KR20210107336A - Integrated control simulation method of the bulk transfer system and mud mixing system based on HILS - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 HILS 기반의 통합제어 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 특히 분체이송시스템과 이수혼합시스템 통합시킨 HILS 모델을 기반으로 하여 테스트 시나리오에 따른 HILS 검증을 수행하도록 한 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a HILS-based integrated control simulation method, and in particular, a HILS-based powder transport system and a mixed water mixing system that perform HILS verification according to a test scenario based on the HILS model that integrates the powder transport system and the dihydric mixing system. of the integrated control simulation method.
일반적으로, 시추 시스템(Drilling system)은 크게 육상 시추리그(Onshore rig)와 해상 시추리그(Offshore rig)로 구분할 수 있으며, 시추 형태는 육상 시추에서 시작되어 해양 시추로 그 범위가 점차 확대되고 있다.In general, a drilling system can be largely divided into an onshore rig and an offshore rig, and the drilling type starts from onshore drilling and the scope is gradually expanding to offshore drilling.
시추 시스템 중에서 분체이송시스템(Bulk transfer system)과 이수혼합시스템(Mud mixing system)은 가장 중요한 역할을 수행한다. 먼저 분체이송시스템은 통상적으로 플랜트나 공장에서 원재료나 제품 등의 분체(Bulk)를 일정한 파이프 내에 생성된 공기의 압력을 이용하여 멀리까지 이송시키는 기술 및 설비이다. 또한 이수혼합시스템은 시추 시 드릴링 유체(Drilling fluid)인 이수(Mud)를 제조하여 저장 및 교반시킨 후, 이를 순환시켜 암편을 제거하는 작업을 담당할 뿐만 아니라, 땅속 깊은 곳을 Drilling을 할 때 Drill Bit의 마모 및 파손을 방지하여 Drill Bit와 Bearing 등의 Life Time을 증가시키는 역할을 하는 Mud의 배합 및 공급에서부터 회수까지의 시스템 전반을 의미한다.Among the drilling systems, the bulk transfer system and the mud mixing system play the most important roles. First, the powder transport system is a technology and equipment that transports bulk, such as raw materials or products, from a plant or factory to a long distance by using the pressure of air generated in a certain pipe. In addition, the water mixture system is During drilling, mud, which is a drilling fluid, is manufactured, stored, stirred, and circulated to remove rock fragments, as well as wear and tear of the drill bit when drilling deep underground. It refers to the overall system from mixing and supplying Mud, which plays a role in increasing the life time of drill bits and bearings, to recovery.
특히, 해양 시추 시스템(Offshore drilling systems)에서 기자재 국산화율이 저조하여 소수 외국 대기업의 NOV와 AKMH의 독과점 현상이 심화되고 있다. 이에 적극적인 국산 기술 개발 및 시장 진입 전략이 필요하다. 최근 시추 시스템에 대한 선주의 요구가 다양해지고 통합 시스템의 복잡도 역시 증가하고 있다. 하지만 시추 시스템의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합을 제어하는 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 개발은 전혀 이루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서 시추 시 빈번히 발생하는 분체이송시스템의 파이프라인의 관막힘 예방과 이수혼합시스템의 운영 시 불확실성과 유지 및 보수비용을 줄이기 위한 건전성 관리 시스템의 필요성이 대두되고 있다.In particular, the low localization rate of equipment and materials in offshore drilling systems is exacerbating the monopoly of NOV and AKMH by a small number of foreign conglomerates. Therefore, an active domestic technology development and market entry strategy is required. Recently, ship owners' demands for drilling systems are diversifying, and the complexity of integrated systems is also increasing. However, the development of HILS (Hardware In the Loop Simulation) that controls the integration of the powder transport system and the water mixing system of the drilling system has not been developed at all. Therefore, there is a need for a soundness management system to prevent clogging of the pipeline of the powder transport system, which occurs frequently during drilling, and to reduce uncertainty and maintenance and repair costs in the operation of the water mixing system.
한편, 이 분야의 국내 기업은 MEICS, Atlas Copco, Nabors Industries Ltd, 한진 D&B 등 육상시추플랜트 전문 업체가 있으며, 해외는 ARAMCO(Arabian-American Oil Co.), KNPC(Kuwait National Petroleum Company), Bechtel사 등이 있다. 상기 기업들은 이수혼합시스템(Mud control system)의 전반적인 제조 및 서비스는 제공하고 있지만, 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합 제어를 위한 HILS(Hardware In-the-Loop Simulation) 기반의 모델링 및 시뮬레이션을 연구한 사례가 전혀 없다.Meanwhile, domestic companies in this field include companies specializing in onshore drilling plants such as MEICS, Atlas Copco, Nabors Industries Ltd, and Hanjin D&B, while overseas, ARAMCO (Arabian-American Oil Co.), KNPC (Kuwait National Petroleum Company), and Bechtel etc. Although the above companies provide overall manufacturing and service of mud control system, they study HILS (Hardware In-the-Loop Simulation)-based modeling and simulation for integrated control of powder conveying system and mud control system. There is not one case at all.
한편, 대한민국 등록특허공보 제10-1023565호(2011.03.11)에는 지층에 터널을 뚫는 굴진작업을 위해 전면에 분사되는 이수가 굴진기의 뒤쪽으로 흐르는 것을 임의로 차단할 수 있도록 이수흐름의 제어가 가능한 굴진기가 제안되어 있다[1].On the other hand, Republic of Korea Patent Publication No. 10-1023565 (March 11, 2011) discloses an excavator capable of controlling the flow of mud so as to arbitrarily block the flow of mud sprayed on the front to the back of the excavator for the excavation work of drilling a tunnel in the stratum. has been proposed [1].
또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0069723호(2015.06.24)에는 시추 과정에서 사용되는 머드액에 함유된 이수손실 방지제를 별도로 회수할 수 있도록 하여 이수손실 방지제의 유실을 방지하여 시추 비용을 절감할 수 있는 이수손실 방지제 회수 모듈 및 머드액 순환 시스템이 제안되어 있다[2].In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0069723 (2015.06.24) discloses that the water loss prevention agent contained in the mud liquid used in the drilling process can be separately recovered to prevent the loss of the water loss prevention agent, thereby reducing the cost of drilling. A water loss prevention agent recovery module and mud liquid circulation system that can save money have been proposed [2].
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1783150호(2017.09.22)에는 MCC(Micro Controller Unit) 기반의 임베디드 시뮬레이터(Embedded Simulator)를 이용하여 매트랩 시뮬링크(Matlab Simulink) 코드로 구현된 선박 장비와 PMS(Power Management System)의 신호를 하드웨어 영역에서 게이트웨이가 가능토록 해석함으로써, PMS 시뮬레이터의 속도 향상은 물론 부하로드의 소비전력을 효율적으로 테스트 가능토록 한 HILS 기반 선박용 전력관리시스템 시뮬레이터가 제안되어 있다[3].In addition, in Republic of Korea Patent Publication No. 10-1783150 (2017.09.22), ship equipment and PMS (Power) implemented with Matlab Simulink code using an MCC (Micro Controller Unit)-based Embedded Simulator A HILS-based power management system simulator for ships has been proposed, which not only improves the speed of the PMS simulator, but also enables efficient testing of the power consumption of the load by interpreting the signal of the management system to enable the gateway in the hardware domain [3].
그리고 대한민국 등록특허공보 제10-1922532호(2018.11.21)에는 위성항법 보정시스템(DGPS)으로부터 수신되는 정보와 선박의 계획항로상의 항해정보를 이용하여 선박의 조종성능을 예측함으로써, 선박의 에너지 효율성을 높이고 효율적인 운항방법을 제공할 수 있도록 하는 HILS 기반의 선박조종 성능 계측관리 시스템이 제안된 바 있다[4].In addition, in Republic of Korea Patent Publication No. 10-1922532 (November 21, 2018), the ship's energy efficiency is predicted by predicting the ship's steering performance using the information received from the satellite navigation correction system (DGPS) and the navigation information on the ship's planned route. A HILS-based vessel handling performance measurement and management system has been proposed to increase the efficiency and provide an efficient operation method [4].
그러나 위 특허기술 [1] 내지 [4] 모두는 HILS을 적용한 일부 문헌적인 기술 사항만 유사할 뿐, 시추 시스템 내 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 모델링 및 시뮬레이션을 통한 HILS 기반으로 테스트 시나리오에 따른 HILS 검증을 수행할 수 없는 문제점이 여전히 남아 있다.However, all of the above patented technologies [1] to [4] are similar only in some literature descriptions to which HILS is applied. The problem of not being able to perform verification still remains.
따라서 본 발명은 전술한 문제점을 해소함과 동시에 새로운 HILS 기반의 통합제어 시뮬레이션 방법을 제안한다.Therefore, the present invention proposes a new HILS-based integrated control simulation method while solving the above problems.
본 발명의 목적은, 시추 작업에 사용되는 분체이송시스템(Bulk Transfer System)과 이수혼합시스템(Mud mixing system)을 통합 제어 가능한 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기반의 테스트 시나리오를 통해 실제 운영 장비들에 대하여 사전에 성능을 검증하는 시뮬레이션 방법을 구현함으로써, 시운전에 따른 비용을 크게 줄이고 장비 운영에 따른 유지보수가 용이하며 제어기의 신뢰성을 확보할 수 있도록 한 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법을 제공한다.It is an object of the present invention, the actual operation equipment through the HILS (Hardware In the Loop Simulation)-based test scenario that can control the integrated control of the bulk transfer system and the mud mixing system used in the drilling operation. By implementing a simulation method to verify the performance of An integrated control simulation method is provided.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 분체이송시스템(Bulk Transfer System)에서 문제가 되는 관 막힘을 예방하는 파이프라인(Pipeline)의 압력 손실 성능에 대한 수학적 모델링 및 시뮬레이션을 수행하는 제1 단계와; 상기 분체이송시스템과 연결되는 이수혼합시스템(Mud Control System)의 구성요소를 모델링 및 시뮬레이션을 수행하는 제2 단계와; 상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션을 위한 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기반의 모델을 구축하는 제3 단계와; 상기 구축된 HILS 모델을 기반으로 하여 상기 이수혼합시스템의 테스트 시나리오에 따른 HILS 검증을 수행하는 제4 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법을 제공한다.According to the feature of the present invention for achieving the above-mentioned object, mathematical modeling and simulation of the pressure loss performance of the pipeline that prevents the pipe clogging, which is a problem in the bulk transfer system, is performed. Step 1 and; a second step of modeling and simulating components of a mud control system connected to the powder transport system; a third step of constructing a HILS (Hardware In the Loop Simulation)-based model for integrated control simulation of the powder transport system and the mixed water mixing system; Based on the built-up HILS model, a fourth step of performing HILS verification according to the test scenario of the dihydrate mixed system is provided. do.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 분체이송시스템은, 상기 파이프라인의 압력 손실을 보충하기 위해 다수개의 에어부스터(Air Booster)가 수직배열로 설치되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the powder conveying system is characterized in that a plurality of air boosters (Air Booster) are installed in a vertical arrangement in order to supplement the pressure loss of the pipeline.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 분체이송시스템은, 상기 파이프라인의 압력 손실을 보충하기 위해 수직 파이프 구간에만 다수개의 에어부스터가 설치되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the powder conveying system is characterized in that a plurality of air boosters are installed only in the vertical pipe section to compensate for the pressure loss of the pipeline.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 분체이송시스템(Bulk Transfer System)은, 상기 파이프라인의 압력 손실을 보충하는 다수개의 에어부스터가 설치되는 개수 및 간격을 최적화시키기 위해서는 MATLAB/Simulink/Global Optimization Toolbox을 통한 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)이 적용되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the powder transfer system (Bulk Transfer System) is MATLAB/Simulink/Global Optimization It is characterized in that a genetic algorithm through the toolbox is applied.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 분체이송시스템은, 저압저속(Dilute-phase) 방식을 적용하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행하되, 상기 파이프라인 내부의 수평원관 손실수두에 따른 압력 손실을 모델링하는 Air alone pressure drop(
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 분체이송시스템의 시뮬레이션은, 압력 손실에 대한 수학적 모델링을 바탕으로 하여, 파이프라인의 제원과 Input 압력에 따른 압력 손실 결과를 확인한 후, HIL(Hardware In the Loop) 기반으로는 Matlab/Simulink를 통해 시뮬레이션을 실시되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the simulation of the powder transport system is based on mathematical modeling of the pressure loss, after confirming the pressure loss result according to the specifications of the pipeline and the input pressure, HIL (Hardware In the Loop) based, characterized in that the simulation is performed through Matlab/Simulink.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 이수혼합시스템(Mud Control System)은, 상기 분체이송시스템의 후단에 연결되어 설치되며, 분체이송시스템에서 이송된 분체를 서지탱크(Surge tank)에 보관하고 이수펌프나 혼합호퍼(Mud mixing hopper)를 거쳐 최종적으로 이수저장탱크(Mud Storage tank)와 이수액티브탱크(Mud active tank)로 이수(Mus)가 전달되며, 상기 전달된 머드는 교반기(Agitator)에서 교반되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the mud control system (Mud Control System) is installed connected to the rear end of the powder transport system, and stores the powder transferred from the powder transport system in a surge tank and Finally, the mud is transferred to the mud storage tank and the mud active tank through the mud mixing hopper or the mud mixing hopper, and the delivered mud is the agitator. It is characterized in that it is stirred.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 이수혼합시스템(Mud Control System)의 모델링은, 분체(Bulk)를 저장 및 운송하기 위한 서지탱크(Surge tank)와, 이수(Mud)를 만들기 위한 이수저장탱크(Mud storage tank)와, 이수 혼합 시 교반을 위한 교반탱크(Agitation tank)와, 각 재료의 운송을 제어하기 위한 게이트밸브(Gate Valve) 및 제트펌프(Jet Pump)에 대한 모델링이 실시되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, modeling of the mud control system is a surge tank for storing and transporting bulk, and mud storage for making mud. Modeling of a mud storage tank, an agitation tank for stirring when mixing water, and a gate valve and a jet pump to control the transport of each material characterized.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기반의 모델을 구축하기 플랫폼(Platform)은, 소프트웨어(S/W)와 하드웨어(H/W)로 구성되되, MATLAB/Simulink를 사용한 상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 모델은 HIL Simulator에 탑재되며, 제어기의 제어신호와 상기 HIL Simulator 간의 Input/Output 데이터들은 통신 인터페이스를 거쳐 상기 제어기와 통신하도록 구성되고, 또한, 통신 시뮬레이션 모델의 실시간 구현을 위해서는 LabVIEW와 VeriStand를 사용하고, 통합제어 시뮬레이션 대상 시스템인 상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템 간의 통신을 위해서는 OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture) 기반으로 구현되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the platform for building the HILS (Hardware In the Loop Simulation)-based model is composed of software (S/W) and hardware (H/W), MATLAB/ The model of the powder transport system and the mixed water mixing system using Simulink is mounted on the HIL Simulator, and the input/output data between the control signal of the controller and the HIL Simulator is configured to communicate with the controller through the communication interface, and the communication simulation It is characterized in that LabVIEW and VeriStand are used for real-time implementation of the model, and OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) is used for communication between the powder transport system, which is the target system for integrated control simulation, and the mixed water mixing system.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션을 위한 HILS 기반의 모델 구축은, Bulk to Bulk 이송과 Bulk to Surge 이송 시나리오를 통해 상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템 장비들의 성능 검증이 가능한 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the HILS-based model construction for the integrated control simulation of the powder transport system and the mixed water mixing system is performed by mixing the powder transport system and the mixed water through the Bulk to Bulk transport and Bulk to Surge transport scenarios. It is characterized in that it is possible to verify the performance of the system equipment.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 테스트 시나리오에 따른 HILS 검증 방법은, 제어기인 PLC(Programmable Logic Controller)에 탑재되어있는 HMI(Human Machine Interface)를 통하여 상기 이수혼합시스템의 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 제어신호는 PLC(Programable Logic Control)를 거쳐 Ethernet 통신을 이용하여 PXI를 거쳐 HIL Simulator에 있는 NI OPC Sever로 전달되며, 상기 전달받은 제어 신호를 바탕으로 HIL Simulator의 모델들의 구동 및 상기 구동 결과를 다시 Ethernet 통신으로 PXI를 거쳐 PLC로 전달되는 Loop 동작이 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the HILS verification method according to the test scenario generates a control signal of the water mixture system through a Human Machine Interface (HMI) mounted on a PLC (Programmable Logic Controller), which is a controller, and , the generated control signal is transmitted to the NI OPC Server in the HIL Simulator via PXI using Ethernet communication via PLC (Programmable Logic Control), and based on the received control signal, the models of the HIL Simulator are driven and the It is characterized in that the loop operation is performed in which the driving result is transferred back to the PLC via PXI via Ethernet communication.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.The integrated control simulation method of the HILS-based powder transfer system and the dihydrogen mixing system according to a preferred embodiment of the present invention can expect the following effects.
시추 작업에 사용되는 분체이송시스템과 이수혼합시스템에 대한 HILS 기반의 테스트 시나리오를 통해 실제 운영 장비들에 대한 성능 검증이 가능함으로써,As it is possible to verify the performance of the actual operating equipment through the HILS-based test scenario for the powder transfer system and the water mixing system used in drilling work,
(1) 본 발명은, 통합된 HILS 모델과 실증 시운전 데이터로 지속적인 시뮬레이션 모델 검증이 가능하기 때문에 실장비 운영 전에 기능테스트가 가능하여 시운전에 따른 비용을 크게 줄이고 장비운영에 따른 유지보수가 용이하며 신뢰성을 확보할 수 있다.(1) In the present invention, since it is possible to continuously verify the simulation model with the integrated HILS model and empirical test run data, functional tests can be performed before the actual equipment operation, which greatly reduces the cost of trial operation and facilitates maintenance and reliability according to equipment operation. can be obtained
(2) 본 발명은, 실제로 수행하기 어렵거나, 위험한 극한 시험조건에 해당하는 시운전 환경과 유사한 랩 테스트가 가능하기 때문에 저비용 반복 테스트를 통한 제어기의 성능 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.(2) The present invention can improve the performance and reliability of the controller through a low-cost repeated test because it is possible to perform a lab test similar to a trial run environment corresponding to an extreme test condition that is difficult or dangerous to actually perform.
(3) 본 발명은, 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 HILS 개발을 통해 해양플랜트의 다양한 설비에 대한 모델링 및 시뮬레이션 적용 방안을 모색하고, 건조/시운전/설치/유지보수 등의 고부가가치 시장진출 및 기자재 국산화율 향상에 기여할 수 있는 독특한 효과가 있다.(3) The present invention seeks a way to apply modeling and simulation to various facilities of an offshore plant through HILS development of a powder transport system and a water mixing system, and enters high value-added markets such as construction/test operation/installation/maintenance, etc. It has a unique effect that can contribute to the improvement of the localization rate of equipment.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 플로워 챠트
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 분체이송시스템의 압력 손실 구성에 대한 개념도
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 분체이송시스템의 압력 손실에 대한 수학적 모델을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 파이프라인에 대한 압력 손실 결과를 나타낸 그래프
도 5는, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 유전자 알고리즘을 이용한 압력 손실 최적화를 나타낸 개략도
도 6은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 이수혼합시스템을 나타낸 도면
도 7은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 HIL 테스트 아키텍처를 구현한 실물사진
도 8은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 HILS Platform 실물사진
도 9는, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 이수혼합시스템 HIL 시뮬레이터 UI를 나타낸 실물사진
도 10은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법에 대한 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합 HILS 모델을 Veristand 2015ver.로 구현한 실물사진1 is a flow chart for an integrated control simulation method of a HILS-based powder transport system and a water mixing system according to a preferred embodiment of the present invention;
2 is a conceptual diagram of a pressure loss configuration of a powder transport system for an integrated control simulation method of a HILS-based powder transport system and a water mixing system according to a preferred embodiment of the present invention;
3 is a view showing a mathematical model for the pressure loss of the powder transport system for the integrated control simulation method of the HILS-based powder transport system and the mixed water mixing system according to a preferred embodiment of the present invention;
4 is a graph showing the pressure loss results for the pipeline for the integrated control simulation method of the HILS-based powder conveying system and the mixed water mixing system according to a preferred embodiment of the present invention;
5 is a schematic diagram illustrating pressure loss optimization using a genetic algorithm for an integrated control simulation method of a HILS-based powder transport system and a water mixture system according to a preferred embodiment of the present invention;
6 is a view showing a dihydrate mixing system for an integrated control simulation method of a HILS-based powder transport system and a dihydrate mixing system according to a preferred embodiment of the present invention;
7 is a real photograph of realizing the HIL test architecture of the powder transport system and the mixed water mixing system for the HILS-based powder transport system and the integrated control simulation method of the water mixture system according to the preferred embodiment of the present invention.
8 is a real photograph of the HILS Platform for the integrated control simulation method of the HILS-based powder transport system and the mixed water mixing system according to a preferred embodiment of the present invention.
9 is a real photo showing the HIL simulator UI for the mixed water mixing system for the integrated control simulation method of the HILS-based powder transport system and the mixed water mixing system according to a preferred embodiment of the present invention.
10 is a real photograph of the integrated HILS model of the powder conveying system and the mixed water mixing system for the integrated control simulation method of the HILS-based powder conveying system and the mixed water mixing system in Veristand 2015 ver. according to a preferred embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even though they are indicated on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법은 다음과 같다.1 to 10 , an integrated control simulation method of a HILS-based powder transport system and a water mixing system according to a preferred embodiment of the present invention is as follows.
먼저, 도 1 및 2를 참조하여, 본 발명의 실시 예에서는 분체이송시스템(Bulk transfer system)에서 문제가 되는 관 막힘을 예방하는 파이프라인(Pipeline)의 압력 손실 성능에 대한 수학적 모델링 및 시뮬레이션을 수행하는 제1 단계를 갖는다.First, with reference to FIGS. 1 and 2, in an embodiment of the present invention, mathematical modeling and simulation are performed on the pressure loss performance of a pipeline that prevents clogging, a problem in a bulk transfer system. has a first step.
여기서 상기 분체이송시스템(Bulk transfer system)은, 플랜트나 공장에서 원재료나 제품 등의 분입체를 일정한 파이프 내에 생성된 공기 압력을 이용하여 멀리 이송시키는 기술 및 설비를 말한다. 분체이송시스템은 이송방식의 특성에 따라 저압고속(Dilute-phase)과 고압저속(Dense-phase) 방식으로 구분되며, 이송하고자 하는 원료 및 제품의 물리적, 화학적 특성에 의해 결정되게 된다. 저압고속 방식의 경우 재료 이송속도가 높아 이송원료가 깨지거나 마찰에 의한 마모로 어느 정도의 에너지 손실을 갖지만 시스템의 운용 측면에서 예측의 정확성과 높은 신뢰성을 갖는다. 고압저속은 이동속도는 낮으나 부하를 높일 수 있어 효율적인 이송이 가능하고 마찰에 의한 마모손실이 적어 고마모성 재료의 원거리 이동에 적합하다.Here, the bulk transfer system refers to a technology and equipment for transferring powder particles such as raw materials or products away from a plant or factory by using air pressure generated in a predetermined pipe. The powder conveying system is divided into a low-pressure high-speed (dilute-phase) and a high-pressure low-speed (dense-phase) type according to the characteristics of the conveying method, and it is determined by the physical and chemical characteristics of the raw material and product to be conveyed. In the case of the low-pressure and high-speed method, the material conveying speed is high, so the conveyed material is broken or there is a certain amount of energy loss due to frictional wear, but it has the accuracy and high reliability of prediction in terms of the operation of the system. High pressure and low speed have low moving speed, but can increase load, so efficient transport is possible, and wear loss due to friction is small, so it is suitable for long-distance movement of high-wear materials.
따라서 본 발명의 실시 예에서는 저압저속(Dilute-phase) 방식을 적용하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행한다.Therefore, in the embodiment of the present invention, modeling and simulation are performed by applying a low-pressure and low-speed (dilute-phase) method.
먼저 도 2를 참조하여, 저압고속(Dilute-phase) 이송방식의 압력 손실 성능은 몇 개의 주요 특성성분으로 구성되며, 이러한 각 압력 손실 성분의 총합이 설계 요구 가스압력이 된다. 각 압력 손실 성분을 보다 상세히 분류하면 (1) Air alone pressure drop(
(1) Air alone pressure drop(
식 (1)은 수평원관 손실수두를 나타내며 파이프라인 내부의 압력 손실은 Dracy 식에 의해 일반화한다.Equation (1) shows the loss head of the horizontal pipe, and the pressure loss inside the pipeline is generalized by the Dracy equation.
여기서 상기 
이때 대표적인 이송가스인 공기와 질소의 밀도와 점성계수는 공기의 온도에 따라 변하므로 이를 다음과 같이 고려한다.At this time, the density and viscosity coefficient of air and nitrogen, which are representative transport gases, change depending on the temperature of the air, so consider them as follows.
기점성계수 : 
질소점성계수 : 
여기서 상기 
(2) Acceleration pressure drop(
고체는 몇몇 공급 장치 형태 위의 Bunker에 쌓이게 된다. 공급 장치의 유동은 다양한 유동비율과 압력에 의해 제공된 주요 이송자이다. 대기압에 Bunker에 쌓인 고체는 기본적으로 움직이지 않으며 유동가스에 의해 도입된다. 모멘텀(Momentum)의 급격한 변화는 고압력 손실을 유발한다. 수평 파이프라인의 길이는 입자가 정지상태에서 몇몇 평균 이송 속도까지 가속할 수 있도록 충분히 제공된다. 여기서 가속 존과 연관된 가속 압력 손실이 있다.The solids are deposited in a bunker on some form of feeder. The flow of the feeder is the main carrier provided by the various flow rates and pressures. The solid accumulated in the bunker at atmospheric pressure is basically immobile and is introduced by the flowing gas. A sharp change in momentum causes a loss of high pressure. The length of the horizontal pipeline is sufficient to allow the particles to accelerate from rest to some average transport rate. Here there is an accelerating pressure loss associated with the accelerating zone.
여기서 상기 c는 Particle velocity, 
(3) Additional pressure loss due to presence of solids(
분체이송 시 분체 자체의 추가적인 압력 손실이 있다. 특히, 파이프라인 내부의 벽과의 마찰로 인해 이송가스의 유동에 연관된 압력 손실이 있다.There is an additional pressure loss of the powder itself during powder transfer. In particular, there is a pressure loss associated with the flow of the conveying gas due to friction with the walls inside the pipeline.
여기서 상기 
(4) The lift pressure loss(
수직 파이프라인의 유동하는 분체의 입자는 수평 파이프라인에서 요구하는 Saltation velocity와는 달리 추가적 입자의 크기 및 속도, 파이프라인의 길이에 따라 작용하는 중력에 따른 압력 손실이 고려된다.Unlike the saltation velocity required in the horizontal pipeline, the particles of the powder flowing in the vertical pipeline consider the pressure loss due to gravity acting according to the size and velocity of the additional particles and the length of the pipeline.
여기서 상기 
(5) Bend pressure loss(
굴곡부의 너무 크게 휘어진 각에 의해 Suspension velocity는 상당히 감소될 것이다. 따라서 파이프라인의 Bend 각에 따라 이러한 분체 집중의 현상에 의해 압력 손실이 고려된다.Suspension velocity will be significantly reduced by too large a curvature angle of the flexure. Therefore, the pressure loss is considered by this phenomenon of powder concentration according to the bend angle of the pipeline.
여기서 상기 
(6) 분체이송시스템의 압력 손실 시뮬레이션(6) Pressure loss simulation of powder conveying system
본 발명의 실시 예에 따른 분체이송시스템의 시뮬레이션은, 앞서 정의한 압력 손실에 대한 수학적 모델링을 바탕으로 하여, 파이프라인의 제원과 Input 압력에 따른 압력 손실 결과를 확인한 후, HIL(Hardware In the Loop) 기반으로는 MATLAB/Simulink를 통해 시뮬레이션을 실시하였다.The simulation of the powder transport system according to an embodiment of the present invention is based on the mathematical modeling of the pressure loss defined above, after confirming the pressure loss result according to the specifications of the pipeline and the input pressure, HIL (Hardware In the Loop) Based on the simulation, MATLAB/Simulink was used.
또한, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분체이송시스템의 압력 손실 모델로서, 파이프라인의 제원과 Inlet 압력에 따라 압력 손실을 Case 별로 수학적 모델링을 바탕으로 시뮬레이션을 실시하였으며, 자세한 input 사양은 Table 1과 같다.In addition, Figure 3 is a pressure loss model of the powder transport system according to an embodiment of the present invention, the pressure loss according to the specifications of the pipeline and the inlet pressure was simulated based on mathematical modeling for each case, detailed input specifications are shown in Table equal to 1.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시뮬레이션 모델을 활용한 분체이송시스템의 전체 파이프라인(Pipe line)에 대한 압력 손실 결과를 나타낸다. Figure 4 shows the pressure loss results for the entire pipeline (Pipe line) of the powder transport system using the simulation model according to the embodiment of the present invention.
도 4에서 보는 바와 같이, Air booster의 역할은 배제하고 시뮬레이션을 수행하였으며, 압축기(Compressor)에서 공급하는 Input pressure가 3.8bar로 시작하여 수직 파이프 구간에서 급격히 감소되고, 그 이후 수평 및 곡간부 부분에서 비교적 조금씩 감소되어 1.14bar 손실이 발생하여 결과적으로 2.66bar의 Outlet pressure가 나타나는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 4 , the simulation was performed excluding the role of the air booster, and the input pressure supplied from the compressor started at 3.8 bar and rapidly decreased in the vertical pipe section, and thereafter in the horizontal and grain section parts. It can be seen that the outlet pressure of 2.66 bar appears as a result of a loss of 1.14 bar due to a relatively small decrease.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 분체이송시스템(Bulk transfer system)에서 문제가 되는 관 막힘을 예방하는 파이프라인(Pipeline)의 압력 손실 성능에 대한 수학적 모델링 및 시뮬레이션은 앞서 구한 시뮬레이션 결과 값과 시험데이터와의 비교 검증을 수행할 수 있는 특징이 있다.As such, the mathematical modeling and simulation of the pressure loss performance of the pipeline that prevents the pipe clogging, which is a problem in the bulk transfer system according to the embodiment of the present invention, is the simulation result value and the test obtained above. There is a feature that can perform comparison verification with data.
또한, 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에서는 상기 분체이송시스템(Bulk transfer system)에는 압력 손실 영향으로 인한 관 막힘이나 장비의 손상 등을 예방하기 위한 압력 손실 보충용으로 에어부스터(Air Booster)가 수직배열로 다수개가 설치되며, 상기 에어부스터에 대해서는 유전자 알고리즘(Genetic algorithm)을 적용하여 압력 손실을 최적화하는 단계가 더 포함한다. In addition, referring to Figure 5, in another embodiment of the present invention, the powder transfer system (Bulk transfer system) is an air booster (Air Booster) for replenishing pressure loss to prevent pipe blockage or damage to equipment due to the effect of pressure loss. ) is installed in a vertical arrangement, and the step of optimizing the pressure loss by applying a genetic algorithm to the air booster is further included.
다시 말해서, 상기 분체이송시스템(Bulk transfer system)의 압력 손실을 보충하기 위해서는 다수개의 에어부스터(Air Booster)가 수직배열로 설치되며, 상기 에어부스터를 통해 압력 손실이 심한 수직 파이프 구간에 대한 압력 손실을 최소화하며, 에어부스터의 설치 개수와 간격 등을 최적화하기 위해서는 MATLAB/Simulink 2019b / Global Optimization Toolbox을 통한 유전자 알고리즘을 적용하여 압력 손실을 최적화시킨다.In other words, in order to compensate for the pressure loss of the bulk transfer system, a plurality of air boosters are installed in a vertical arrangement, and the pressure loss for the vertical pipe section where the pressure loss is severe through the air booster In order to optimize the number and spacing of the air boosters, the pressure loss is optimized by applying a genetic algorithm through MATLAB/Simulink 2019b / Global Optimization Toolbox.
다음은, 도 1 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 예에서는 상기 분체이송시스템(Bulk transfer system)과 연결되는 이수혼합시스템(Mud control system)의 모델링 및 시뮬레이션을 수행하는 제2 단계를 갖는다.Next, with reference to FIGS. 1 and 6 , in an embodiment of the present invention, a second step of modeling and simulation of a mud control system connected to the bulk transfer system is performed. .
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 에에 따른 이수혼합시스템(Mud Control System)은, 상기 분체이송시스템(Bulk transfer system)의 후단에 연결되어 설치되며, 분체이송시스템에서 이송된 분체를 서지탱크(Surge tank)에 보관하고 이수펌프나 혼합호퍼(Mud mixing hopper) 등을 거쳐 최종적으로 이수저장탱크(Mud Storage tank)와 이수액티브탱크(Mud active tank)로 머드(Mud)가 전달되며, 상기 전달된 머드는 교반기(Agitator)에서 교반되는 기술적 구성을 갖는다.6, the mud control system according to an embodiment of the present invention is installed connected to the rear end of the bulk transfer system, and the powder transferred from the powder transfer system is stored in a surge tank ( The mud is stored in the surge tank and finally delivered to the mud storage tank and the mud active tank through a mud mixing pump or a mud mixing hopper, and the delivered The mud has a technical configuration that is stirred in an agitator.
여기서 상기 이수혼합시스템(Mud Control System)의 이수(Mud)는, 해양 시추에 사용되는 액체상의 현탁액인 드릴링 유체(Drilling fluid)이며, 굴진과정에서 생긴 암편을 제거하고 시추공의 압력을 제어하는 등의 많은 역할을 수행한다.Here, the mud of the mud control system is a drilling fluid, which is a liquid suspension used for offshore drilling, and removes debris generated in the excavation process and controls the pressure of the borehole. It plays many roles.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 이수혼합시스템(Mud control system)의 모델링은 다음과 같다.In addition, modeling of a mud control system according to an embodiment of the present invention is as follows.
이수 혼합을 위해서는 앞서 이수혼합시스템의 구성에서 보는 바와 같이, 우선 분체(Bulk)를 저장 및 운송하기 위한 (1)서지탱크(Surge tank)와 이수(Mud)를 만들기 위한 (2)이수저장탱크(Mud storage tank), 이수 혼합 시 교반을 위한 (3)교반탱크(Agitation tank)에 대한 모델링을 수행하였다. 그리고 각 재료의 운송을 제어하기 위한 (4)게이트밸브(Gate Valve)와 (5)제트펌프(Jet Pump)에 대한 모델링 역시 필요하다.For mixing with water, as shown in the configuration of the above-mentioned water mixing system, (1) surge tank for storing and transporting bulk and (2) water storage tank for making mud. Mud storage tank) and (3) agitation tank for agitation when mixing water was modeled. And modeling of (4) Gate Valve and (5) Jet Pump to control the transport of each material is also required.
(1) 서지탱크(Surge tank) 모델링(1) Surge tank modeling
상기 서지탱크는 분체를 저장하는 분체저장탱크(Bulk storage tank)이며, 분체(Bulk)의 경우 고체이므로 고체 흐름의 가장 간단한 아날로그는 시스템을 동등한 액체상황과 비교하는 것이며, 공압식 운송에서는 질량(Mass)의 일정한 유량을 제공하는 데 초점을 두어야 하므로, 
여기서, 
출력을 일정하게 유지하는 방법은 피더에 기준 레벨을 설정하고 탱크 압력을 일정하게 유지하는 것이다. 탱크의 분체 수준 또는 양을 지속적으로 측정가능하다.The way to keep the output constant is to set a reference level in the feeder and keep the tank pressure constant. It is possible to continuously measure the level or amount of powder in the tank.
여기서 
이것은 사용할 수 있는 제어 유형 중 하나이다. 이 시점에서 다양한 제어 체계가 분석에 통합 될 수 있습니다. 기본 미분 방정식 (17)은 생산량으로 표현가능하고This is one of the types of control available. At this point, various control schemes can be incorporated into the analysis. The basic differential equation (17) can be expressed in terms of output and
라플라스 변환으로 표현하면, 아래 식으로 표현가능하다.Expressed in Laplace transform, it can be expressed by the following equation.
공압식 운송에서 일반적으로 사용되는 또 다른 설정은 액체 시스템에서 블로우 탱크 배열과 같은 아날로그를 거의 사용하지 않는다. 분체와 같은 고체를 갖는 블로우 탱크(Blow tank) 또는 전달 탱크(Transfer tank)는 파이프라인 내로 그리고 파이프라인을 통해 고체를 이송하기 위해 가압될 수 있다.Another setup commonly used in pneumatic transport uses few analogs, such as blow tank arrangements in liquid systems. A blow tank or transfer tank with solids such as powders may be pressurized to transport the solids into and through the pipeline.
따라서 분체(Bulk)와 같은 고체의 물질수지(Balance of solids)는 아래와 같이 표현될 수 있다.Therefore, the balance of solids such as bulk can be expressed as follows.
또한, 유량 측정계를 통해 출력 유량을 지속적으로 측정하면 오류 신호를 다음과 같이 설정할 수 있다.In addition, if the output flow rate is continuously measured through the flow meter, the error signal can be set as follows.
또한, 탱크에서의 출력 유량은 장치의 질량 양과 적용된 압력에 따라 다르기 때문에 이 현상에 선형 조합을 사용하면 아래와 같이 표기된다.Also, since the output flow rate in the tank depends on the mass amount of the device and the applied pressure, using a linear combination for this phenomenon, it is written as:
또한, 탱크의 압력은 아래와 같은 비례 제어에 의해 오류 신호와 관련될 수 있다.Also, the pressure in the tank can be related to the error signal by proportional control as follows.
따라서 위 표현을 결합하면, 아래와 같이 정리된다.So, combining the above expressions, we get:
그리고 라플라스 변형을 적용하면 다음과 같이 표현된다.Then, applying the Laplace transform, it is expressed as:
여기서 s는 라플라스 변환 표기임을 나타낸다.Here, s denotes the Laplace transform notation.
(2) 이수저장탱크(Mud storage tank) 모델링(2) Mud storage tank modeling
상기 이수저장탱크(Mud storage tank)는, 이수(mud) 자체가 액체이므로 액체저장탱크(Liquid storage tank)이며, 액체 공정 모델은 일련의 미분방정식과 대수방정식들로 이루어지므로 물질수지식은 질량 보존의 법칙에 따라 유출량 
또한, 시간에 따른 유입량은 
그런데, 
만약, 밀도 
이고, 
따라서 정리하면 식(29)으로 표현할 수 있다.Therefore, in summary, it can be expressed as Equation (29).
(3) 교반탱크(Agitation tank) 모델링(3) Agitation tank modeling
교반 시스템에서 유입액의 유량은 
또한, 시간에 따른 유입 물질량은 
으로 주어진다.is given as
또한, 기준온도를 
여기서, 상기 
으로 표현이 가능하다. 여기서, 식(32)을 이용하면can be expressed as Here, using Equation (32),
으로 다시 표현할 수 있다. 위의 관계와 식 (33)로부터can be expressed again as From the above relation and equation (33)
으로 표현 된다. 식(34)는 서로 다른 변수들인 
으로 표현이 가능하고, 위에서 아래첨자 s는 정상상태를 의미한다. 편차변수를 이용하면It can be expressed as , and the subscript s above means the steady state. Using the variance variable
으로 표현이 가능하다.can be expressed as
교반 특성에서 중요한 한 가지는, 혼합 시간(Mixing time)이고 물질이 액체와 원하는 혼합 상태로 혼합되는데 걸리는 시간을 혼합 시간이라고 한다. 또한 원하는 농도를 결정하는 것뿐만 아니라 농도의 변동을 인식하고 허용 된 변동의 적절한 최대값을 선택하는 것이 중요하다.One important thing in the stirring properties is the mixing time, and the time it takes for a substance to be mixed with a liquid into a desired mixing state is called mixing time. It is also important not only to determine the desired concentration, but also to be aware of fluctuations in concentration and to choose an appropriate maximum of allowed fluctuations.
혼합 시간과 혼합도(Mixedness)를 측정하는 일반적인 방법은 농도 변동의 척도인 변동 계수(
여기서, 
혼합도는 
또한, 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시 예에서는 상기 분체이송시스템(Bulk Transfer System)과 이수혼합시스템(Mud Control System)의 통합제어 시뮬레이션을 위한 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기반의 모델을 구축하는 제3 단계를 갖는다.In addition, referring to FIG. 2, in an embodiment of the present invention, a HILS (Hardware In the Loop Simulation)-based model for the integrated control simulation of the bulk transfer system and the mud control system There is a third step of building.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기반의 모델을 구축하기 위해서는, 제어기의 제어신호와 I/O와 HIL Simulator I/O 간의 신호전달을 위한 인터페이스 모델과 장비, HIL Simulator, 제어기를 이용하여 HILS 플랫폼이 요구된다.In order to build the HILS (Hardware In the Loop Simulation)-based model according to an embodiment of the present invention, an interface model and equipment for transferring a control signal of a controller and I/O and a signal between HIL Simulator I/O, HIL Simulator , a HILS platform using a controller is required.
따라서 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서는 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합 HILS 모델과 시뮬레이션 결과를 기반으로 National Instrument PXI, PLC 그리고 PC Simulator를 연동하여 아날로그 및 디지털 신호를 통한 기본적인 데이터 송수신 테스트를 위한 시스템 아키텍처를 구성하였다.Therefore, referring to FIG. 7 , in the embodiment of the present invention, basic data transmission and reception through analog and digital signals by linking National Instrument PXI, PLC, and PC Simulator based on the integrated HILS model and simulation results of the powder transport system and the dihydrogen mixing system A system architecture for testing was constructed.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션을 위한 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기반의 모델 구축을 하는 이유는, SILO Tank, Surge Tank, Pressure Sensor, “On”/“Off” Valve, Purge Valve 동작 및 성능 검증에 중점을 두고 테스트를 실시함으로써, “Bulk to Bulk” 이송, Bulk to Surge 이송 시나리오를 통해 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 장비들의 HILS 성능 검증의 수행이 가능하다.The reason for building a HILS (Hardware In the Loop Simulation)-based model for the integrated control simulation of the powder transport system and the water mixing system according to an embodiment of the present invention is SILO Tank, Surge Tank, Pressure Sensor, “On” / By conducting tests focusing on “Off” valve and purge valve operation and performance verification, “Bulk to Bulk” transfer and Bulk to surge transfer scenarios perform HILS performance verification of the equipment of the powder transfer system and water mixing system This is possible.
또한, 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 HILS Platform은, 소프트웨어(S/W)와 하드웨어(H/W) 요소로 나누어 구성된다.In addition, referring to FIG. 8 , the HILS Platform of the powder transport system and the water mixture system according to the embodiment of the present invention is divided into software (S/W) and hardware (H/W) elements.
즉, MATLAB/Simulink를 사용한 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 모델을 HIL simulator에 탑재하고 Input/Output 데이터들은 통신 인터페이스를 거쳐 제어기와 통신하도록 구성된다. 또한 통신 시뮬레이션 모델의 실시간 구현을 위해서는 National Instrument의 LabVIEW와 VeriStand를 사용하고, 제어 대상 시스템인 분체이송시스템과 이수혼합시스템 간의 통신을 위해서는 OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture) 기반으로 구현하였다.That is, the models of the powder transfer system and the mixed water mixing system using MATLAB/Simulink are mounted on the HIL simulator, and the input/output data is configured to communicate with the controller through the communication interface. In addition, LabVIEW and VeriStand of National Instruments were used for real-time implementation of the communication simulation model, and OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) was implemented for communication between the control target system, the powder transport system and the mixed water system.
또한, 하드웨어 요소는 지멘스 PLC 검증을 위해 NI PXIe-8135으로 구현하고, 이더넷(Ethernet) 통신을 포함한 아날로그 신호 및 디지털 신호의 양방향 통신이 가능하도록 I/O 인터페이스를 구성하였다.In addition, the hardware element is implemented with NI PXIe-8135 for Siemens PLC verification, and the I/O interface is configured to enable bidirectional communication of analog and digital signals including Ethernet communication.
그리고 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에서는 Veristand 2015를 이용하여 구성한 HIL Simulator UI(User Interface)를 나타내며, UI는 분체 이송 시스템의 Tank level과 Pressure을 확인할 수 있도록 구성하였으며, 최종적으로 이수혼합시스템의 이수의 농도(Density)를 확인할 수 있도록 구성하였다.And, referring to FIG. 9 , in the embodiment of the present invention, the HIL Simulator UI (User Interface) configured using Veristand 2015 is shown, and the UI is configured to check the tank level and pressure of the powder transport system, and finally, mixed water. It was configured so that the density of the syneresis of the system could be confirmed.
마지막으로, 도 1과 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제3 단계의 구축된 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 모델을 기반으로 상기 이수혼합시스템(Mud Control System)의 테스트 시나리오에 따른 HILS 검증을 수행하는 제4 단계를 갖는다.Finally, with reference to FIGS. 1 and 9 and 10 , in an embodiment of the present invention, based on the hardware in the loop simulation (HILS) model constructed in the third step, the mud control system and a fourth step of performing HILS verification according to the test scenario.
상기 구축된 HILS 모델을 기반으로 상기 이수혼합시스템의 테스트 시나리오에 따른 HILS 검증 방법은 다음과 같다.The HILS verification method according to the test scenario of the dihydrogen mixture system based on the constructed HILS model is as follows.
먼저, 제어기인 PLC(Programmable Logic Controller)에 탑재되어있는 HMI(Human Machine Interface)를 통하여 이수혼합시스템의 제어신호를 생성한다.First, a control signal of the water mixture system is generated through the HMI (Human Machine Interface) mounted on the PLC (Programmable Logic Controller), which is a controller.
다음은, 상기 생성된 제어신호는 PLC를 거쳐 Ethernet 통신을 이용하여 PXI를 거쳐 HIL Simulator에 있는 NI OPC Sever로 전달된다.Next, the generated control signal is transmitted to the NI OPC Server in the HIL Simulator through PXI using Ethernet communication via PLC.
또한, 상기 전달받은 제어 신호를 바탕으로 HIL Simulator의 각 모델이 구동된다.In addition, each model of the HIL Simulator is driven based on the received control signal.
그리고 상기 수행된 모델들의 구동 결과를 다시 Ethernet 통신으로 PXI를 거쳐 PLC로 전달된다.Then, the driving results of the executed models are again transmitted to the PLC via PXI via Ethernet communication.
이러한 루프(Loop) 동작은 제어기가 실제 하드웨어 장비들을 실제장비 없이도 제어기의 성능을 시험, 검증, 평가할 수 있으며, 실제로 수행하기 어려운 시험 조건을 저비용 반복 수행이 가능하다. 분체이송시스템과 이수혼합시스템 구성품의 스펙은 Table 2에 나타내었다.This loop operation allows the controller to test, verify, and evaluate the performance of the controller without actual hardware equipment, and it is possible to repeatedly perform test conditions that are difficult to perform at low cost. Table 2 shows the specifications of the components of the powder conveying system and the mixed water mixing system.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 제어기와 HIL Simulator에서 이용된 신호 I/O는 23개로 Table 3 에 나타내었다.In addition, there are 23 signal I/Os used in the controller and the HIL simulator according to the embodiment of the present invention, as shown in Table 3.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 이수혼합시스템(Mud Control System)의 HIL 테스트를 위해 11가지의 시나리오를 설정하여 테스트를 수행하였다. 테스트 시나리오는 Table 4 에 나타내었다.In addition, in the embodiment of the present invention, 11 scenarios were set for the HIL test of the mud control system and the test was performed. The test scenarios are shown in Table 4.
위 Case 3, 4, 5를 제외한 나머지의 경우는 Normal condition에서의 이수 혼합 시스템의 일반적인 구성 요소 확인사항이다. 순서대로 설명하자면, Case 1은 분체 이송 시 압력 손실을 나타내고, Case 2의 경우 이수 혼합 탱크인 액티브 탱크의 교반기 모터 RPM에 따른 이수 혼합 시간과 밀도를 나타낸다. Case 3, 4, 5, 6의 경우 각 탱크의 용량에 맞는 물질들이 채워진 후에 각 탱크의 유입구 밸브 신호들이 자동으로 Off 신호 바뀌는지 여부이다. Case 6, 7, 8, 9의 경우 분체와 물이 각 탱크로의 이송 중 강제로 밸브에 Off 신호를 줄때의 제어기의 반응을 확인한다. Case 11의 경우 비상 정지 시 HMI에서 경고창이 뜨고 시스템 중단 여부를 확인한다. HIL 테스트 시나리오에 따른 결과를 Table 5 에 나타내었다.Except for
위 HIL 테스트 시나리오 1∼11번의 경우 모두가 정상작동을 하는 것을 확인할 수 있다. Case 2번의 경우 HIL simulator의 RPM 조절에 따라 제어기의 교반기 모터의 RPM이 조절되었고 그에 따라 소요 동력과 이수 혼합 시간이 조절되었다. Case 3, 4, 5, 6의 경우 분체와 물이 각각의 탱크로 이송 후 유입구 밸브 신호들이 자동적으로 Off 신호로 전환되고 그에 따라 제어기도 반응 하는 것을 확인하였다. Case 7, 8, 9, 11의 경우 분체와 물이 이송 각각의 탱크로 이송 중에 강제로 밸브 신호를 Off로 뒀을 경우 HMI에 나타난 벨브들의 신호가 Off로 바뀌고 이에 따라 제어기도 반응하는 것을 확인할 수 있다.It can be seen that all of the above HIL test scenarios 1 to 11 operate normally. In
또한, HIL 테스트 시나리오 중 Case 11에서 이상동작을 확인할 수 있는데, Case 11의 경우 HIL simulator에서 비상 정지 버튼을 눌렀을 때 제어기의 HMI에서 알람경고는 떴으나 분체와 물의 이송은 계속되었다.Also, an abnormal operation can be confirmed in Case 11 of the HIL test scenarios. In Case 11, when the emergency stop button was pressed in the HIL simulator, an alarm warning appeared on the HMI of the controller, but the transfer of powder and water continued.
이처럼 HIL 테스트를 이용하면 실제 환경에서 테스트하기 불가능(극한시험, 돌출변수 등)한 환경을 손쉽게 구축이 가능하며 컴퓨터 기반의 시뮬레이션을 통하여 반복 실험을 추가비용 없이 수행할 수 있는 특징이 있다.As such, by using HIL tests, it is possible to easily build an environment that is impossible to test in the real environment (extreme tests, salient variables, etc.)
또한 본 발명의 실시 예에서는 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합된 HILS 모델을 기반으로 HIL 테스트 플랫폼을 구축 하였으며, 특히 P-Tank, Surge Tank, Active tank, Water tank, Gate valve, Agitator motor 등의 동작 및 성능 검증에 중점을 두고 테스트를 실시한 바, 다양한 시나리오를 통해 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 HILS 성능 검증을 추가 비용 없이 반복 수행이 가능함을 확인할 수 있었다.In addition, in the embodiment of the present invention, a HIL test platform was built based on the integrated HILS model of the powder transport system and the water mixing system. In particular, the P-Tank, Surge Tank, Active tank, Water tank, Gate valve, Agitator motor, etc. The tests were conducted focusing on the operation and performance verification, and it was confirmed that the HILS performance verification of the powder transfer system and the water mixture system can be repeatedly performed at no additional cost through various scenarios.
도 11은 본 발명의 실시 예에서 구축한 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합된 HILS 모델을 Veristand 2015ver.으로 구현한 것을 나타낸다.11 shows the implementation of the integrated HILS model of the powder transport system and the mixed water mixing system constructed in the embodiment of the present invention in Veristand 2015ver.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 HILS 기반의 분체이송 시스템과 이수혼합 시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법은 분체이송시스템에서 문제되는 관 막힘을 예방하는 파이프라인의 압력 손실에 대한 수학적 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였고, 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 구성요소를 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였으며, 이에 따라 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합 HILS 모델을 구축하였다. 그리고 구축된 HILS 모델을 기반으로 테스트 시나리오에 따른 HILS 검증을 수행하는 방법을 구현함으로써, 해양 시추에 적용되는 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 HILS 개발을 통해 해양플랜트의 다양한 설비에 대한 모델링 및 시뮬레이션 적용 방안을 모색할 수 있으며, 실제로 수행하기 어렵거나 위험한 극한 시험조건에 해당하는 테스트를 사전에 수행 가능할 뿐만 아니라, 저비용 반복 테스트를 통한 시운전에 따른 비용을 크게 줄이고 장비 운영에 따른 유지보수가 용이하며 제어기의 신뢰성을 확보할 수 있는 독특한 특징이 있다.As described above, the method for simulating the integrated control of the HILS-based powder transport system and the water mixture system according to a preferred embodiment of the present invention is a mathematical modeling and simulation of the pressure loss in the pipeline that prevents the pipe clogging, which is a problem in the powder transport system. and modeling and simulation of the components of the powder conveying system and the mixed water mixing system. Accordingly, an integrated HILS model of the powder conveying system and the mixed water mixing system was constructed. And by implementing the method of performing HILS verification according to the test scenario based on the established HILS model, modeling and simulation applied to various facilities of offshore plants through the development of HILS for the powder transfer system and water mixing system applied to offshore drilling In addition to being able to conduct tests corresponding to extreme test conditions that are difficult or dangerous to actually perform in advance, the cost of commissioning is greatly reduced through low-cost repetitive tests, and maintenance is easy according to equipment operation and controller There are unique features that can secure the reliability of
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (11)
상기 분체이송시스템과 연결되는 이수혼합시스템(Mud Control System)의 구성요소를 모델링 및 시뮬레이션을 수행하는 제2 단계와;
상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션을 위한 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기반의 모델을 구축하는 제3 단계와;
상기 구축된 HILS 모델을 기반으로 하여 상기 이수혼합시스템의 테스트 시나리오에 따른 HILS 검증을 수행하는 제4 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.
A first step of performing mathematical modeling and simulation of the pressure loss performance of the pipeline (Pipeline) to prevent clogging, a problem in the powder transfer system (Bulk Transfer System);
a second step of modeling and simulating components of a mud control system connected to the powder transport system;
a third step of building a HILS (Hardware In the Loop Simulation)-based model for integrated control simulation of the powder transport system and the mixed water mixing system;
The integrated control simulation method of the HILS-based powder transport system and the dihydrate mixing system, characterized in that it includes a fourth step of performing HILS verification according to the test scenario of the dihydrate mixed system based on the built-up HILS model.
상기 분체이송시스템은, 상기 파이프라인의 압력 손실을 보충하기 위해 다수개의 에어부스터(Air Booster)가 수직배열로 설치되는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.
According to claim 1,
The powder conveying system is an integrated control simulation method of the HILS-based powder conveying system and the mixed water mixing system, characterized in that a plurality of air boosters are installed in a vertical arrangement to compensate for the pressure loss of the pipeline.
상기 분체이송시스템은, 상기 파이프라인의 압력 손실을 보충하기 위해 수직 파이프 구간에만 다수개의 에어부스터가 설치되는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.
According to claim 1,
The powder conveying system, the integrated control simulation method of the HILS-based powder conveying system and the water mixing system, characterized in that a plurality of air boosters are installed only in the vertical pipe section to compensate for the pressure loss of the pipeline.
상기 분체이송시스템(Bulk Transfer System)은, 상기 파이프라인의 압력 손실을 보충하는 다수개의 에어부스터가 설치되는 개수 및 간격을 최적화시키기 위해서는 MATLAB/Simulink/Global Optimization Toolbox을 통한 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)이 적용되는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.
According to claim 1,
The powder transfer system (Bulk Transfer System) is a genetic algorithm (Genetic Algorithm) through MATLAB / Simulink / Global Optimization Toolbox in order to optimize the number and interval in which a plurality of air boosters are installed to compensate for the pressure loss of the pipeline. Integrated control simulation method of HILS-based powder transfer system and water mixing system, characterized in that it is applied.
상기 분체이송시스템은, 저압저속(Dilute-phase) 방식을 적용하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행하되,
상기 파이프라인 내부의 수평원관 손실수두에 따른 압력 손실을 모델링하는 Air alone pressure drop(
상기 파이프라인 내부의 분체(Bulk)에 대한 가속 존과 연관된 가속 압력 손실을 모델링하는 Acceleration pressure drop(
상기 파이프라인 내부 벽과의 마찰로 인해 이송가스의 유동에 연관된 압력 손실을 모델링하는 Additional pressure loss due to presence of solids(
상기 파이프라인 내부의 분체 입자의 크기와 속도, 파이프라인 길이에 따라 작용하는 중력에 따른 압력 손실을 모델링하는 The lift pressure loss(
상기 파이프라인의 Bend 각에 따른 분체 집중의 현상에 의해 압력 손실을 모델링하는 Bend pressure loss(
According to claim 1,
The powder transport system performs modeling and simulation by applying a low-pressure low-speed (Dilute-phase) method,
Air alone pressure drop (
Acceleration pressure drop (
Additional pressure loss due to presence of solids (
The lift pressure loss (
Bend pressure loss (
상기 분체이송시스템의 시뮬레이션은, 압력 손실에 대한 수학적 모델링을 바탕으로 하여, 파이프라인의 제원과 Input 압력에 따른 압력 손실 결과를 확인한 후, HIL(Hardware In the Loop) 기반으로는 Matlab/Simulink를 통해 시물레이션을 실시되는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.
According to claim 1,
The simulation of the powder transport system is based on mathematical modeling of the pressure loss, and after confirming the pressure loss results according to the specifications of the pipeline and the input pressure, HIL (Hardware In the Loop) based Matlab/Simulink An integrated control simulation method of a HILS-based powder transfer system and a water mixing system, characterized in that the simulation is carried out.
상기 이수혼합시스템(Mud Control System)은, 상기 분체이송시스템의 후단에 연결되어 설치되며, 분체이송시스템에서 이송된 분체를 서지탱크(Surge tank)에 보관하고 이수펌프나 혼합호퍼(Mud mixing hopper)를 거쳐 최종적으로 이수저장탱크(Mud Storage tank)와 이수액티브탱크(Mud active tank)로 이수(Mus)가 전달되며, 상기 전달된 머드는 교반기(Agitator)에서 교반되는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.
According to claim 1,
The mud control system is connected to the rear end of the powder transport system, and the powder transferred from the powder transport system is stored in a surge tank, and a mud mixing pump or a mixing hopper. HILS-based powder, characterized in that finally, the mud is transferred to a mud storage tank and a mud active tank, and the delivered mud is stirred in an agitator. An integrated control simulation method of a transport system and a water mixing system.
상기 이수혼합시스템(Mud Control System)의 모델링은, 분체(Bulk)를 저장 및 운송하기 위한 서지탱크(Surge tank)와,
이수(Mud)를 만들기 위한 이수저장탱크(Mud storage tank)와,
이수 혼합 시 교반을 위한 교반탱크(Agitation tank)와,
각 재료의 운송을 제어하기 위한 게이트밸브(Gate Valve) 및 제트펌프(Jet Pump)에 대한 모델링이 실시되는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.
According to claim 1,
The modeling of the mud control system is a surge tank for storing and transporting bulk, and
Mud storage tank for making mud, and
An agitation tank for stirring when mixing water,
An integrated control simulation method of a HILS-based powder transport system and a water mixing system, characterized in that modeling is performed for a gate valve and a jet pump to control the transport of each material.
상기 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기반의 모델을 구축하기 플랫폼(Platform)은, 소프트웨어(S/W)와 하드웨어(H/W)로 구성되되,
MATLAB/Simulink를 사용한 상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 모델은 HIL Simulator에 탑재되며,
제어기의 제어신호와 상기 HIL Simulator 간의 Input/Output 데이터들은 통신 인터페이스를 거쳐 상기 제어기와 통신하도록 구성되고,
또한, 통신 시뮬레이션 모델의 실시간 구현을 위해서는 LabVIEW와 VeriStand를 사용하고, 통합제어 시뮬레이션 대상 시스템인 상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템 간의 통신을 위해서는 OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture) 기반으로 구현되는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.
According to claim 1,
The platform to build the HILS (Hardware In the Loop Simulation)-based model consists of software (S/W) and hardware (H/W),
The models of the powder transfer system and the mixed water mixing system using MATLAB/Simulink are loaded into the HIL Simulator,
Input / output data between the control signal of the controller and the HIL Simulator is configured to communicate with the controller through a communication interface,
In addition, LabVIEW and VeriStand are used for real-time implementation of the communication simulation model, and OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) is implemented for communication between the powder transport system and the mixed water mixing system, which are the target systems for integrated control simulation. An integrated control simulation method of a HILS-based powder transfer system and a water mixing system.
상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션을 위한 HILS 기반의 모델 구축은, Bulk to Bulk 이송과 Bulk to Surge 이송 시나리오를 통해 상기 분체이송시스템과 이수혼합시스템 장비들의 성능 검증이 가능한 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.
According to claim 1,
The HILS-based model construction for the integrated control simulation of the powder transport system and the mixed water mixing system is characterized in that it is possible to verify the performance of the powder transport system and the mixed water mixing system equipment through the bulk to bulk transport and bulk to surge transport scenarios. An integrated control simulation method of a HILS-based powder transfer system and a water mixing system.
상기 테스트 시나리오에 따른 HILS 검증 방법은, 제어기인 PLC(Programmable Logic Controller)에 탑재되어있는 HMI(Human Machine Interface)를 통하여 상기 이수혼합시스템의 제어신호를 생성하고,
상기 생성된 제어신호는 PLC(Programable Logic Control)를 거쳐 Ethernet 통신을 이용하여 PXI를 거쳐 HIL Simulator에 있는 NI OPC Sever로 전달되며,
상기 전달받은 제어 신호를 바탕으로 HIL Simulator의 모델들의 구동 및 상기 구동 결과를 다시 Ethernet 통신으로 PXI를 거쳐 PLC로 전달되는 Loop 동작이 이루어지는 것을 특징으로 하는 HILS 기반의 분체이송시스템과 이수혼합시스템의 통합제어 시뮬레이션 방법.According to claim 1,
In the HILS verification method according to the test scenario, a control signal of the water mixture system is generated through a Human Machine Interface (HMI) mounted on a PLC (Programmable Logic Controller), which is a controller,
The generated control signal is transmitted to the NI OPC Server in the HIL Simulator through PXI using Ethernet communication through PLC (Programmable Logic Control),
Integration of HILS-based powder transfer system and water mixing system, characterized in that based on the received control signal, the HIL Simulator models are driven and the result of the operation is transferred back to the PLC via PXI via Ethernet communication. Control simulation method.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102357504B1 (en) | 2022-01-28 |
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