KR20190000826A - 실시간 진동 분석을 이용한 회전기계의 자동진단방법 - Google Patents

실시간 진동 분석을 이용한 회전기계의 자동진단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 회전기계의 자동진단방법은 (A) 회전 기계(100)의 다수의 지점에 각각 장착된 진동센서(200)를 통해 발생하는 진동데이터를 데이터 수집장치(300)에서 수집하는 단계; (B) 상기 데이터 수집장치(300)가 수집된 진동데이터를 OPC(OLE for Process Control) 통신 방식이 적용된 통신 모듈(400)을 통해 자동 진단 모듈(500)로 전달하는 단계; (C) 상기 자동 진단 모듈(500)이 수신한 진동데이터를 이용하여 결함 진단을 시동하는 단계; 및 (D) 상기 자동 진단 모듈(500)이 진단 결과 및 점검 여부를 표시 장치(600)를 통해 디스플레이하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 회전기계의 자동진단방법은 회전 기계의 상태 변화에 따른 실시간 설비결함 유형 및 결함 원인까지 진단할 수 있어서, 결함의 진전 과정을 예측할 수 있고 고장을 미리 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

실시간 진동 분석을 이용한 회전기계의 자동진단방법{AUTOMATIC DIAGNOSIS METHOD FOR ROTATING MACHINERY USING REAL-TIME VIBRATION ANALYSIS}
본 발명은 회전기계의 자동진단방법에 관한 것으로, 특히 실시간으로 회전 기계의 회전축 및 회전 요소들에서 발생하는 진동 데이터를 수집하고, 이를 진동분석 파라미터로 변환한 후 통신 모듈을 이용하여 자동진단 모듈로 전송하며, 이를 진동결함 패턴을 이용한 진단 알고리즘을 통해 회전 기계의 이상 유무를 실시간으로 진단하는 회전기계의 자동진단방법에 관한 것이다.
최근 산업기술이 발달함에 따라 회전 기계들이 대형화, 고 정밀화되면서 이들 설비에서 고장이 발생하면 막대한 경제적 손실이나 인명에 피해를 줄 수 있어 이들 회전 기계에 대한 고장 감시가 매우 중요해졌다.
또한, 기업들은 경쟁력 강화를 위해 스마트 공장으로 전환을 서두르고 있어서, 이 때문에 자동화된 설비들의 수요가 증가하고, 무인 자동화에 대해 요구가 늘나고 있어서 설비들에 대해 철저한 관리가 필요해졌다.
일반적으로 회전 기계는 회전 축에서 발생하는 진동 특성과 함께 기계적 요소들인 베어링, 기어박스, 홴 등에서 결함이 점차 증가함에 따라 진동량의 증가도 함께 나타나고 진동의 특성 변화도 발생하게 된다.
종래에는 이들 진동량 변화와 진동 특성 변화를 전문가들이 분석하여 결함의 원인을 찾고 적절한 대책을 세웠다.
그러나 전문가들의 경험 부족과 다양화된 설비특성의 변화로 정확한 진단이 어려워, 진동의 크기를 설정하고 그 크기를 초과하는 진동이 발생할 경우에만 관리자에게 이상 상태를 알려주는 방법을 사용해 오고 있다.
그러나 이러한 방법도 회전 기계의 고장 발생 정도만을 판별할 수 있고, 고장의 원인이나 진전 과정을 알 수 없어 능동적으로 대처를 할 수 없기 때문에 다시 전문가에게 판단을 맡기고 있다.
따라서, 회전 기계에서 결함이 발생하였을 때, 고장 전 단계에서 결함 원인을 미리 파악하고 진전 과정을 예측해 사고를 미리 방지하는 기술이 필요하며, 이를 위해서는 실시간 진동 데이터를 분석하여 회전 기계를 정확히 진단할 수 있는 기술이 요구된다.
특허문헌 : 등록특허공보 제666452호
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 회전 기계에서 발생하는 진동 특성을 실시간으로 분석하여 결함을 진단하고 이를 근거로 미리 고장을 방지하는 회전기계의 자동진단방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 회전기계의 자동진단방법은 (A) 회전 기계(100)의 다수의 지점에 각각 장착된 진동센서(200)를 통해 발생하는 진동데이터를 데이터 수집장치(300)에서 수집하는 단계; (B) 상기 데이터 수집장치(300)가 수집된 진동데이터를 OPC(OLE for Process Control) 통신 방식이 적용된 통신 모듈(400)을 통해 자동 진단 모듈(500)로 전달하는 단계; (C) 상기 자동 진단 모듈(500)이 수신한 진동데이터를 이용하여 결함 진단을 시동하는 단계; 및 (D) 상기 자동 진단 모듈(500)이 진단 결과 및 점검 여부를 표시 장치(600)를 통해 디스플레이하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 회전기계의 자동진단방법에서 상기 (C) 단계는 (C-1) 상기 자동 진단 모듈(500)이 수신한 진동데이터에서 발생 주파수, 진동 진폭 및 위상을 검출하는 단계; (C-2) 상기 자동 진단 모듈(500)이 상기 발생 주파수에 따른 1차 진단을 수행하는 단계; 및 (C-3) 상기 자동 진단 모듈(500)이 2차 진동 성분에 따른 2차 진단을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 회전기계의 자동진단방법에서 상기 (C-2) 단계는 (C-21) 상기 자동 진단 모듈(500)이 다수의 상기 발생 주파수 중에서 진폭이 높은 주파수를 탁월 주파수로 우선 선정하는 단계; (C-22) 상기 자동 진단 모듈(500)이 다수의 상기 탁월 주파수 중 진동량이 높은 주파수 성분을 1차 주진동 성분으로 선정하는 단계; 및 (C-23) 상기 자동 진단 모듈(500)이 상기 1차 주진동 성분보다 낮은 진동 진폭을 갖는 주파수 성분을 2차 진동 성분으로 분류하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 회전기계의 자동진단방법에서 상기 발생 주파수는 1차 회전 성분의 회전 주파수(Hz) 또는 회전수(RPM)에 해당하는 1X RPM, 2차 회전 성분의 회전 주파수(Hz) 또는 회전수(RPM)에 해당하는 2X RPM, 3차 회전 성분의 회전 주파수(Hz) 또는 회전수(RPM)에 해당하는 3X RPM, FTF(Fundamental Train Frequency), BSF(Ball Spin Frequency), BPFO(Ball Pass Frequency Outer Race), BPFI(Ball Pass Frequency Inner Race), Nt(Number of Gear Tooth), 배수 성분(Harmonics) 및 분수차 성분(Half-harmonics) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 따른 회전기계의 자동진단방법은 회전 기계의 상태 변화에 따른 실시간 설비결함 유형 및 결함 원인까지 진단할 수 있어서, 결함의 진전 과정을 예측할 수 있고 고장을 미리 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실시간으로 회전기계를 자동진단하는 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 실시간으로 회전기계의 진동 측정과 분석과정을 나타내는 예시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실시간 진동 분석을 이용한 회전기계의 자동진단방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 회전기계의 자동진단을 위한 조건항목들을 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 회전기계의 자동진단결과를 나타낸 예시도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 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. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실시간으로 회전기계를 자동진단하는 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 실시간으로 회전기계의 진동 측정과 분석과정을 나타내는 예시도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 실시간으로 회전기계를 자동진단하는 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 회전 기계(100)에 장착된 다수의 진동센서(200), 다수의 진동센서(200) 각각에 연결된 데이터 수집장치(300), 통신 모듈(400)을 매개로 데이터 수집장치(300)에 연결된 자동 진단 모듈(500) 및 자동 진단 모듈(500)에 연결된 표시 장치(600)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일실시예에 따른 실시간으로 회전기계를 자동진단하는 시스템은 구체적으로 설명하기 위해 다양한 설비로 구성된 콘베어 밸트 시스템을 대상으로 선정하여 설명한다.
진동센서(200)는 회전 기계(100)의 주축 스핀들, 구동 전동기 외부 일면 등에 각각 장착된 3축 가속도 센서를 포함하고, 회전 기계의 운전 중 동작 과정에서 발생하는 진동을 수집한다. 여기서, 진동센서(200) 각각은 구동 전동기의 회전자 축을 축 방향으로 설정하고, 회전자 반경 방향을 기준으로 수평 방향과 수직 방향으로 나누어 진동 측정 방향을 설정할 수 있다. 이러한 설정은 구동 전동기의 회전다가 모든 방향으로 동작할 때 축방향 및 반경방향에서 발생하는 진동을 모두 측정하기 위한 것이고, 진동 측정은 구동전동기가 가동되는 전체 시간에 거쳐 실시간으로 수행되며, 이렇게 측정된 진동 데이터는 데이터 수집장치(300)로 전달된다.
데이터 수집장치(300)는 진동센서(200) 각각으로부터 실시간으로 검출되는 진동 데이터를 분석을 위한 진동 주파수 파형으로 변환하고, 변환된 진동 주파수 파형을 통신 모듈(400)을 통해 자동 진단 모듈(500)로 전달한다.
통신 모듈(400)은 가공된 분석 파라미터를 손실 없이 전송하기 위해, 예컨대 OPC(OLE for Process Control) 통신 방식이 적용된 통신 모듈을 적용할 수 있고, 진동센서(200) 각각의 회전 기계 측정 위치정보, 설비 정보 및 진동 파라미터 정보를 손실 없이 전송할 수 있다.
자동 진단 모듈(500)은 실시간으로 수집되는 분석 파라미터를 분리하여 결함 분석을 위한 진단 알고리즘에 적용하고, 이 과정을 통해 최종적으로 회전 기계의 결함을 판별하게 된다.
여기서, 회전 기계인 구동전동기는 운전하는 방식에 따라 결함의 종류가 다양하고, 이에 따른 진동 주파수 특성이 다르기 때문에, 전체 운전과정에서 결함에 따른 진동 진폭, 진동 주파수, 위상 등의 특성을 분석하고 분류하여 미리 결함 패턴의 데이터 베이스로서 저장 구축할 수 있다.
예를 들어 자동 진단 모듈(500)은 아래의 [표 1]에 정리한 바와 같이 각각의 결함에 따른 진동 진폭, 진동 주파수, 위상 등의 특성을 데이터 베이스로서 저장 구축할 수 있다.
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여기서, 각 결함별 발생 주파수는 1차 회전 성분의 회전 주파수(Hz) 또는 회전수(RPM)에 해당하는 1X RPM, 2차 회전 성분의 회전 주파수(Hz) 또는 회전수(RPM)에 해당하는 2X RPM, 3차 회전 성분의 회전 주파수(Hz) 또는 회전수(RPM)에 해당하는 3X RPM, FTF(Fundamental Train Frequency), BSF(Ball Spin Frequency), BPFO(Ball Pass Frequency Outer Race), BPFI(Ball Pass Frequency Inner Race), Nt(Number of Gear Tooth), 배수 성분(Harmonics) 및 분수차 성분(Half-harmonics) 등을 특성으로 포함할 수 있다.
자동 진단 모듈(500)은 이러한 발생 주파수, 진동 진폭, 위상 등을 검출하고 각각에 해당하는 결함 원인을 판단할 수 있다. 즉, 자동 진단 모듈(500)은 전송된 주파수들 중에서 가장 진폭이 높은 주파수를 탁월 주파수로 우선적으로 선정하고, 만일 탁월 주파수가 다수인 경우에는 가장 진동량이 높은 주파수 성분을 1차 주진동 성분으로 선정하며, 그 다음으로 진동 진폭이 낮은 성분은 2차 진동 성분으로 분류한다.
탁월 주파수와 2차 진동 성분이 분류되면, 주 진동 성분의 방향과 위상 특성, 회전 특성 부하 특성 등을 차례로 확인하고, 이들 조합에 따라 [표 1]에 기재된 각 결함별 발생 주파수에 따른 결함 유형을 분류하여 최종적으로 회전 기계의 결함을 도출하게 된다.
표시 장치(600)는 자동 진단 모듈(500)에 연결된 디스플레이 장치로서, 예컨대 LCD 모니터, PDA 등을 포함할 수 있다. 이러한 표시 장치(600)는 자동 진단 모듈(500)로부터 수신한 회전 기계의 결함정보를 디스플레이한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 실시간으로 회전기계를 자동진단하는 시스템은 실시간으로 회전 기계의 상태 변화에 따른 설비결함 유형 및 결함 원인까지 진단하여, 결함의 진전 과정을 예측할 수 있고 고장을 미리 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 실시간 진동 분석을 이용한 회전기계의 자동진단방법에 대해 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실시간 진동 분석을 이용한 회전기계의 자동진단방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 회전기계의 자동진단을 위한 조건항목들을 나타낸 예시도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 회전기계의 자동진단결과를 나타낸 예시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 실시간 진동 분석을 이용한 회전기계의 자동진단방법은 도 1에 도시된 회전기계를 자동진단하는 시스템을 적용해 콘베어 밸트와 같은 회전기계를 포함한 대상에 대해 뉴로모픽 기술(neuromorphic Technology)을 적용하여 실시간으로 진동을 분석하고 결함을 진단할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 회전기계의 자동진단방법은 먼저 회전 기계(100)의 구동 전동기의 외부 일면 등에 각각 장착된 진동센서(200)를 통해 운전동작 과정에서 발생하는 진동데이터를 데이터 수집장치(300)에서 수집한다.
이렇게 데이터 수집장치(300)에 의해 수집된 진동데이터는 OPC(OLE for Process Control) 통신 방식이 적용된 통신 모듈(400)을 통해 자동 진단 모듈(500)에 전달된다.
자동 진단 모듈(500)은 수신한 진동데이터에서 발생 주파수, 진동 진폭, 위상 등을 검출하고 결함 진단을 시동한다(S310).
예를 들어, 자동 진단 모듈(500)이 수신한 진동데이터에서 발생 주파수, 진동 진폭 및 위상 등을 검출하여 콘베어 밸트 시스템의 구동 전동기에 대한 결함 진단을 시동할 수 있다.
이때, 자동 진단 모듈(500)은 도 4에 도시된 바와 같이 표시 장치(600)를 통해 자동진단을 위한 조건항목들을 디스플레이하고 사용자로부터 조건항목들 중 선택된 파라미터들을 설정할 수 있다.
자동 진단 모듈(500)은 전송된 진동데이터에서 주파수들 중에서 가장 진폭이 높은 주파수를 탁월 주파수로 우선 선정하고, 만일 탁월 주파수가 다수인 경우에는 가장 진동량이 높은 주파수 성분을 1차 주진동 성분으로 선정하며, 그 다음으로 진동 진폭이 낮은 성분을 2차 진동 성분으로 분류한다.
탁월 주파수와 2차 진동 성분이 분류되면, 1차 주진동 성분의 방향과 위상 특성, 회전 특성 부하 특성 등을 차례로 확인하고, 이들 조합에 따라 [표 1]에 기재된 결함별 발생 주파수에 따른 결함 유형을 분류할 수 있다.
구동 전동기에 대한 결함 유형을 분류하기 위해, 자동 진단 모듈(500)은 1차 주진동 성분의 방향과 위상 특성, 회전 특성 부하 특성 등을 차례로 확인하여, 발생 주파수가 기계적 진동 주파수이면 베어링 결함 유형 판단(S321) 또는 회전축의 결함 유형 판단(S322)으로 분류하고, 전기적 진동 주파수이면 공극 불량결함 유형 판단(S323) 또는 고정자 결함 유형 판단(S324)으로 분류하며, 공기역학적 진동 주파수이면 통풍 결함 유형 판단(S325)으로 분류할 수 있다.
각각의 결함 유형을 판단 분류한 후, 자동 진단 모듈(500)은 각각의 결함 유형에 대한 원인을 분류한다. 즉 자동 진단 모듈(500)은 진동의 주성분이 전기적 진동 주파수로 발생하는 공극 불량결함 유형 판단(S323)에 대해 2차 진동 성분 및 특정 공진 주파수 존재 여부에 따라 결함의 원인을 공극의 불량(S331), 공진(S332) 또는 회전자/고정자 결함(S333)으로 나타나게 된다.
이어서, 자동 진단 모듈(500)은 뉴로모픽 기술에 따라 각각의 결함 유형별로 2차 진동 성분에 따른 2차 진단을 실시할 수 있다. 예를 들어, 자동 진단 모듈(500)은 공극 불량결함 유형 판단(S323)에 대해 2차 진동 성분이 없는 경우 전기적 진동 성분에 한하여 2차 진단을 실시하게 되고, 2차 성분이 없기 때문에 공극의 정적 언발란스에 의해 진동이 발생한 것으로 판단한다(S342).
이러한 공극의 정적 언발란스의 판단에 대해, 자동 진단 모듈(500)은 위상 특성 또는 회전 특성 부하 특성을 통해 회전체 런아웃(S351), 회전체 편심(S352) 또는 기초 변형/설치 불량(S353)을 원인으로 판별할 수 있다.
이때, 자동 진단 모듈(500)은 기초 변형/설치 불량(S353)이 발생한 원인으로 베이스 크라인(Base crown)을 진단하거나(S361) 또는 소프트 풋(Soft foot)을 진단(S362)하고, 도 5에 도시된 바와 같이 진단 결과 및 분해 점검할 것을 표시 장치(600)를 통해 디스플레이할 수 있다.
이러한 과정을 포함한 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전기계의 자동진단방법은 실시간으로 진동데이터를 분석하고 뉴로모픽 기술에 따라 각각의 결함 원인을 유형별로 진단하여, 결함의 진전 과정을 예측할 수 있고 고장을 미리 방지할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 회전기계 200: 진동센서
300: 데이터 수집장치 400: 통신모듈
500: 자동진단모듈 600: 표시장치

Claims (4)

  1. (A) 회전 기계(100)의 다수의 지점에 각각 장착된 진동센서(200)를 통해 발생하는 진동데이터를 데이터 수집장치(300)에서 수집하는 단계;
    (B) 상기 데이터 수집장치(300)가 수집된 진동데이터를 OPC(OLE for Process Control) 통신 방식이 적용된 통신 모듈(400)을 통해 자동 진단 모듈(500)로 전달하는 단계;
    (C) 상기 자동 진단 모듈(500)이 수신한 진동데이터를 이용하여 결함 진단을 시동하는 단계; 및
    (D) 상기 자동 진단 모듈(500)이 진단 결과 및 점검 여부를 표시 장치(600)를 통해 디스플레이하는 단계;
    를 포함하는 회전기계의 자동진단방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (C) 단계는
    (C-1) 상기 자동 진단 모듈(500)이 수신한 진동데이터에서 발생 주파수, 진동 진폭 및 위상을 검출하는 단계;
    (C-2) 상기 자동 진단 모듈(500)이 상기 발생 주파수에 따른 1차 진단을 수행하는 단계; 및
    (C-3) 상기 자동 진단 모듈(500)이 2차 진동 성분에 따른 2차 진단을 수행하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전기계의 자동진단방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (C-2) 단계는
    (C-21) 상기 자동 진단 모듈(500)이 다수의 상기 발생 주파수 중에서 진폭이 높은 주파수를 탁월 주파수로 우선 선정하는 단계;
    (C-22) 상기 자동 진단 모듈(500)이 다수의 상기 탁월 주파수 중 진동량이 높은 주파수 성분을 1차 주진동 성분으로 선정하는 단계; 및
    (C-23) 상기 자동 진단 모듈(500)이 상기 1차 주진동 성분보다 낮은 진동 진폭을 갖는 주파수 성분을 2차 진동 성분으로 분류하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전기계의 자동진단방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 발생 주파수는 1차 회전 성분의 회전 주파수(Hz) 또는 회전수(RPM)에 해당하는 1X RPM, 2차 회전 성분의 회전 주파수(Hz) 또는 회전수(RPM)에 해당하는 2X RPM, 3차 회전 성분의 회전 주파수(Hz) 또는 회전수(RPM)에 해당하는 3X RPM, FTF(Fundamental Train Frequency), BSF(Ball Spin Frequency), BPFO(Ball Pass Frequency Outer Race), BPFI(Ball Pass Frequency Inner Race), Nt(Number of Gear Tooth), 배수 성분(Harmonics) 및 분수차 성분(Half-harmonics) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전기계의 자동진단방법.
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