KR20170128326A - 펌프 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

진공 펌프를 구동하기 위한 전기 모니터를 갖는 진공 펌프 모니터링 장치가 기술된다. 이 진공 펌프 모니터링 장치는 적어도 상기 전기 모터의 전류를 측정하여 시간 기반 신호를 생성하기 위한 적어도 하나의 센서와, 상기 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하고, 상기 주파수 기반 신호를 분석하여 펌프 고장 상태를 나타내는 신호 패턴을 식별하도록 구성되는 적어도 하나의 전자 프로세서를 포함한다. 상기 진공 펌프 모니터링 장치는 주파수 기반 신호를 모니터링함으로써 펌프 고장 상태를 식별할 수 있다. 신호 패턴은 가령, 상기 펌프 고장 상태와 관련된 진동 시그니처에 대응할 수 있다. 펌핑 시스템에 존재하는 모든 잠재적인 진동 소스는 가령, 로드 토크(load torque) 및 샤프트 속도(shaft speed) 변동을 통해 전기 모터에 영향을 미칠 것이다. 이러한 진동을 구동하는 데 요구되는 에너지는 전기 모터에 의해 제공되며 반드시 전력 시그니처로 변환된다. 식별된 진동 시그니처는 전기 모터 및/또는 펌프의 동작으로부터 발생할 수 있다. 진공 펌프 모니터링 장치는 펌프 내의 고장을 진단할 수 있다. 대안으로 또는 추가적으로, 진공 펌프 모니터링 장치는 펌프 내의 고장을 예측할 수 있다.

Description

펌프 모니터링 장치 및 방법

본 개시물은 펌프 모니터링 장치에 관한 것이며 펌프 모니터링 장치를 포함한 펌프 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 그러나 제한적이지는 않게 본 개시물은 진공 펌프를 모니터링하는 펌프 모니터링 장치에 관한 것이며, 펌프 모니터링 장치를 포함한 진공 펌프 장치에 관한 것이다. 본 개시물은 또한 펌프 모니터링 장치를 포함한 인버터에 관한 것이다.

진동 및/또는 노이즈를 모니터링함으로써 펌프의 기계적 상태를 진단하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이러한 방법은 고비용을 수반하는 것이며 현장진단(on-site)을 구현하는 것이 난해할 수 있는데, 그 이유는 정교한 신호 프로세싱 장치뿐만 아니라 추가적인 트랜스듀서가 필요하기 때문이다. 또한, 펌프의 완벽한 모니터링을 수행하기 위해서는 가령, 베어링, 기어박스, 고정자 프레임 등의 위치에 대량의 진동 트랜스듀서가 필요할 것이다.

건식 진공 펌프용의 자체 진단 방법은 미국 특허 제8,721,295호에 공지되고 있다. 이 방법은 시스템 압력과 함께 펌프의 회전자를 회전시키기 위한 모터의 전류를 모니터링하는 것을 포함한다. 이 방법은 측정된 전류에서의 피크들의 형태에서 일회성 이벤트를 식별하거나 측정된 전류가 사전정의된 임계치를 언제 초과하는지를 결정하고자 하는 것이다.

미국 특허공개 제2008-0294382호는 펌프 고장 예측을 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 비교적 대량의 펌프들로부터 복수의 질적 변수(가령, 공정 변수)를 개선된 예측성으로 관리하기 위한 모델이 정의될 수 있다. 이 모델을 정의하기 위해, 주요 성분 분석(principal component analysis; PCA)이 사용될 수 있고, 이 주요 성분 분석은 다변수 데이터(multivariate data)의 상관을 고려하고 있다. 선택된 주요 성분의 변동을 나타내기 위해 관리 변수가 선택될 수 있다. 제어기는 관리 변수가 상한 제어 라인을 초과할 경우 펌프가 비정상 상태로 동작중임을 결정할 수 있다. 센서는 펌프에 접속될 수 있어서 펌프 및 대응하는 반도체 제조 공정과 관련된 질적 변수에 대한 데이터를 실시간으로 수집할 수 있다. 정보 시스템을 사용하여 공정 변수와 관련된 데이터를 수집하고 수집된 데이터를 통계적으로 프로세싱함으로써, 펌프 고장이 실제로 발생하기 전에 펌프를 대체하기 위한 시간이 예측될 수 있다.

이러한 배경에 감안하여 본 발명이 고안되었다. 적어도 소정의 실시예에서, 본 발명은 종래의 방법 및 장치와 관련된 한계들 중의 적어도 일부를 극복하거나 개선하고자 하는 것이다.

본 발명의 측면은 펌프에 대한 펌프 모니터링 장치에 관한 것이며, 펌프 모니터링 장치를 포함한 펌프 장치에 관한 것이며, 펌프 모니터링 장치를 포함한 인버터에 관한 것이다. 본 발명의 측면은 가스 펌프, 특히 진공 펌프 및 콤프레서를 가진 특정 응용예를 추구하고 있다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 진공 펌프 모니터링 장치가 제공되며, 진공 펌프는 자신을 구동하기 위한 전기 모터를 가지며, 진공 펌프 모니터링 장치는 상기 전기 모터의 전류를 측정하여 시간 기반 신호를 생성하기 위한 적어도 하나의 센서와, 상기 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하고, 상기 주파수 기반 신호를 분석하여 펌프 고장 상태를 나타내는 신호 패턴을 식별하도록 구성되는 적어도 하나의 전자 프로세서를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 전기 모터를 갖는 진공 펌프에 대한 펌프 모니터링 장치가 제공되며, 이 펌프 모니터링 장치는 상기 전기 모터의 전류를 측정하여 시간 기반 신호를 생성하기 위한 적어도 하나의 센서와, 상기 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하고, 상기 주파수 기반 신호를 분석하여 펌프 고장 상태를 나타내는 신호 패턴을 식별하도록 구성되는 적어도 하나의 전자 프로세서를 포함한다.

상기 모니터링 장치는 주파수 기반 신호를 모니터링함으로써 펌프 고장 상태를 식별할 수 있다. 신호 패턴은 가령, 상기 펌프 고장 상태와 관련된 진동 시그니처에 대응할 수 있다. 펌핑 시스템에 존재하는 모든 잠재적인 진동 소스는 가령, 로드 토크(load torque) 및 샤프트 속도(shaft speed) 변동을 통해 전기 모터에 영향을 미칠 것이다. 이러한 진동을 구동하는 데 요구되는 에너지는 전기 모터에 의해 제공되며 반드시 전력 시그니처로 변환된다. 식별된 진동 시그니처는 전기 모터 및/또는 펌프의 동작으로부터 발생할 수 있다. 적어도 소정의 실시예에서, 상기 모니터링 장치는 펌프 내의 고장을 진단할 수 있다. 대안으로 또는 추가적으로, 모니터링 장치는 펌프 내의 고장을 예측할 수 있다.

전기 모터의 전류는 시간과 관련하여 측정되어 시간 기반 신호를 생성하게 된다. 적어도 하나의 전자 프로세서는 전류 파형의 주파수 분해(frequency decomposition)를 수행하도록 구성된다. 전류 센서에 의해 생성된 시간 기반 신호는 주파수 기반 신호로 변환된다. 주파수 기반 신호의 분석은 알려진 펌프 고장 상태를 나타내는 신호 패턴을 식별할 수 있다. 이러한 신호 패턴은 펌프의 상태의 표시를 제공하기에 적합한 진동 시그니처에 대응할 수 있으며, 가령, 내부 구성요소의 마모로 인해 고장이 막 발생할려고 하는 펌프는 새상품의 펌프와는 상이한 진동 시그니처를 가질 것이다. 펌프 고장 상태는 전기 모터 및/또는 펌프와 관련될 수 있다.

적어도 하나의 전자 프로세서는 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하기 위한 퓨리에 변환 알고리즘을 적용하도록 구성될 수 있다. 가령, 다이렉트 퓨리에 변환이 시간 기반 신호에 적용될 수 있다. 모터 전류의 퓨리에 변환의 구현은 무센서(sensor-less) 방식으로 펌프 상태를 검출 및/또는 예측하기 위한 진단툴(diagnostic tool)을 제공할 수 있다.

적어도 하나의 전자 프로세서는 시간 기반 신호를 프로세싱을 위한 복수의 세그먼트로 분할하도록 구성될 수 있다. 이러한 세그먼트들은 독립적으로 시간 기반 신호로부터 주파수 기반 신호로 변환될 수 있다. 이러한 변환된 세그먼트들은 이후에 결합될 수 있다. 각각의 세그먼트는 사전정의된 주파수 범위에 대응할 수 있다.

시간 기반 신호의 변환과 차후의 주파수 기반 신호의 분석이 동일한 전자 프로세서에 의해 또는 상이한 전자 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 가령, 제1 전자 프로세서는 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환시킬 수 있으며 제2 전자 프로세서는 그 주파수 기반 신호를 분석할 수 있다. 모니터링 장치는 추가적인 센서를 갖거나 추가적인 센서 없이 측정된 전류에 의존하여 펌프를 모니터링할 수 있다.

신호 패턴은 주파수 기반 신호에서 적어도 하나의 신호 피크를 포함할 수 있다. 신호 패턴은 소정의 주파수에 대한 신호의 진폭에서 국부적인 증가 또는 감소를 나타낸다.

신호 패턴은 상기 주파수 기반 신호에서 사전정의된 주파수 또는 사전정의된 주파수 범위에서 발생하는 적어도 하나의 신호 피크를 포함할 수 있다.

신호 패턴은 적어도 하나의 신호 피크의 진폭을 포함할 수 있다. 그 진폭은 소정의 주파수에서 제공되는 전력의 측정치를 나타낸다.

신호 패턴은 사전정의될 수 있으며 알려진 펌프 고장 상태를 나타낼 수 있다. 가령, 펌프 고장 상태는 편심 동작 또는 토크 발진과 연관될 수 있다. 알려진 펌프 고장 상태와 연관된 신호 패턴은 경험적 분석에 의해 결정될 수도 있다. 가령, 신호 패턴은 알려진 펌프 고장 상태를 갖는 펌프에서 모터에 대한 전류를 측정함으로써 결정될 수도 있다.

고장 진단은 사전정의된 신호 패턴과 연관될 수 있다. 모니터링 장치는 주파수 기반 신호에서 식별된 신호 패턴과 연관된 고장 진단을 출력할 수 있다.

모니터링 장치는 펌프의 동작 파라미터를 측정하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 펌프 모니터링 센서는 펌프의 동작 온도를 측정 및/또는 펌프의 성능을 측정, 가령 펌프의 배기 압력을 측정하도록 제공될 수 있다. 펌프 모니터링 센서는 또한 전기 모터의 회전 속도를 측정하기 위해 제공될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 측정된 파라미터들을 펌프 고장 상태와 상관시켜 펌프 고장 상태의 소스를 추론하도록 구성될 수 있다. 적어도 소정의 실시예에서, 가변적인 펌프 상태(가령, 온도, 압력, 전력 등)와 관련한 정보의 상관은 펌프의 예측성 모니터링을 가능하게 할 수 있다.

신호 패턴은 진동 시그니처에 대응할 수 있다. 이 진동 시그니처는 전기 모터 또는 전기 모터와 결합되는 펌프의 진동 시그니처일 수 있다.

펌프는 진공 펌프일 수 있다. 진공 펌프는 가령 반도체 제조 공정에 사용하기 위해 적응될 수 있다.

적어도 하나의 전자 프로세서는 지속적으로 동작하여 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 적어도 하나의 전자 프로세서는 펌프가 하나 이상의 사전정의된 동작 모드에서 동작중일 때에만 신호 변환을 수행할 수 있다. 가령, 펌프가 진공 펌프인 구성에서, 적어도 하나의 전자 프로세서는 그 펌프가 사전정의된 임계치 미만에서 또는 사전정의된 압력 범위 내에서 동작중일 때 신호 변환을 수행할 수 있다. 대안으로, 적어도 하나의 전자 프로세서는 펌프의 동작 속도가 사전정의된 속도 범위 내에 있거나 사전정의된 속도에 있을 때 신호 변환을 수행할 수 있다. 대안으로, 적어도 하나의 전자 프로세서는 그 펌프에 대한 전원 공급이 사전정의된 전력 범위 내에 있거나 사전정의된 전력 레벨에 있을 때 신호 변환을 수행할 수 있다. 신호 패턴은 하나 이상의 사전정의된 동작 모드에 대해 정의될 수 있다. 모니터링 장치는 펌프 제어기에 결합되어 그 펌프가 언제 사전정의된 동작 모드에 있는지를 결정할 수 있다. 대안으로, 모니터링 장치는 적어도 하나의 펌프 모니터링 센서로부터의 신호에 의존하여 펌프가 언제 상기 사전정의된 동작 모드에 있는지를 결정할 수 있다.

본 발명의 또다른 측면에서 볼 때 상기 전기 모터에 전류를 공급하는 인버터가 제공되며, 이 인버터는 본 명세서에 기술된 바와 같은 펌프 모니터링 장치를 포함한다. 적어도 하나의 전자 프로세서는 인버터 내에 통합될 수 있다. 가령, 적어도 하나의 전자 프로세서는 인버터 제어 유닛 내에 통합될 수 있다. 이러한 구성에서, 상기 인버터 제어 유닛은 실시간 스펙트럼 분석 알고리즘, 가령 퓨리에 변환을 구현할 수 있다. 시간 기반 신호는 인버터 제어 유닛에 적어도 거의 실시간으로 전송될 수 있다.

본 발명의 또다른 측면에서 볼 때, 본 명세서에 기술된 바와 같은 펌프 모니터링 장치를 포함하는 펌프 장치가 제공된다. 펌프 장치는 전기 모터에 접속된 인버터를 포함할 수 있다. 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 전자 프로세서는 상기 인버터 내에 배치될 수 있다. 가령, 인버터는 인버터 제어 유닛을 포함할 수 있다. 인버터 제어 유닛은 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 전자 프로세서를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전자 프로세서는 인버터 제어 유닛 내에 매립될 수 있다. 적어도 소정의 실시예에서, 인버터 제어 유닛은 실시간 스펙트럼 분석 알고리즘, 가령 퓨리에 변환을 구현할 수 있다. 시간 기반 신호는 인버터 제어 유닛에 적어도 거의 실시간으로 전송될 수 있다.

주파수 기반 신호의 분석은 인버터 제어 유닛에서 수행될 수 있다. 대안으로, 인버터 제어 유닛은 주파수 기반 신호를 가령 분석을 위해 펌프 제어기에 출력할 수 있다. 인버터는 펌프 제어기에 링크될 수 있으며, 사용시에 펌프 제어기는 가령, 펌프가 하나 이상의 사전정의된 동작 모드에서 동작중일 때 주파수 분해를 요청할 수 있다. 고장 진단 신호는 주파수 기반 신호의 분석에 의존하여 생성될 수 있다.

본 발명의 또다른 측면에서 볼 때, 전기 모터를 갖는 진공 펌프를 모니터링하는 방법이 제공되며, 이 방법은 상기 전기 모터의 전류를 측정하여 시간 기반 신호를 생성하는 단계와, 상기 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하는 단계와, 상기 주파수 기반 신호를 프로세싱하여 펌프 고장 상태를 나타내는 신호 패턴을 식별하는 단계를 포함한다.

신호 패턴은 주파수 기반 신호에서 사전정의된 주파수에서 또는 사전정의된 주파수 범위에서 발생하는 적어도 하나의 신호 피크를 포함할 수 있다.

신호 패턴은 적어도 하나의 신호 피크에 대한 진폭을 포함할 수 있다.

신호 패턴은 펌프의 알려진 펌프 고장 상태를 나타내는 사전정의된 신호 패턴일 수 있다. 고장 진단은 신호 패턴과 연관될 수 있다. 이 방법은 주파수 기반 신호에서 식별되는 신호 패턴과 연관되는 고장 진단을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

이 방법은 펌프의 하나 이상의 동작 파라미터를 측정하고 하나 이상의 동작 파라미터와 알려진 진동 시그니처를 상관시키는 단계를 포함할 수 있다.

이 방법은 퓨리에 변환 알고리즘을 적용하여 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 가령, 다이렉트 퓨리에 변환은 시간 기반 신호에 적용될 수 있다.

이 방법은 시간 기반 신호를 프로세싱을 위한 복수의 세그먼트로 분할하는 단계를 포함할 수 있다. 이 세그먼트들은 독립적으로 시간 기반 신호로부터 주파수 기반 신호로 변환될 수 있다. 이 변환된 세그먼트들은 이후에 결합될 수 있다. 각각의 세그먼트는 사전정의된 주파수 범위에 대응할 수 있다.

신호 패턴은 진동 시그니처에 대응할 수 있다. 진동 시그니처는 전기 모터 또는 전기 모터와 결합되는 펌프의 진동 시그니처일 수 있다.

펌프는 진공 펌프일 수 있다. 진공 펌프는 가령, 반도체 제조 공정에 사용하도록 적응될 수 있다.

이 방법은 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 연속 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 대안으로, 신호 변환은 펌프가 하나 이상의 사전정의된 동작 모드에서 동작중일 때에만 수행될 수 있다. 하나 이상의 동작 모드에 대해 신호 패턴이 정의될 수 있다.

본 명세서에 기술되는 적어도 하나의 전자 프로세서는 하나 이상의 제어기 내에 구현될 수 있다. 적어도 하나의 전자 프로세서를 구성하기 위해, 적당한 세트의 인스트럭션이 제공될 수 있으며, 이 인스트럭션은 실행시에 적어도 하나의 전자 프로세서로 하여금 본 명세서에 지정된 방법을 구현하게 한다. 가령, 인스트럭션의 세트는 실행시에 적어도 하나의 전자 프로세서로 하여금 본 명세서에 기술되는 변환을 구현할 수 있게 한다. 이 인스트럭션의 세트는 하나 이상의 전자 프로세서 내에 적절히 매립될 수 있다. 대안으로, 인스트럭션의 세트는 하나 이상의 메모리 상에 저장된 소프트웨어로서 제공되어 적어도 하나의 계산 장치 상에서 실행될 것이다. 다른 적당한 구성이 또한 사용될 수 있다.

본 출원의 범위 내에서, 앞선 단락들, 청구범위 및/또는 아래의 상세한 설명 및 도면, 및 특히 그의 개별 특징들 내에서 다루어진 다양한 측면, 실시예, 예 및 대안이 독립적으로 또는 임의의 조합으로 취해질 수 있다는 것이 명시적으로 의도된다. 즉, 모든 실시예 및/또는 임의의 실시예의 특징들은 그러한 특징들이 호환불가능한 것이 아닐 경우 임의의 방식으로 및/또는 조합적으로 결합될 수 있다. 본 출원인은 임의의 최초 출원된 청구범위를 변경하거나 그에 따라 임의의 새로운 청구항을 출원하는 권한(이 권한은 최초 출원된 것은 아닐지라도 임의의 다른 청구항의 임의의 특징에 종속하도록 및/또는 그 특징을 포함하도록 임의의 최초 출원 청구항을 보정할 권한을 포함함)을 보유하고 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예가 첨부되는 도면을 참조하여 예로서만 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따라 펌프 모니터링 장치를 포함하는 펌프 시스템의 개략적인 도면을 도시하고 있다.
도 2는 도 1에 도시된 펌프 시스템의 고정자 전류에 의존하여 생성되는 제1 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 3은 도 1에 도시된 펌프 시스템의 고정자 전류에 의존하여 생성되는 제2 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 4는 도 1에 도시된 펌프 시스템의 고정자 전류에 의존하여 생성되는 제3 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼을 도시하고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 펌프 시스템(1)은 이제 도 1 내지 도 4를 참조하여 기술될 것이다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 이 펌프 시스템(1)은 자체 진단 기능을 수행하도록 구성된다.

이 펌프 시스템(1)은 펌프(2), 인버터(3) 및 펌프 제어기(4)를 포함한다. 본 실시예에서의 펌프(2)는 진공 펌프, 가령, 멀티 스테이지의 포지티브 변위 펌프로서, 반도체툴 등으로부터의 가스를 펌핑하기 위한 것이다. 그러나, 본 발명이 특정 타입의 펌프 메카니즘에 국한되는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 펌프(2)는 고정자(6) 및 회전자(7)를 갖는 전기 모터(5)를 포함한다. 펌프 제어기(4)는 인버터(3)에 접속되며 휴먼 머신 인터페이스(HMI)를 제공하여 펌프(2)의 제어를 용이하게 한다. 펌프 제어기(4)는 제1 전자 프로세서(8)를 포함한다.

인버터(3)는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하도록 동작하여 전기 모터(5)에 전원을 제공하는 것으로, 가령 3상 AC 신호를 제공한다. 인버터(3)는 시스템 메모리(11)에 접속된 제2 전자 프로세서(10)를 갖는 인버터 제어 유닛(9)를 포함한다. 제2 전자 프로세서(10)는 전류 센서(12) 및 전자 저장 장치(13)에 접속된다. 전류 센서(12)에 의해 생성되는 전류 신호는 제2 전자 프로세서(10)로 적어도 거의 실시간으로 전송될 수 있다. 동작 인스트럭션의 세트는 시스템 메모리(11)에 저장되며, 실행시 제2 전자 프로세서(10)로 하여금 전류 센서(12)로부터 수신된 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하게 한다. 제2 전자 프로세서(10)는 전류 센서(12)로부터의 전기 모터(5)의 고정자 전류를 일정한 시간 간격으로 샘플링하여 제2 전자 프로세서(10)에 의한 프로세싱을 위한 입력 신호를 생성하도록 구성된다. 본 실시예에서, 전기 모터 전류의 샘플링 레이트는 2 밀리초(ms)이다. 본 실시예에서, 제2 전자 프로세서(10)는 이산 퓨리에 변환(DFT)을 적용하여 상기 입력 데이터를 적어도 거의 실시간으로 프로세싱함으로써 전자 저장 장치(13)에 기입되는 출력 데이터를 생성하도록 구성된다. 이 출력 데이터는 진폭 및 주파수 데이터를 포함한다. DET가 입력 데이터를 적어도 거의 실시간으로 프로세싱하기 때문에, 입력 데이터를 저장할 필요는 없다. 변형 실시예에서, 입력 데이터는 선택적으로 시간 기반 신호로서 전자 저장 장치(13)에 기입될 수 있다. 이 입력 데이터는 프로세싱을 위해 제2 전자 프로세서(10)에 의해 판독될 수 있다. 가령, 제2 전자 프로세서(10)는 입력 데이터 및 출력 데이터 모드를 저장하고 있는 전자 저장 장치(13)를 사용하여 계산이 완료될 때까지 표준 포워드 퓨리에 변환을 구현할 수 있다. 이 전자 저장 장치(13)는 가령, 플래시 메모리의 형태일 수 있다.

제2 전자 프로세서(10)는 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하도록 구성된다. 본 실시예에서, 제2 전자 프로세서(10)는 DFT 알고리즘을 구현하여 주파수 기반 신호를 생성한다. 이 주파수 기반 신호는 진폭 대 주파수를 포함하는 전기 모터 고정자 전류의 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 스펙트럼의 형태이다. 이 전력 스펙트럼 밀도는 시간 기반 고정자 전류 측정치가 주파수 범위 상에서 어떻게 분포되는지를 기술하고 있다. 나이퀴스트 샤논 정리(Nyquist-Shannon theorem)에 의하면, 분해될 수 있는 최대 주파수는 샘플링 레이트의 절반이며, 따라서 샘플링 레이트가 높을 수록 보다 높은 주파수가 분해될 수 있다. 위에서 개요되는 바와 같이, 상기 모터 전류의 샘플링 레이트는 2밀리초이며, 따라서, 본 실시예에서의 주파수 범위는 0 내지 250 Hz에 있다. 지정된 주파수 범위(0 내지 250 Hz)는 특정의 펌프 메카니즘에 대해 정의되며, 상이한 펌프 메카니즘에 대해서는 상이한 주파수 범위가 선택될 수 있다. 상이한 펌프 메카니즘에 대해 보다 높은 주파수 범위가 모니터링될 수 있으며 그에 대응해서 샘플링 레이트의 증가가 수반된다. 전력 스펙트럼 밀도는 Y축상의 진폭으로서 X 축 상의 주파수(Hz)와 함께 그래픽 형태로 표시될 수 있다.

DFT 알고리즘은 출력 데이터 세트를, 입력 데이터가 수신됨에 따라 각각의 새로운 입력 샘플로 업데이트한다. 일단 이러한 출력들의 각각이 업데이트되면, 그 입력 샘플은 폐기될 수 있다. 출력 데이터 세트를 형성하기 위해 DFT 알고리즘에 의해 요구되는 실행 시간 및 저장 공간은 출력 포인트들의 개수, 즉 진폭이 계산되는 주파수들의 개수에 비례한다. 본 실시예에서, 분석될 주파수 범위는 (2500개의 출력 포인트들에 대응하는) 0.1 Hz의 해상도에서 DC 내지 250Hz이다. 제2 전자 프로세서(10)는 입력 데이터를 복수의 입력 데이터 세그먼트로 분할되도록 구성되며, 각각의 입력 데이터 세그먼트는 분석될 주파수 범위의 서브 섹션(sub-section)에 대응한다. DFT 알고리즘은 입력 데이터의 각각의 입력 데이터 세그먼트에 대해 반복되며, 그 결과, 각각의 반복 또는 단계(each iteration or pass)가 주파수 범위의 서브 섹션의 측면에서 수행된다. 입력 데이터 세그먼트들은 각각 분석을 위한 단일 주파수 포인트와 관련될 수 있다. 본 실시예에서, 그러나, 각각의 입력 데이터 세그먼트는 분석을 위해 대략 100개의 주파수 포인트들과 관련된다. DFT 알고리즘은 제2 전자 프로세서(10)에 의해 적용되어 복수의 출력 데이터 세그먼트가 생성된다. 각각의 출력 데이터 세그먼트는 주파수 범위의 서브 섹션에 대응한다. 제2 전자 프로세서(10)는 상기 출력 데이터 세그먼트를 펌프 제어기(4) 내의 제1 전자 프로세서(8)로 출력한다. 제1 전자 프로세서(8)는 상기 복수의 출력 데이터 세그먼트를 수신하며 누적된 출력 데이터 세트를 생성한다. 누적된 출력 데이터 세트는 (DC 내지 250Hz의) 전체 진폭 대 주파수 스펙트럼 범위를 커버한다. 제1 전자 프로세서(8)는 제2 전자 프로세서(10)와 통신하도록 구성되어, 하나 이상의 출력 데이터 세그먼트가 소정의 동작중인 상태가 충족될 때에만 출력되도록 요청할 수 있다. 가령, 제1 전자 프로세서(8)는 펌프(2)가 사전정의된 압력에서 또는 사전정의된 압력 범위 내에서 동작중일 때에만 하나 이상의 출력 데이터 세그먼트를 요청할 수 있다. 동작 상태들은 제어 입력 또는 측정된 파라미터, 가령 압력에 의존하여 결정될 수 있다. 동작 상태들이 충족되지 않을 때 계산된 출력 데이터 세그먼트들은 폐기될 수 있다.

펌프 시스템(1) 내에 존재하는 진동의 모든 소스가 가령, 로드 토크 및 샤프트 속도 변동을 통해 전기 모터(5)에 영향을 미칠 것이라는 것이 인식되고 있다. 따라서, 이러한 변동을 구동하는 데 필요한 에너지는 전기 모터(5)에 의해 제공되어야 하며 반드시 그 전기 전력 시그니처로 변환된다. 펌프 시스템(1) 내의 임의의 진동은 모터 전류에서 특징적인 신호 패턴을 형성할 것이다. 전기 모터(5)의 상이한 동작 특성은 전력 스펙트럼 밀도 내의 상이한 신호 패턴을 생성할 것이다. 전력 스펙트럼 밀도를 분석하여 하나 이상의 특징적인 신호 패턴을 식별함으로써, 펌프(2)에서 펌프 고장 상태(또는 잠재적인 펌프 고장 상태)가 식별될 수 있으며, 이는 비정상 동작을 발생시킬 수 있다. 신호 피크(즉, 비교적 큰 상방 또는 하방 진폭 변화)가 발생하는 주파수 및/또는 이 신호 피크의 진폭은 펌프 시스템(1)의 특정 진동 시그니처를 식별하는 데 사용될 수 있다. 예로서, 특정 주파수에서(또는 사전정의된 주파수 범위 내에서) 신호 피크는 전기 모터(5)의 특정 진동 시그니처를 나타낼 수 있다. 이 진동 시그니처는, 가령 전기 모터(5)에서의 편심 또는 전기 모터(5)에서의 토크 발진의 결과일 수도 있다. 진동 시그니처와 연관된 신호 패턴을 식별함으로써, 펌프(2)의 펌프 고장 상태는 식별되거나 예측될 수 있다. 제2 전자 프로세서(10)는 이로써 자체 진단 기능을 제공할 수 있다.

제2 전자 프로세서(10)는 전력 스펙트럼 밀도를, 가령 시리얼 링크를 통해 제1 전자 프로세서(8)로 출력하도록 구성된다. 제1 전자 프로세서(8)는 전력 스펙트럼 밀도를 분석하여 전기 모터(5)의 특정 진동 시그니처를 나타내는 하나 이상의 사전정의된 신호 패턴을 식별한다. 가령, 제1 신호 패턴은 편심으로 인한 전기 모터(5)의 진동 시그니처에 대응할 수 있으며, 제2 신호 패턴은 토크 발진으로 인한 전기 모터(5)의 진동 시그니처에 대응할 수 있다. 하나 이상의 신호 패턴은 (a) 진동 시그니처를 나타내는 신호 피크의 존재(또는 부존재)가 위치한 주파수(또는 주파수 범위), 및/또는 (b) 가령, 이산 값, 최소 임계값, 또는 범위로서 정의되는, 신호 피크의 진폭을 특정한다. 이 신호 패턴은 하나 초과의 신호 피크를 정의할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 주파수 및/또는 진폭은 동적으로, 가령 전기 모터(5)에 대한 이력 동작 데이터에 기반하여 생성될 수 있거나 또는 가령, 경험적 분석에 기반하여 사전정의될 수 있다.

전력 스펙트럼 밀도의 분석에 의존하여, 펌프 제어기(4)는 자체 진단을 수행하여 기존의 또는 장래의 고장을 식별할 수 있다. 제1 전자 프로세서(8)는, 가령 통지 또는 경보를 오퍼레이터(operator)에 출력하여, 가령 고장 코드를 디스플레이할 수 있다. 제1 전자 프로세서(8)는 주파수 기반 신호의 분석에 의존하여 고장 진단 신호를 출력할 수 있다.

전력 스펙트럼 밀도를 프로세싱함으로써, 제1 전자 프로세서(8)는 펌프 고장 상태를 식별할 수 있는데, 그 펌프 고장 상태는, 토크 발진, 불균형, 앞선 드래그(drag)/클로깅(clogging)/스키딩(skidding), 샤프트 정렬, 기어 박스 고장, 편심, 런아웃(run-outs), 베어링 마모, 빌드(build) 에러(errors)/드리프트(drifts), 전기적 고장, 고정자 배선 고장(가령, 권선 간의 단락으로 인한 배선 불균형), 파손된 회전자 바(broken rotor bar), 파손된 엔드링(broken end-ring) 및 모터 회전자 고장 중의 하나 이상에 대응한다.

제2 전자 프로세서(10)는 오직 전류 센서(12)로부터의 출력에만 의존하여 펌프(2) 내의 고장을 진단 및/또는 예측할 수 있다. 이는 전기 모터(5)의 진동을 모니터링하기 위한 추가적인 센서를 필요로 하는 종래의 장치와 비교할 때 특정한 이점이 된다. 본 발명의 변형 실시예에서, 제2 전자 프로세서(10)는 선택적으로 상이한 센서로부터의 신호를 수신하여 추가적인 펌프 동작 파라미터를 결정하도록 구성될 수 있다. 온도 센서가 제공되어 전기 모터(5)의 온도를 측정할 수 있고 그 동작 온도 신호를 제2 전자 프로세서(10)에 출력할 수 있다. 제2 전자 프로세서(10)는 펌프 동작 파라미터를 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼을 프로세싱한 결과와 상관시킬 수 있다. 이러한한 접근법은 펌프(2) 내의 펌프 고장 상태의 진단 및/또는 예측을 용이하게 할 수 있어서, 가령 진동 시그니처들 간의 구분을 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 펌프 시스템(1)의 동작은 이제 도 2 내지 도 4를 참조하여 기술될 것이다. 특히, 일련의 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼에 존재하는 사전정의된 신호 패턴을 식별하기 위한 제2 전자 프로세서(10)의 동작이 이제 기술될 것이다. 제각기의 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼 내의 유사한 특징들에 대해서는 유사한 참조 번호가 사용되지만, 이들 특징들은 명료성을 위해 도면에서 110으로 증대된다.

제1 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼(100)이 예로서 도 2에 도시된다. 펌프(2)의 정상 동작에 대해 제1 주파수 기반 신호(105)가 도시된다. 제1 주파수 기반 신호(105)는 전기 모터(5)의 표준 진동 시그니처를 나타내는 제1 피크(110)를 포함한다. 제2 주파수 기반 신호(115)는 펌프(2)의 비정상 동작을 나타낸다. 제1 피크(110)는 제2 주파수 기반 신호(115)에 나타나지만, 그 진폭은 현저하게 증가된다. 펌프 고장 상태를 식별하거나 예측하기 위해, 제2 전자 프로세서(10)는 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼을 분석하여 제2 피크(120)의 크기가 제1 사전정의된 임계치 T1보다 큰지를 결정할 수 있다.

제2 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼(200)이 예로서 도 3에 도시된다. 제1 주파수 기반 신호(205)는 전기 모터(5)의 표준 진동 시그니처를 나타낸다. 제1 주파수 기반 신호(205)는 (대략 20Hz에서) 제1 피크(210)와 (대략 25Hz에서) 제2 피크(215)를 포함한다. 제2 주파수 기반 신호(225)는 펌프(2)의 비정상 동작을 나타낸다. 제2 주파수 기반 신호(225)는 (대략 20Hz에서) 제1 피크(210'), (대략 25Hz에서) 제2 피크(215') 및 (대략 23Hz에서) 제3 피크(220')를 포함한다. 제2 주파수 기반 신호(225) 내에서 제1 피크(210') 및 제2 피크(215')의 진폭은 제1 주파수 기반 신호(205)에서 나타난 것과 실질적으로 동일하다. 그러나, 제3 피크(220')는 오직 제2 주파수 기반 신호(225)에서만 존재한다. 펌프 고장 상태를 식별 또는 예측하기 위해, 제1 전자 프로세서(8)는 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼을 분석하여 제3 피크(220')가 사전정의된 주파수(본 실시예에서 대략 23Hz)에서 존재하는지를 결정한다. 제3 피크(220')가 식별되면, 제1 전자 프로세서(8)는 펌프(2)에 대한 대응하는 펌프 고장 상태를 진단 또는 예측한다.

제3 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼(300)이 예로서 도 4에 도시된다. 제1 주파수 기반 신호(305)는 전기 모터(5)의 표준 진동 시그니처를 나타낸다. 제1 주파수 기반 신호(305)는 (대략 40Hz에서) 제1 피크(310)를 포함한다. 제2 주파수 기반 신호(325)는 펌프(2)의 비정상 동작을 나타낸다. 제2 주파수 기반 신호(325)는 (대략 40Hz에서) 제1 피크(310')와 (대략 31Hz에서) 제2 피크(315')를 포함한다. 제2 주파수 기반 신호(325) 내에서 제1 피크(310')의 진폭은 제1 주파수 기반 신호(305)에서 나타난 것과 실질적으로 동일하다. 그러나, 제2 피크(315')는 오직 제2 주파수 기반 신호(325)에서만 존재한다. 펌프 고장 상태를 식별 또는 예측하기 위해, 제1 전자 프로세서(8)는 전력 스펙트럼 밀도 스펙트럼을 분석하여 제2 피크(315')가 사전정의된 주파수(본 실시예에서 대략 31Hz)에서 존재하는지를 결정한다. 제2 피크(315')가 식별되면, 제1 전자 프로세서(8)는 펌프(2)에 대한 대응하는 펌프 고장 상태를 진단 또는 예측한다.

펌프 시스템(2)의 실시예는 주파수 기반 신호를 생성하기 위해 퓨리에 변환의 적용을 기술했다. 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하기 위해 대안의 분석 기술이 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예로서, 적당한 수학적 변환은 하트리(Hartley), Sin/Cos, 등등을 포함한다.

본 출원의 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에 기술된 펌프 시스템(1)에 대해 다양한 변경 및 수정이 가해질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에 기술된 실시예에서, 전력 스펙트럼 밀도는 제2 전자 프로세서(10)에 의해 생성되어 분석을 위해 제1 전자 프로세서(8)로 출력된다. 이러한 기능들은 모두 동일한 프로세서에 의해, 즉 제1 전자 프로세서(8) 또는 제2 전자 프로세서(10) 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다. 대안으로, 이산 진단 유닛이 전력 스펙트럼 밀도를 생성하고 관련된 분석을 수행하는 데 사용될 수 있다.

Claims (23)

1. 전기 모터를 갖는 진공 펌프를 모니터링하기 위한 펌프 모니터링 장치로서,
   상기 전기 모터의 전류를 측정하여 시간 기반 신호를 생성하기 위한 적어도 하나의 센서와,
   상기 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하고, 상기 주파수 기반 신호를 분석하여 펌프 고장 상태를 나타내는 신호 패턴을 식별하도록 구성되는 적어도 하나의 전자 프로세서를 포함하는
   펌프 모니터링 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 신호 패턴은 상기 주파수 기반 신호에서 적어도 하나의 신호 피크를 포함하는
   펌프 모니터링 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 신호 패턴은 상기 주파수 기반 신호에서 사전정의된 주파수에서 또는 사전정의된 주파수 범위에서 발생하는 적어도 하나의 신호 피크를 포함하는
   펌프 모니터링 장치.
   
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 신호 패턴은 상기 적어도 하나의 신호 피크에 대한 진폭을 포함하는
   펌프 모니터링 장치.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 신호 패턴은 사전정의된 것이며 알려진 펌프 고장 상태를 나타내는
   펌프 모니터링 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   고장 진단은 상기 사전정의된 신호 패턴과 관련되는
   펌프 모니터링 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 주파수 기반 신호에서 식별된 신호 패턴과 관련되는 상기 고장 진단을 출력하는
   펌프 모니터링 장치.
   
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 펌프의 하나 이상의 동작 파라미터를 측정하는 하나 이상의 펌프 모니터링 센서를 포함하며, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 펌프 고장 상태를 상기 하나 이상의 동작 파라미터와 상관시키도록 구성되는
   펌프 모니터링 장치.
   
9. 전기 모터에 전류를 공급하는 인버터로서,
   상기 인버터는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 펌프 모니터링 장치를 포함하는
   인버터.
   
10. 제9항에 있어서,
    인버터 제어 유닛을 포함하되, 상기 적어도 하나의 전자 프로세서는 상기 인버터 제어 유닛 내에 통합되는
    인버터.
    
11. 청구항 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 펌프 모니터링 장치를 포함하는
    펌프 장치.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 전기 모터에 접속된 인버터를 포함하며, 상기 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 전자 프로세서는 상기 인버터 내에 배치되는
    펌프 장치.
    
13. 전기 모터를 갖는 진공 펌프를 모니터링하는 방법으로서,
    상기 전기 모터의 전류를 측정하여 시간 기반 신호를 생성하는 단계와,
    상기 시간 기반 신호를 주파수 기반 신호로 변환하는 단계와,
    상기 주파수 기반 신호를 프로세싱하여 펌프 고장 상태를 나타내는 신호 패턴을 식별하는 단계를 포함하는
    진공 펌프 모니터링 방법.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 신호 패턴은 상기 주파수 기반 신호에서 적어도 하나의 신호 피크를 포함하는
    진공 펌프 모니터링 방법.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 신호 패턴은 상기 주파수 기반 신호 내에 사전정의된 주파수에서 또는 사전정의된 주파수 범위에서 발생하는 적어도 하나의 신호 피크를 포함하는
    진공 펌프 모니터링 방법.
    
16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 신호 패턴은 상기 적어도 하나의 신호 피크에 대한 진폭을 포함하는
    진공 펌프 모니터링 방법.
    
17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 패턴은 사전정의된 것이며 알려진 펌프 고장 상태를 나타내는
    진공 펌프 모니터링 방법.
    
18. 제17항에 있어서,
    고장 진단은 상기 사전정의된 신호 패턴과 관련되는
    진공 펌프 모니터링 방법.
    
19. 제18항에 있어서,
    상기 주파수 기반 신호에서 식별된 신호 패턴과 관련되는 상기 고장 진단을 출력하는 단계를 포함하는
    진공 펌프 모니터링 방법.
    
20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프의 하나 이상의 동작 파라미터를 측정하고 상기 알려진 펌프 고장 상태를 상기 하나 이상의 동작 파라미터와 상관시키는 단계를 포함하는
    진공 펌프 모니터링 방법.
    
21. 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 실질적으로 기술되는 펌프 모니터링 장치.
    
22. 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 실질적으로 기술되는 펌프.
    
23. 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 실질적으로 기술되는 방법.

Images