KR20240081917A - Diagnosis device for rotating machinery using displacement signal analysis - Google Patents

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Abstract

회전기계로부터 가속도를 입력 받아 가속도 센서의 사용에 수반되는 고조파 노이즈 및 저주파 드리프트를 효과적으로 제거하는 신호처리 과정을 통해 두 번의 적분을 수행하여 회전체의 진동 속도 및 회전궤적을 제공하며 주파수 도메인에서 회전 궤적의 재구성이 이루어져 회전 주파수 및 그 고주파로 재구성되는 시간 도메인 상의 회전 궤적을 작업자에게 제공해 운전 상태를 직관적으로 파악할 수 있게 하는 기술에 관한 것이다.By receiving acceleration from a rotating machine and performing two integrations through a signal processing process that effectively removes harmonic noise and low-frequency drift accompanying the use of an acceleration sensor, the vibration speed and rotation trajectory of the rotating body are provided, and the rotation trajectory is provided in the frequency domain. This is about a technology that provides the operator with a rotation trajectory in the time domain reconstructed at the rotation frequency and its high frequency, allowing the operator to intuitively understand the operating state.

Description

변위 신호 분석을 이용한 회전기계설비 진단장치{Diagnosis device for rotating machinery using displacement signal analysis}Diagnosis device for rotating machinery using displacement signal analysis}

본 발명은 회전축을 포함하는 회전기계의 이상 상태를 변위 신호분석을 이용하여 진단하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device for diagnosing abnormal conditions of a rotating machine including a rotating shaft using displacement signal analysis.

회전 궤적은 회전기계의 이상 상태 진단에 널리 사용된다. 산업에서 사용되는 회전기계는 통상 베어링에 의해 지지되며 다른 기기와 축 커플링에 의해 연결되어 회전 또는 회전동력을 제공하는 역할을 한다. 회전기계의 고장은 초기에 진단되어야 적은 비용으로 보수될 수 있다. 회전기계의 고장은 급격한 진동 증가 또는 정지에 의한 충격이 발생하며 주변 장치에도 피해를 입힐 수 있기 때문에 적절한 진단장치에 의해 회전기계설비의 상태 및 수명이 모니터링 될 필요가 있다.Rotation trajectories are widely used to diagnose abnormal conditions in rotating machines. Rotating machines used in industry are usually supported by bearings and are connected to other machines through shaft couplings to provide rotation or rotational power. Malfunctions in rotating machinery can be repaired at low cost if diagnosed early. Malfunction of rotating machinery can result in a sudden increase in vibration or shock due to stoppage, and can cause damage to surrounding devices, so the condition and lifespan of rotating machinery equipment needs to be monitored using an appropriate diagnostic device.

산업 현장에서 널리 사용되는 회전기계설비는 이상 상태가 심한 경우에는 일반적인 센서 뿐만 아니라 저렴한 음향 센서를 이용해 진동에 의한 소리 발생 정도로도 이상 상태를 판단할 수 있다. 그러나 고장 초기의 미세한 진동 변화나 파손 전까지의 점진적인 상태 변화를 검출해 내기 위해서는 운영비용이 과다한 진단 기법이 요구되어 비용 문턱이 높다. 이와는 반대로 설치가 용이하고 비용이 낮은 센서 시스템은 이상 상태 감시에 필요한 충분한 정밀도와 신뢰도를 제공하지 못하는 한계가 있다. 본 발명은 진동을 가속도 센서로 모니터링하는 방식으로 비교적 설치가 용이하면서도 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있고 비용의 문턱을 낮출 수 있는 기술을 개발한다.In the case of severe abnormalities in rotating machinery equipment, which is widely used in industrial settings, the abnormal condition can be determined based on the level of noise generated by vibration using not only general sensors but also inexpensive acoustic sensors. However, in order to detect minute vibration changes in the early stage of failure or gradual changes in state before failure, diagnostic techniques with excessive operating costs are required, resulting in a high cost threshold. In contrast, sensor systems that are easy to install and low cost have limitations in that they do not provide sufficient precision and reliability required to monitor abnormal conditions. The present invention develops a technology that is relatively easy to install, obtains highly reliable results, and lowers the cost threshold by monitoring vibration with an acceleration sensor.

회전 궤적은 가속도를 두 번 적분하여 회전체의 진동 변위를 얻는 방식을 사용한다. 통상 가속도 센서는 내부에 압전소자를 포함하며 내부의 기준 질량에 의해 가해지는 힘을 전기 신호로 변환하여 센서 장착 부위의 진동량을 출력한다. 가속도 센서는 진동하는 회전체를 직접 마주하도록 설치할 필요가 없어 용이하다. 반면 노이즈와 드리프트가 문제가 된다. 회전기계설비가 설치된 시스템은 다양한 진동이 상존하는 환경이기에 이상 상태와 관련된 진동 성분 이외에도 다양한 배경 노이즈가 유입된다. 예컨대 가속도 센서 자체에서 전기적, 기계적인 요인에 의해 발생하는 노이즈를 들 수 있다. 또 이상 상태 발생 시에는 시스템에 추가적인 발열이 수반되는 경우가 대부분이다. 가속도 센서에 유입되는 열은 노이즈와 함께 신호 드리프트를 유발한다. 회전기계설비의 이상 상태를 용이하게 진단하기 위해서는 이러한 노이즈와 드리프트에 기인한 오차 요인을 쉽게 배제할 수 있어야 한다. 회전기계설비의 상태 진단에 필요한 정보는 회전체의 회전속도와 연동된 주파수 신호 성분에 주로 포함된다. 매우 낮은 주파수의 정적인 성분의 변화 신호나 회전 주파수의 수배 이상의 높은 주파수를 가지는 신호는 배제하고 회전속도와 연동된 성분을 위주로 이상 상태 진단에 필요한 정보를 한정할 수 있다. 이를 주파수 도메인으로 변환된 신호로 주고받음으로써 예컨대 모바일 단말기에 적은 양의 데이터만 전달하면서도 통상의 작업자가 직관적으로 파악할 수 있도록 충분한 상태 정보가 포함된 회전 궤적을 제공할 수 있다.The rotation trajectory uses a method of obtaining the vibration displacement of the rotating body by integrating the acceleration twice. Typically, an acceleration sensor contains a piezoelectric element inside and converts the force applied by the internal reference mass into an electrical signal to output the amount of vibration of the sensor mounting area. Acceleration sensors are convenient because they do not need to be installed directly facing a vibrating rotating body. On the other hand, noise and drift are problems. Since the system where rotating machinery is installed is an environment where various vibrations exist, various background noises are introduced in addition to the vibration components related to abnormal conditions. For example, noise generated by electrical and mechanical factors in the acceleration sensor itself. Additionally, when an abnormal condition occurs, additional heat is usually generated in the system. Heat flowing into the acceleration sensor causes signal drift along with noise. In order to easily diagnose abnormalities in rotating machinery equipment, error factors caused by such noise and drift must be easily excluded. The information required for diagnosing the condition of rotating machinery equipment is mainly included in the frequency signal components linked to the rotation speed of the rotating body. It is possible to exclude signals that change static components at very low frequencies or signals with frequencies several times higher than the rotation frequency, and limit the information needed for diagnosing abnormal conditions by focusing on components linked to rotation speed. By exchanging this as a signal converted to the frequency domain, for example, only a small amount of data can be transmitted to a mobile terminal, while providing a rotation trajectory containing sufficient state information so that an ordinary worker can intuitively understand it.

회전기계설비로부터 가속도를 입력 받아 가속도 센서 사용에 수반되는 고주파 노이즈 및 저주파 드리프트를 효과적으로 제거하는 신호처리 과정을 통해 두 번의 적분을 수행하여 회전체의 진동 속도 및 회전 궤적을 제공하며 회전 궤적의 재구성이 하드와이어드와 FFT 및 iFFT에 의해 주파수 도메인에서 이루어지고 회전 주파수 및 그 고조파로 재구성되는 시간 도메인 상의 회전 궤적을 작업자에게 제공함으로써 운전 상태를 직관적으로 파악 가능하도록 제공하는 효과가 있다.By receiving acceleration input from rotating machinery and performing two integrations through a signal processing process that effectively removes the high-frequency noise and low-frequency drift that accompany the use of acceleration sensors, the vibration speed and rotation trajectory of the rotating body are provided, and the rotation trajectory is reconstructed. By providing the operator with a rotation trajectory in the time domain that is made in the frequency domain by hardwired, FFT, and iFFT and reconstructed with the rotation frequency and its harmonics, it has the effect of providing the operator with an intuitive understanding of the operating state.

회전 중인 회전축은 6자유도 방향의 진동이 모두 발생하며 회전 중심축에서 편심 된 질량을 완전히 제거할 수 없다. 이로 인해 회전수에 동기 된 진동에 의한 회전 궤적 성분이 전체 회전 궤적에서 가장 지배적이다. 회전축은 대개의 경우 추가 설비가 연결되어 있으며 커플링, 기어, 변속기 등 다양한 기계요소가 회전축에 직간접적으로 연결되므로 회전 궤적을 분석함으로써 다양한 운전 상태의 모니터링이 가능하다. 회전 시스템 상에 이상 상태가 발생하면 진동이 추가 발생되며 회전 주파수의 정수배 위치에 진동 성분이 증가하는 것으로써 이상 상태를 모니터링하게 된다. 회전기계설비 진단장치는 회전체 하우징에 장착된 한 쌍의 가속도 센서로부터 회전기계설비의 회전축 진동 신호를 입력 받아 신호처리 및 이상 상태 진단 작업을 수행하고 회전 궤적을 포함하는 진단 정보를 유무선으로 사용자에게 전송한다. 회전기계설비 진단장치는 입력단에 복수의 ADC를 포함하며 신호처리를 위한 주 프로세서는 FFT를 포함하여 하드 와이어드FFT를 수행할 수 있다. 회전축로부터 회전 궤적을 취득하기 위해서는 회전하는 회전축에 수직인 평면에 서로 수직하게 배치되는 두 개의 변위 센서를 설치하는 것이 가장 기본적이다. 그러나 이 경우 변위 센서가 측정하는 대상 원주면의 형상 정밀도가 매우 높아야 하기도 하고 일반적인 회전체의 경우 변위 센서 설치를 위한 여유 공간이 사전에 확보되는 경우가 드물다. 회전체의 구조에 따라 다르지만, 윤활, 냉각, 이물질 유입 방지 등을 고려하여 형성되는 일반 회전체 구조에서 변위 센서를 설치하는 것은 추가 비용이 발생할 뿐더러 시스템의 개조가 용이하지 않은 경우가 빈번하다. 따라서 보다 범용의 회전기계설비를 적용 대상으로 하는 경우에는 회전체 하우징에 손쉽게 장착될 수 있는 가속도 센서를 사용한다. 가속도 센서를 사용하는 경우 이상 상태가 아닌 경우에도 대개의 회전체는 회전에 의해 진동이 발생하고 대개의 경우 회전체는 단일 강체가 아니며 여러 요소가 연결되고 다양한 베어링부에 의해 지지되어 일반적으로 가속도 신호를 두 번 적분하여 변위 성분을 얻게 되는데 이는 가속도 신호가 이상적인 경우에만 유효하며 복잡한 진동 신호를 발생하게 된다. 오프셋 성분의 오차가 누적되면 적분에 의해 얻어지는 속도 및 변위 신호에 오차가 누적되어 이상상태 진단의 신뢰성을 저하한다. 이에 기준 질량 및 압전 소자 등을 포함하는 가속도 센구성하여 iFFT를 통해 회전 궤적을 재구성한다. FFT부에서 얻어진 신호 정보로부터는 회전궤적의 반경, 위상 및 진동의 주파수 성분을 추출할 수 있다. 또한 회전 궤적으로부터 최대 편심량, 최대 편심 위상각 및 편심 파형 값을 계산하여 이상 상태 진단에 활용할 수 있다. A rotating axis generates vibrations in all six degrees of freedom directions, and the eccentric mass from the rotation center axis cannot be completely removed. For this reason, the rotation trajectory component due to vibration synchronized to the rotation speed is the most dominant in the entire rotation trajectory. In most cases, the rotation axis is connected to additional equipment, and various mechanical elements such as couplings, gears, and transmissions are directly or indirectly connected to the rotation axis, so it is possible to monitor various operating conditions by analyzing the rotation trajectory. When an abnormal condition occurs in the rotation system, additional vibration is generated, and the abnormal condition is monitored by increasing the vibration component at an integer multiple of the rotation frequency. The rotating machinery equipment diagnosis device receives vibration signals from the rotating shaft of the rotating machinery equipment from a pair of acceleration sensors mounted on the rotating body housing, performs signal processing and abnormality diagnosis tasks, and provides diagnostic information, including the rotation trajectory, to the user via wired or wireless means. send. The rotating machinery equipment diagnosis device includes multiple ADCs at the input terminal, and the main processor for signal processing includes FFT and can perform hard-wired FFT. In order to acquire a rotation trajectory from a rotation axis, the most basic method is to install two displacement sensors arranged perpendicular to each other on a plane perpendicular to the rotating axis. However, in this case, the shape precision of the circumferential surface of the target measured by the displacement sensor must be very high, and in the case of general rotating bodies, it is rare for free space to be secured in advance for installing the displacement sensor. Although it varies depending on the structure of the rotor, installing a displacement sensor in a general rotor structure that takes into account lubrication, cooling, and prevention of foreign matter inflow not only incurs additional costs, but it is often difficult to modify the system. Therefore, when applying to more general-purpose rotating machinery, an acceleration sensor that can be easily mounted on the rotating body housing is used. When using an acceleration sensor, even when it is not in an abnormal state, vibration occurs due to rotation in most rotating bodies, and in most cases, the rotating body is not a single rigid body, but multiple elements are connected and supported by various bearings, so it generally generates an acceleration signal. The displacement component is obtained by integrating twice, which is only valid when the acceleration signal is ideal and generates a complex vibration signal. When errors in the offset component accumulate, errors accumulate in the velocity and displacement signals obtained through integration, reducing the reliability of abnormal state diagnosis. Accordingly, an acceleration sensor including a reference mass and piezoelectric elements is constructed, and the rotation trajectory is reconstructed through iFFT. From the signal information obtained from the FFT unit, the radius of the rotation trajectory, phase, and frequency components of vibration can be extracted. Additionally, the maximum eccentricity amount, maximum eccentricity phase angle, and eccentricity waveform value can be calculated from the rotation trajectory and used for diagnosing abnormal conditions.

Claims (1)

서로 수직하고 회전축에 수직하는 방향의 가속도 신호를 입력 받는 센서 입력단 및 한 회전 분량의 가속도 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환부 및 디지털 신호에서 관심 주파수 대역만 통과시키는 대역통과 필터 및 대역통과 필터의 출력에서 평균값을 감산하는 제1DC오프셋 제거부 및 제 2적분기의 출력에서 주파수 성분을 추출하는 FFT부 및 상기 회전축의 회전 속도의 고조파 성분들로부터 회전 궤적을 재구성하는 변위계산부 및 상기 회전 궤적을 포함하는 상태정보를 유선 또는 무선으로 컴퓨터 또는 모바일 단말기로 전송하는 통신부를 포함하는 회전기계설비 진단장치.A sensor input terminal that receives acceleration signals in directions perpendicular to each other and perpendicular to the rotation axis, an A/D conversion unit that converts one rotation's worth of acceleration signals into digital signals, and a bandpass filter and bandpass that allow only the frequency band of interest to pass through the digital signal. A first DC offset removal unit that subtracts the average value from the output of the filter, an FFT unit that extracts a frequency component from the output of the second integrator, a displacement calculation unit that reconstructs the rotation trajectory from harmonic components of the rotation speed of the rotation shaft, and the rotation trajectory. A rotating machinery equipment diagnostic device including a communication unit that transmits the status information to a computer or mobile terminal by wire or wirelessly.
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