Smart Multi Sensor 회전기기 결함탐지 및 수명예측 시스템

posco 1st Venture

㈜TFS Global

US Patent : US006393373B1

TFS Global

전류, 전압을 이용하여 3상

전동기의 전기적인 상태 결함

및 기계적인 결함상태를

동시에 진단하는 스마트 센서

Smart Multi Sensor 정의

TFS Global

FAN/BLOWER

GEARBOX

PUMP

COMPRESSOR

모터 전기적 결함

외부 기계적 결함

모터 공극 /전류변화

Motor = System Sensor !

적 용 설 비

진단 대상 및 내용 - 내, 외부 전기적인 문제 진단 및 알람

- 기계적인 Unbalance, Misalignment,

Bearing Housing이상, Rotor 이상

- 전기 역율, 유효/무효 전력, 3상간

전압, 전류 실효치, 전압 불균형, 전류

불균형, 하모닉스 진단

- 모터의 상태 평가 및 Warning

적용 대상 설비 및 진단 내용

TFS Global

Frequency (Hz)

Voltage

Σ Diff

+

-

Frequency (Hz)

Fault Current 1

모터는 설비를 모니터링하는 센서!!!

Current 2

Smart Sensor Fault Detection 원리

모터 및 회전장치에 이상이 발생하면 전류 Analog 출력이 변하게 되고, 그 신호를 주파수 변환하여 정상 주파수 변환 값과의 차이를 Sensor의 알고리즘을 통해 17년간 NASA에서 축적한 D/B와 분석하여 이상상태를 감지하는 기술임.

Frequency (Hz)

Normal

50 100 150 200 250

TFS Global

• 상태감시 검출 기법 MBFD (Model Based Fault Detection) ”모델기반 고장검출 기법” 적용 다양한 형태의 기준 값(Model) 학습 현재 입력 값을 기준 값(Model)과 비교하여 변화상태(e)를 파악 변화요인을 추정

• 모델링을 하기 위한 학습시간이 필요하다.

Smart Sensor Fault Detection 원리

System (Motor)

Model Θ

u Σ

e = ys - ym

수학적 모델(Model Θ)과 실제 시스템 출력의 차이(e)를 Monitoring

e = ys – ym (여기서, ys는 변화, ym은 고정)

따라서, e가 증감하면 회전기기 설비에 이상이 진행되고 있음을 의미합니다.

STOP

Perform Maintenance

Watch Load

Watch Line

OK

TFS Global

Model Base Fault Detection 원리

Model Θ u y

1) Electrical Parameters (8) 2) Mechanical Parameters (12) 3) Fit Parameters (2) 4) Physical Parameters (20) (Vrms, Irms, powerfactor, power, THD, etc.)

• 모터는 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 장비 Y=f(Θ,u) • MCM 모델링 입출력 요소 : 3상 전압, 전류 • MCM 은 22개의 모델 파라메터가 있다. 22개의 모델 파라메터는 3개의 그룹으로 묶는다.

TFS Global

Model Based Fault Detection

Power Factor

Frequency (Hz)

Gain (Current / Voltage)

C1 C2

C3

C4

Motor Operating Curve

MO

TOR L

OA

D

MOTOR LOAD

Check Learn (4000 ) Improve (8000) Monitor

R-MCM In-Put Data

1. Motor 용량 (Kw)

2. Motor 정격전류 (A)

3. Motor 회전수 (RPM)

4. 결선방법 (Star,Y-Δ)

5. 설비코드 (No)

TFS Global

Smart Multi Sensor 기술

미국 NASA 에서 17년간 연구결과 상용화 성공 개발자: Dr. Ahmet (국적:터키, 만60세)

前 미국 Florida대학 기계공학장 前 NASA 책임연구원 現 ISTANBUL 대학 교수 現 ㈜ ARTESIS 대표이사 로켓, 우주선 결함예측 감시장치 개발 등 다수 업적

생산처 : ARTESIS (터키) 제품명 : MCM (Motor Condition Monitor)

TFS Global

Production Right for Smart Sensor

TFS Global 생산계약체결 (2009. 8. 18)

TFS Global - 2 -

Smart Multi Sensor Product

• Model : MCM series 단독설비에 유리 Input: 3phase I,V Output: 22parameters Stand-Alone Type 원천 제조사 : Artesis (터어키)

• Model : Smart RCM series 다수 설비에 유리 Input: 3phase I,V Output: 22parameters Rack & Slot Type 제조사 : TFS Global (대한민국)

TFS Global

제품 디자인

모델명

Smart RCM Series 인버터용 : RCM_IV 8000 (Inverter) 저압용 : RCM_IM8000_LV (600V미만), 고압용 : RCM_IM8000_HV (600V~7200V)

Smart MCM Series 인버터용 : MCM_IV 1000 (Inverter) 저압용 : MCM_IM1000_LV (600V미만), 고압용 : MCM_IM1000_HV (600V~7200V)

특징

다수 설비에 유리 Input: 3phase I,V Output: 22parameters Rack & Slot Type 제조사 : TFS Global (대한민국)

단독설비에 유리 Input: 3phase I,V Output: 22parameters Stand-Alone Type (LCD Monitor) 원천 제조사 : Artesis (터키)

외형치수(W * H) 19’ Rack Type(H600~1800 * W750), 19인치 국제표준 RACK

W96mm x H96mm x L140mm

Smart Sensor 성능 8개 회전기기 동시 24시간 온라인 감시 단독설비, 다수설비 구축도 가능

Smart Sensor 운영 환경 0℃ ~ 40 ℃

등급기준 IP20

적용 가능한 전압 범위 3상 AC 220V ~ 7200V / Inverter Motor

Command Interface RS485 Serial I/O Port, Modbus, OPC

Digital 출력 1 Assignable Relay Output, User Programmable NC/NO Contacts

Database Update 60 ~ 120초

입력전류(A) / 전압 주파수 / Sensor운영전압

5A (Secondary Current) / 100V ~480V (Secondary Voltage) 50Hz ~ 60Hz / 15W

적용 가능한 표준 EN61000, EN60950, EN55011, EN60555, EN50011F, EN60529, IEC529CE

Smart Multi Sensor 제품 사양

TFS Global

Connection

MOTOR 설비

현장(Local)

MCMSCADA

CT/PT

CT/PT

전기실

RS485 Serial I/O, Modbus, OPC

TFS Global

From this ….

As Is To Be

Smart MCM

…. to this

TFS Global

From this …. …. to this

Smart RCM

As Is To Be

TFS Global

From this …. Vibration Analysis

…. to this

MCM SCADA

As Is To Be

TFS Global

SCADA software

PSD Analysis

Work Order Request Fault Urgency Information

Reporting

General Fault Information

Trend Monitoring Fault Analysis

S/W:MCM SCADA

TFS Global

SCADA with Diagnostics

기계적 변수(mechanical parameter) Unbalance, Coupling, Misalignment, Bent Shaft, Looser Rotor, Eccentric Rotor, Loose Foundation, Oil Whirl, Belt/Transmission Element, Motor Bearing, Cavitation, Fan Unbalance, Gear Defects

전기적 변수(electrical parameter) : E1& E2 Stator Insulation, Rotor Bar, Voltage Imbalance, Isolation Problem of Cabling, Motor Connector, Terminal Slackness, Defective Contractors.

시스템 변수(Fit parameter) : 모델링 파라메터 셋트와 실제로 측정되는 값 사이에 표준편차의 현격한 차이(관리 레벌 초과) 발생시 모터 기반 시스템에 문제가 있다고 판단

TFS Global

Integration and Centralization

Data Input(배전반)

설비고장 및 수명예측 통합 관제

생산 기계 전기

TFS Global

Interface with upper software

ERP System

MES System

enterprise Asset Management (eAM) System

Web Base 통합 감시 시스템 Portable Device Monitoring

I&C Device Monitoring

CMS Monitoring

Online Monitoring

Online Potable Monitoring

Online Transient Monitoring

Control & SCADA Systems and Data

Historians 설비 상태 종합 관제 센타

기존 설비 진단 진단 정보 기존 운전 정보

Interface Hub

OPC Serial SECS Modbus

A설비 B설비 C설비 Z설비

Smart RCM 정보

CMS

유분석 진동 열화상

초음파 CMS MCSA

Smart RCM(MCM)

OPC

TFS Global

• 경쟁기술 비교분석1

통합관제

Vibration Method

설비 1

설비 2

진동센서 센서케이블 DAQ

PLC DCS

???

Smart Sensor Method

설비 1

설비 2 전기실

전기실

No! 센서, No! 케이블 Internet

LAN

TFS Global

특 징 Smart

Multi Sensor Motor Current

Signature Analysis Portable

Vibration (진동) Continuous Vib. Analysis (CMS)

가격이 싼가? Yes No Yes No

설치가 간편한가? Yes Yes No No

사용이 쉬운가? Yes No No Yes

설비수명을 예측하는가? Yes No No No

전문인력 필요 없는가? Yes No No Yes

폭 넓은 설비 감시? Yes Yes No No

5단계 알람 레벨? Yes Yes Yes No

온라인 지속 감시는? Yes No No Yes

유지비는 적게 드는가? Yes Yes Yes No

상위 시스템과 I/F? Yes No No Yes

경쟁기술 비교분석3

TFS Global

Benefit

전기Panel의 전력 공급 선에서 전압, 전류를 직접 인출 회전기기 Sensor 설치 및 Cable공사가 필요 없어 경제적인 진단 시스템임 전압, 전류 분석만으로 전기적 결함과 기계적 결함을 동시에 진단 작업자의 회전기기 접근이 불필요하여 작업자의 안전 효율성 제고

실시간으로 Motor 전류 치를 감시하고 솔루션을 제공하여 전력비 10%를 절감할 수 있음. 무선통신망을 구축하여 전체 설비를 통합관리 가능

설치가 용이하고 전문가 없이 운용이 가능함

TFS Global

Applications

상수도 본부 Pump 통합관제 시스템 지하철 역사내부 Fan, 공조기기, 에스컬레이터, 엘리베이터 통합관제시스템 구축 소각장 Fan 통합관제시스템 수자원 공사 : Water Pump통합 관제 시스템 도로공사 :터널 내부 배기Fan 통합 관제시스템 원자력 방사선 관리구역 회전기기 통합 관제시스템 철강,제지,석유화학 회전기기 통합감시시스템 선박 회전기기 통합관제시스템 공항 Conveyer, Moving walk 통합관제 시스템 환경관리공단 회전기기 통합관제시스템 국방부 Radar기지 통합관제시스템

TFS Global

FAN Unbalance Problem

Tighten loose bolt

TFS Global

Internal Electrical Problem

TFS Global

베어링의 문제는 런닝주파수(29.33Hz)에 함수(BPOR…)를 곱하여 확인한다

계산된 값의 주위에 Line 주파수 사이드밴드를 확인하여 분석한다

BPOR = 4.394 x 29.33 = 128.9 BPIR = 2.6.6 x 29.33 = 76.43

Bearings 문제 분석

NTN 6305 베어링 BPOR = 4.394 BPIR = 2.606 2xBSF = .372 FTF = 1.83

1배수 2 배수 3 배수 4 배수

BPOR 128.9 257.8 386.7 515.6

BPIR 76.43 152.9 229.3 305.7

2 x BSF 10.91 21.82 32.73 43.64

FTF 53.67 107.3 161.0 214.7

386.7 Hz 515.6 Hz

Line Freq. Sidebands

Faulty outer Race of bearing

• 60 Hz, 1760 RPM, • Running Speed = 1760/60 = 29.33 Hz • 4.394 Hz x 29.33 Hz = 128.9 Hz

BPOR : Ball Pass Outer Race

BPIR : Ball Pass Inner Race

BSF : Ball Pass Frequency

FTF : Cage Frequency

TFS Global

Thames Water, UK

영국상수도 공급사

TFS Global

LONDON airport

Heathrow Airport, London, UK

TFS Global

WATCH LOAD WARNING

28.02.2008

Watch Load

29.02.2009

Watch Load

EARLY FAULT WARNING

USS FOSTER

Arcelik, LG & USS Forster,

TFS Global

Electrical Fault (Stator Short Circuit, Loosenes) _30kw Motor

Electrical Fault (Stator Short Circuit) Data indicates that an electrical fault (stator short circuit, loosenes etc) is simulated on July 30 around 14:50 pm. This is indicated by the parameter Mechanical 6 (second harmonic/stator/rotor) as well as all of the internal and external electrical parameters.

현재 120대 적용 중이며 지속적인 확대 적용 예정

GAS Blow Fan -Misalignment & -Loose Motor Foundation

현재 80대 적용 중이며 지속적인 확대 적용 예정

POSCO, 삼성

TFS Global

주요 고객사

- 25 -