KR20220102364A - System for Predicting Flaw of Facility Using Vibration Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 설비 예지 보전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진동 센서에 의해 회전체의 진동을 측정하여 진동 데이터를 수집하고, 분석 및 가시화하여 설비의 현재 상태를 실시간 모니터링하며, 설비의 고장을 미리 감지하여 회전체의 부품별 고장 진단을 수행하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a facility predictive maintenance system, and more particularly, collects, analyzes and visualizes vibration data by measuring the vibration of a rotating body by a vibration sensor, monitors the current state of the facility in real time, and prevents the failure of the facility in advance. It relates to a facility predictive maintenance system through a vibration sensor that detects and performs fault diagnosis for each part of a rotating body.
최근 산업기술이 발달함에 따라 회전 기계들이 대형화, 고정밀화되면서 이들 설비에서 고장이 발생하면, 막대한 경제적 손실이나 인명에 피해를 줄 수 있어 회전 기계에 대한 고장 감시가 매우 중요해졌다.With the recent development of industrial technology, as rotating machines have become larger and more precise, if a failure occurs in these facilities, it can cause enormous economic loss or damage to human life, so fault monitoring of rotating machines has become very important.
일반적으로 회전 기계는 회전 축에서 발생하는 진동 특성과 기계적 요소들인 베어링, 기어박스, 휀 등에서의 진동량 증가도 함께 나타나고, 이에 따라 진동의 특성 변화도 발생하게 된다.In general, in a rotating machine, vibration characteristics occurring in a rotating shaft and an increase in the amount of vibration in mechanical elements such as bearings, gearboxes, and fans also occur, and accordingly, changes in characteristics of vibration occur.
기계 설비는 구동 시간이 늘어날수록 기계에서 출력되는 신호가 정상 신호값을 벗어나게 되고, 이러한 신호값은 시간에 따라 점차 변화하다가 기계 고장 시 발생되는 고장 신호와 동일하게 되면, 기계 고장이 발생하게 된다.As the operating time of mechanical equipment increases, the signal output from the machine deviates from the normal signal value, and this signal value gradually changes with time and becomes the same as the failure signal that occurs when the machine breaks down, causing a machine failure.
진동 분석은 기계 설비의 고장 원인을 분석하기 위해서 사용되고 있다. 그러나 진동 분석은 전문적으로 교육을 받고, 현장에서 숙련된 전문가라 할지라도 진동 주파수를 분석하여 정확한 고장의 원인을 분석하는 것이 매우 어려운 일이다.Vibration analysis is used to analyze the cause of failure of mechanical equipment. However, it is very difficult to analyze the vibration frequency and accurately analyze the cause of the failure, even for experts who are professionally trained and experienced in the field.
따라서, 기존의 진동 분석은 기계 설비의 진동 정보만으로 구체적으로 어느 부품의 고장이 문제가 되는지 정확히 탐지하기 어렵고, 설비 고장이 발생한 후, 기계 설비의 고장을 알 수 있으며, 이로 인하여 설비 전체에 손상이 발생하거나 대형 사고를 유발할 수 있는 문제점이 있다.Therefore, in the conventional vibration analysis, it is difficult to precisely detect which part of the failure is a problem only with the vibration information of the mechanical equipment. There is a problem that can occur or cause a major accident.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 진동 센서에 의해 회전체의 진동을 측정하여 진동 데이터를 수집하고, 분석 및 가시화하여 설비의 현재 상태를 실시간 모니터링하며, 설비의 고장을 미리 감지하여 회전체의 부품별 고장 진단을 수행하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve this problem, the present invention collects, analyzes and visualizes the vibration data by measuring the vibration of a rotating body by a vibration sensor, monitors the current state of the facility in real time, and detects a failure of the facility in advance to detect the vibration of the rotating body. The purpose of this is to provide a predictive maintenance system for equipment through a vibration sensor that performs fault diagnosis for each component.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템은,A facility predictive maintenance system through a vibration sensor according to a feature of the present invention for achieving the above object,
기계 설비인 회전체마다 설치된 진동 센서를 포함한 센서장치; 및a sensor device including a vibration sensor installed for each rotating body that is a mechanical facility; and
상기 진동 센서로부터 상기 회전체 내의 부품별로 정상 데이터인 회전체의 제1 진동 신호를 수신하거나, 입력되는 회전체의 제2 진동 신호를 수신하는 제1 데이터 수집부와, 상기 회전체의 제1 진동 신호로부터 특정 주파수와 진폭값을 포함한 특징 정보를 추출하고, 상기 추출한 특징 정보에 대하여 고속 푸리에 변환을 적용하여 주파수 영역의 데이터로 변환하는 전처리부와, 상기 회전체 내의 부품별로 감지되는 주파수 범위를 설정하고, 상기 정상 데이터의 제1 진동 신호를 기준으로 상기 설정한 주파수 범위의 임계값을 설정하며, 상기 제2 진동 신호가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 부품에 이상 발생을 판단하는 상세 진단부로 이루어진 진동 분석부를 포함한다.A first data collection unit for receiving a first vibration signal of the rotating body, which is normal data for each part in the rotating body, from the vibration sensor, or receiving a second vibration signal of the rotating body, which is input, and the first vibration of the rotating body A preprocessor that extracts characteristic information including a specific frequency and amplitude value from a signal, applies a fast Fourier transform to the extracted characteristic information to convert it into frequency domain data, and sets a frequency range detected for each part in the rotating body and a threshold value of the set frequency range is set based on the first vibration signal of the normal data, and when the second vibration signal is greater than or equal to the threshold value, the vibration comprising a detailed diagnosis unit that determines the occurrence of an abnormality in the component analysis section.
진동 분석부는 상기 정상 데이터인 제1 진동 신호를 이용하여 마할라노비스 공간을 생성하고, 상기 입력 데이터인 제2 진동 신호가 상기 마할라노비스 공간으로부터 어느 정도 떨어져 있는지 비교하여 진동 신호의 이상 여부를 정량적으로 판단하는 마할라노비스 거리 분류부를 더 포함할 수 있다.The vibration analyzer generates a Mahalanobis space using the first vibration signal, which is the normal data, and quantitatively determines whether the vibration signal is abnormal by comparing how far the second vibration signal, which is the input data, is away from the Mahalanobis space. It may further include a Mahalanobis distance classification unit that determines as .
상세 진단부는 회전체 내의 부품별로 정상 데이터인 회전체의 제1 진동 신호를 기설정된 측정 횟수만큼 수집하고, 상기 수집된 제1 진동 신호의 평균값이 상기 각각의 부품에 해당하는 정상 데이터로 설정하여 부품별로 저장할 수 있다.The detailed diagnosis unit collects the first vibration signal of the rotating body, which is normal data for each component in the rotating body, as many times as a predetermined number of measurements, and sets the average value of the collected first vibration signal as normal data corresponding to each component, can be saved as
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 회전체를 포함하는 장치의 고장 진단에 활용하고, 제품의 비정상적인 상태를 미리 감지하여 해당 정보를 서버나 클라우드에 전송하여 사고에 대처할 수 있는 효과가 있다.According to the above-described configuration, the present invention has an effect that can be used for fault diagnosis of a device including a rotating body, detect an abnormal state of a product in advance, and transmit the corresponding information to a server or cloud to cope with an accident.
본 발명은 회전체의 진동과 음향을 감지하여 고장 진단을 수행하므로 진단의 정확성을 높일 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of increasing the accuracy of diagnosis because the fault diagnosis is performed by sensing the vibration and sound of the rotating body.
본 발명은 간단한 설치와 제품의 소형화로 인하여 각종 소형 진동장치 및 자동차 등에 활용도가 높을 것으로 예상되는 효과가 있다.The present invention has an effect that is expected to be highly useful in various small vibrating devices and automobiles due to simple installation and miniaturization of products.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 설비 예지 보전 장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 심플 진단부에서 절대 판단 기준에 의한 이상 여부를 판단하는 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 심플 진단부에서 상대 판단 기준에 의한 이상 여부를 판단하는 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 상세 진단부에서 이상 발생을 판단하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 회전체 내의 부품별로 감지되는 특정 주파수의 일례를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 회전체 내의 부품별로 이상 여부를 모니터링하는 일례를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마할라노비스 거리 분류부에서 마할라노비스 거리 분석에 의한 부품의 이상 여부를 모니터링하는 일례를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 마할라노비스 공간의 의미를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view showing the configuration of a facility predictive maintenance system through a vibration sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically showing the internal configuration of the equipment predictive maintenance device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an embodiment in which the simple diagnosis unit determines whether an abnormality is based on an absolute criterion according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an embodiment in which the simple diagnosis unit determines whether there is an abnormality based on the relative determination criterion according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a process of determining the occurrence of an abnormality in the detailed diagnosis unit according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing an example of a specific frequency sensed for each part in the rotating body according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing an example of monitoring whether there is an abnormality for each part in the rotating body according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating an example of monitoring whether a part is abnormal by Mahalanobis distance analysis in the Mahalanobis distance classification unit according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram for explaining the meaning of a Mahalanobis space according to an embodiment of the present invention.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
본 발명은 기계 부품에서 출력되는 신호를 감지하고, 이를 정상값과 비교하여 기계와, 기계 부품의 이상(고장) 여부를 예측할 수 있는 설비 예지 보전 시스템을 제공한다.The present invention provides a predictive maintenance system for equipment capable of detecting a signal output from a machine part and comparing it with a normal value to predict whether an abnormality (failure) of a machine and a machine part is present.
기계 부품에서 출력되는 신호들은 진동, 소리로 나타날 수 있는데, 기계 부품이 정상 상태일 때, 기계 내 부품들이 일정한 범위의 정상 신호값에 해당되는 신호를 출력하게 된다.Signals output from mechanical parts may appear as vibrations or sounds. When the mechanical part is in a normal state, the parts in the machine output a signal corresponding to a normal signal value within a certain range.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 설비 예지 보전 장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.1 is a view showing the configuration of a system for predictive maintenance of equipment through a vibration sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram schematically showing the internal configuration of a system for predictive maintenance of equipment according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템(100)은 기계 설비(10)와, 기계 설비(10)마다 설치된 센서장치(110) 및 설비 예지 보전 장치(120)를 포함한다.The equipment
기계 설비(10)는 모터, 펌프, 히터 등 회전체를 나타낸다. 여기서, 회전체는 펌프, 모터 등과 같이 회전력을 공급하기 위해 회전하는 물체 뿐만 아니라 이렇게 회전하는 물체에 연결되어 회전력을 임의로 장소로 전달하기 위해 회전하는 물체(펌프, 모터 등의 회전축에 연결되어 회전하는 기어, 임펠러, 프로펠러 등) 축을 포함하여 축에 연결되어 회전하는 모든 물체를 포함한다.The
센서장치(110)는 회전체(10)에 설치되는 진동 센서(111)와 음향 센서(112)를 포함한다.The
진동 센서(111)는 회전체의 진동 변위 정보, 가속도 정보 등을 포함하는 진동 신호를 측정하는 센서일 수 있다.The
진동 센서(111)는 엘리베이터, 발전기, 펌프류, 팬류 등의 회전체에 장착하여 축 중심과 질량 중심이 일치하지 않은 불평형 증상으로 인한 진동 신호를 출력한다.The
음향 센서(112)는 회전체(10) 내의 부품에서 발생되는 음향을 측정하여 해당하는 음향 신호를 출력한다. 음향 센서(112)는 기계 부품에서 발생되는 음향을 측정하는 마이크로폰일 수 있다.The
설비 예지 보전 장치(120)는 제1 데이터 수집부(121), 제2 데이터 수집부(122), 제2 A/D 컨버터(123) 및 진동 분석부(130)를 포함하고, 진동 분석부(130)는 전처리부(131), 제1 A/D 컨버터(132), 마할라노비스 거리 분류부(133) 및 진단부(134)를 포함한다. 진단부(134)는 심플 진단부(135) 및 상세 진단부(136)를 포함한다.The facility
빅데이터 관리부(140)는 정상 데이터 저장부(141), 이상 데이터 저장부(142) 및 음향 데이터 저장부(143)를 포함한다.The big
본 발명은 빅데이터 관리부(140)를 활용하여 해당 부품의 생산설비 공정에도 피드백을 제공할 수 있다.The present invention may provide feedback to the production facility process of the corresponding part by utilizing the big
제1 데이터 수집부(121)는 회전체에 설치된 진동 센서(111)로부터 회전체의 진동 신호를 수신한다.The first
제1 데이터 수집부(121)는 진동 센서(111)로부터 정상 데이터인 회전체의 진동 신호를 수신하거나, 이상이 발생된 회전체의 진동 신호를 수신할 수 있다.The first
다시 말해, 제1 데이터 수집부(121)는 진동 센서(111)로부터 회전체(10) 내의 부품별로 정상 데이터인 회전체의 제1 진동 신호를 수신하거나, 입력되는 회전체(10)의 제2 진동 신호를 수신한다. 여기서, 제1 진동 신호는 정상적인 상태의 회전체(10)에서 발생되는 진동 신호이고, 제2 진동 신호는 진동 분석을 통해 이상 여부를 판단하기 위한 입력 데이터로 회전체(10)에서 발생되는 진동 신호이다.In other words, the first
제1 A/D 컨버터(132)는 제1 데이터 수집부(121)로부터 수신한 아날로그 신호인 진동 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환한다.The first A/
심플 진단부(135)는 제1 A/D 컨버터(132)에서 변환된 진동 신호를 입력받고, 입력된 진동 신호에서 진동 속도의 실효값(Root Mean Square, RMS)을 산출한다.The
심플 진단부(135)는 산출한 진동 속도의 실효값을 ISO10813에 근거한 진동 분석 판단 기준으로 4개의 A 영역, B 영역, C 영역, D 영역으로 분류한다.The
심플 진단부(135)는 진동 속도의 실효값을 이용하여 회전체의 정상 여부를 진단할 수 있다.The
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 심플 진단부에서 절대 판단 기준에 의한 이상 여부를 판단하는 실시예를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 심플 진단부에서 상대 판단 기준에 의한 이상 여부를 판단하는 실시예를 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating an embodiment in which the simple diagnosis unit determines whether an abnormality is based on an absolute criterion in the simple diagnosis unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a diagram showing an embodiment of determining whether there is an abnormality.
도 3에 도시된 바와 같이, A 영역에 속하는 실효값은 신규로 설치된 회전체의 진동이 속하는 영역이고, B 영역에 속하는 실효값은 통상 제한없이 장기간 운전이 허용되는 것으로 간주하고, C 영역에 속하는 실효값은 통상 제한없이 장기간의 연속 운전이 적절하지 않은 것으로 간주하며, 일반적으로 보수 조치를 취할 적당한 기회가 생길 때까지 이러한 상태에서 회전체를 제한된 기간 동안 운전할 수 있고, D 영역에 속하는 실효값은 회전체에 손상을 일으킬 정도로 매우 가혹한 것으로 간주한다.As shown in FIG. 3 , the effective value belonging to the area A is the area to which the vibration of the newly installed rotating body belongs, and the effective value belonging to the area B is generally regarded as allowing long-term operation without limitation, and belongs to the C area. The rms value is usually considered to be unsuitable for long-term continuous operation without limitation, and in general, the rotating body can be operated for a limited period in this state until there is a suitable opportunity to take corrective action, and the rms value belonging to the D area is It is considered to be very severe enough to cause damage to the rotating body.
이때, A, B, C, D 영역은 각각 Good, Satisfactory, Unsatisfactory, Unacceptable 상태를 나타낼 수 있다.In this case, regions A, B, C, and D may represent Good, Satisfactory, Unsatisfactory, and Unacceptable states, respectively.
그리고 A, B, C, D 영역은 회전체의 축 중심과 질량 중심이 일치하지 않은 불평형 증상으로 인한 진동 속도의 실효값(RMS)을 나타낸다.And the A, B, C, and D regions represent the effective value (RMS) of the vibration speed due to the imbalance symptom in which the center of mass and the center of the axis of the rotating body do not coincide.
심플 진단부(135)는 진동 속도의 실효값이 C 영역 또는 D 영역에 속하는 경우, 회전체가 이상이 발생했다고 판단한다(절대 판단 기준).When the effective value of the vibration speed belongs to the C region or the D region, the
다른 실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 심플 진단부(135)는 진동 속도의 실효값이 제1 진동수치 내지 제2 진동수치에 속하는 경우, 정상 범위이고, 제2 진동수치 내지 제3 진동수치에 속하는 경우, 경고 범위이고, 제3 진동수치 이상인 경우, 이상 범위로 판단할 수 있다(상대 판단 기준).As another embodiment, as shown in FIG. 4 , when the effective value of the vibration speed belongs to the first vibration value to the second vibration value, the
심플 진단부(135)는 절대 판단과 상대 판단을 표시부(137)를 통해 사용자 인터페이스 형태로 출력할 수 있다(도 3 및 도 4).The
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 상세 진단부에서 이상 발생을 판단하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 회전체 내의 부품별로 감지되는 특정 주파수의 일례를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 회전체 내의 부품별로 이상 여부를 모니터링하는 일례를 나타낸 도면이다.5 is a view showing a process of determining the occurrence of an abnormality in the detailed diagnosis unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a view showing an example of a specific frequency detected by each part in the rotating body according to the embodiment of the present invention. , FIG. 7 is a view showing an example of monitoring for abnormalities by parts in a rotating body according to an embodiment of the present invention.
전처리부(131)는 제1 데이터 수집부(121)로부터 수신한 회전체의 진동 신호의 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 진동 신호로부터 특징 정보를 추출한다.The
전처리부(131)는 회전체(10)의 제1 진동 신호로부터 특정 주파수와 진폭값을 포함한 특징 정보를 추출하고, 추출한 특징 정보에 대하여 고속 푸리에 변환을 적용하여 주파수 영역의 데이터로 변환한다.The
여기서, 특징 정보는 회전체(10)에 대한 시간에 따른 진동 변위 또는 가속도 변화를 나타내는 파형으로부터 추출되는 파형의 형상, 크기(진폭), 위상 등을 포함할 수 있다.Here, the characteristic information may include the shape, size (amplitude), phase, etc. of a waveform extracted from a waveform representing a change in vibration displacement or acceleration with respect to the
전처리부(131)는 추출한 특징 정보에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform) 또는 STFT(Short Time Fourier Transform)을 적용하여 노이즈가 제거된 진동 신호를 주파수 영역의 데이터 또는 시간-주파수 영역의 데이터로 변환될 수 있다.The
전처리부(131)는 FFT 또는 STFT을 통해 특정 주파수와 진폭값을 추출한다.The
전처리부(131)는 특정 주파수와 진폭값을 포함한 특징 정보를 상세 진단부(136)로 전송한다.The
도 5에 도시된 바와 같이, 상세 진단부(136)는 회전체(10) 내의 부품별로 감지되는 주파수 범위를 설정하고(S10), 정상 데이터의 제1 진동 신호를 기준으로 설정한 주파수 범위의 임계값을 설정하며(S11), 제2 진동 신호가 임계값 이상인 경우, 부품에 이상 발생을 판단한다.As shown in FIG. 5 , the
상세 진단부(136)는 주파수 범위 설정, 임계값 설정, 부품 이상 발생 등을 표시부(137)를 통해 사용자 인터페이스 형태로 출력할 수 있다(도 5).The
상세 진단부(136)는 회전체 내의 부품별로 정상 데이터인 회전체의 제1 진동 신호를 기설정된 측정 횟수만큼 수집하고, 수집된 제1 진동 신호의 평균값이 각각의 부품에 해당하는 정상 데이터로 설정하여 부품별로 저장한다(S12).The
빅데이터 관리부(140)는 상세 진단부(136)로부터 각각의 부품에 해당하는 정상 데이터를 저장하는 정상 데이터 저장부(141)를 포함할 수 있다.The big
도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 하나의 회전체(10)에서 부품별로 100Hz, 200Hz, 300Hz에서 감지될 수 있다.As shown in FIG. 6 , for example, one rotating
도 7를 보면, 예를 들어, 회전체(10)의 부품들(내륜손상, 외륜손상, 정렬 불량 등)의 측정값이 임계값을 초과하는 경우, 해당 부품들의 고장으로 판단할 수 있다. 상세 진단부(136)는 도 6 및 도 7과 같이, 회전체(10)의 부품별로 임계값 설정, 정상 데이터 등을 표시부(137)를 통해 사용자 인터페이스 형태로 출력할 수 있다(도 6 및 도 7).Referring to FIG. 7 , for example, when the measured values of the components (inner ring damage, outer ring damage, misalignment, etc.) of the
진동 분석부(120)는 특정 주파수를 감지하여 각각의 회전체(10)의 부품을 감지하고, 감지된 부품에서 발생한 특정 주파수가 임계값을 초과하면, 각각의 회전체(10)의 부품에 이상 발생을 판단한다.
진동 분석부(120)는 정상 데이터인 회전체의 부품별로 제1 진동 신호를 수신하고, 수신한 각각의 제1 진동 신호의 특정 주파수를 부품별로 저장하여 각각의 회전체(10)의 부품을 감지할 수 있다.The
상세 진단부(136)는 제2 진동 신호가 상기 임계값에 50% 이내에 있는 경우, 회전체(10) 내의 부품이 '양호'인 상태로 판단할 수 있다.When the second vibration signal is within 50% of the threshold value, the
상세 진단부(136)는 제2 진동 신호가 임계값의 50% 내지 70%에 속하는 경우, 회전체(10) 내의 부품이 손상 초기 단계로 고장이 예측되어 정밀 진단을 실시하는 '1차 경고'인 상태로 판단할 수 있다.The
상세 진단부(136)는 제2 진동 신호가 임계값의 70% 내지 90%에 속하는 경우, 회전체(10) 내의 부품이 손상 심각도가 증가하여 수리를 실시하는 '2차 경고'인 상태로 판단할 수 있다.When the second vibration signal falls within 70% to 90% of the threshold value, the
상세 진단부(136)는 회전체(10) 내의 부품의 진단 상태 정보를 생성하여 외부의 중앙 서버나 클라우드로 전송할 수도 있다. 이로 인하여 본 발명의 설비 예지 보전 시스템(100)은 회전체(10)의 비정상적인 상태를 미리 감지하여 외부로 알림으로써 스마트 팩토리의 유용한 요소 기술이 될 수 있다.The
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마할라노비스 거리 분류부에서 마할라노비스 거리 분석에 의한 부품의 이상 여부를 모니터링하는 일례를 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 마할라노비스 공간의 의미를 설명하기 위한 도면이다.8 is a view showing an example of monitoring whether a part is abnormal by Mahalanobis distance analysis in the Mahalanobis distance classification unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is Mahalanobis according to an embodiment of the present invention It is a drawing for explaining the meaning of space.
마할라노비스 거리 분류부(133)는 제1 데이터 수집부(121)로부터 정상 데이터를 수신하고, 수신한 정상 데이터에서 구축된 마할라노비스 공간을 기준으로 회전체의 상태(정상 상태 또는 이상 상태)를 마할라노비스 거리에 근거하여 판정할 수 있다.The Mahalanobis
마할라노비스 거리 분석은 마할라노비스 거리에 근거하여 부품의 정상과 이상의 판정을 수행하는 방법으로 평상시의 데이터를 사용해 기준 공간을 생성하고, 대상 데이터가 기준 공간으로부터 얼마나 떨어져 있는지 마할라노비스 거리와 비교하여 이상을 정량적으로 판단한다.Mahalanobis distance analysis is a method of determining whether a part is normal or abnormal based on the Mahalanobis distance. It creates a reference space using everyday data, and compares how far the target data is from the reference space with the Mahalanobis distance. Thus, the abnormality is quantitatively judged.
도 8에 도시된 바와 같이, 기준 공간을 각 주파수 영역별로 지정이 가능하고, 각 영역별 기준 공간에서의 평균치를 계산하여 평균값에서 거리를 판단할 수 있습니다.As shown in FIG. 8 , it is possible to designate a reference space for each frequency region, and calculate an average value in the reference space for each region to determine a distance from the average value.
마할라노비스 거리 분류부(133)는 군집 분석에서 사용되는 거리 척도로서, 다변량 데이터에서 변수 간의 상관 관계가 존재할 때, 공분산 행렬을 활용한 데이터 표준화를 거쳐서 마할라노비스 거리를 측정한다.The
다시 말해, 마할라노비스 거리 분류부(133)는 정상 데이터를 이용하여 마할라노비스 공간을 구성한 후, 임의의 데이터에 대하여 그 공간과의 거리를 측정하여 거리에 따라 정상 데이터와 동일 클래스 여부를 판정한다.In other words, the Mahalanobis
마할라노비스 거리 분류부(133)는 이상 상태 감지를 위하여 진동 신호의 정상 데이터를 이용하여 하기의 수학식 1에 의해 마할라노비스 공간을 구성한다.The Mahalanobis
여기서, n은 진동 신호의 정상 상태 데이터, k는 통계적 지표의 개수, 은 i번째 데이터의 j번째의 통계적 지표값, 은 통계적 지표들의 평균, 은 표준편차이다.where n is the steady-state data of the vibration signal, k is the number of statistical indicators, is the j-th statistical index value of the i-th data, is the average of statistical indicators, is the standard deviation.
마할라노비스 거리 분류부(133)는 다변량 정규분포에서 입력 데이터가 모평균으로부터 멀어진 정도를 공분산에 대한 비율로 나타낸 것으로 하기의 수학식 2에 의해 마할라노비스 거리를 계산할 수 있다.The Mahalanobis
여기서, D2는 마할라노비스 거리, x는 입력 데이터, m은 평균값, C는 공분산 행렬을 의미한다.Here, D 2 is the Mahalanobis distance, x is the input data, m is the average value, and C is the covariance matrix.
마할라노비스 거리 분류부(133)는 정상 데이터인 진동 신호를 이용하여 마할라노비스 공간을 생성하고, 입력된 진동 신호가 마할라노비스 공간으로부터 어느 정도 떨어져 있는지 비교하여 진동 신호의 이상 여부를 판단한다.The Mahalanobis
마할라노비스 거리 분류부(133)는 정상 데이터인 제1 진동 신호를 이용하여 마할라노비스 공간을 생성하고, 입력 데이터인 제2 진동 신호가 마할라노비스 공간으로부터 어느 정도 떨어져 있는지 비교하여 진동 신호의 이상 여부를 정량적으로 판단할 수 있다.The Mahalanobis
도 9에 도시된 바와 같이, 원의 의미는 정상 진동 신호의 마할라노비스 공간이고, 원 중앙점은 마할라노비스 공간 내 데이터들의 평균값, 원 내부에 위치한 거리는 정상 데이터이고, 원 외부에 위치한 거리는 이상 데이터이다.As shown in FIG. 9 , the circle means the Mahalanobis space of the normal vibration signal, the center point of the circle is the average value of the data in the Mahalanobis space, the distance located inside the circle is normal data, and the distance located outside the circle is abnormal is data.
마할라노비스 거리 분류부(133)는 진동 신호의 정상 데이터와 이상 데이터를 판단하여 정상치 평균값과 어느 정도 차이가 나는지 알 수 있다.The Mahalanobis
마할라노비스 거리 분류부(133)는 도 8 및 도 9와 같이, 마할라노비스 공간, 마할라노비스 거리, 평균값, 각 주파수 영역 등을 표시부(137)를 통해 사용자 인터페이스 형태로 출력할 수 있다.The Mahalanobis
제2 데이터 수집부(122)는 회전체(10) 내의 부품별로 회전체(10)에 설치된 음향 센서(112)로부터 회전체의 음향 신호를 수신한다.The second
제2 데이터 수집부(122)는 음향 센서(112)로부터 정상 데이터인 회전체(10)의 음향 신호를 수신하거나, 이상이 발생된 회전체의 음향 신호를 수신한다.The second
제2 A/D 컨버터(123)는 음향 센서(112)로부터 아날로그 신호인 음향 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하여 상세 진단부(136)로 전송한다.The second A/
상세 진단부(136)는 회전체(10) 내의 부품의 제1 진동 신호에서 발생하는 제1 음향 신호를 수신하거나, 부품의 제2 진동 신호에서 발생하는 제2 음향 신호를 수신하고, 제2 진동 신호가 임계값 이상인 경우, 임계값 이상인 제2 진동 신호와 이에 해당하는 제2 음향 신호를 이상 데이터로 설정하여 빅데이터 관리부(140)로 전송한다.The
본 발명은 진동 센서(111)와 음향 센서(112)를 이용하여 자동차, 항공기, 엔진 등의 진동 소음 측정기로도 활용할 수 있다.The present invention can also be used as a vibration noise measuring device for automobiles, aircraft, engines, etc. using the
빅데이터 관리부(140)는 상세 진단부(136)로부터 진동 신호와 음향 신호를 매칭한 이상 데이터를 수신하여 음향 데이터 저장부(143)에 저장한다.The big
빅데이터 관리부(140)는 회전체(10) 내의 부품별로 제2 진동 신호가 임계값 이상인 경우, 해당 부품에 이상 발생을 판단하고, 각각의 부품에 해당하는 제1 이상 데이터로 설정하여 부품별로 저장할 수 있다.When the second vibration signal for each part in the
빅데이터 관리부(140)는 마할라노비스 거리 분류부(133)에서 제2 진동 신호가 마할라노비스 공간으로부터 어느 정도 떨어져 있는지 비교하여 진동 신호의 이상 발생을 판단한 결과를 수신하고, 각각의 부품에 해당하는 제2 이상 데이터로 설정하여 부품별로 저장하는 이상 데이터 저장부(142)를 더 포함할 수 있다.The big
진동 분석부(130)는 입력 데이터인 제2 진동 신호를 상세 진단부(136)에서 부품에 이상 발생을 판단하는 상세 진단을 수행하고, 동시에 마할라노비스 거리 분류부(133)에서 부품에 이상 발생을 판단하는 마할라노비스 거리 분석을 수행한다.The
진동 분석부(130)는 상세 진단 또는 마할라노비스 거리 분석에서 부품에 이상 발생이 나타나면, 하나의 진단 결과를 이상 데이터로 선택하고, 상세 진단과 마할라노비스 거리 분석에서 부품에 이상 발생이 모두 나타나면, 상세 진단과 마할라노비스 거리 분석의 진단 결과를 이상 데이터로 선택할 수 있다.The
본 발명은 스마트 팩토리에서 사용되는 회전체를 포함하는 장치의 고장 진단에 활용할 수 있다.The present invention can be utilized for fault diagnosis of a device including a rotating body used in a smart factory.
이상에서 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.In the above, the embodiment of the present invention is not implemented only through an apparatus and/or method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention, a recording medium in which the program is recorded, etc. And, such an implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiment.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto. is within the scope of the right.
10: 회전체 100: 설비 예지 보전 시스템
110: 센서장치 111: 진동 센서
112: 음향 센서 120: 설비 예지 보전 장치
121: 제1 데이터 수집부 122: 제2 데이터 수집부
123: 제2 A/D 컨버터 130: 진동 분석부
131: 전처리부 132: 제1 A/D 컨버터
133: 마할라노비스 거리 분류부 134: 진단부
135: 심플 진단부 136: 상세 진단부
140: 빅데이터 처리부 141: 정상 데이터 저장부
142: 이상 데이터 저장부 143: 음향 데이터 저장부10: rotating body 100: equipment predictive maintenance system
110: sensor device 111: vibration sensor
112: acoustic sensor 120: equipment predictive maintenance device
121: first data collection unit 122: second data collection unit
123: second A/D converter 130: vibration analysis unit
131: preprocessor 132: first A/D converter
133: Mahalanobis Street Classification Unit 134: Diagnosis Unit
135: simple diagnosis unit 136: detailed diagnosis unit
140: big data processing unit 141: normal data storage unit
142: abnormal data storage unit 143: sound data storage unit
Claims (12)
상기 진동 센서로부터 상기 회전체 내의 부품별로 정상 데이터인 회전체의 제1 진동 신호를 수신하거나, 입력되는 회전체의 제2 진동 신호를 수신하는 제1 데이터 수집부와, 상기 회전체의 제1 진동 신호로부터 특정 주파수와 진폭값을 포함한 특징 정보를 추출하고, 상기 추출한 특징 정보에 대하여 고속 푸리에 변환을 적용하여 주파수 영역의 데이터로 변환하는 전처리부와, 상기 회전체 내의 부품별로 감지되는 주파수 범위를 설정하고, 상기 정상 데이터의 제1 진동 신호를 기준으로 상기 설정한 주파수 범위의 임계값을 설정하며, 상기 제2 진동 신호가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 부품에 이상 발생을 판단하는 상세 진단부로 이루어진 진동 분석부를 포함하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.a sensor device including a vibration sensor installed for each rotating body that is a mechanical facility; and
A first data collection unit for receiving a first vibration signal of the rotating body, which is normal data for each part in the rotating body, from the vibration sensor, or receiving a second vibration signal of the rotating body, which is input, and the first vibration of the rotating body A preprocessor that extracts characteristic information including a specific frequency and amplitude value from a signal, applies a fast Fourier transform to the extracted characteristic information to convert it into frequency domain data, and sets a frequency range detected for each part in the rotating body and a threshold value of the set frequency range is set based on the first vibration signal of the normal data, and when the second vibration signal is greater than or equal to the threshold value, the vibration comprising a detailed diagnosis unit that determines the occurrence of an abnormality in the component Predictive equipment maintenance system through vibration sensor including analysis unit.
상기 진동 분석부는 상기 정상 데이터인 제1 진동 신호를 이용하여 마할라노비스 공간을 생성하고, 상기 입력 데이터인 제2 진동 신호가 상기 마할라노비스 공간으로부터 어느 정도 떨어져 있는지 비교하여 진동 신호의 이상 여부를 정량적으로 판단하는 마할라노비스 거리 분류부를 더 포함하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.The method according to claim 1,
The vibration analyzer generates a Mahalanobis space using the first vibration signal, which is the normal data, and compares how far the second vibration signal, which is the input data, is away from the Mahalanobis space to determine whether the vibration signal is abnormal. Predictive maintenance system for facilities through a vibration sensor further comprising a Mahalanobis distance classification unit that quantitatively determines.
상기 상세 진단부는 회전체 내의 부품별로 정상 데이터인 회전체의 제1 진동 신호를 기설정된 측정 횟수만큼 수집하고, 상기 수집된 제1 진동 신호의 평균값이 상기 각각의 부품에 해당하는 정상 데이터로 설정하여 부품별로 저장하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.3. The method according to claim 2,
The detailed diagnostic unit collects the first vibration signal of the rotating body, which is normal data for each part in the rotating body, as many times as a preset number of measurements, and sets the average value of the collected first vibration signal as normal data corresponding to each component. Predictive maintenance system for equipment through vibration sensor that stores each part.
상기 상세 진단부로부터 각각의 부품에 해당하는 정상 데이터를 저장하는 저앙 데이터 저장부를 포함한 빅데이터 관리부를 더 포함하고,
상기 빅데이터 관리부는 상기 회전체 내의 부품별로 상기 제2 진동 신호가 상기 임계값 이상인 경우, 해당 부품에 이상 발생을 판단하고, 상기 각각의 부품에 해당하는 제1 이상 데이터로 설정하여 부품별로 저장하고,
상기 마할라노비스 거리 분류부에서 상기 제2 진동 신호가 상기 마할라노비스 공간으로부터 어느 정도 떨어져 있는지 비교하여 진동 신호의 이상 발생을 판단한 결과를 수신하고, 상기 각각의 부품에 해당하는 제2 이상 데이터로 설정하여 부품별로 저장하는 이상 데이터 저장부를 더 포함하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.4. The method of claim 3,
Further comprising a big data management unit including a low-temperature data storage unit for storing normal data corresponding to each part from the detailed diagnosis unit,
When the second vibration signal for each part in the rotating body is equal to or greater than the threshold value, the big data management unit determines the occurrence of an abnormality in the corresponding part, sets it as the first abnormal data corresponding to each part, and stores it for each part, ,
The Mahalanobis distance classification unit compares how far the second vibration signal is from the Mahalanobis space and receives the result of determining the occurrence of an abnormality in the vibration signal, and as second anomaly data corresponding to each part. Equipment predictive maintenance system through a vibration sensor further comprising an abnormal data storage unit to set and store for each part.
상기 진동 분석부는 상기 제1 데이터 수집부로부터 수신한 아날로그 신호인 제1 진동 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 제1 A/D 컨버터; 및
상기 제1 A/D 컨버터에서 변환된 제1 진동 신호를 입력받고, 상기 입력된 제1 진동 신호에서 진동 속도의 실효값(Root Mean Square)을 산출하고, 상기 산출한 진동 속도의 실효값을 ISO10813에 근거한 진동 분석 판단 기준으로 4개의 A 영역, B 영역, C 영역, D 영역으로 분류하며, 상기 산출한 진동 속도의 실효값이 C 영역 또는 D 영역에 속하는 경우, 회전체의 이상 발생을 판단하는 심플 진단부를 포함하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.The method according to claim 1,
The vibration analyzer includes: a first A/D converter that receives a first vibration signal, which is an analog signal, received from the first data collection unit and converts it into a digital signal; and
Receives the first vibration signal converted by the first A/D converter, calculates a root mean square of the vibration speed from the input first vibration signal, and sets the calculated effective value of the vibration speed to ISO10813 It is classified into four areas A, B, C, and D as a vibration analysis judgment criterion based on Predictive maintenance system for equipment through vibration sensor including simple diagnosis unit.
상기 센서장치는 회전체 내의 부품에서 발생되는 음향을 측정하여 해당하는 음향 신호를 출력하는 음향 센서를 더 포함하고,
상기 진동 분석부는 상기 회전체 내의 부품별로 상기 음향 센서로부터 회전체의 음향 신호를 수신하는 제2 데이터 수집부; 및
상기 제2 데이터 수집부로부터 수신한 아날로그 신호인 음향 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하여 상기 진동 분석부로 전송하는 제2 A/D 컨버터를 포함하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.The method according to claim 1,
The sensor device further comprises a sound sensor that measures the sound generated from the parts in the rotating body and outputs a corresponding sound signal,
The vibration analyzer comprises: a second data collection unit configured to receive an acoustic signal of the rotating body from the acoustic sensor for each component in the rotating body; and
and a second A/D converter that receives an acoustic signal, which is an analog signal, received from the second data collection unit, converts it into a digital signal, and transmits it to the vibration analysis unit.
상기 상세 진단부는 상기 회전체 내의 상기 부품의 제1 진동 신호에서 발생하는 제1 음향 신호를 수신하거나, 상기 부품의 제2 진동 신호에서 발생하는 제2 음향 신호를 수신하고, 상기 제2 진동 신호가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 임계값 이상인 제2 진동 신호와 이에 해당하는 상기 제2 음향 신호를 이상 데이터로 설정하여 빅데이터 관리부로 전송하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.7. The method of claim 6,
The detailed diagnosis unit receives a first acoustic signal generated from a first vibration signal of the component in the rotating body, or receives a second acoustic signal generated from a second vibration signal of the component, and the second vibration signal is When the threshold value is greater than the threshold value, the equipment predictive maintenance system through the vibration sensor for setting the second vibration signal equal to or greater than the threshold value and the second sound signal corresponding thereto as abnormal data and transmitting it to the big data management unit.
상기 상세 진단부는 상기 제2 진동 신호가 상기 임계값에 50% 이내에 있는 경우, 상기 회전체 내의 부품이 '양호'인 상태로 판단하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.The method according to claim 1,
When the second vibration signal is within 50% of the threshold value, the detailed diagnosis unit is a facility predictive maintenance system using a vibration sensor to determine that the component in the rotating body is in a 'good' state.
상기 상세 진단부는 상기 제2 진동 신호가 상기 임계값의 50% 내지 70%에 속하는 경우, 상기 회전체 내의 부품이 손상 초기 단계로 고장이 예측되어 정밀 진단을 실시하는 '1차 경고'인 상태로 판단하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.The method according to claim 1,
When the second vibration signal belongs to 50% to 70% of the threshold value, the detailed diagnosis unit is in a 'primary warning' state in which a failure is predicted at the initial stage of damage to the parts in the rotating body and precise diagnosis is performed. Predictive maintenance system for equipment through vibration sensor that judges.
상기 상세 진단부는 상기 제2 진동 신호가 상기 임계값의 70% 내지 90%에 속하는 경우, 상기 회전체 내의 부품이 손상 심각도가 증가하여 수리를 실시하는 '2차 경고'인 상태로 판단하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.The method according to claim 1,
When the second vibration signal falls within 70% to 90% of the threshold value, the detailed diagnosis unit is a vibration sensor for determining a state of a 'secondary warning' in which the damage severity of the parts in the rotating body increases and repair is performed Equipment predictive maintenance system through.
상기 진동 분석부는 상기 특정 주파수를 감지하여 상기 각각의 회전체의 부품을 감지하고, 상기 감지된 부품에서 발생한 특정 주파수가 상기 임계값을 초과하면, 상기 각각의 회전체의 부품에 이상 발생을 판단하고, 상기 정상 데이터인 회전체의 부품별로 제1 진동 신호를 수신하고, 상기 수신한 각각의 제1 진동 신호의 특정 주파수를 부품별로 저장하여 상기 각각의 회전체의 부품을 감지하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.The method according to claim 1,
The vibration analyzer detects the specific frequency to detect the parts of each rotating body, and when the specific frequency generated in the sensed parts exceeds the threshold value, it is determined that an abnormality occurs in the parts of each rotating body, and , A facility through a vibration sensor that receives a first vibration signal for each part of the rotating body, which is the normal data, and stores a specific frequency of each of the received first vibration signals for each part to detect the parts of each rotating body Predictive Conservation System.
상기 진동 분석부는 상기 입력 데이터인 제2 진동 신호를 상기 상세 진단부에서 상기 부품에 이상 발생을 판단하는 상세 진단을 수행하고, 동시에 상기 마할라노비스 거리 분류부에서 상기 부품에 이상 발생을 판단하는 마할라노비스 거리 분석을 수행한 후, 상기 상세 진단 또는 상기 마할라노비스 거리 분석에서 상기 부품에 이상 발생이 나타나면, 하나의 진단 결과를 이상 데이터로 선택하고, 상기 상세 진단과 상기 마할라노비스 거리 분석에서 상기 부품에 이상 발생이 모두 나타나면, 상기 상세 진단과 상기 마할라노비스 거리 분석의 진단 결과를 이상 데이터로 선택하는 진동 센서를 통한 설비 예지 보전 시스템.3. The method according to claim 2,
The vibration analysis unit performs a detailed diagnosis of determining the occurrence of an abnormality in the component in the detailed diagnosis unit on the second vibration signal, which is the input data, and at the same time, the Mahalanobis distance classification unit determines the occurrence of an abnormality in the component. After performing the Lanovis distance analysis, if an abnormality occurs in the part in the detailed diagnosis or the Mahalanobis distance analysis, one diagnosis result is selected as anomaly data, and in the detailed diagnosis and the Mahalanobis distance analysis Predictive maintenance system through a vibration sensor that selects the detailed diagnosis and the diagnosis result of the Mahalanobis distance analysis as abnormal data when all abnormalities occur in the parts.
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