KR20220067689A - 제조 장비의 상태 측정 및 분석, 모니터링을 위한 범용 센서-분석 모듈 - Google Patents

제조 장비의 상태 측정 및 분석, 모니터링을 위한 범용 센서-분석 모듈 Download PDF

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Abstract

제조 장비의 상태 측정 및 분석, 모니터링을 위한 범용 센서-분석 모듈이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 센서-분석 모듈은, 다수의 센서들을 이용하여, 제조 장비의 상태 데이터를 추출하는 추출부, 추출된 상태 데이터를 전처리부로 전달하는 전달부, 전달받은 상태 데이터를 전처리하는 전처리부, 전처리된 상태 데이터를 저장하고 분석하며 표시하는 사용부를 포함한다. 이에 의해, 제조 현장의 각종 장비의 운영 상태나 Health check를 위한 주요 파라미터(진동, 온도, 상대습도, 기울기 등)를 실시간으로 수집하고. 이를 직접 분석 또는 상위 시스템에서 활용 가능한 Archive를 제공하며, 이를 위한 표준 통신 인터페이스를 지원함으로써 제조 AI의 기반이 되는 양질의 데이터를 생산하고 사용자가 쉽게 데이터를 활용할 수 있게 한다.

Description

제조 장비의 상태 측정 및 분석, 모니터링을 위한 범용 센서-분석 모듈{General purpose sensor-analysis module for measuring, analyzing and monitoring the condition of manufacturing equipment}
본 발명은 스마트 제조/공장 관련 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스마트 공장 IIoT 기술을 활용하여, 제조 현장의 주요 장비에 대한 상태 및 보전 정보를 취득할 수 있는 범용 센서 모듈에 관한 것이다.
'4차 산업혁명'과 '스마트 공장' 등의 키워드를 통한 제조 공정의 지능화 이슈가 이미 오래 전부터 대두되었으나 여전히 '데이터 취득' 이라는 한계점을 넘지 못하고 있다.
2019년 'Dataconomy'의 포스팅(https://dataconomy.com/2019/07/why-96-of-enterprises-face-ai-training-data-issues/)에 따르면 현재 96%의 기업이 'AI 데이터 학습' 이슈에 직면해 있으며 이를 위해 다음과 같은 다섯 가지 문제점이 해결되어야 함을 명시하고 있다.
- 오류와 편향
- 분석에 충분하지 않은 데이터
- 활용할 수 없는 형식
- 분석할 인력의 부재
- 분석할 도구의 부재
이러한 문제점의 해결을 위해 간편한 분석을 지원하는 객관적이며 범용적인 데이터 수집 도구가 필요하며 Big Data 기반의 AI기술 접목을 위한 제조 및 설비 데이터의 투명성 확보가 선행되어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 스마트 공장 IIoT 기술을 활용하여 제조 현장의 주요 장비에 대한 상태 및 보전 정보를 취득할 수 있는 범용 센서 모듈을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 센서-분석 모듈은, 다수의 센서들을 이용하여, 제조 장비의 상태 데이터를 추출하는 추출부; 추출부에서 추출된 상태 데이터를 전처리부로 전달하는 전달부; 전달부를 통해 전달받은 상태 데이터를 전처리하는 전처리부; 전처리부에서 전처리된 상태 데이터를 저장하고 분석하며 표시하는 사용부;를 포함한다.
그리고, 센서들은, 제조 장비에 설치되고, 이동, 확장 및 변경이 가능할 수 있다.
전달부는, IO-Link, 유선/무선 이더넷, OPC UA(IEC62541), Wireless Access Point를 사용한 근거리 센서 네트워크에 의한 의한 통신으로, 상태 데이터를 전달할 수 있다.
전처리부는, 상태 데이터를 전처리하는 다수의 처리기들; 및 HMI로부터 지령을 받아, 처리기들을 제어하는 PLC;를 포함할 수 있다. 또한, PLC는, 처리기들에 부하를 분산시킬 수 있다.
사용부는, 저장된 상태 데이터를 상위 시스템에 제공할 수 있다. 그리고, 사용부는, Edge Computing 방식으로 상태 데이터를 분석할 수 있다.
사용부는, 상태 데이터의 관리 도구, 상태 데이터의 분석 지원 도구를 제공할 수 있다.
센서-분석 모듈은, 포터블 캐리어 형태일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 센싱-분석 방법은, 다수의 센서들이, 제조 장비의 상태 데이터를 추출하는 단계; 추출된 상태 데이터를 전달하는 단계; 전달된 상태 데이터를 전처리하는 단계; 전처리된 상태 데이터를 저장하고 분석하며 표시하는 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 센서-분석 시스템은, 제조 장비에 설치되는 센서들; 하우징; 하우징의 내부에 구비되며, 다수의 센서들을 이용하여, 제조 장비의 상태 데이터를 추출하는 추출부; 하우징의 내부에 구비되며, 추출부에서 추출된 상태 데이터를 전처리부로 전달하는 전달부; 하우징의 내부에 구비되며, 전달부를 통해 전달받은 상태 데이터를 전처리하는 전처리부; 하우징의 내부에 구비되며, 전처리부에서 전처리된 상태 데이터를 저장하고 분석하여 표시하는 사용부;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 센싱 분석 방법은, 제조 장비의 상태 데이터 상태 데이터를 전처리하는 단계; 전처리된 상태 데이터를 저장하는 단계; 전처리된 상태 데이터를 분석하여 표시하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 제조 현장의 각종 장비의 운영 상태나 Health check를 위한 주요 파라미터(진동, 온도, 상대습도, 기울기 등)를 실시간으로 수집하고. 이를 직접 분석 또는 상위 시스템에서 활용 가능한 Archive를 제공하며, 이를 위한 표준 통신 인터페이스를 지원함으로써 제조 AI의 기반이 되는 양질의 데이터를 생산하고 사용자가 쉽게 데이터를 활용할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 센서 Configuration Wizard 기능을 통해 장비 운용 상태에 대한 간편하며 유의미한 데이터 생산이 가능하고, Edge computing을 통한 데이터 아카이브 또는 데이터 분석 진단결과를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 장비 환경에 따라 센서 구성을 자유롭게 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈의 외관 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈의 내부 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈의 내부 구성을 도시한 도면,
도 4는 수집 장치 구조를 도시한 도면,
도 5는 무선 센서의 데이터 저장 형식 예시,
도 6은 무선 센서의 실제 데이터 파일 생성 예시,
도 7은 진동 센서의 데이터 저장 형식 예시,
도 8은 진동 센서의 실제 데이터 파일 생성 예시,
도 9는 IO-Link 유선 센서의 데이터 저장 형식 예시,
도 10은 IO-Link 유선 센서의 실제 데이터 파일 생성 예시,
도 11과 도 12에는 본 발명의 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈을 실제작하여 촬영한 사진들이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈의 외관 사시도와 내부 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈의 하우징은 포터블 캐리어 형태이다.
본 발명의 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈은, 제조 현장의 주요 장비에 대한 상태 및 보전을 위해, 스마트 공장 IIoT 기술을 활용하여 주요 제조 장비의 상태 측정 및 분석, 모니터링을 수행하는 범용 모듈이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈의 내부 구성을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈의 하우징 내부에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 추출부(110), 전달부(120), 전처리부(130) 및 표시/사용부(140)를 포함하여 구성된다.
추출부(110)는 다수의 센서들을 이용하여 제조 장비의 상태 데이터를 추출한다. 센서들은 상태를 측정 및 분석, 모니터링하고자 하는 제조 장비에 부착/설치 된다.
센서들에는, 진동 센서, 온도 센서, 각도 센서, 거리 센서, 습도 센서, 관성 센서, 지자기 센서, 광도 센서, 노이즈 센서, 자이로 센서 등이 포함될 수 있다. 이용되는 센서는 제조 장비에서 추출하고자 하는 상태 데이터에 의해 결정된다.
한편, 센서들은 제조 장비에서 설치, 이동, 확장, 변경이 자유로우며, 제조 장비의 PLC에 연동할 필요 없으므로, 기존 제조 장비/공정에 영향을 주지 않고 장비의 상태 데이터를 추출할 수 있다.
상태 데이터 취득 주기는 센서의 종류, 제조 장비의 종류에 따라 결정할 수 있다.
전달부(120)는 추출부(110)에서 추출된 상태 데이터를 전처리부(130)로 전달한다. 추출부(110)에 이용되는 센서들은 유선 센서와 무선 센서를 포함한다. 따라서, 전달부(120)에 의한 상태 데이터 전달도 유선과 무선이 병행된다.
구체적으로, 전달부(120)는 IO-Link, 유선/무선 이더넷, OPC UA(IEC62541), Wireless Access Point(Industrial wireless, 802.3af PoE, 802.3at PoE+)를 사용한 근거리 센서 네트워크에 의한 의한 통신을 지원한다.
또한, 전달부(120)는 Profinet IRT 고속 필드버스를 통한 실시간 데이터 통신을 가능하게 하고, 무선 전송 시 고속 원시 데이터 이진화 인코딩과 디코딩을 적용(Message PACK) 하며, 시간 동기를 위해 RTC 내장 NTP 서버를 지원한다.
전처리부(130)는 전달부(120)를 통해 전달받은 제조 장비의 상태 데이터를 전처리한다. 이를 위해, 전처리부(130)는 IO-Link 마스터, PLC 및 패킷 처리기들을 구비한다.
IO-Link 마스터는 Profinet IRT 고속 필드버스를 통한 전달되는 상태 데이터를 PLC로 전달한다.
패킷 처리기들은 UDP Raw 패킷으로 수신되는 상태 데이터를 디코드 후 종류 별로 분류하여 각 유효 CSV 파일로 변환하여 전처리한다.
PLC는 Profinet IRT 통신으로 IO-Link로 상태 데이터를 취득하고 OPC UA를 통해서도 상태 데이터를 취득하며, 취득된 상태 데이터를 내부 패킷 처리기로 전송한다.
또한, PLC는각 패킷 처리기의 부하를 분산/조정하고, HMI(제어반)로 부터 사용자의 지령을 받아 전처리부(130)의 전체 동작을 제어한다.
표시/사용부(140)는 전처리부(130)에서 전처리된 상태 데이터를 저장하고 분석하며 표시한다.
표시/사용부(140)는 전처리부(130)에서 전처리된 상태 데이터를 전달받아 Repository에 저장한다. Repository는 제조 장비의 상태 데이터에 대한 데이터베이스가 된다.
표시/사용부(140)는 Repository에 저장된 상태 데이터를 상위 시스템에 제공할 수 있다. 또한, 표시/사용부(140)는 Repository에 저장된 상태 데이터를 Edge Computing 방식으로 분석할 수 있다.
표시/사용부(140)는 상태 데이터 분석 결과를 표시할 수 있고, 상태 데이터의 관리 도구, 상태 데이터의 분석 지원 도구를 UI로 제공한다. 구체적으로, Node-red 웹 인터페이스 혹은 개발 인터페이스를 사용하여, 취득 데이터 관리 및 시작, 종료, 확인 등 일반적 조작 기능을 제공하며, FFT 분석 지원 도구 UI를 제공한다.
또한, 표시/사용부(140)는 범용 센서-분석 모듈의 오퍼레이션과 기능 조작을 위한 UI도 제공할 수 있다.
이하에서는, 추출부(110)에서 추출되어 데이터를 전달부(120)를 통해 전달된 데이터가 전처리부(130)에서 전처리되어 표시/사용부(140)에 저장되는 방식에 대해, 도 4에 도시된 구조를 상정하여 상세히 설명한다.
무선 센서(도 4에서 1,2번째)로부터 추출된 상태 데이터의 경우, 데이터를 받아 파일로 저장하며 문자열 인코딩은 ASCII를 사용한다. 도 5에는 무선 센서의 데이터 저장 형식을 예시하였다.
표시/사용부(140)의 Repository에 저장시 각 센서별로 파일이 구분되어 저장되며 조작 판넬(HMI)에서 '사용하지 않음'으로 설정한 센서의 파일은 생성되지 않는다. 파일 이름은 아래와 같다.
[수집기 이름]_[센서].txt (예. pp01_Gyro_Sensor.txt)
도 6에는 무선 센서의 실제 데이터를 파일로 생성하여 저장한 것들을 예시하였다. 데이터 파일 생성시, 파일이 존재하지 않으면 파일을 만들고 데이터를 넣고 저장하며, 기존에 파일이 있으면 파일 맨 뒤에 도착한 데이터 열을 Append 방법으로 기입한다.
이하에서는, 진동 데이터 수집 방법에 대해 상세히 설명한다. 진동 센서(도 4에서 3번째)의 사전 진동 구성 데이터를 기준으로 PLC에서 6msec 고정 샘플주기로 데이터를 취득하고 이를 형식에 맞춰 가공 후 수집장치에 Archive한다.
인코딩 형식은 ASCII 방식을 사용할 수 있고, 파일 이름은 아래와 같다.
[수집기 이름]_[센서].txt (예. pp3_VSE.txt)
도 7에는 진동 센서의 데이터 저장 형식을 제시하였다. 아날로그 진동 센서의 경우 제조 장비에 3개를 부착하여 구성하고, 수집자는 각 XYZ 축에 이 센서를 모두 사용함을 기준으로 한다. 조작 판넬에서 센서의 일부분만 선택하여 사용할 수 있음 또는 없음으로 설정할 수 있다.
도 8에는 진동 센서의 실제 데이터를 파일로 생성하여 저장한 것을 예시하였다. 데이터 파일 생성시, 파일이 존재하지 않으면 파일을 만들고 데이터를 넣고 저장하며, 기존에 파일이 있는 경우 파일 맨 뒤에 도착한 데이터 열을 Append 방법으로 기입한다.
IO-Link 유선 센서(도 4에서 4번째)의 데이터의 수집 방법은 다음과 같다. 먼저, 전처리부(130)의 IO-LINK 마스터에 연결된 센서의 데이터를 전송 받아 파일로 기록한다. PLC에서는 20msec 주기로 데이터를 샘플링하며 타임 스탬프를 포함한 문자열을 전송한다.
도 9에는 IO-Link 유선 센서의 데이터 저장 형식을 예시하였다. IO-Link 유선 센서는 진동 센서, 온도 센서, 습도 센서, 대기압 센서, 전류 센서, 전압 센서 및 타워 램프 등을 포함할 수 있다.
IO-Link는 산업용 센서 네트워크 표준기술로 IO-Link 표준을 지원하는 센서는 사용자의 편의에 의해 자유롭게 변경할 수 있다.
도 10에는 IO-Link 유선 센서의 실제 데이터를 파일로 생성하여 저장한 것을 예시하였다.
지금까지, 제조 장비의 상태 측정 및 분석, 모니터링을 위한 범용 센서-분석 모듈에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
도 11과 도 12에는 본 발명의 실시예에 따른 범용 센서-분석 모듈을 실제작하여 촬영한 사진들을 제시하였다.
본 발명의 실시예에서는, 스마트 공장 IIoT 기술을 활용한 제조 현장 주요 장비의 상태 및 보전 정보를 취득할 수 있는 범용 모듈의 하드웨어 및 네트워크 구성, 센서 모듈의 제어 시스템을 제시하였다.
더욱 자세하게는, 1) 제조 현장의 각종 장비의 운영 상태나 Health check를 위한 주요 파라미터(진동, 온도, 상대습도, 기울기 등)를 실시간으로 수집하고, 2) 이를 직접 분석 또는 상위 시스템에서 활용 가능한 Archive를 제공하며, 3) 이를 위한 표준 통신 인터페이스를 지원함으로써 제조 AI의 기반이 되는 양질의 데이터를 생산하고 사용자가 쉽게 데이터를 활용할 수 있도록 하였다.
이를 통해, 센서 Configuration Wizard 기능을 통해 장비 운용 상태에 대한 간편하며 유의미한 데이터 생산이 가능하고, Edge computing을 통한 데이터 아카이브 또는 데이터 분석 진단결과를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, IO-Link 표준기술을 통해 장비 환경에 따라 센서 구성을 변경할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 추출부
120 : 전달부
130 : 전처리부
140 : 표시/사용부

Claims (12)

  1. 다수의 센서들을 이용하여, 제조 장비의 상태 데이터를 추출하는 추출부;
    추출부에서 추출된 상태 데이터를 전처리부로 전달하는 전달부;
    전달부를 통해 전달받은 상태 데이터를 전처리하는 전처리부;
    전처리부에서 전처리된 상태 데이터를 저장하고 분석하며 표시하는 사용부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서-분석 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    센서들은,
    제조 장비에 설치되고, 이동, 확장 및 변경이 가능한 것을 특징으로 하는 센서-분석 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    전달부는,
    IO-Link, 유선/무선 이더넷, OPC UA(IEC62541), Wireless Access Point를 사용한 근거리 센서 네트워크에 의한 의한 통신으로, 상태 데이터를 전달하는 것을 특징으로 하는 센서-분석 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    전처리부는,
    상태 데이터를 전처리하는 다수의 처리기들; 및
    HMI로부터 지령을 받아, 처리기들을 제어하는 PLC;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서-분석 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    PLC는,
    처리기들에 부하를 분산시키는 것을 특징으로 하는 센서-분석 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    사용부는,
    저장된 상태 데이터를 상위 시스템에 제공하는 것을 특징으로 하는 센서-분석 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    사용부는,
    Edge Computing 방식으로 상태 데이터를 분석하는 것을 특징으로 하는 센서-분석 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    사용부는,
    상태 데이터의 관리 도구, 상태 데이터의 분석 지원 도구를 제공하는 것을 특징으로 하는 센서-분석 모듈.
  9. 청구항 1에 있어서,
    센서-분석 모듈은,
    포터블 캐리어 형태인 것을 특징으로 하는 센서-분석 모듈.
  10. 다수의 센서들이, 제조 장비의 상태 데이터를 추출하는 단계;
    추출된 상태 데이터를 전달하는 단계;
    전달된 상태 데이터를 전처리하는 단계;
    전처리된 상태 데이터를 저장하고 분석하며 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱-분석 방법.
  11. 제조 장비에 설치되는 센서들;
    하우징;
    하우징의 내부에 구비되며, 다수의 센서들을 이용하여, 제조 장비의 상태 데이터를 추출하는 추출부;
    하우징의 내부에 구비되며, 추출부에서 추출된 상태 데이터를 전처리부로 전달하는 전달부;
    하우징의 내부에 구비되며, 전달부를 통해 전달받은 상태 데이터를 전처리하는 전처리부;
    하우징의 내부에 구비되며, 전처리부에서 전처리된 상태 데이터를 저장하고 분석하여 표시하는 사용부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서-분석 시스템.
  12. 제조 장비의 상태 데이터 상태 데이터를 전처리하는 단계;
    전처리된 상태 데이터를 저장하는 단계;
    전처리된 상태 데이터를 분석하여 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 분석 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010113713A (ja) * 2008-11-05 2010-05-20 General Electric Co <Ge> 標準通信インタフェースを有するモジュール式データ収集モジュール
KR20200082766A (ko) * 2018-12-31 2020-07-08 주식회사 네오세미텍 스마트 팩토리 모니터링 시스템

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