KR101532843B1 - 스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템 - Google Patents

스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원전 2차측 터빈 시스템에 구비되어 증기발생기로부터 공급되는 증기를 제어하는 유압밸브에 설치되는 센서세트; 상기 센서세트로부터 전송받은 센서신호를 이용하여 상기 유압밸브의 결함 발생 유무 및 결함유형을 판별하는 진단용 스마트 센서; 및 상기 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단정보를 이용하여 상기 유압밸브의 상태를 모니터링하는 진단서버;를 포함하는 스마트센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 다수개의 센서세트들로부터 동시에 측정된 대용량 데이터를 고속으로 처리할 수 있는 DSP (DISITAL SIGNAL PROCESSING) 신호 처리 프로세스 기반 진단용 스마트 센서를 이용하여 증기발생기로부터 원전 2차측 터빈 시스템으로 공급되는 증기의 유출입을 제어하는 유압밸브의 결함발생여부를 실시간으로 진단함으로써 유압밸브의 고장유무를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
또한 다수개의 센서들에 의한 측정신호(센서신호)를 이용하여 사전에 저장된 유압밸브의 결함유형에 따른 신호 변화 패턴과 측정신호의 변화 패턴을 비교하여 유압밸브의 결함유형에 따른 결함 발생 여부를 1차 진단하고, 1차 진단 결과 결함이 발생한 경우에, 동적 모델을 이용하여 결함 상태를 재진단함과 아울러 결함 정도를 정량화하는 2차진단을 수행함으로써 유압밸브의 결함유형에 따른 결함 발생 여부와 결함 정도를 보다 정확하게 진단할 수 있는 효과가 있다.

Description

스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템 {0NLINE MONITORING SYSTEM OF NUCLEAR POWER GENERATION HYDRAULIC VALVE USING SMART SENSOR}
본 발명은 스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수개의 센서세트들로부터 동시에 측정된 대용량 데이터를 고속으로 처리할 수 있는 DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING) 신호 처리 프로세스 기반의 진단용 스마트 센서를 이용하여 증기발생기로부터 원전 2차측 터빈 시스템으로 공급되는 증기의 유출입을 제어하는 유압밸브의 결함 발생여부를 실시간으로 진단하는 스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템에 관한 것이다.
원자력발전소 2차측 터빈 시스템에는 증기발생기로부터 공급되는 고온고압 증기가 터빈에 유입되는 것을 차단 또는 제어하기 위해 유압밸브가 설치된다.
이와 같은 터빈 유압 밸브는 고압의 유압을 이용하여 증기 밸브를 정밀하게 제어함으로써, 터빈을 정격 속도로 회전시키고, 발전기의 부하 변동에 따라 터빈으로 유입되는 증기의 양을 조절하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 터빈 시스템에 설치되는 유압 밸브는 주정지밸브(21)(Main Stop Valve, MSV), 제어밸브(23)(Control Valve, CV) 그리고 복합 저압 터빈 조절밸브(25)(Combined Intermediate Valve, CIV)로 구성되며, 이 유압밸브를 구동 및 제어하기 위하여, 밸브 동작용 제어유 공급을 위한 제어유 공급설비(30)(HPU)와 밸브 동작 제어용 비상정지계통(ETS)이 구비된다.
또한 시스템 내에는 습분분리재열기(40)와, 저압터빈(60)과, 고압터빈(50) 및 발전기(70)등도 구비된다.
이와 같이 구성되는 유압밸브는 터빈에 유입되는 증기를 차단하거나 제어하는 중요한 기능을 수행하기 때문에, 비상사고가 발생한 경우 밸브 동작이 실패하거나 정상 운전 중 밸브 제어동작이 불량하게 되면 터빈 손상이 확대되거나 발전기 출력 불량 등이 발생하여 심각한 인적 피해와 경제적 손실을 초래하게 된다.
상기와 같은 종래의 유압밸브를 진단하는 장치에 대해 등록특허 제10-0490125호에는 벤치위에 안착된 유압구동밸브의 성능 진단장치에 있어서, 복수개로 형성된 화면전환키의 터치에 따라 중앙 제어반에 프로그램된 각종정보를 동작시키는 터치판넬과; 온 스위칭에 따라 상기 중앙 제어반으로 구동전원을 공급하는 파워 공급스위치와; 상기 파워 공급스위치의 온시에 구동전원이 공급되고 있음을 사용자에게 디스플레이하는 파워 램프와; 유압구동밸브의 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)의 단선 확인시 DC전류의 SET값과 표시값을 디스플레이하는 암페어 메터(Ampere Meter)와; 내부에 설치된 프로그램 로직 제어부(PLC : Programmable Logic Controllers)의 에러시 점등되는 PLC 에러 램프와; 성능 진단장치의 비상정지시 사용자에게 디스플레이하는 비상정지 램프와; 성능 진단장치의 이상 동작시, 프로그램 로직 제어부의 에러시, 비상정지시에 경고음을 발생하는 부저(Buzzer)와; 상기 부저의 동작을 정지시키는 부저 스톱 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 유압구동밸브의 성능진단장치가 개시되어 있다.
하지만 종래의 유압밸브의 성능을 진단하기 위한 성능진단장치는 유압밸브를 일정 기간마다 주기적으로 점검하고 정비할 뿐 유압밸브의 결함유무를 실시간으로 모니터링하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 다수개의 센서들로부터 동시에 측정된 대용량 데이터를 고속으로 처리할 수 있는 DSP(DISITAL SIGNAL PROCESSING) 신호 처리 프로세스 기반의 진단용 스마트 센서를 이용하여 증기발생기로부터 원전 2차측 터빈 시스템으로 유입되는 증기의 유출입을 제어하는 유압밸브의 결함유형에 따른 결함발생여부를 실시간으로 진단할 뿐만 아니라 다수개의 센서들에 의한 측정신호(센서신호)를 이용하여 사전에 저장된 유압밸브의 결함유형에 따른 신호 변화 패턴과 측정신호의 변화 패턴을 비교하여 유압밸브의 결함유형에 따른 결함 발생 여부를 1차 진단하고, 1차 진단 결과 결함이 발생한 경우에 동적 모델을 이용하여 결함 상태를 재진단함과 아울러 결함 정도를 정량화하는 2차 진단을 수행함으로써 유압밸브의 결함유형에 따른 결함 발생 여부와 결함 정도를 정밀하게 진단할 수 있는 스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브 온라인 감시 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 본 발명의 목적은, 원전 2차측 터빈 시스템에 구비되어 증기발생기로부터 공급되는 증기를 제어하는 유압밸브에 설치되는 센서세트; 상기 센서세트로부터 전송받은 센서신호를 이용하여 상기 유압밸브의 결함 발생 유무 및 결함유형을 판별하는 진단용 스마트 센서; 및 상기 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단정보를 이용하여 상기 유압밸브의 상태를 모니터링하는 진단서버;를 포함하는 스마트센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템을 제공함으로써 달성된다.
또한 상기 센서세트는, 상기 유압밸브의 제어유 압력을 측정하는 제어유 압력 측정 센서, 상기 유압밸브의 구동기 압력을 측정하는 구동기 압력측정센서, 상기 유압밸브의 스템변위를 측정하는 스템변위측정센서 및 상기 유압밸브에 포함되는 서보밸브에 인가되는 전류를 측정하는 서보밸브 전류측정센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 진단용 스마트 센서는, 상기 센서세트로부터 입력된 아날로그 신호의 크기를 조절하는 신호조정모듈; 상기 신호조정모듈로부터 크기가 조절된 아날로그신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 AD컨버터와, 상기 AD컨버터로부터 디지털신호를 입력받고 상기 디지털신호로부터 상기 센서신호의 패턴변화정보를 추출한 후 기 저장된 상기 유압밸브의 결함유형별 신호패턴정보와 비교하여 상기 유압밸브의 결함 발생 유무와 결함유형을 판단하는 평가진단부로 구성된 MCU모듈; 및 상기 MCU모듈로부터 진단정보를 입력받아 상기 진단서버로 전송하는 데이터통신모듈;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 평가진단부는 상기 유압밸브의 결함발생 유무와 결함유형을 판단한 후 상기 유압밸브에 결함이 발생한 경우에는 기 저장된 동적 모델을 이용하여 상기 유압밸브의 결함 상태를 재확인하고 결함정도를 정량화하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 유압밸브의 결함 유형은 상기 유압밸브의 구동기에서 발생하는 누설결함과, 상기 유압밸브에 포함되는 서보밸브의 스풀마모 결함과 막힘 결함 및 바이어스 드리프트 결함 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명인 스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템은 센서세트들로부터 동시에 측정된 대용량 데이터를 고속으로 처리할 수 있는 DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSING) 신호 처리 프로세스 기반의 진단용 스마트 센서를 이용하여 증기발생기로부터 원전 2차측 터빈 시스템으로 공급되는 증기의 유출입을 제어하는 유압밸브의 결함발생여부를 실시간으로 진단함으로써 유압밸브의 고장유무를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
또한 다수개의 센서들에 의한 측정신호(센서신호)를 이용하여 사전에 저장된 유압밸브의 결함유형에 따른 신호 변화 패턴과 측정신호의 변화 패턴을 비교하여 유압밸브의 결함유형에 따른 결함 발생 여부를 1차 진단하고, 1차 진단 결과 결함이 발생한 경우에, 동적 모델을 이용하여 결함 상태를 재진단함과 아울러 결함 정도를 정량화하는 2차진단을 수행함으로써 유압밸브의 결함유형에 따른 결함 발생 여부와 결함 정도를 보다 정밀하게 진단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 터빈 시스템에 구성된 유압밸브 및 유압유 공급 계통의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 감시 대상이 되는 유압밸브의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 감시 대상이 되는 유압밸브의 제어구성도.
도 4는 본 발명에 사용되는 센서세트와 진단용 스마트센서의 블럭구성도.
도 5는 본 발명에 적용되는 유압밸브의 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명에 적용되는 유압밸브의 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보를 구축하는 과정을 나타내는 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브 온라인 감시 시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 감시 대상이 되는 유압밸브의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 감시 대상이 되는 유압밸브의 제어구성도이며, 도 4는 본 발명에 사용되는 센서세트와 진단용 스마트센서의 블럭구성도이고, 도 5는 본 발명에 적용되는 유압밸브의 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보를 나타내는 그래프이며, 도 6은 본 발명에 적용되는 유압밸브의 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보를 구축하는 과정을 나타내는 그래프이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템은 원전 2차측 터빈 시스템에 구비되어 증기발생기(10)로부터 공급되는 증기를 제어하는 유압밸브(20)의 결함유무를 실시간으로 모니터링한다.
감시 시스템에 의해 모니터링되는 유압밸브(20)는 감시 대상이 되는 유압밸브(20)의 단속을 수행하는 단속밸브(21a)와, 상기 단속밸브(21a)를 연결하는 패킹(21b)과, 탄성력을 제공하는 스프링(21c)과, 상기 단속밸브(21a)의 단속을 구동하는 구동기(21d) 및 상기 구동기(21d)의 구동을 제어하는 제어팩(21e)(Control PAC)으로 구성되며 상기 제어팩(21e)의 내부에는 서보밸브(21e-1)가 장착되어 구비된다.
상기 서보밸브(21e-1)는 외부에서 공급되는 밸브동작 외부전원(제어전류 신호)에 의해서 동작되고, 제어유 공급설비(HPU)에서 유압밸브(20)의 구동기(21d)로 공급되는 제어유(유압유)의 양을 조절하며, 상기 서보밸브(21e-1)에서 제어된 후 통과되는 유압유의 양에 따라서 상기 유압밸브(20)의 구동기(21d)와 단속밸브(21a)의 동작이 연속적으로 제어된다.
상기 유압밸브(20)는 원전 2차측의 터빈 시스템 가동중에 다양한 결함에 노출되며 상기 센서세트(100)가 상기 유압밸브(20)에 설치되어 상기 센서세트(100)를 통해 상기 유압밸브(20)의 결함여부가 감시되게 된다.
이때 상기 유압밸브(20)는 상기 유압밸브(20)의 구동기(21d)에서 누설이 발생하거나 또는 상기 유압밸브(20)에 구성된 서보밸브(21e-1)에서 스풀마모, 내부 막힘 및 바이어스 드리프트등이 발생하는지가 실시간으로 감시된다.
즉 본 발명에서 감시되는 유압밸브(20)의 결함 유형은 상기 유압밸브(20)의 구동기(21d)에서 발생하는 누설 결함, 상기 유압밸브(20)에 구성된 서보밸브(21e-1)의 스풀마모 결함, 막힘 결함 및 바이어스 드리프트 결함 중 적어도 하나를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템은 센서세트(100), 진단용 스마트 센서(200) 및 진단서버(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 센서세트(100)는 원전 2차측 터빈 시스템에 구비되어 증기발생기(10)로부터 공급되는 증기를 제어하는 유압밸브(20)에 설치된다.
상기 센서세트(100)는 복수개의 센서들로 구성되어 유압밸브(20)의 물리 신호들을 측정한다. 즉 상기 센서세트(100)를 구성하는 복수개의 측정센서들은 진단용 스마트 센서(200)를 통해 상기 유압밸브(20)의 결함 유형에 따른 결함 발생 여부를 진단 평가하기 위한 센서 신호들을 센싱하여 진단용 스마트 센서(200)로 전송한다.
이때 상기 센서세트(100)는 상기 진단용 스마트 센서(200)가 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부를 진단 평가할 수 있도록 복수개의 물리량을 측정한다.
보다 상세히 설명하면, 상기 센서세트(100)는 상기 유압밸브(20)의 제어유 압력을 측정하는 제어유 압력 측정센서(110), 구동기(21d) 압력을 측정하는 구동기 압력 측정센서(120), 상기 유압밸브(20)의 스템 변위를 측정하는 스템 변위 측정센서(130) 및 상기 유압밸브(20)에 구성되는 상기 서보밸브(21e-1)에 인가되는 전류를 측정하는 서보밸브 전류측정센서(140)로 구성된다.
상기 유압밸브(20)의 제어유 압력을 측정하는 제어유 압력 측정센서(110)는 상기 서보밸브(21e-1)로 유입되는 제어유 압력 또는 서보밸브(21e-1)에서 조절되어 상기 구동기(21d)로 공급되는 제어유 압력을 측정하고, 상기 구동기(21d)의 압력을 측정하는 구동기 압력 측정센서(120)는 상기 제어유에 의하여 상기 구동기(21d)가 받는 압력을 측정한다.
또한 상기 유압밸브(20)의 스템 변위를 측정하는 스템 변위 측정 센서(130)는 상기 유압밸브(20)에 연결되어 왕복운동하는 밸브 스템의 위치 변화를 측정할 수 있도록 설치되고, 상기 서보밸브(21e-1)에 인가되는 전류를 측정하는 서보밸브 전류 측정센서(140)는 밸브동작을 위한 외부전원에서 상기 서보밸브(21e-1)로 인가되는 전류를 측정할 수 있도록 설치된다.
상기와 같이 복수개의 측정용 센서로 구성되는 센서세트(100)는 유압밸브(20)에 설치되고 감시대상이 되는 유압밸브(20)가 복수개인 경우에는 동일한 측정용 센서들로 구성되는 센서세트(100)가 각각의 유압밸브(20)에 동일하게 설치된다.
상기 센서세트(100)에서 측정된 측정신호들은 상기 진단용 스마트 센서(200)에 전송되며 상기 진단용 스마트 센서(200)는 상기 유압밸브(20)에 각각 일대일로 대응되게 설치된다.
상기 진단용 스마트 센서(200)는 상기 센서세트(100)에서 입력되는 센서 신호들을 이용하여 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부를 진단 평가하기 위하여 DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)에 기반하여 데이터를 처리하고 소정의 진단 방법을 이용하여 유압밸브(20)의 이상 발생 여부를 진단한다.
보다 상세히 설명하면, 상기 진단용 스마트 센서(200)는 상기 센서세트(100)를 구성하는 복수개의 측정센서로부터 입력되는 측정신호들을 이용하여, 상기 유압밸브(20)의 결함 발생 여부 및 결함 유형을 판별하는 1차 진단과 상기 1차 진단 결과 결함이 발생한 경우에 동적 모델을 이용하여 결함 상태를 재확인하고 결함 정도를 정량화하는 2차 진단을 수행한다.
상기 1차 진단은 사전에 저장된 유압밸브(20)의 결함유형별 신호 패턴 변화 정보와 상기 측정 신호(센서신호)를 비교하여 이루어지고, 상기 2차 진단은 사전에 저장된 동적 모델을 이용하여 이루어진다.
이때 상기 진단용 스마트 센서(200)는 신호조정모듈(210), AD 컨버터(221)와 평가진단부(223)로 구성된 MCU(Micro Controller Unit, 이하 "MCU"라 함) 모듈(220) 및 데이터 통신 모듈(230)을 포함하여 이루어지고, 디스플레이 모듈(미도시)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 신호조정모듈(210)은 상기 센서세트(100)를 구성하는 복수개의 측정센서에서 측정된 아날로그 신호의 크기를 조정하여 출력한다.
상기 복수개의 측정센서에서 측정된 아날로그 신호는 상기 MCU 모듈(220)을 구성하는 AD 컨버터(221)에서 디지털 신호로 변환된 후, 신호 패턴 변화비교방법과 기 저장된 동적 모델을 이용하여 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부를 진단 평가하는 평가 진단부(223)로 입력된다.
이때 상기 측정센서에서 측정된 아날로그 신호의 크기 범위는 직접적으로 디지털 신호로 변환하기 어렵기 때문에 상기 신호조정모듈(210)을 통하여 1차적으로 -20V ~ +20V 신호를 0V ~ +2V로 크기가 조정된 후 상기 MCU 모듈(220)로 입력된다.
상기 MCU 모듈(220)은 상기 신호조정모듈(210)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 디지털 신호를 이용하여 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부에 대한 진단평가를 수행한다.
상기 MCU 모듈(220)에서 평가된 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부에 관한 진단정보는 상기 진단서버(300)로 전송됨과 동시에 사용자가 진단용 스마트 센서(200)에서 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부를 직접 확인할 수 있도록 디스플레이모듈(미도시)에 전송한다.
이때 상기 진단용 스마트 센서(200) 각각은 대응되는 하나의 유압밸브(20)에 대한 결함 발생 여부를 진단하고 평가하도록 구성된다. 즉, 본 발명에 따른 스마트 센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템은 각각의 유압밸브(20)들에 대한 결함 발생 여부를 분산처리한다.
상기 AD 컨버터(221)는 상기 신호조정모듈(210)로부터 입력되는 변환된 아날로그 신호를 각각 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
즉 상기 AD 컨버터(221)는 상기 신호조정모듈(210)에서 출력되는 0V ~ +2V 범위의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 평가진단부(223)로 출력한다.
상기 평가진단부(223)는 상기 AD 컨버터(221)에서 출력되는 디지털 신호를 이용하여 상기 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부에 대한 진단 평가를 수행하고, 그 결과를 상위 레벨인 진단서버(300)로 전송한다.
상기 평가진단부(223)는 상기 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부를 평가 진단하기 위하여 사전에 저장된 유압밸브(20)의 결함유형별 신호 패턴 변화 정보와 동적 모델을 단계적으로 이용한다.
상기 결함유형별 신호 패턴 정보와 동적 모델은 각각 상기 진단용 스마트 센서(200)의 메모리(미도시)에 저장되어 있는 데이터 정보와 프로그램을 의미한다.
상기 평가진단부(223)에 의하여 진단 평가된 상기 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부에 관련된 데이터는 메모리(미도시)에 저장되고, 동시에 상위레벨인 진단서버(300)로 전송되며, 사용자가 실시간으로 성능 변화 상태를 인지할 수 있도록 상기 디스플레이 모듈(미도시)에 전송되어 디스플레이된다.
상기 평가진단부(223)에서 진단 평가된 결과는 상기 데이터 통신 모듈(230)을 통하여 상기 진단서버(300)로 전송된다. 상기 데이터 통신 모듈(230)은 이더넷 통신 프로토콜 또는 CAN(Controller Area Network) 통신 프로토콜 또는 RS-232 통신 프로토콜을 이용하여 상기 진단서버(300)와 데이터 통신을 수행한다.
또한 상기 진단용 스마트 센서(200)에 의한 진단은 1차 진단과 2차 진단을 순차적으로 수행할 수 있다.
먼저 상기 측정 신호(디지털 신호)를 입력받고, 측정신호와 사전에 기저장된 결함유형에 따른 신호 패턴 정보를 비교하여 상기 유압밸브(20)의 결함발생유형에 따른 결함발생여부를 1차적으로 진단하고, 1차 진단 결과, 결함이 발생한 경우에만 상기 측정신호와 상기 동적 모델에서 추정한 추정신호를 비교하여 유압밸브(20)의 결함 상태를 재확인함과 동시에 결함 정도를 정량화하는 2차 진단을 수행한다.
상기 진단용 스마트 센서(200)는 1차적으로 사전에 저장된 상기 유압밸브(20)의 결함 유형에 따른 신호 패턴 변화 정보와 상기 측정신호(센서신호)의 패턴 변화 정보를 비교하여 상기 유압밸브(20)의 결함 유형에 따른 결함 발생여부를 판단한다.
보다 상세히 설명하면 상기 센서세트(100)에서 측정된 -20V ~ +20V 범위의 크기를 가지는 아날로그 센서 신호들은 상기 신호조정모듈(210)에서 -0V ~ +2V 범위의 크기로 감산된 후, MCU 모듈(220)의 AD 컨버터(221)로 입력된다.
이후 상기 MCU 모듈(220)의 AD 컨버터(221)는 상기 -0V ~ +2V 범위의 크기를 가지는 아날로그 센서 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 상기 MCU 모듈(220)의 평가진단부(223)로 출력한다.
이후 상기 평가진단부(223)는 사전에 저장된 유압밸브(20)의 결함유형별 신호 패턴 변화 정보와 상기 디지털 신호(측정신호)를 비교하여 유압밸브(20)의 이상 상태 여부를 판단한다. 즉 상기 평가진단부(223)는 상기 측정신호로부터 신호 패턴 변화 정보를 획득한 후, 이 신호 패턴 변화 정보와 사전에 기저장된 결함유형별 신호 패턴 변화 정보를 비교함으로써 상기 유압밸브(20)의 결함 발생 여부와 결함유형을 판단할 수 있다.
이때 상기 유압밸브(20)의 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보는 사전에 실험 또는 경험에 의해 구축된다.
도 5에 나타난 바와 같이, 상기 유압밸브(20)의 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보를 구축하기 위해서는 결함 발생에 따라 나타나는 계측 신호를 수집한다. 즉, 각각의 유압밸브(20)의 결함 유형별로 나타나는 제어유 압력, 구동기 압력, 스템 변위, 서보밸브 전류에 관한 신호를 수집한다.
그 후 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유압밸브(20)의 결함 유형별로 나타나는 각각의 신호에 대하여 신호 패턴이 변화하는 영역마다 구간을 분리한 후, 각각의 구간에 대한 패턴 변화 정보를 추출한다,
도 6에는 각 구간마다 신호 변화 패턴이 화살표로 표시되어 있음을 알 수 있다.
그런 다음 상기 각각의 신호에 대한 각 구간의 신호 패턴 변화 정보를 상기 유압밸브(20)의 결함 유형별로 추출하여 라이브러리(Library)를 구축한다. 이와 같이 구축된 라이브러리가 상기 유압밸브(20)의 결함유형별 신호 패턴 변화정보를 가진다.
상기와 같이 저장된 유압밸브(20)의 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보는 측정신호(센서신호)의 패턴 변화 정보와 비교되고 두 정보의 비교를 통하여 유압밸브(20)의 결함 발생 여부 및 결함 유형을 판단할 수 있게 된다.
즉 상기 평가진단부(223)는 입력되는 측정 신호에 대하여 신호 패턴이 변화되는 구간을 나누고 각 구간별 신호 변화패턴을 추출한다. 그 후 추출된 측정 신호의 변화 패턴을 상기 유압밸브(20)의 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보와 비교한다.
비교 결과, 상기 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보에 상기 측정신호의 변화 패턴과 동일한 특정 패턴 정보가 있는 경우에는 상기 특정 패턴 정보에 해당하는 결함 유형에 관련된 결함이 발생한 것으로 판단하고, 그렇지 않은 경우에는 결함이 발생하지 않은 것으로 판단한다.
비교 결과에 따른 상기 유압밸브(20)의 결함 유형은 상기 유압밸브(20)의 구동기(21d)에서 발생하는 누설 결함, 상기 유압밸브(20)에 포함되는 서보밸브(21e-1)의 스풀마모 결함, 막힘 결함 및 바이어스 드리프트 결함 중 적어도 하나에 해당될 수 있다.
이와 같은 비교에 따른 유압밸브(20)의 결함 유형에 따른 결함 발생 여부를 판단하기 위하여, 상기 라이브러리에 구축된 상기 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보는 상기 유압밸브(20)의 구동기(21d)에서 발생하는 누설 결함, 상기 유압밸브(20)에 포함되는 서보밸브(21e-1)의 스풀마모 결함, 막힘 결함 및 바이어스 드리프트 결함이 발생한 경우의 신호 패턴 변화 정보를 각각 포함하고 있어야 한다.
상기와 같이 상기 진단용 스마트 센서(200)가 상기 측정신호의 패턴 변화 정보와 상기 사전에 저장된 유압밸브(20)의 결함 유형별 신호 패턴 변화 정보를 비교하여 상기 유압밸브(20)의 결함 유형에 따른 결함 발생 여부를 판단한 후, 결함이 발생한 것으로 판단된 경우에는 사전에 저장된 동적 모델에 의하여 상기 결함 상태를 재확인하고 결함 정도를 정량화하는 2차 진단을 수행한다.
이와 같은 2차 진단은 사전에 저장된 동적 모델을 이용하여 수행하는데, 이와 같은 동적 모델은 다양한 모델링 기법에 의하여 구축될 수 있고, 측정신호(센서신호)와 비교될 수 있는 추정신호를 산출하여 결함발생여부를 확인한 후 결함 정도를 정량화할 수 있다면 본 발명의 동적 모델로 활용될 수 있다.
한편 본 발명에 따른 2차 진단은 유압밸브(20)의 결함 상태를 재확인하고 정량화하기 위한 것이기 때문에 이미 1차 진단에 의하여 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부가 진단되었다면 2차 진단은 생략할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 진단용 스마트 센서(200)는 1차진단만이 수행될 수 있고 1차진단과 2차진단이 모두 수행될 수 있다.
이때 상기 유압밸브(20)의 진단을 위한 동적 모델은 유압밸브(20) 시스템을 구성하는 서보밸브(21e-1), 단축밸브(21a), 구동기(21d) 등의 작동 특성을 수학적으로 모델링하여 유압밸브(20)의 거동 상태를 추정하고 상기 측정신호와 비교하여 결함유형 및 결함 정도를 진단하기 위한 모델이다. 이와 같은 동적모델은 다음과 같은 조건으로 설정하여 모델링할 수 있다.
1) 서보밸브(21e-1)는 스풀의 질량, 스풀지지 스프링, 스풀과 격실 내면 사이 작동유에 의한 댐핑으로 구성된 2차 시스템으로 모델링을 수행한다.
2) 스풀에 가해지는 외력의 크기가 서보밸브(21e-1)에 입력되는 전류의 크기에 비례하는 것으로 가정한다.
3) 제어유는 서보밸브(21e-1)를 통해 구동기(21d) 실린더로 들어가거나 구동기(21d) 실린더에서 오일 탱크로 빠져나간다.
4) 유압밸브(20)의 위치는 유압밸브(20)의 스템에 작용하는 힘성분들의 평형 방정식에 의해 결정된다.
이와 같은 조건으로 모델링 된 동적 모델을 이용하여 유압밸브(20)를 진단하는 프로세스를 예시하면 다음과 같다.
상기 모델링된 동적 모델로 제어신호가 입력되면 모델 연산에 의해 스템 변위와 구동기(21d) 압력신호가 추정되고, 추정된 신호는 측정신호(센서신호)와 비교된다.
비교 결과 추정신호와 측정신호(센서신호)사이에서 오차가 발생되면, 오차정보는 동적모델로 피드백되어 결함 진단용 파라미터들이 재계산된다.
만약, 상기 오차가 허용 범위 이내에 존재하면, 결함 진단용 파라미터 정보를 이용하여 결함 유형과 정량적인 결함 정도를 판정하게 된다.
하지만 상기 오차가 오차 허용범위를 벗어나게 되면 진단 파라미터들은 튜닝된 후 다시 동적 모델로 입력되어 출력신호가 재추정되고, 추정 신호는 측정신호와 비교되어 재평가된다.
이러한 프로세스가 반복적으로 수행되어 측정신호와 추정신호 사이의 오차가 허용 범위 내에서 존재할 때까지 지속적으로 반복 추정하여 결함 유형과 정량적인 결함 정도를 판정하게 된다.
상기와 같은 과정을 통해 2차 진단을 수행할 수 있고, 이러한 2차 진단에 의하여 유압밸브(20)의 결함 상태를 재확인할 수 있을 뿐만 아니라 결함정도를 정량화시킬 수 있다.
상기 진단용 스마트 센서(200)가 1차 진단만을 하는 것으로 구성된 경우에는 상기 진단용 스마트 센서(200)는 상기 진단서버(300)로 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부에 대한 진단 결과, 즉 유압밸브(20)의 결함 발생 여부 및 결함 발생 유형에 대한 정보를 상기 진단서버(300)로 전송한다.
만약 상기 진단용 스마트 센서(200)가 1차 진단 및 2차 진단을 순서대로 수행하는 것으로 구성된 경우에는 상기 진단용 스마트 센서(200)는 상기 진단서버(300)로 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부에 대한 진단 결과, 즉 유압밸브(20)의 결함 발생 여부 및 결함 발생 유형에 대한 정보와 결함 정도의 정량화 데이터를 전송한다.
따라서 상기 진단용 스마트 센서(200)에 의하여 진단된 결과들은 상기 진단 서버(300)로 전송되고 상기 진단서버(300)는 상기 진단용 스마트 센서(200)로부터 전송받은 진단결과를 이용하여 상기 유압밸브(20)의 상태를 원격에서 종합적으로 모니터링한다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 스마트센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템은 다수개의 센서세트(100)들로부터 동시에 측정된 대용량 데이터를 고속으로 처리할 수 있는 DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSING) 신호 처리 프로세스 기반의 진단용 스마트 센서(200)를 이용하여 증기발생기(10)로부터 원전 2차측 터빈 시스템으로 공급되는 증기의 유출입을 제어하는 유압밸브(20)의 결함발생여부를 실시간으로 진단함으로써 유압밸브(20)의 고장유무를 실시간으로 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
또한 다수개의 센서들에 의한 측정신호(센서신호)를 이용하여 사전에 저장된 유압밸브(20)의 결함유형별 신호 변화 패턴과 측정신호의 변화 패턴을 비교하여 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부를 1차 진단하고, 1차 진단 결과 결함이 발생한 경우에 동적 모델을 이용하여 결함 상태를 재진단함과 동시에 결함 정도를 정량화하는 2차 진단을 수행함으로써 유압밸브(20)의 결함유형에 따른 결함 발생 여부와 결함 정도를 보다 정확하게 진단할 수 있게 되는 효과도 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있고, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
10: 증기발생기 20: 유압밸브
21: 주정지밸브 21a: 단속밸브
21b: 패킹 21c: 스프링
21d: 구동기 21e: 제어팩
21e-1: 서보밸브 23: 제어밸브
25: 복합저압터빈 조절밸브 30: 제어유 공급설비
40: 습분분리재열기 50: 고압터빈
60: 저압터빈 70: 발전기
100: 센서세트 110: 제어유 압력측정센서
120: 구동기 압력측정센서 130: 스템변위측정센서
140: 서보밸브 전류측정센서 200: 진단용 스마트 센서
210: 신호조정모듈 220: MCU모듈
221: AD컨버터 223: 평가진단부
230: 데이터통신모듈 300: 진단서버

Claims (5)

  1. 원전 2차측 터빈 시스템에 구비되어 증기발생기로부터 공급되는 증기를 제어하는 유압밸브에 설치되는 센서세트와, 상기 센서세트로부터 전송받은 센서신호를 이용하여 상기 유압밸브의 결함 발생 유무 및 결함유형을 판별하는 진단용 스마트 센서와, 상기 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단정보를 이용하여 상기 유압밸브의 상태를 모니터링하는 진단서버를 포함하되,
    상기 센서세트는,
    상기 유압밸브의 제어유 압력을 측정하는 제어유 압력 측정 센서, 상기 유압밸브의 구동기 압력을 측정하는 구동기 압력측정센서, 상기 유압밸브의 스템변위를 측정하는 스템변위측정센서 및 상기 유압밸브에 포함되는 서보밸브에 인가되는 전류를 측정하는 서보밸브 전류측정센서로 구성되고,
    상기 진단용 스마트 센서는,
    상기 센서세트로부터 입력된 아날로그 신호의 크기를 조절하는 신호조정모듈과, 상기 신호조정모듈로부터 크기가 조절된 아날로그신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 AD컨버터와, 상기 AD컨버터로부터 디지털신호를 입력받고 상기 디지털신호로부터 상기 센서신호의 패턴변화정보를 추출한 후 기 저장된 상기 유압밸브의 결함유형별 신호패턴정보와 비교하여 상기 유압밸브의 결함 발생 유무와 결함유형을 판단하는 평가진단부로 구성된 MCU모듈과, 상기 MCU모듈로부터 진단정보를 입력받아 상기 진단서버로 전송하는 데이터통신모듈을 구비하며,
    상기 평가진단부는
    상기 유압밸브의 결함발생 유무와 결함유형을 판단한 후 상기 유압밸브에 결함이 발생한 경우에는 기 저장된 동적 모델을 이용하여 상기 유압밸브의 결함 상태를 재확인하고 결함정도를 정량화하는 것을 특징으로 하는 스마트센서를 이용한 원전 유압밸브의 온라인 감시 시스템.


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