KR102109337B1 - 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보다 간단한 구성으로 모터 고장 원인까지 검출할 수 있도록 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템에 관한 것으로,
이는 수중에 설치되어, 전력선을 통해 인가되는 고압 전원에 의해 구동되는 수중 모터 펌프; 상기 수중 모터 펌프의 누수 여부, 권선 온도, 진동값과 베어링 온도값을 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부의 센싱 신호를 전력선 통신 방식으로 상기 전력선을 통해 전송하는 수중 전력선 통신부; 상기 전력선에 커플링되어, 상기 전력선을 통해 전송되는 상기 센싱 신호를 전력선 통신 방식으로 수신하는 지상 전력선 통신부; 및 상기 센싱 신호를 시청각화하여 사용자 안내하되, 상기 센싱 신호에 포함된 진동값 및 베어링 온도값을 기반으로 모터 고장 원인을 추가 파악하고 사용자 안내하는 지상 모니터링부를 포함하며, 상기 모터 고장 원인은 질량 불평형과 회전축 정렬 및 결합 불량 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

Description

수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템{Remote monitoring system for submersible motor pump}
본 발명은 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템에 관한 것으로, 특히 보다 간단한 구성으로 모터 고장 원인까지 검출할 수 있도록 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템에 관한 것이다.
수중 모터 펌프는 하수처리장, 상수도 공급을 위한 가압장, 농촌의 양배수장 등에서 물을 펌핑하여 배수를 처리하는 기능을 수행한다.
이러한 수중 모터 펌프는 고장을 미연에 방지 또는 예측하지 못하게 된다면 홍수 등과 같은 재난 상황시 신속한 조치를 하지 못하게 되어, 이로 인해 발생되는 피해가 상당히 커지는 문제가 발생된다.
이에 수중 모터 펌프의 동작 상태를 지상에서 모니터링하고자 하는 기술이 많이 제안되고 있다.
다만, 이러한 장치 대부분은 온도센서 및 누수감지 센서로부터의 값이 규정된 값 이상이 되면, 조작 판넬의 인디케이터에 이를 표시하는 수준에 머물러있다는 한계가 있다.
국내실용신안 등록 제2004-54775호
이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 인공신경망에 기반하여 수중 모터의 기계적인 고장 원인까지 진단할 수 있도록 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템을 제공하고자 한다.
또한 원격 모니터링을 위한 센싱 신호를 전력선 통신 방식으로 송.수신함으로써, 보다 간단한 구성으로 원격 모니터링 동작이 수행될 수 있도록 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 수중에 설치되어, 전력선을 통해 인가되는 고압 전원에 의해 구동되는 수중 모터 펌프; 상기 수중 모터 펌프의 누수 여부, 권선 온도, 진동값과 베어링 온도값을 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부의 센싱 신호를 전력선 통신 방식으로 상기 전력선을 통해 전송하는 수중 전력선 통신부; 상기 전력선에 커플링되어, 상기 전력선을 통해 전송되는 상기 센싱 신호를 전력선 통신 방식으로 수신하는 지상 전력선 통신부; 및 상기 센싱 신호를 시각화하여 사용자에게 안내하되, 상기 센싱 신호에 포함된 진동값 및 베어링 온도값을 기반으로 모터 고장 원인을 추가 파악하고 사용자 안내하는 지상 모니터링부를 포함하며, 상기 모터 고장 원인은 질량 불평형과 회전축 정렬 및 결합 불량 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템을 제공한다.
상기 센싱부는 상기 수중 모터 펌프의 전원 인입실과 모터실 중 적어도 하나에 설치되어 누수 여부를 센싱하는 적어도 하나의 누수 감지 센서; 상기 수중 모터 펌프내 모터의 3상 권선 각각의 주위에 설치되어 권선 온도를 센싱하는 다수의 권선 온도 센서; 상기 모터의 상부 베어링과 하부 베어링 중 적어도 하나에 인접 설치되어 베어링 온도를 측정하는 적어도 하나의 베어링 온도 센서; 및 상기 모터의 회전 반경방향으로 설치되어 진동값을 측정하는 진동 센서를 포함할 수 있다.
상기 지상 모니터링부는 고장 원인별로 변화되는 진동 세기 및 방향에 대한 정보를 가지는 학습 데이터를 생성하고, 상기 학습 데이터를 통해 인공 신경망을 학습시키는 인공 신경망 학습부; 상기 인공 신경망을 통해 상기 센싱 신호에 포함된 진동값에 대응되는 고장 원인을 파악하는 진동값 분석부; 및 상기 고장 원인에 따른 베어링 예상 온도와 상기 센싱 신호에 포함된 베어링 온도를 비교하고, 일치하는 경우에 한해 상기 고장 원인을 사용자 안내하는 고장 원인 검출부;를 포함할 수 있다.
상기 지상 모니터링부는 상기 센싱 신호를 기반으로 수중 모터 펌프의 누수 여부, 모터의 3상 권선(R, S, T) 각각의 온도, 베어링 온도, 진동값을 파악하고, 사용자 안내하는 동작 상태 확인부를 더 포함할 수 있다.
상기 지상 모니터링부는 사용자 제어값 또는 상기 센싱 신호를 통해 파악된 수중 모터 펌프 동작 상태를 기반으로 상기 수중 모터 펌프를 원격 제어하는 펌프 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 수중 전력선 통신부와 상기 지상 전력선 통신부 각각은 상기 전력선에 연결되어 전력선의 선로전압은 차단하고 통신 신호만을 추출하는 전력선 커플러; 상기 전력선 커플러에 의해 추출된 통신 신호의 전력을 저압으로 변환하거나, 전력 증폭된 캐리어 신호를 전력선 통신에 대응하는 고압으로 변압하여 상기 전력선 커플러에 전송하는 고압 트랜스포머; 상기 고압 트랜스포머에 의해 저압 변환된 통신 신호의 특정주파수를 여과 및 동조 증폭하여 출력하는 필터 및 증폭기; 상기 필터 및 증폭기의 출력단에 연결되어 신호를 분석하고 처리하는 프로세서; 상기 프로세서에 연결되어 외부로부터의 신호를 입력받거나 외부로 신호를 출력하는 인터페이스부; 상기 프로세서의 제어에 의해 통신 신호의 캐리어를 제어하여 출력시키는 캐리어 컨트롤러; 상기 캐리어 컨트롤러의 캐리어 신호를 전압 증폭하는 캐리어 증폭기; 및 상기 캐리어 증폭기의 캐리어 신호를 전력 증폭한 후, 상기 고압 트랜스포머에 제공하는 전력 증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명은 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템은 진동 센서를 채택하고, 인공 신경망을 통해 진동 패턴에 따른 모터 고장 원인을 사전 학습함으로써, 진동 센서를 통해 모터의 기계적인 고장 원인을 진단할 수 있도록 한다.
또한 모터 고장 원인에 따라 베어링 온도가 상이해짐을 고려하여, 인공 지능망 분석 결과와 베어링 온도 센싱 결과를 중복 체크하여 모터 고장 원인을 확인 및 통보하도록 함으로써, 시스템 동작 신뢰성이 보다 증대될 수 있도록 한다.
그리고 원격 모니터링을 위한 센싱 신호를 전력선 통신 방식으로 전송하도록 함으로써 연결선 개수를 줄이고, 이를 통해 수중 모터 펌프의 방수 문제도 보다 효과적으로 해결할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 모터 펌프의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 전력선 통신부 및 지상 전력선 통신부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지상 모니터링부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 지능망 학습 및 분석 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 원인 분석 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 모터 펌프의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 수중 모터 펌프(100)는 전력선(140)을 인입하는 전원 인입실(110), 상기 전원 인입실(110)로부터 전원을 공급받는 모터(150)가 내장된 모터실(120), 및 상기 모터(150)의 회전축(160)에 연결된 임펠러(impeller)(또는 프로펠러)(160)로 주위의 물을 펌핑하는 펌프실(130)을 포함한다.
이와 같은 전원 인입실(110), 모터실(120), 펌프실(130)은 구분되어 있고, 물 속에 잠기거나 물 유입구를 통해 펌프실(130)로 유입된 물을 임펠러(170)을 회전시켜 배수할 때, 외부의 물 또는 펌프실의 물이 모터실(120)과 전원 인입실(110)로 누수되어 물이 들어오지 않도록, 전원 인입실(110)과 모터실(120)은 커버로 둘러싸여 있으며 펌프실(130)과 모터실(120) 사이 및 모터실(120)과 전원 인입실(110) 사이가 각각 소정 봉함 재료로 실링(sealing)되어 있다.
즉, 펌프실(130)과 모터실(120) 사이 및 모터실(120)과 전원 인입실(110) 사이에 각 실로 연장되는 전력선(140)이나 회전축(160) 등을 제외하고 수지 등의 봉함 재료로 실링되며 봉함 재료는 상기 커버와도 측면에서 고착되어 측면을 통하여도 물이 유입될 수 없도록 되어, 전원 인입실(110)과 모터실(120)은 누수 방지되도록 고립되어 있다.
모터(150)에 전원을 공급하기 위하여 수중 모터 펌프(10)는 지상의 전원 공급장치(800)와 연결되어 있으며, 전원 공급장치(800)와 연결된 전력선(140)은 물속에 수중 모터 펌프(10)가 잠겨도 방수되는 수중 전력선을 사용해 전원 인입실(110)로 인입시키고, 전원 인입실(110)로 인입된 전력선(140)은 소정 제어회로에 전원을 공급하며 모터실(120)의 모터(150)로 전원을 공급한다.
전원 인입실(110)의 제어회로는 수중 모터 펌프(10) 밖의 소정 위치에 설치된 워터 레벨 센서로 신호를 받아 물의 높이가 일정 높이 이상이면 모터실(120)의 모터(150)로 전원을 공급하여 모터(150)의 회전축(160)이 회전하도록 하고 회전축 끝에 장착된 임펠러(170)을 회전시켜서 물이 펌핑되도록 하고, 일정 높이 이하이면 모터(150)로의 전원 공급을 차단하여 대기 상태가 되도록 한다.
이와 같이 전원 인입실(110)을 통해 전원을 공급받는 모터실(120)의 모터(150)에는 3상 전원이 공급되어 모터(150)의 회전축(160)을 회전시키며 펌프실(130)까지 연장된 회전축(160)의 끝에 장착된 임펠러(170)을 회전시켜 물을 펌핑하게 된다.
이에 더하여, 본 발명의 수중 모터 펌프(10)는 다음과 같이 수중 모터 펌프(10)의 현재 상태를 센싱 및 통보하기 위한 센서들을 더 구비할 수 있도록 한다.
먼저, 수중 모터 펌프(10)의 전원 인입실(110)과 모터실(120) 중 적어도 하나에 누수 감지 센서(211,212)를 설치하고, 이를 통해 해당 위치에서의 누수 여부를 실시간 센싱하도록 한다.
그리고 3상 전원을 받는 모터(150)의 3상 권선(R, S, T)에는 모터 동작 시에 일정한 전류가 흐르며 과부하 또는 단락 등의 원인 등으로 고전류가 발생하여 과열될 수 있음을 고려하여, 모터실(120)내의 모터(150)에 근접하여 3상 권선(R, S, T) 각각의 주위에 권선 온도 센서(221, 222, 223)를 설치하고, 이를 통해 3상 권선(R, S, T) 각각의 온도를 실시간 센싱하도록 한다.
그리고 모터의 회전축은 모터실 내의 하부 베어링(181)과 상부 베어링(182)에 의하여 지지되어 회전되는데, 윤활유가 부족하거나 누수 또는 과부하에 의해 과열될 수 있음을 고려하여, 하부 베어링(181)과 상부 베어링(182) 중 적어도 하나에 베어링 온도 센서(231,232)를 설치하고, 이를 통해 베어링 온도를 실시간 센싱하도록 한다.
더하여 임펠라 등에 이물질 끼임으로 인한 질량 불평형이 발생하거나, 회전축 정렬 불량 및 결합 불량이 발생하는 경우, 수중 모터 펌프에 구비된 모터가 비정상적인 진동을 발생함을 고려하여, 모터의 진동값(특히, 회전 반경 방향의 진동값)을 센싱 및 통보할 수 있는 진동 센서(240)를 설치하고, 이를 통해 진동값을 실시간 센싱하도록 한다. 이러한 진동 센서(240)는 가속도센서, 지자기센서, 자이로 센서 등으로 구현될 수 있으며, 모터 진동을 감지할 수 있는 범위 내에서 수중 모터 펌프(10)의 모든 부위에 설치가능하나, 모터 회전축의 반경방향으로 설치되는 것이 가장 바람직할 것이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2을 참고하면, 본 발명의 시스템은 앞서 설명된 수중 모터 펌프(100) 및 센싱부(200) 이외에, 수중 제어부(300), 수중 전력선 통신부(400), 지상 전력선 통신부(500), 지상 모니터링부(600), 조작 패널(700) 및 전원 공급장치(800) 등을 더 포함하도록 한다.
먼저, 수중 모터 펌프(100)는 도 1에서와 같이 구현되어, 임펠러 회전을 통해 펌프실로 유입된 물을 외부로 배수하도록 한다.
센싱부(200)는 앞서 설명된 바와 같이, 수중 모터 펌프(100) 내부에 위치되는 누수 감지 센서(211,212), 권선 온도 센서(221, 222, 223), 베어링 온도 센서(231,232), 및 진동 센서(240) 등을 구비하고, 이들을 통해 수중 모터 펌프의 누수 여부, 모터의 3상 권선(R, S, T) 각각의 온도, 베어링 온도, 진동값을 실시간 센싱하고 통보하도록 한다.
수중 제어부(300)는 수중 모터 펌프(100)의 전원 인입실(110)에 삽입되어, 수중 모터 펌프(100)에 구비된 각종 센서를 통해 획득된 센싱 신호를 수집하여 지상 모니터링부(600)에 제공함과 더불어, 지상 모니터링부(600)로부터 전송되는 제어 신호를 응답하여 수중 모터 펌프의 동작 전반을 제어하도록 한다.
수중 전력선 통신부(400)는 수중 제어부(300)에 인접 배치되어, 전력선 통신 방식으로 지상 전력선 통신부(500)와의 통신을 수행하고, 지상 전력선 통신부(500)는 지상에 위치하여, 전력선 통신 방식으로 수중 전력선 통신부(400)와의 통신을 수행하도록 한다.
즉, 본 발명은 수중 모터 펌프(100)측에 위치되는 수중 전력선 통신부(400)와 지상에 위치되는 지상 전력선 통신부(500)를 구비하고, 이를 통해 수중 모터 펌프(100)에 연결되는 전력선을 통해 수중과 지상간 데이터 통신을 지원하도록 한다.
이러한 수중 전력선 통신부 및 지상 전력선 통신부는 동일 구조로 구현 가능하며, 도 3에서와 같이 3상 전력선(140) 중 어느 하나에 연결되어 전력선의 선로전압은 차단하고 통신 신호만을 추출하거나, 고압 트랜스포머(420)의 출력을 전력선에 인가하는 전력선 커플러(410), 전력선 커플러(410)가 추출한 통신 신호를 고압에서 저압으로 변환하거나, 전력 증폭기(480)가 출력하는 통신 신호를 저압에서 고압으로 승압한후 상기 전력선 커플러(410)에 제공하는 고압 트랜스포머(420), 고압 트랜스포머(420)에 의해 저압 변환된 통신 신호의 특정주파수를 여과 및 동조 증폭하여 출력하는 필터 및 증폭기(430)와, 필터 및 증폭기(430)의 출력단에 연결되어 신호를 분석하고 처리하는 프로세서(440)와, 상기 프로세서(440)에 연결되어 외부로부터의 신호를 입력받거나 외부로 신호를 출력하는 인터페이스부(450), 상기 프로세서(440)의 제어에 의해 통신 신호의 캐리어를 제어하여 출력시키는 캐리어 컨트롤러(460)와, 상기 캐리어 컨트롤러(460)로부터 출력되는 캐리어 신호를 전압 증폭하는 캐리어 증폭기(470)와, 상기 캐리어 증폭기(470)로부터 출력되는 캐리어 신호를 전력 증폭한 후, 고압 트랜스포머(420)에 제공하는 전력 증폭기(480) 등을 포함할 수 있다.
다만, 본 발명의 전력선은 3300V/6600V 정도의 고압선에서의 전력선통신을 수행하는 특징이 있으므로, 본 발명의 전력선 통신부(400, 500)는 고압 트랜스포머(420)와 같은 전력 변환 수단을 추가 구비하고, 이를 통해 전력선의 고압을 전력선 통신부(400, 500)의 내부 회로가 이용 가능한 저압으로 변환하고, 또한 그 반대 방향의 전압 역변환 동작을 수행할 수 있도록 한다.
지상 모니터링부(600)는 지상 전력선 통신부(500)를 통해 전력선을 경유하여 전송되는 수중 모터 펌프(100)의 센싱 신호를 수신 및 분석함으로써, 누수 여부, 권선 온도 이상 여부, 베어링 온도 이상 여부 등을 실시간 파악하고 사용자 안내하도록 한다.
또한, 지상 모니터링부(600)는 센싱 신호를 기반으로 한 수중 모터 펌프(100)의 동작 제한 동작도 수행하도록 한다. 즉, 누수 발생을 확인한 경우에는 수중 모터 펌프(100)으로의 전원 공급을 즉각 차단하여 누수에 의해 수중 모터 펌프가 파손되는 것을 방지하거나, 권선 온도 또는 베어링 온도에 따라 모터 회전 속도를 조정함으로써 과열로 인해 수중 모터 펌프가 파손되는 것을 방지하도록 한다.
더하여, 본 발명의 지상 모니터링부(600)는 수중 모터 펌프의 진동값과 베어링 온도값을 기반으로 수중 모터 펌프(100)의 기계적 고장 원인까지 파악 및 안내할 수 있도록 한다. 이에 대한 설명은 이하의 도 8을 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
조작 패널(700)은 터치 스크린, 모니터, 버튼, 경광등과 같은 각종 데이터 입출력 수단을 구비할 수 있으며, 데이터 출력 수단을 통해 지상 모니터링부(600)의 제어하에 수중 모터 펌프의 현재 동작 상태를 시청각적으로 안내하거나, 데이터 입력 수단을 통해 사용자의 각종 제어값을 입력받도록 한다.
전원 공급장치(800)는 지상 모니터링부(600)의 제어하에 전력선에 수중 모터 펌프 구동을 위한 고압의 3상 전원을 공급한다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명에서는 수중 모터 펌프는 센서들을 통해 자신의 현재 동작 상태를 센싱 및 통보하되, 기존의 고압의 전력선(140)을 활용하도록 함을 알 수 있다. 그 결과, 수중 모터 펌프(100)의 연결선 개수가 최소화되고, 연결선 실링에 따른 방수 문제 발생 가능성도 자연스럽게 감소되게 된다.
뿐 만 아니라, 본 발명은 누수 여부, 권선 온도, 베어링 온도 이외에 진동값 까지 센싱하고, 진동값을 통해서는 모터의 고장 원인까지 분석할 수 있도록 한다. 또한 회전축 정렬 불량으로 인한 모터 고장시에는 베어링에 큰 진동이 발생되며, 진동 에너지가 열 에너지로 변환되어 베어링 온도까지 증가되는 특징이 있음을 고려하여, 진동값 이외에 베어링 온도까지 추가 고려하여 모터 고장 원인을 분석할 수 있도록 함으로써, 분석 신뢰도가 보다 향상될 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지상 모니터링부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 지상 모니터링부(600)는 센싱 신호 수신부(610), 동작 상태 확인부(620), 인공 신경망(630), 인공 신경망 학습부(640), 진동 분석부(650), 고장 원인 검출부(660) 및 펌프 제어부(670) 등을 포함할 수 있다.
센싱 신호 수신부(610)는 지상 전력선 통신부(500)로부터 제공되는 센싱 신호를 수신하고 전처리(예를 들어, 필터 및 증폭)하여 동작 상태 확인부(620)와 고장 원인 검출부(660)이 인식 가능한 신호 형태로 변환한다.
동작 상태 확인부(620)는 센싱 신호를 기반으로 수중 모터 펌프의 현재 동작 상태(즉, 전원 인입실과 모터실으로의 누수 여부, 모터의 3상 권선(R, S, T) 각각의 온도, 베어링 온도, 진동값)를 파악하고, 이를 조작 패널(700)을 통해 시청각적으로 안내하도록 한다.
인공 신경망 학습부(640)는 고장 원인별로 변화되는 진동값에 대한 정보를 가지는 학습 데이터를 생성하고, 상기 학습 데이터를 통해 인공 신경망을 학습시킨다.
참고로, 수중 모터 펌프와 같이 모터를 통해 임펠러를 회전시키는 경우, 질량 불평형과 회전축 불량으로 인한 고장이 발생할 수 있다.
1. 질량 불평형
모터의 회전 모델은 도 5와 같이 표현될 수 있다. 임펠러의 3개 지점의 질량과 무게 중심이 각각 r1,m1, r2,m2, 및 r3,m3이고, 임펠러가 ω 로 회전할 경우, 완벽한 질량 평형이 이루어 졌다면 수학식 1의 관계가 성립되어, 임펠러 3개 지점에서의 원심력의 합은 수학식 2와 같이 0이 된다.
[수학식 1]
Figure 112018113355898-pat00001
[수학식 2]
Figure 112018113355898-pat00002
그러나 임펠러에 이물질이 삽입되어, 특정 지점 i에서의 질량 mi 및 로터축에서 무게중심까지의 거리 ri가 변하게 되면 질량 불평형이 발생하게 된다. 이러한 질량 불평형은 가상의 거리 rR에 존재하는 가상의 질량 mR의해 표현되며, 이는 회전축으로부터 ????
Figure 112018113355898-pat00003
크기의 원심력을 발생하게 되고, 그 결과 모터의 반경방향(radial)의 진동을 발생시킨다.
2. 회전축 불량
회전축 불량은 도 6와 같이 회전축이 평행한 방향으로 놓여 있지 않고 서로 다른 각도를 갖게 되어 발생되는 회전축 정렬 불량과 회전축 결합이 느슨해져 회전축의 높이가 어긋나게 되는 회전축 결합 불량으로 구분된다. 이는 과도한 진동을 발생하여 베어링, 커플링 등 주변 요소들의 추가적인 고장의 원인이 되기도 한다. 이들의 진동 주파수는 기본 회전주파수 이외에도 하모닉 성분을 갖는 특징이 있다.
이와 같이 모터 고장 원인에 따라 진동 발생 패턴이 달라짐을 고려하여, 본 발명에서는 모터 고장 원인별 진동 발생 패턴을 통해 인공 신경망을 학습시킴으로써, 차후 인공 신경망을 이용하여 진동 값에 대응되는 모터 고장 원인을 손쉽게 파악할 수 있도록 한다.
이를 위해, 인공 신경망 학습부(640)는 질량 불평형 및 회전축 불량 상태에서 모터 진동을 센싱하여 회전 반경방향의 진동값을 획득하고, 이에 대한 웨이블릿(Wavelet) 다분해 트리 변환을 수행하여 근사계수(A) 및 상세계수(D)를 획득한다. 그리고 근사계수(A) 및 상세계수(D)에 대한 실효값(Root Mean Square, RMS) 및 표준편차(standard deviation)를 산출하고, 이들을 각 고장이 발생되었을 경우의 학습 데이터로 사용한다. 그리고 학습 데이터를 통해 도 7에서와 같이 입력층, 은닉층, 및 출력층으로 구성되는 인공 신경망(630)을 반복 학습시킴으로써, 오차 최소화를 위한 층간의 연결 강도(가중치)를 최종 결정한다.
진동값 분석부(650)는 센싱 신호에 포함된 진동값에 대한 웨이블릿 다분해 트리 변환을 수행하여 근사계수(A) 및 상세계수(D)를 획득한 후, 이에 대한 실효값 및 표준편차를 산출한다. 그리고 이를 학습 완료된 인공 신경망(630)에 입력함으로써, 진동값에 대응되는 고장 원인을 파악하도록 한다.
고장 원인 검출부(660)은 고장 원인에 따른 베어링 예상 온도에 대한 정보를 사전 획득 및 저장한다. 그리고 진동값 분석부(650)를 통해 파악된 고장 원인에 따른 베어링 예상 온도와 센싱 신호에 포함된 베어링 온도를 비교하고, 일치하는 경우에 한해 고장 원인을 사용자 안내하도록 한다.
즉, 회전축 불량의 경우에는 베어링 온도가 비정상적으로 증가하나, 질량 불평형의 경우에는 베어링 온도가 크게 변화하지 않는 특징이 있음을 고려하여, 현재 센싱되는 베어링 온도를 기반으로 인공 신경망(630)의 분석 결과가 정확한 것인지 한 번 더 체크한 후, 사용자 안내하도록 한다.
펌프 제어부(670)는 사용자 또는 외부 장치가 수중 모터 펌프 구동을 요청하면, 이에 응답하여 전원 공급장치(800)를 통해 고압 전원을 전력선을 통해 제공하도록 한다.
그리고 펌프 제어부(670)는 조작 패널(700)을 통해 입력되는 사용자 제어값 또는 센싱 신호를 기반으로 수중 모터 펌프를 동작 제어하기 위한 각종 제어 신호를 생성 및 제공한다.
예를 들어, 누수 발생을 확인한 경우에는 수중 모터 펌프(100)으로의 전원 공급을 즉각 차단하여 누수에 의해 수중 모터 펌프가 파손되는 것을 방지하고, 권선 온도 또는 베어링 온도가 기 설정된 허용치를 벗어나는 경우 모터 회전 중지시키거나, 또는 권선 온도 또는 베어링 온도에 비례하여 모터 회전 속도를 감소시키도록 한다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 원인 분석 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 고장 원인 분석 방법은 학습 데이터 생성 단계(S1), 인공 신경망 학습 단계(S2), 인공 신경망을 기반으로 한 고장 원인 분석 단계(S3), 베어링 온도를 기반으로 한 고장 원인 재확인 단계(S4) 등을 포함한다.
먼저, 단계 S1의 학습 데이터 생성 단계에서는, 질량 불평형 및 회전축 불량 상태에서 모터 진동을 센싱하여 진동 신호를 획득하고, 이에 Wavelet 다분해 트리 변환을 수행하여 A(근사계수) 및 D(상세계수)를 획득한다. 그리고 A 및 D에 대한 RMS(Root Mean Square) 및 표준편차(standard deviation)를 산출하고, 이를 각 고장이 발생되었을 경우의 학습 데이터로 사용한다.
또한 모터 회전 속도가 수시로 변경될 수 있음을 고려하여, 웨이블릿 변환을 통해 얻어진 근사 및 상세계수 이외에도 회전축의 회전수를 인공 신경망의 입력으로 사용하도록 한다.
단계 S2의 인공 신경망 학습 단계에서는, 단계 S1을 통해 획득된 학습 데이터를 통해 도 7에서와 같이 입력층, 은닉층, 및 출력층으로 구성되는 인공 신경망을 반복 학습시킴으로써, 층간의 연결 강도(가중치)를 최적화시킨다.
단계 S3의 고장 원인 분석 단계에서는, 수중 모터 펌프(100)측에서 전송하는 진동 신호를 웨이블릿 변환하여 A(근사계수) 및 D(상세계수)를 획득한 후, 이들에 대한 RMS 및 표준편차(standard deviation)를 구한다. 그리고 RMS 및 표준편차를 학습 완료된 인공 신경망에 입력함으로써, 인공 신경망을 통해 모터가 정상 상태인지, 모터 질량 불평형 상태인지, 또는 회전축 정렬 불량 상태인지를 고장 원인을 파악하도록 한다.
단계 S4의 고장 원인 재확인 단계에서는, 베어링 온도를 추가 확인한다. 이는 회전축 정렬 불량이 발생되었을 경우, 불평형 고장에 비해 베어링에 큰 진동이 발생되고 이로 인해 진동에너지가 열에너지로 변환되어 온도가 높아지는 현상이 발생하는 특징이 있기 때문이다.
이에 단계 S3을 통해 모터 질량 불평형으로 인한 고장 발생이 확인되며, 베어링 온도가 기 설정값 이하인 경우에는 모터 질량 불평형으로 인한 고장 발생을 통보하고, 반면 단계 S3을 통해 모터 회전축 정렬 불량으로 인한 고장 발생이 확인되며, 베어링 온도가 기 설정값 보다 큰 경우에는 모터 회전축 정렬 불량으로 인한 고장 발생을 통보하도록 한다.
즉, 본 발명에서는 모터 진동값 및 베어링 온도값을 기반으로 고장 원인을 두 번에 걸쳐 중복 체크함으로써, 보다 신뢰성있는 고장 원인 진단이 수행될 수 있도록 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 수중에 설치되어, 전력선을 통해 인가되는 고압 전원에 의해 구동되는 수중 모터 펌프;
    상기 수중 모터 펌프의 누수 여부, 권선 온도, 진동값과 베어링 온도값을 센싱하는 센싱부;
    상기 센싱부의 센싱 신호를 전력선 통신 방식으로 상기 전력선을 통해 전송하는 수중 전력선 통신부;
    상기 전력선에 커플링되어, 상기 전력선을 통해 전송되는 상기 센싱 신호를 전력선 통신 방식으로 수신하는 지상 전력선 통신부; 및
    상기 센싱 신호를 시청각화하여 사용자 안내하되, 상기 센싱 신호에 포함된 진동값 및 베어링 온도값을 기반으로 모터 고장 원인을 추가 파악하고 사용자 안내하는 지상 모니터링부를 포함하며,
    상기 지상 모니터링부는
    고장 원인별로 변화되는 진동 세기 및 방향에 대한 정보를 가지는 학습 데이터를 생성하고, 상기 학습 데이터를 통해 인공 신경망을 학습시키는 인공 신경망 학습부;
    상기 인공 신경망을 통해 상기 센싱 신호에 포함된 진동값이 정상 상태에 해당하는지, 모터 질량 불평형 상태에 해당하는, 또는 회전축 정렬 불량 상태에 해당하는지 파악하는 진동값 분석부; 및
    모터 질량 불평형으로 인한 고장 발생이 확인되면, 베어링 온도가 기 설정값 이하인지 확인한 후 모터 질량 불평형으로 인한 고장 발생을 사용자 안내하고, 모터 회전축 정렬 불량으로 인한 고장 발생이 확인되면, 베어링 온도가 기 설정값 보다 큰지 확인한 후 모터 회전축 정렬 불량으로 인한 고장 발생을 사용자 안내하는 고장 원인 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센싱부는
    상기 수중 모터 펌프의 전원 인입실과 모터실 중 적어도 하나에 설치되어 누수 여부를 센싱하는 적어도 하나의 누수 감지 센서;
    상기 수중 모터 펌프내 모터의 3상 권선 각각의 주위에 설치되어 권선 온도를 센싱하는 다수의 권선 온도 센서;
    상기 모터의 상부 베어링과 하부 베어링 중 적어도 하나에 인접 설치되어 베어링 온도를 측정하는 적어도 하나의 베어링 온도 센서; 및
    상기 모터의 회전 반경방향으로 설치되어 진동값을 측정하는 진동 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 지상 모니터링부는
    상기 센싱 신호를 기반으로 수중 모터 펌프의 누수 여부, 모터의 3상 권선(R, S, T) 각각의 온도, 베어링 온도, 진동값을 파악하고, 사용자 안내하는 동작 상태 확인부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지상 모니터링부는
    사용자 제어값 또는 상기 센싱 신호를 통해 파악된 수중 모터 펌프 동작 상태를 기반으로 상기 수중 모터 펌프를 원격 제어하는 펌프 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수중 전력선 통신부와 상기 지상 전력선 통신부 각각은
    상기 전력선에 연결되어 전력선의 선로전압은 차단하고 통신 신호만을 추출하는 전력선 커플러;
    상기 전력선 커플러에 의해 추출된 통신 신호의 전력을 저압으로 변환하거나, 전력 증폭된 캐리어 신호를 전력선 통신에 대응하는 고압으로 변압하여 상기 전력선 커플러에 전송하는 고압 트랜스포머;
    상기 고압 트랜스포머에 의해 저압 변환된 통신 신호의 특정주파수를 여과 및 동조 증폭하여 출력하는 필터 및 증폭기;
    상기 필터 및 증폭기의 출력단에 연결되어 신호를 분석하고 처리하는 프로세서;
    상기 프로세서에 연결되어 외부로부터의 신호를 입력받거나 외부로 신호를 출력하는 인터페이스부;
    상기 프로세서의 제어에 의해 통신 신호의 캐리어를 제어하여 출력시키는 캐리어 컨트롤러;
    상기 캐리어 컨트롤러의 캐리어 신호를 전압 증폭하는 캐리어 증폭기; 및
    상기 캐리어 증폭기의 캐리어 신호를 전력 증폭한 후, 상기 고압 트랜스포머에 제공하는 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 모터 펌프의 지상 모니터링 시스템.
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