤 내부 공기의 체적 탄성 계수 (k_air)를 포함할 수 있다.

다시 도 13 을 참조하면, 공기구동 제어 밸브 (1) 가 정상 상태인 것이 확인된 시점에서, 공기구동 제어 밸브 (1) 의 정상 작동에 따른 측정값 (예를 들어, 소정 제어 압력에 따른 스템 변위) 과 앞서 생성된 관계식에 의한 출력 값 (예를 들어, 동일 제어 압력에 따른 스템 변위) 의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 파라미터들의 값을 조정함으로써 초기 파라미터 값을 결정 (단계 1320) 할 수 있다. 보다 구체적으로, 미리 결정된 내부 파라미터 값을 기반으로 초기 모델 파라미터 및 초기 추정 내부 파라미터를 결정할 수 있다.

이후, 공기구동 제어 밸브 (1) 의 진단이 필요한 시점에서, 공기구동 제어 밸브 (1) 의 진단 작동에 따른 측정값과 앞서 생성된 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 상기 파라미터들의 값을 조정함으로써 진단 파라미터 값을 결정 (단계 1330) 할 수 있다. 보다 구체적으로, 미리 결정된 내부 파라미터 값 및 상기 초기 추정 내부 파라미터 값을 기반으로 진단 모델 파라미터를 결정할 수 있다.

이후, 초기 파라미터 값과 진단 파라미터 값을 비교하여 공기 구동 제어 밸브 (1) 의 이상 유무를 판단 (단계 1340) 할 수 있다. 구체적으로, 초기 모델 파라미터와 진단 모델 파라미터를 비교함으로써 공기 구동 제어 밸브 (1) 의 이상 유무를 판단할 수 있으며, 초기 모델 파라미터와 진단 모델 파라미터의 차가 소정 오차한도 이내일 경우 정상 상태임을 나타낼 수 있고, 복수의 레벨 값을 결정하여 단계 별로 이상 정도를 판단할 수도 있다.

도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 장치 (1400) 는, 모델 생성부 (1410), 초기 값 결정부 (1420), 진단 값 결정부 (1430) 및 진단부 (1440) 를 포함할 수 있다.

모델 생성부 (1410) 는 위치 전송기 (23), 구동기 (11) 및 밸브 (13) 의 특성에 대한 파라미터들을 포함하고 제어 압력에 따른 밸브의 스템 변위를 출력하는 관계식을 구성할 수 있다. 초기 값 결정부 (1420) 는 공기구동 제어 밸브 (1) 의 정상 작동에 따른 측정값과 상기 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 상기 파라미터들의 값을 조정함으로써 초기 파라미터 값을 결정할 수 있다. 또한, 진단 값 결정부 (1430) 는 공기구동 제어 밸브 (1) 의 진단 작동에 따른 측정값과 상기 관계식에 의한 출력 값의 차가 미리 결정된 오차 한도보다 작아질 때까지 상기 파라미터들의 값을 조정함으로써 진단 파라미터 값을 결정할 수 있다. 아울러, 진단부 (1440) 는 초기 파라미터 값과 진단 파라미터 값을 비교하여 공기 구동 제어 밸브의 이상 유무를 판단할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 장치의 구체적인 동작은, 전술한 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 방법에 따를 수도 있다.

상술한 본 발명에 따른 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어밸브의 진단 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

도 15는 초기 가정한 모델 파라미터를 모델에 입력시켜 출력된 결과와 개발된 프로그램을 통해 최적화된 파라미터를 모델에 입력하여 출력된 결과를 실험 데이터와 비교한 것이다. 도 15의 (a) 와 (b) 를 참조하면 개발된 모델이 제어 밸브 시스템의 동작을 정확하게 표현하고 있으며, 모델 파라미터 최적화를 통해 예측의 정확도를 높일 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

제어 압력을 출력하는 제어기와, 상기 제어 압력을 입력받아 구동기에 공급되는 압력을 조절하는 위치 전송기와, 상기 구동기에 공급된 압력을 기반으로 밸브를 구동하기 위한 구동기와, 그리고 상기 밸브를 포함하는 공기구동 제어 밸브를 진단하기 위한 장치로서,
상기 위치 전송기, 상기 구동기 및 상기 밸브의 특성에 대한 파라미터들을 포함하고 상기 제어 압력에 따른 상기 밸브의 스템 변위를 출력하는 관계식을 구성하는 모델 생성부;
초기 파라미터 값을 결정하는 초기 값 결정부;
진단 파라미터 값을 결정하는 진단 값 결정부; 및
상기 초기 파라미터 값과 상기 진단 파라미터 값을 비교하여 상기 공기 구동 제어 밸브의 이상 유무를 판단하는 진단부를 포함하는, 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 파라미터들은 모델 파라미터, 내부 파라미터 및 추정 내부 파라미터를 포함하는, 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 모델 파라미터 값의 변화에 따라 상기 관계식의 출력 값이 변화하고,
상기 내부 파라미터는 상기 공기구동 제어 밸브의 사양에 따라 고정된 값이며,
상기 추정 내부 파라미터는 상기 공기구동 제어 밸브에 대해 최초 1회 추정되어 고정되는 값인, 위치 전송기 모델을 이용한 공기구동 제어 밸브의 진단 장치.