KR20240057866A - Integrated facility monitoring system using wireless sensor and metaverse - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선진동센서로 대표되는 다양한 설비감시용 측정장치의 제품정보를 수집·분석하여 통합된 감시 시스템을 통해 활용 가능하도록 하며 기계학습 및 메타버스 기술을 접목하여 각종 고장에 사전 또는 신속대응이 가능하고, 관리자의 현장 방문 없이도 감시 대상 설비들의 구조와 동작상태 인지와 결함 발생원인 및 상황 파악이 용이하도록 지원하는 무선센서 및 메타버스를 이용한 통합 설비 감시 시스템에 관한 것이다.The present invention collects and analyzes product information of various measuring devices for facility monitoring, represented by wireless vibration sensors, and makes it available through an integrated monitoring system. By combining machine learning and metaverse technology, proactive or rapid response to various failures is possible. It is about an integrated facility monitoring system using wireless sensors and metaverse that makes it possible to recognize the structure and operating status of monitored facilities and identify the cause and situation of defects without a manager's on-site visit.
Description
본 발명은 통합 설비 감시 시스템에 관한 것으로, 자세하게는 무선진동센서로 대표되는 다양한 설비감시용 측정장치의 제품정보를 수집·분석하여 통합된 감시 시스템을 통해 활용 가능하도록 하며 기계학습 및 메타버스 기술을 접목하여 각종 고장에 사전 또는 신속대응이 가능하고, 관리자의 현장 방문 없이도 감시 대상 설비들의 구조와 동작상태 인지와 결함 발생원인 및 상황 파악이 용이하도록 지원하는 무선센서 및 메타버스를 이용한 통합 설비 감시 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated facility monitoring system. Specifically, it collects and analyzes product information of various facility monitoring measuring devices, such as wireless vibration sensors, to enable use through an integrated monitoring system, and uses machine learning and metaverse technology. An integrated facility monitoring system using wireless sensors and metabus that enables proactive or rapid response to various failures by incorporating them, and supports the recognition of the structure and operating status of monitored facilities and the cause and situation of defects without a manager's on-site visit. It's about.
근래 정보통신 기술의 급속한 발전과 함께 각종 산업 플랜트에 대한 효율적인 관리요구의 증가로, 국내외의 대형 플랜트는 진동측정장치로 대표되는 다양한 유무선측정장치를 사용하며 설비내 구비된 다양한 장비의 상태를 감시/분석하고 있으며, 이를 통해 관리자가 직접 순찰하며 장비 상태를 직접 확인지 않고도 원격 모니터링을 통해 상태를 파악하고 유사시 신속 대처할 수 있도록 하고 있다.Recently, with the rapid development of information and communication technology and the increase in demands for efficient management of various industrial plants, large plants at home and abroad use a variety of wired and wireless measuring devices, such as vibration measuring devices, to monitor and/or monitor the status of various equipment installed in the facility. Through this, managers can check the status through remote monitoring and respond quickly in case of an emergency without having to patrol and check the status of the equipment directly.
하지만, 아직 무선진동측정장치 등 많은 측정장치는 메이커에서 제작한 전용 소프트웨어를 통해 측정결과를 개별 분석하는 실정으로, 다양한 장치의 개별 감시/분석으로 사용자는 전용 소프트웨어가 탑재된 다수의 시스템을 운용할 수밖에 없고 고가의 장비 및 패키지(SW)로 공급되는 시스템의 특성상 중소 플랜트 사업장은 무선진동측정장비 도입에 곤란한 문제가 있다.However, many measuring devices, such as wireless vibration measuring devices, still analyze measurement results individually through dedicated software produced by manufacturers. Individual monitoring/analysis of various devices allows users to operate multiple systems equipped with dedicated software. Due to the unavoidable nature of the system being supplied as expensive equipment and packages (SW), small and medium-sized plant businesses face difficulties in introducing wireless vibration measurement equipment.
더군다나 이러한 전용 소프트웨어 시스템은 근래 효율적인 플랜트 관리를 위해 도입되는 인공지능(AI) 기반의 신기술 접목을 위해 위해 별도 소프트웨어의 개발을 필요로 하므로 이들을 통합하여 활용할 수 있는 시스템이 요구되고 있다.Furthermore, these dedicated software systems require the development of separate software to incorporate new technologies based on artificial intelligence (AI) that have recently been introduced for efficient plant management, so a system that can integrate and utilize them is required.
언급한 최근 주목받는 신기술 중 대표적인 것이 디지털 트윈(Digital Twin) 등의 개념이 포함된 메타버스로서 실제 설비와 동일한 환경을 소프트웨어로 복제하여 디지털 환경에 디지털 가상 객체를 구현하고, 설비로부터 발생하는 데이터를 실시간으로 수집하여 운영자에게 제공하는 솔루션을 들 수 있다.A representative example of the mentioned new technologies that have recently attracted attention is Metaverse, which includes concepts such as Digital Twin, which replicates the same environment as the actual facility with software to implement digital virtual objects in the digital environment and collects data generated from the facility. One example is a solution that collects data in real time and provides it to the operator.
이를 통해 관리자는 실제 플랜트를 가상으로 구현한 메타버스 공간을 통해 설비의 작동 상태를 실시간으로 확인할 수 있으며, 고장이나 사고 발생 등 설비 작동 데이터를 메타버스를 통해 확인 및 예측한 후 바로 대응할 수 있는 장점이 있다.Through this, managers can check the operating status of facilities in real time through the metaverse space, which is a virtual representation of the actual plant. The advantage is that facility operation data, such as failures or accidents, can be checked and predicted through the metaverse and then responded immediately. There is.
하지만 앞서 언급한 개별 측정장치의 전용 소프트웨어 사용에 따른 호환성 등의 이유로 개별 무선측정장치를 통합하여 관리가 쉽지 않은 가운데 아직 설비의 데이터를 분석하여 이를 단순히 제공하는 수준에서 이의 진단에 따른 상태 예측, 공정 최적화 등과 같은 기능을 구현하는 데는 많은 어려움이 있다.However, due to reasons such as compatibility with the use of dedicated software for individual measuring devices mentioned above, it is not easy to integrate and manage individual wireless measuring devices, and it is still limited to analyzing equipment data and simply providing it, predicting status and processing according to the diagnosis. There are many difficulties in implementing features such as optimization.
본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 양한 설비감시용 측정장치의 제품정보를 수집·분석하여 통합된 감시 시스템을 통해 활용 가능하도록 하며 기계학습 및 메타버스 기술을 접목하여 각종 고장에 사전 또는 신속대응이 가능한 무선센서 및 메타버스를 이용한 통합 설비 감시 시스템을 제공하는 것이다.The present invention was created in response to the above-mentioned needs. The purpose of the present invention is to collect and analyze product information of various equipment monitoring measuring devices and utilize it through an integrated monitoring system, and to combine machine learning and metaverse technology. The goal is to provide an integrated facility monitoring system using wireless sensors and metabus that can respond in advance or quickly to various failures.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 회전설비에 장착되어 진동을 포함하는 측정정보를 생성하는 센싱모듈; 상기 센싱모듈의 데이터 취급방식을 수집·분석하여 제1분석정보를 생성하는 제1분석모듈; 플랜트에서 운용중인 감시체계의 구성 및 프로세스를 수집·분석하여 제2분석정보를 생성하는 제2분석모듈; 상기 제1분석정보 및 제2분석정보와, 상기 센싱모듈에서 수집되는 로우데이터와, 감시대상 설비정보를 저장하여 구축되는 데이터베이스; 감시대상 설비 및 적용된 센싱모듈에 대하여 상기 데이터베이스를 통해 검색된 데이터에 기반한 데이터를 연계방식을 적용 및 처리하는 연계모듈; 적용된 센싱모듈로부터 수집되는 신호값을 주파수 분석을 위해 변환하는 변환부와, 변환된 신호값을 분석하여 결합을 진단하는 진단부를 구비하며, 설비 상태를 모니터링하는 통합감시모듈; 을 구비하는 것을 특징으로 한다.For the above purpose, the present invention includes a sensing module that is mounted on a rotating device and generates measurement information including vibration; A first analysis module that collects and analyzes the data handling method of the sensing module to generate first analysis information; A second analysis module that collects and analyzes the configuration and process of the monitoring system in operation at the plant and generates second analysis information; a database constructed by storing the first analysis information and the second analysis information, raw data collected from the sensing module, and equipment information to be monitored; A linkage module that applies and processes data based on data retrieved through the database for the monitored equipment and applied sensing module in a linkage method; An integrated monitoring module that includes a conversion unit that converts the signal value collected from the applied sensing module for frequency analysis and a diagnostic unit that analyzes the converted signal value to diagnose the coupling, and monitors the equipment status; It is characterized by having a.
이때, 상기 변환부를 통해 변환된 신호값을 학습하되, 결함이 진단된 신호값을 추출하여 학습데이터를 생성하는 학습부와, 상기 학습데이터를 통해 결함별로 신호값을 분류하여 상기 진단부에 적용하는 반영부를 구비하는 학습모듈; 을 더 포함할 수 있다.At this time, a learning unit that learns the signal value converted through the conversion unit and generates learning data by extracting the signal value for which a defect has been diagnosed, and classifies the signal value by defect through the learning data and applies it to the diagnosis unit. A learning module having a reflection unit; It may further include.
또한, 감시대상 설비에 대응하여 생성된 디지털 객체를 통해 디지털 트윈 3D모델을 생성하여 관리하는 가상엔진부와, 상기 통합감시모듈과 연계하여 분석된 신호값 및 진단결과를 상기 3D모델에 반영하는 동기화부를 구비하는 메타버스모듈; 을 더 포함할 수 있다.In addition, a virtual engine unit that creates and manages a digital twin 3D model through digital objects created in response to the monitored facility, and a synchronization unit that reflects the analyzed signal values and diagnosis results in the 3D model in connection with the integrated monitoring module. Metaverse module having wealth; It may further include.
또한, 상기 연계모듈은, 센싱모듈에서 생성되는 데이터를 설정된 주기로 통합감시모듈과 직접 연계하는 직접연계부와, 센싱모듈의 운영프로그램에서 API KEY를 이용하여 데이터 추출 후 sFTP를 이용하여 설정된 주기로 통합감시모듈로 전송하는 API연계부와, 센싱모듈의 데이터를 OPC Server로 추출하여 프로토콜에 따른 OPC UA 데이터 변환을 통해 통합감시모듈로 전송하는 OPC-UA연계부를 포함할 수 있다.In addition, the linkage module has a direct linkage unit that directly connects the data generated by the sensing module with the integrated monitoring module at a set cycle, extracts data using the API KEY from the operating program of the sensing module, and then performs integrated monitoring at a set cycle using sFTP. It may include an API linkage unit that transmits to the module, and an OPC-UA linkage part that extracts data from the sensing module to the OPC Server and transmits it to the integrated monitoring module through OPC UA data conversion according to the protocol.
본 발명을 통해 다양한 장치를 하나의 프로그램에 통합하여 플랜트에 구비된 다양한 장치와 연결을 통해 통합 감시가 이루어질 수 있으며, 웹기반으로 사용자의 요구에 부응하는 유연한 시스템 구축이 가능하다.Through the present invention, various devices can be integrated into one program to enable integrated monitoring through connection with various devices installed in the plant, and it is possible to build a flexible web-based system that meets user needs.
또한, 초기 정상 데이터 경계를 설정, 경계 외의 데이터는 비정상으로 정의하는 머신러닝과 결함발생 초기 결과를 관리자에게 통보하는 기능을 통해, 각종 고장에 사전 또는 신속대응으로 플랜트의 안정적 운영에 기여할 수 있다.In addition, through machine learning that sets the initial normal data boundary and defines data outside the boundary as abnormal, and the function of notifying the manager of the initial result of a defect, it can contribute to the stable operation of the plant by responding in advance or quickly to various failures.
특히 메타버스를 통해 설비를 시각화하여 원격의 관리자가 현장 방문 없이도 직관적으로 결함 발생원인 및 상황 파악할 수 있으며, 감시 대상 설비들의 구조와 동작상태 정보들을 쉽게 인지하고, 비정상 상태 발생 시 현상 파악과 분석 시간을 최소화할 수 있다.In particular, by visualizing equipment through Metaverse, remote managers can intuitively identify the cause and situation of defects without having to visit the site. They can easily recognize the structure and operating status information of monitored equipment, and when an abnormal condition occurs, the phenomenon identification and analysis time can be reduced. can be minimized.
도 1은 본 발명의 개념도,
도 2는 본 발명의 구성 및 연결 관계를 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선진동측정장치 SW 분석화면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플랜트 감시체계 분석화면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 직접 연계 Process 설명도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 API 연계 Process 설명도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 OPC UA 연계 Process 설명도이다.1 is a conceptual diagram of the present invention;
Figure 2 is a block diagram showing the configuration and connection relationship of the present invention;
Figure 3 is a wireless vibration measurement device SW analysis screen according to an embodiment of the present invention;
Figure 4 is a plant monitoring system analysis screen according to an embodiment of the present invention;
5 is a diagram illustrating a direct connection process according to an embodiment of the present invention;
Figure 6 is an explanatory diagram of the API linkage process according to an embodiment of the present invention;
Figure 7 is an explanatory diagram of the OPC UA linkage process according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 무선센서 및 메타버스를 이용한 통합 설비 감시 시스템의 구조를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the structure of the integrated facility monitoring system using the present invention's wireless sensor and metaverse will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 개념도로서, 본 발명은 별도의 프로그램을 사용하는 다양한 센싱모듈(110) 제품을 분석하여 데이터 저장 및 처리구조 및 형식을 취득하여 다양한 센싱모듈(110)과 통합 데이터베이스를 연결하는 PROCESS/알고리즘을 구현함으로 호환성을 향상시켜 데이터 감시/분석/알람 등의 기능을 갖는 다양한 설비의 감시시스템에 즉시 접목시킬 수 있도록 한다. 또한, 센싱 데이터를 분석하여 설비결함을 진단할 수 있도록 지원한다.Figure 1 is a conceptual diagram of the present invention. The present invention analyzes various sensing module 110 products using separate programs to acquire data storage and processing structures and formats, and connects various sensing modules 110 and an integrated database. By implementing PROCESS/algorithm, compatibility is improved so that it can be immediately integrated into the monitoring system of various facilities with functions such as data monitoring/analysis/alarm. In addition, it supports the diagnosis of facility defects by analyzing sensing data.
도 2는 본 발명의 구성 및 연결 관계를 나타낸 블록도로서, 본 발명은 주요구성으로 센싱모듈(110)과, 제1분석모듈(120) 및 제2분석모듈(130)과, 데이터베이스(140)와, 연계모듈(150)과, 통합감시모듈(160)을 비롯하여, 확장 기능으로 머신러닝을 위한 학습모듈(170) 및 메타버스 기술 접목을 위한 메타버스모듈(180)을 구비한다.Figure 2 is a block diagram showing the configuration and connection relationship of the present invention. The main components of the present invention are a sensing module 110, a first analysis module 120 and a second analysis module 130, and a database 140. In addition to the linkage module 150 and the integrated monitoring module 160, it is equipped with a learning module 170 for machine learning and a metaverse module 180 for incorporating metaverse technology as an expansion function.
상기 센싱모듈(110)은 설비의 상태를 측정하기 위한 센서로서, 본 발명에서는 대표적인 센서로 회전설비에 장착되어 진동을 포함하는 측정정보를 생성하는 센서가 적용된다. 본 발명의 실시예에서 상기 센싱모듈(110)로는 국내 활용 중인 무선진동측정 장치로 한국업체 Assetcare사의 W-CMS를 비롯하여, 벨기에 ‘I“사의 ’W’제품, 미국 ‘B’사의 ‘R’제품의 3종을 선정하였다.The sensing module 110 is a sensor for measuring the state of equipment. In the present invention, a representative sensor is a sensor that is mounted on rotating equipment and generates measurement information including vibration. In the embodiment of the present invention, the sensing module 110 is a wireless vibration measurement device in use in Korea, including the W-CMS of the Korean company Assetcare, the 'W' product of the Belgian company 'I", and the 'R' product of the American company 'B'. Three types were selected.
상기 제1분석모듈(120)은 상기 센싱모듈(110)의 데이터 취급방식을 수집·분석하여 제1분석정보를 생성하는 구성이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선진동측정장치 SW 분석화면으로, 기본적으로 적용대상 센싱모듈(110)의 데이터 저장 및 분석 SW를 분석하게 되며 센서의 데이터 저장형식, 데이터베이스, 데이터 연결방식을 제1분석정보에 포함시키게 된다.The first analysis module 120 is a component that collects and analyzes the data handling method of the sensing module 110 to generate first analysis information. Figure 3 is a wireless vibration measurement device SW analysis screen according to an embodiment of the present invention. Basically, the data storage and analysis SW of the applicable sensing module 110 is analyzed, and the sensor's data storage format, database, and data connection method are analyzed. It is included in the first analysis information.
상기 제2분석모듈(130)은 플랜트에서 운용중인 감시체계의 구성 및 프로세스를 수집·분석하여 제2분석정보를 생성하는 구성이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플랜트 감시체계 분석화면으로, 플랜트의 구성, 데이터 통합을 위한 process 분석을 통해 데이터 통합에 따른 상호운용을 위한 방안을 위한 정보를 분석하여 제2분석정보를 생성한다.The second analysis module 130 is a component that collects and analyzes the configuration and process of the monitoring system in operation in the plant to generate second analysis information. Figure 4 is a plant monitoring system analysis screen according to an embodiment of the present invention. Second analysis information is generated by analyzing information for interoperability according to data integration through process analysis for plant configuration and data integration. do.
데이터 통합에 따른 상호운용을 위한 방안을 위해 관련표준을 반영할 수 있으며 ISO18431/ISO 13374에서는 무선진동 센서 등 장비를 이용한 상태감시 절차와 신호 처리방안에 대하여 제안함에 따라 본 발명의 실시예에서는 이를 검토하여 반영하였다.Related standards can be reflected for interoperability through data integration, and as ISO18431/ISO 13374 proposes status monitoring procedures and signal processing methods using equipment such as wireless vibration sensors, this is reviewed in the embodiment of the present invention. It was reflected.
ISO18431/ISO 13374의 제안사항은 다음 [표 1]과 같다. The suggestions for ISO18431/ISO 13374 are as follows [Table 1].
- 데이터의 표현은 축의 속도(rpm), 기계의 부하(통력, 유량, 압력 등) 및 측정되는 진동에 영향을 준수 있는 다른 운전 파라미터를 포함
- 일반적인 데이터 취득은, 운전 조건이 가능한 기계의 정격 또는 통상 운전에 가까울 것을 권장
- 데이터는 기계가 동일한 또는 유사 조건하에 운전될 때, 알려진 재현성 있는 프로세스 파라미터가 취득되어야 함- Recommended to select equipment subject to monitoring, determine the type of appropriate measurement system, and apply it - Recommend that operating conditions such as speed, load, temperature, etc. be clearly expressed and broadcast on the received vibration data.
- Data representation includes shaft speed (rpm), machine load (force, flow rate, pressure, etc.) and other operating parameters that may affect the measured vibration.
- For general data acquisition, it is recommended that operating conditions be as close to the machine's rating or normal operation as possible.
- Data must be obtained for known, reproducible process parameters when the machine is operated under the same or similar conditions.
- 결함과 결함 원인의 진단
- 향후 결함 진행에 대한 예지
- 문제의 해결 또는 대책을 위한 처방
- 사후 분석- Problem detection (deviation from steady state)
- Diagnosis of defects and causes of defects
- Foreknowledge of future defect progression
- Prescription for solving problems or countermeasures
- Postmortem analysis
최대(나이키스트) 주파수 fN = fs/2
표본화 간격 Dt = 1/fs- Sampling: Sampling at a rate called sampling frequency fs
Maximum (Nyquist) frequency fN = fs/2
Sampling interval Dt = 1/fs
상기 데이터베이스(140)는 상기 제1분석정보 및 제2분석정보와, 상기 센싱모듈(110)에서 수집되는 로우데이터와, 감시대상 설비정보를 저장하여 구축된다. 구체적으로 상기 데이터베이스는 감시대상 설비와 센싱모듈(110)에서 취득된 데이터의 분류를 위한 정보인 신호정보와, 진동분석을 위해 센싱모듈(110)로부터 수집되는 데이터인 raw data와, 데이터 비교 및 빅데이터화를 위한 센싱모듈(110)의 설치대상 설비의 정보인 설비정보와, 학습에 활용하기 위한 설비의 결함정보와, 분석용 데이터 변환 결과로 주파수 분석을 위해 FFT 알고리즘을 이용하여 변환한 spectrum data, 머신러닝 데이터로 신호의 특징을 추출하여 학습하여 결함별로 분류한 학습결과, 학습결과와 비교를 통해 입력된 데이터의 결함을 진단한 진단결과 등이 저장된다.The database 140 is constructed by storing the first analysis information and the second analysis information, raw data collected from the sensing module 110, and information on equipment to be monitored. Specifically, the database includes signal information, which is information for classification of data acquired from the monitoring target equipment and the sensing module 110, raw data, which is data collected from the sensing module 110 for vibration analysis, and data comparison and big data. Equipment information, which is information on equipment subject to installation of the sensing module 110 for data conversion, defect information on equipment for use in learning, spectrum data converted using the FFT algorithm for frequency analysis as a result of data conversion for analysis, The learning results of classifying by defect by extracting and learning the characteristics of the signal using machine learning data, and the diagnosis results of diagnosing defects in the input data through comparison with the learning results are stored.
본 발명의 실시예에서는 3종의 센싱모듈(110)과 연계하여 데이터베이스(140)를 구축하기 위해 데이터를 표준화하였다. 이때 향후 자동예측진단 시스템으로 업그레이드를 위해 설비정보 포함하여 표준화를 수행하였으며, 설비정보/결함정보를 포함한 Properties와 진동 신호 정보를 포함한 data로 구분, 데이터베이스 및 데이터 관리를 고려하여 표준화를 수행하였다. [표 2]는 표준화 항목 ‘Properties’를 나타낸다.In an embodiment of the present invention, data is standardized to build a database 140 in connection with three types of sensing modules 110. At this time, standardization was performed including facility information in order to upgrade to an automatic predictive diagnosis system in the future. Standardization was performed by dividing into properties including facility information/defect information and data including vibration signal information, and considering database and data management. [Table 2] shows the standardized item ‘Properties’.
[표 3]은 본 발명의 실시예에 따른 표준화 항목 검토 ‘data’를 나타낸다.[Table 3] shows the standardization item review ‘data’ according to the embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에서 상기 데이터베이스는 도큐먼트 지향 데이터베이스로 Json(동적 스키마형 도큐먼트, 진동데이터 등)에 적합하며 다수의 무선진동측정장비에서 데이터베이스로 채용 중인 NoSQL 기반의 mongoDB로 구현하여 설계하였다. In the embodiment of the present invention, the database is a document-oriented database suitable for Json (dynamic schema-type documents, vibration data, etc.), and was designed by implementing it with NoSQL-based mongoDB, which is being used as a database in many wireless vibration measurement equipment.
상기 연계모듈(150)은 감시대상 설비 및 적용된 센싱모듈(110)에 대하여 상기 데이터베이스를 통해 검색된 데이터에 기반한 데이터를 연계방식을 적용 및 처리하는 구성으로, 본 발명의 실시예에서는 세부구성인 직접연계부(151)와, API연계부(152)와, OPC-UA연계부(153)를 통한 3가지 연계방식을 설명한다.The linkage module 150 is configured to apply and process data based on data retrieved through the database for the monitoring target equipment and the applied sensing module 110, and in the embodiment of the present invention, direct linkage is a detailed configuration. Three connection methods through the unit 151, the API linkage unit 152, and the OPC-UA linkage unit 153 are explained.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 직접 연계 Process 설명도로서, 상기 직접연계부(151)는 센싱모듈(110)에서 생성되는 데이터를 설정된 주기로 통합감시모듈과 직접 연계한다.Figure 5 is a diagram illustrating the direct link process according to an embodiment of the present invention. The direct link unit 151 directly links data generated in the sensing module 110 with the integrated monitoring module at a set cycle.
즉 상용 무선진동측정장비에 활용 중인 DB와 동일한 DB(mongoDB)를 적용하는 방식으로 센싱모듈(110)에서 직접 데이터를 추출하고 주기적으로 동기화하는 것으로 추출된 데이터에 표준화 처리 후 저장한다.In other words, by applying the same DB (mongoDB) as the DB used in commercial wireless vibration measurement equipment, data is extracted directly from the sensing module 110, synchronized periodically, and the extracted data is standardized and stored.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 API 연계 Process 설명도로서, 상기 API연계부(152)는 센싱모듈(110)의 운영프로그램에서 API KEY를 이용하여 데이터 추출 후 sFTP를 이용하여 설정된 주기로 통합감시모듈로 전송한다.Figure 6 is a diagram illustrating the API linkage process according to an embodiment of the present invention. The API linkage unit 152 extracts data using the API KEY from the operating program of the sensing module 110 and then performs integrated monitoring at a set cycle using sFTP. Transmit to module.
즉 API KEY를 이용하여 센싱모듈(110)의 운영프로그램에서 데이터 추출하며 이때 추출 데이터 형식은 Json 형식으로 하였다. 추출된 데이터는 sFTP를 이용하여 주기적으로 전송하고 지정폴더로 전송된 데이터를 통합 데이터베이스(140)로 입력하며, 추출된 데이터의 표준화 처리 후 저장이 이루어진다. That is, data is extracted from the operating program of the sensing module 110 using the API KEY, and the extracted data format is Json format. The extracted data is periodically transmitted using sFTP, and the data transmitted to the designated folder is input into the integrated database 140, and the extracted data is stored after standardization.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 OPC UA 연계 Process 설명도로서, 상기 OPC-UA연계부(153)는 센싱모듈(110)의 데이터를 OPC Server로 추출하여 프로토콜에 따른 OPC UA 데이터 변환을 통해 통합감시모듈로 전송한다.Figure 7 is an explanatory diagram of the OPC UA linkage process according to an embodiment of the present invention. The OPC-UA linkage unit 153 extracts data from the sensing module 110 to the OPC Server and converts it through OPC UA data conversion according to the protocol. Transmitted to the integrated monitoring module.
OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture)는 스마트팩토리 분야의 표준으로 사용되는 통신 프로토콜 표준으로, OPC Server 로 데이터 추출시 추출 데이터 형식은 Json 형식으로, GE 프로토콜에 따른 OPC UA 데이터 변환 프로그램을 적용하였다.OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) is a communication protocol standard used as a standard in the smart factory field. When data is extracted with OPC Server, the extracted data format is Json format, and the OPC UA data conversion program according to the GE protocol is applied.
상기 통합감시모듈(160)은 센싱모듈(110)의 정보, 센싱값 및 이의 분석결과, 설비감시, 진단결과 등을 출력하며 설비상태를 통합적으로 모니터링하는 구성으로, 세부구성으로 변환부(161)와 진단부(162)를 구비한다.The integrated monitoring module 160 outputs the information of the sensing module 110, sensing values, analysis results, facility monitoring, and diagnosis results, and monitors the facility status in an integrated manner. The detailed configuration is converted into a unit 161. and a diagnostic unit 162.
상기 변환부(161)는 설비의 감시를 위해 적용된 센싱모듈(110)로부터 수집되는 신호값을 주파수 분석을 위해 변환하는 구성으로, 적용된 센싱모듈(110)의 특징을 고려하여 앞서 언급한 직접연계/API연계/OPC-UA연계를 고려하여 데이터를 추출 후 데이터 표준화를 반영하여 데이터를 변환한다. The conversion unit 161 is a component that converts the signal value collected from the sensing module 110 applied for facility monitoring for frequency analysis. Considering the characteristics of the applied sensing module 110, the aforementioned direct connection/ After extracting data considering API linkage/OPC-UA linkage, the data is converted to reflect data standardization.
본 발명에서 상기 변환부(161)에는 시간 파형의 진동 raw data에 FFT 처리하여 주파수 영역으로 변환하는 FFT SPECTRUM 변환 알고리즘이 적용되며, 에일리어싱 에러 및 노이즈 제거를 위해 주어진 표본화율(속도)로 얻은 데이터에서 가용한 최대 사용 가능 주파수 이하로 필터 처리, fft 처리를 위해 일정한 간격을 가지는 별개의 값들(distinct values)에 대한 함수 값을 획득하는 sampling, 가중된(weighted) 데이터 점들을 처리하는 동안 오차를 감소시키기 위해 사용된 절단된 함수(truncated function) 상태 감시를 위해 HANNING 창 적용, 상태감시에서 신호의 정확성을 향상하고 데이터의 측정 시간을 감소하기 위한 평균화, 시간 영역에서 물리 단위 U를 갖는 연속의 데이터 표본 x(n)는 푸리에 변환을 통해 주파수 영역 변환하는 과정을 수행한다.In the present invention, the conversion unit 161 applies the FFT SPECTRUM conversion algorithm that converts the vibration raw data of the time waveform into the frequency domain by FFT processing it, and in the data obtained at a given sampling rate (rate) to remove aliasing error and noise. Filtering below the maximum usable frequency, sampling to obtain function values for discrete values for fft processing, and reducing errors while processing weighted data points. The truncated function used to apply a HANNING window for condition monitoring, averaging to improve signal accuracy and reduce data measurement time in condition monitoring, and a continuous sample of data x with physical unit U in the time domain. (n) performs a frequency domain transformation process through Fourier transform.
상기 진단부(162)는 상기 변환부를 통해 변환된 신호값을 분석하여 결함을 진단하는 구성으로 결합판단을 위한 기준값을 설정하여 이와 신호값을 비교분석하는 방식으로 결함발생 및 결함유형을 진단하며, 머신러닝을 통해 사전연구를 통해 확보된 초기결함 사전진단 알고리즘을 보완하여 결함의 종류(원인)를 자동으로 진단할 수 있도록 할 수 있다.The diagnosis unit 162 is a component that diagnoses defects by analyzing the signal value converted through the conversion unit, and diagnoses the occurrence and type of defect by setting a reference value for coupling judgment and comparing and analyzing the signal value. Machine learning can be used to complement the early defect pre-diagnosis algorithm obtained through prior research to automatically diagnose the type (cause) of the defect.
이를 위해 구비되는 상기 학습모듈(170)은 상기 변환부(161)를 통해 변환된 신호값을 학습하되 결함이 진단된 신호값을 추출하여 학습데이터를 생성하는 학습부(171)와, 상기 학습데이터를 통해 결함별로 신호값을 분류하여 상기 진단부(162)에 적용하는 반영부(172)를 구비한다.The learning module 170 provided for this purpose includes a learning unit 171 that learns the signal value converted through the conversion unit 161 and generates learning data by extracting the signal value for which a defect has been diagnosed, and the learning data It is provided with a reflection unit 172 that classifies signal values according to defects and applies them to the diagnosis unit 162.
자동진단을 위한 특징추출에 진동신호의 정보(진폭, 결함, 위상)를 포함하는 Raw data (Time Waveform)을 활용하며, 자동진단의 정확성 및 신뢰성 향상을 위해 filtering 처리하여 외부 요인으로 발생하는 noise 제거와, 특징추출을 위해 Raw data (Time Waveform)을 re-sampling, sampling된 데이터를 정규화 처리하는 전처리가 이루어지게 된다.Raw data (Time Waveform) containing vibration signal information (amplitude, defect, phase) is used to extract features for automatic diagnosis, and noise caused by external factors is removed through filtering to improve the accuracy and reliability of automatic diagnosis. For feature extraction, preprocessing is performed to re-sample the raw data (Time Waveform) and normalize the sampled data.
본 발명의 실시예에서는 신호의 통계적, 형태적 특성을 나타내는 [표 4]의 시간 영역(19종), [표 5]의 주파수영역(7종), [표 6]의 엔트로피(4종)의 특징 계산 및 추출하여 학습 및 진단에 활용하였다.In an embodiment of the present invention, the time domain (19 types) of [Table 4], the frequency domain (7 types) of [Table 5], and the entropy (4 types) of [Table 6], which represent the statistical and morphological characteristics of the signal, are used. Features were calculated and extracted and used for learning and diagnosis.
또한, 본 발명의 실시예에서는 대상설비의 특징 분석 및 상태별 분류를 위해 차원을 축소하는 주성분 분석법(Principal Component Analysis), 특징 조합의 변별성을 평가하고 변별성이 높은 특징 조합을 분석하여 유사 특징 조합을 생성하고 이를 반복함으로써 가장 변별성이 높은 특징 조합을 추출하는 유전자 알고리즘(GA) 최적 특징 선택 기법, 고차원 또는 무한 차원의 공간에서 초평면(Hyper plane)을 찾아 이를 이용하여 분류 수행, 하나의 데이터 포인트와 판별 경계까지의 거리를 나타내는 마진(Margine)을 최대로 가지는 선형판별에 기초하며, 속성들 간의 의존성은 고려하지 않는 방법인 Support Vector Machine(SVM) 설비상태 분류 기법, 새로운 데이터를 기존의 데이터를 바탕으로 근접한 k개의 데이터를 이용하여 분류 수행, 데이터와의 거리 척도를 학습하여 가장 가까운 k개의 데이터를 찾아 빈도수가 가장 높은 클래스로 분류하는 결함진단 기법을 적용하였다.In addition, in an embodiment of the present invention, a Principal Component Analysis method that reduces the dimension for feature analysis and status classification of target equipment, evaluates the distinctiveness of feature combinations, and analyzes feature combinations with high distinctiveness to create similar feature combinations. Genetic Algorithm (GA) optimal feature selection technique that extracts the feature combination with the highest discrimination by generating and repeating it, finding a hyperplane in a high-dimensional or infinite-dimensional space and using it to perform classification, making a discrimination with one data point Support Vector Machine (SVM) facility status classification technique, which is based on linear discrimination with the maximum margin representing the distance to the boundary and does not consider dependencies between attributes, uses new data based on existing data A defect diagnosis technique was applied to classify using k adjacent data and learn the distance scale from the data to find the k closest data and classify them into the class with the highest frequency.
상기 진단부(162)의 진단 알고리즘의 진단 성능향상을 위해 학습용 결함별 진동 데이터가 필요하며 설비의 결함 데이터 확보가 곤란할 경우, 전문장비를 활용하여 데이터를 확보가 가능하다.In order to improve the diagnostic performance of the diagnostic algorithm of the diagnostic unit 162, vibration data for each defect for learning is required, and if it is difficult to secure defect data for equipment, data can be secured using specialized equipment.
[표 7]은 본 발명의 실시예에 따른 학습 데이터 종류로 회전설비의 주요 결함 4종을 정리하였다.[Table 7] summarizes the four main defects of rotating equipment by types of learning data according to the embodiment of the present invention.
- 회전속도에 비례하여 진동 증가(원심력 작용)-The 1x (operation) component in the radial direction is dominant, and there is no change in phase angle.
- Vibration increases in proportion to rotation speed (centrifugal force action)
- 과도한 경우에 2x성분이 지배적이며, 양쪽 베어링에서 180°위상차 나타남- Occurrence of 2x (3x, 4x) components other than rotation frequency components
- In excessive cases, the 2x component dominates, and a 180° phase difference appears in both bearings.
- 과도한 경우에 분수조화성분 발생(1/2, 1/3, 1/4x)- One impact occurs per rotation in the radial direction (1x and multiple components generated)
- Fractional harmonic components occur in excessive cases (1/2, 1/3, 1/4x)
이때 전문 시뮬레이터를 이용하여 결함데이터 확보가 가능하며, 본 발명의 실시예에서는 시뮬레이터를 활용하여 회전설비의 결함(4종) 모사하고, 이를 이용하여 결함데이터를 확보하였다. At this time, it is possible to secure defect data using a professional simulator. In the embodiment of the present invention, defects (4 types) of rotating equipment were simulated using a simulator, and defect data was secured using this.
상기 메타버스모듈(180)은 앞서 설명한 모니터링 결과를 디지털 트윈 3D 모델에 연계 처리하여 시각화를 통해 제공하는 구성으로, 감시대상 설비에 대응하여 생성된 디지털 객체를 통해 디지털 트윈 3D모델을 생성하여 관리하는 가상엔진부(181)와, 상기 통합감시모듈과 연계하여 분석된 신호값 및 진단결과를 상기 3D모델에 반영하는 동기화부(182)를 구비한다.The metaverse module 180 is a configuration that processes the monitoring results described above in connection with the digital twin 3D model and provides them through visualization. It creates and manages the digital twin 3D model through digital objects created in response to the monitored facility. It is provided with a virtual engine unit 181 and a synchronization unit 182 that reflects the signal values and diagnosis results analyzed in connection with the integrated monitoring module to the 3D model.
상기 가상엔진부(181)는 물리모델로서 경계조건이 설정된 상태로 감시대상 설비에 대한 디지털 트윈 3D모델을 생성하여 메타버스공간을 형성하며, 예를 들어 회전설비로서 펌프 베어링 또는 이들을 구성하는 감시 대상 설비에 대응하는 적어도 하나의 디지털 트윈 3D 모델을 생성하여 관리하되, 감시 대상 설비들에 관한 감시/운전 데이터들 각각에 대응하는 적어도 하나의 시각화 콘텐츠를 저장 관리하게 된다.The virtual engine unit 181 forms a metaverse space by creating a digital twin 3D model of the monitoring target facility with boundary conditions set as a physical model, for example, a rotating facility such as a pump bearing or a monitoring target composing them. At least one digital twin 3D model corresponding to the facility is created and managed, and at least one visualization content corresponding to each monitoring/operation data regarding the monitored facilities is stored and managed.
상기 동기화부(182)는 디지털 트윈 3D 모델과 적어도 하나의 시각화 콘텐츠에 전달받은 진단결과 정보 데이터들과 감시 대상 설비들에 관한 감시/운전 데이터들을 연계 처리시키는 매핑을 수행하며, 예를 들어 펌프 베어링의 3D 모델 기반 운전 및 결함 조기 진단 정보를 시각화 처리하여 제공하고, 펌프 베어링 시스템의 3D 모델 기반 시뮬레이션 정보와, 3D 모델 기반 조작 및 제어를 통한 펌프 베어링 구조를 시각화 처리하여 제공하여 해당 설비의 결함 상태를 확인 가능하도록 한다.The synchronization unit 182 performs mapping to link and process the diagnostic result information data received from the digital twin 3D model and at least one visualization content and the monitoring/operation data regarding the facilities to be monitored, for example, pump bearings 3D model-based operation and fault early diagnosis information is visualized and provided, 3D model-based simulation information of the pump bearing system, and pump bearing structure through 3D model-based operation and control are visualized and provided to determine the fault status of the equipment. Make it possible to check.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various changes and modifications within the scope of the claims. This is self-evident.
110: 센싱모듈
120: 제1분석모듈
130: 제2분석모듈
140: 데이터베이스
150: 연계모듈
151: 직접연계부
152: API연계부
153: OPC-UA연계부
160: 통합감시모듈
161: 변환부
162: 진단부
170: 학습모듈
171: 학습부
172: 반영부
180: 메타버스모듈
181: 가상엔진부
182: 동기화부110: Sensing module 120: First analysis module
130: Second analysis module 140: Database
150: Link module 151: Direct link unit
152: API connection unit 153: OPC-UA connection unit
160: Integrated monitoring module 161: Conversion unit
162: Diagnosis unit 170: Learning module
171: Learning Department 172: Reflection Department
180: Metaverse module 181: Virtual engine unit
182: synchronization unit
Claims (4)
상기 센싱모듈(110)의 데이터 취급방식을 수집·분석하여 제1분석정보를 생성하는 제1분석모듈(120);
플랜트에서 운용중인 감시체계의 구성 및 프로세스를 수집·분석하여 제2분석정보를 생성하는 제2분석모듈(130);
상기 제1분석정보 및 제2분석정보와, 상기 센싱모듈(110)에서 수집되는 로우데이터와, 감시대상 설비정보를 저장하여 구축되는 데이터베이스(140);
감시대상 설비 및 적용된 센싱모듈(110)에 대하여 상기 데이터베이스를 통해 검색된 데이터에 기반한 데이터를 연계방식을 적용 및 처리하는 연계모듈(150);
적용된 센싱모듈(110)로부터 수집되는 신호값을 주파수 분석을 위해 변환하는 변환부(161)와, 변환된 신호값을 분석하여 결합을 진단하는 진단부(162)를 구비하며, 설비 상태를 모니터링하는 통합감시모듈(160); 을 구비하는 것을 특징으로 하는 통합 설비 감시 시스템.
A sensing module 110 mounted on a rotating facility to generate measurement information including vibration;
A first analysis module 120 that collects and analyzes the data handling method of the sensing module 110 to generate first analysis information;
A second analysis module 130 that collects and analyzes the configuration and process of the monitoring system operating in the plant and generates second analysis information;
a database 140 constructed by storing the first analysis information and the second analysis information, raw data collected from the sensing module 110, and information on equipment to be monitored;
A linkage module (150) that applies and processes data based on data retrieved through the database for the monitored equipment and the applied sensing module (110) using a linkage method;
It is provided with a conversion unit 161 that converts the signal value collected from the applied sensing module 110 for frequency analysis, and a diagnostic unit 162 that analyzes the converted signal value to diagnose the coupling, and monitors the equipment status. Integrated monitoring module (160); An integrated facility monitoring system comprising:
상기 변환부를 통해 변환된 신호값을 학습하되, 결함이 진단된 신호값을 추출하여 학습데이터를 생성하는 학습부(171)와, 상기 학습데이터를 통해 결함별로 신호값을 분류하여 상기 진단부에 적용하는 반영부(172)를 구비하는 학습모듈(170); 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 설비 감시 시스템.
According to paragraph 1,
A learning unit 171 learns the signal value converted through the conversion unit and generates learning data by extracting the signal value for which a defect has been diagnosed, and classifies the signal value by defect through the learning data and applies it to the diagnosis unit. A learning module (170) having a reflection unit (172); An integrated facility monitoring system further comprising:
감시대상 설비에 대응하여 생성된 디지털 객체를 통해 디지털 트윈 3D모델을 생성하여 관리하는 가상엔진부(181)와, 상기 통합감시모듈과 연계하여 분석된 신호값 및 진단결과를 상기 3D모델에 반영하는 동기화부(182)를 구비하는 메타버스모듈; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 설비 감시 시스템.
According to paragraph 1,
A virtual engine unit 181 that creates and manages a digital twin 3D model through digital objects created in response to the monitored facility, and a signal value and diagnosis result analyzed in connection with the integrated monitoring module are reflected in the 3D model. A metaverse module including a synchronization unit 182; An integrated facility monitoring system further comprising:
상기 연계모듈(150)은, 센싱모듈(110)에서 생성되는 데이터를 설정된 주기로 통합감시모듈과 직접 연계하는 직접연계부(151)와, 센싱모듈(110)의 운영프로그램에서 API KEY를 이용하여 데이터 추출 후 sFTP를 이용하여 설정된 주기로 통합감시모듈로 전송하는 API연계부(152)와, 센싱모듈(110)의 데이터를 OPC Server로 추출하여 프로토콜에 따른 OPC UA 데이터 변환을 통해 통합감시모듈로 전송하는 OPC-UA연계부(153)를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 설비 감시 시스템.According to paragraph 1,
The linkage module 150 is a direct linkage unit 151 that directly links the data generated in the sensing module 110 with the integrated monitoring module at a set period, and data using the API KEY in the operating program of the sensing module 110. After extraction, the data from the API linkage unit 152 and the sensing module 110, which are extracted and transmitted to the integrated monitoring module at a set cycle using sFTP, are extracted to the OPC Server and transmitted to the integrated monitoring module through OPC UA data conversion according to the protocol. An integrated facility monitoring system comprising an OPC-UA linkage unit (153).
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KR1020220138594A KR20240057866A (en) | 2022-10-25 | 2022-10-25 | Integrated facility monitoring system using wireless sensor and metaverse |
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Citations (1)
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2022
- 2022-10-25 KR KR1020220138594A patent/KR20240057866A/en unknown
Patent Citations (1)
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