[논문]적외선 센서 배열을 이용한 콘베이어 벨트 사행 감지 장치에 관한 연구(I) -지능형 콘베이어 벨트 손상 검출 시스템 개발-

정양희; 김이곤; 배영철; 김경민; 유일현; 이보희; 강성준

적외선 센서 배열을 이용한 콘베이어 벨트 사행 감지 장치에 관한 연구(I) -지능형 콘베이어 벨트 손상 검출 시스템 개발-
A Study on the Meandering Detection system of Conveyer Belt by Infrared Sensor Array(I) - Development of Intelligent Conveyer Belt Defect Detection system - 원문보기

정양희 (여수대학교 전기공학과) , 김이곤 (여수대학교 전기공학과) , 배영철 (여수대학교 전기공학과) , 김경민 (여수대학교 전기공학과) , 유일현 (세명대학교 컴퓨터응용과학과) , 이보희 (세명대학교 전기공학과) , 강성준 (여수대학교 반도체 응용물리학과)

본 연구에서는 제철소의 원료운송라인의 가장 핵심인 콘베이어 벨트의 사행을 신뢰성 있게 감지할 수 있는 콘베이어 벨트 사행 감시장치를 개발하는 것이다. 원료생산 라인은 먼지 및 습도 진동 등, 외부에 완전히 노출되어 있어 계측 환경이 대단히 열악하므로 기존의 감지방식은 신뢰성을 갖기가 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 가격이 저렴하고 열악한 환경에서도 잘 동작할 수 있는 적외선 센서어레이와 원칩 마이크로프로세서를 이용한 적외선 사행감지 시스템을 개발하였으며, 실험을 통해 동작의 신뢰성을 확인하였다.

This paper presents development of meander monitoring system base reliable detection at conveyer belt used for materials transport line of steel company. Conventional detection method is losed the confidence, because of the place with bad surroundings of measurement so much that materials production line are completely exposed to dust, moisture and vibration. For the solution of this problem, we developed infrared meander detection system using the infrared sensor array and one chip microprocessor which is available for bad surroundings and inexpensive. The reliability of the system was estimated by experiment.

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문제 정의

또한 마이크로프로세서를 이용하여 손상 검출 경보를 작업자에게 다양한 형태로 원활히 전송함으로써 제철소의 원료 운송수단인 콘베이어벨트 자동화 생산공정에서 안정성과 신뢰성을 개선, 구축할 수 있도록 하는데 필요한 요소기술로 적용될 수 있음을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구는 콘베이어 벨트의 신뢰성 확보에 따른 설비관리 효율화 및 정비성, 생산성 향상등의 부가적인 기대효과를 나타낼 수 있을 것으로 사료된다.
따라서 본 연구에서 최종적으로는 전술한 2가지의 손상을 조기 검출하는 시스템 개발에 목적을 두고 있으나 본 논문에서는 우선 벨트의 사행에 의한 손상을 초기에 감지하여 사전에 사고의 영향을 최소화할 수 있는 사행 감시 시스템을 개발하고자 한다[1-4].

제안 방법

거리는 60cm로 하였다. 2쌍의 발광부에 동일한 전압을 인가하기 위하여 2 채널 regulated DC power supply system을 적용하였고 공급 전원은 9볼트로 하였다. 또한 수광부에서의 잡음에 따른 전압 변동폭을 고려하여 filter를 사용하여 잡음을 제거하였다.
이 경우 벨트폭의 변화에 관계없이 두쌍에서의 전압값의 편차로 사행을 신뢰성 있게 계측할 것으로 판단된다. 다음으로 벨트 변동폭에 따른 취득 신호의 변화를 확인하기 위하여 먼저 벨트의 위치를 2쌍의 신호취득부 중앙에 위치하도록 하였고 이때 각 쌍의 수광부 전압값을 기준으로 하여 벨트를 사행시켰을때 2쌍에서 취득된 전압 변동을 확인하였다. 이들로부터 얻어진 전압 변동 폭을 신호 처리부의 공정제어 시스템에 적용하여 4cm이상의 사행이 되었을 때 콘베이어 벨트 구동 중단 및 경보 신호를 발생시킬수 있도록 구성하였다.
따라서 신호취득부의 센서 배열에 따른 신뢰성을 확인하기 위해 불투명판을 이용하여 판의 변동 폭에 해당하는 전압의 변동이 일정한지를 평가하였고, 발광부와 수광부의 거리변화에 따른 전압의 변화를 실험하여 개발된 계측시스템의 성능을 평가하였다. 또한 자연광으로 인한 취득신호의 영향을 평가하였다.
신뢰성 있는 동작을 확인하였다. 따라서 열악한 환경에서도 콘베이어 벨트의 사행(Meandering)에 의한 벨트의 손상을 조기에 검출하는 수단으로 제시 하였다. 또한 마이크로프로세서를 이용하여 손상 검출 경보를 작업자에게 다양한 형태로 원활히 전송함으로써 제철소의 원료 운송수단인 콘베이어벨트 자동화 생산공정에서 안정성과 신뢰성을 개선, 구축할 수 있도록 하는데 필요한 요소기술로 적용될 수 있음을 확인 할 수 있었다.
발광부에서는 고정주파수 발진기와 발광부로 구성되며 발진은 수정발진기를 이용하였으며, 발광부에서 사용된 발광소자는 OLD122, 수광부는 포토 TR(PT510)와 741 증폭기로 구성된 센싱부분과 LPF(저주파 필터)와 RMS소자로 구성된 신호변환부와 제어신호를 발생하는 신호처리부로 구성되었다[5-8]. 또한 미세의 벨트 사행에도 민감하게 반응 할 수 있도록 센서부에 각각의 센서 간격을 lCm로한 1열 어레이로 배열하였으며, 외부 태양광에도 영향을 받지 않도록 가공된 특정주파수의 광신호를 이용하므로써 발광부에서 발생시킨 광신호 이외에는 영향을 받지 않도록 설계하였다[9]. 신호 취득부의 구성은 그림 2와 같다.
또한 사행의 정도에 따른 전압값의 변동 폭이 허용 한계를 넘으면 벨트 구동이 중단됨과 동시에 경보신호를 전송할 수 있도록 프로그램화 하였다.
2쌍의 발광부에 동일한 전압을 인가하기 위하여 2 채널 regulated DC power supply system을 적용하였고 공급 전원은 9볼트로 하였다. 또한 수광부에서의 잡음에 따른 전압 변동폭을 고려하여 filter를 사용하여 잡음을 제거하였다. 이와같은 실험 구성도를 그림 3에 나타내었다.
또한 자연광으로 인한 취득신호의 영향을 평가하였다. 자연광의 영향 실험에서는 태양광을 직접 조사하여 실험하였다.
본 실험에 사용되어진 장치는 콘베이어 벨트의 사행(meandering)을 초기 단계에 신뢰성 있게 검출하여 콘베이어 벨트 라인의 정지 및 경보 신호, 연계된 시스템의 제어신호를 제공하기위한 시스템을 설계한다. 이 시스템은 신호 취득부와 처리부로 크게 구분되어 질 수 있다.
수광부를 거친 아나로그 신호는 마이크로프로세서(80196)에 입력되어 신호 처리부의 공정제어 시스템 프로그램에서 제어신호를 발생하도록 설계하였다. 또한 사행의 정도에 따른 전압값의 변동 폭이 허용 한계를 넘으면 벨트 구동이 중단됨과 동시에 경보신호를 전송할 수 있도록 프로그램화 하였다.
다음으로 벨트 변동폭에 따른 취득 신호의 변화를 확인하기 위하여 먼저 벨트의 위치를 2쌍의 신호취득부 중앙에 위치하도록 하였고 이때 각 쌍의 수광부 전압값을 기준으로 하여 벨트를 사행시켰을때 2쌍에서 취득된 전압 변동을 확인하였다. 이들로부터 얻어진 전압 변동 폭을 신호 처리부의 공정제어 시스템에 적용하여 4cm이상의 사행이 되었을 때 콘베이어 벨트 구동 중단 및 경보 신호를 발생시킬수 있도록 구성하였다.
또한 자연광으로 인한 취득신호의 영향을 평가하였다. 자연광의 영향 실험에서는 태양광을 직접 조사하여 실험하였다.
콘베이어 벨트의 사행을 감지하기 위하여 발광부와 수광부를 한조로 하는 2쌍의 신호취득 부를 벨트의 양 끝단에 설치하였으며, 수광부 및 발광부 사이의 거리는 60cm로 하였다. 2쌍의 발광부에 동일한 전압을 인가하기 위하여 2 채널 regulated DC power supply system을 적용하였고 공급 전원은 9볼트로 하였다.
태양광등 외부에서 발생하는 광에 의한 영향을 줄이기 위하여 특정 주파수를 이용한 적외선 광을 이용하였다. 그림 6의 a)와 같이 태양광을 주사한 경우 약 1.

성능/효과

따라서 열악한 환경에서도 콘베이어 벨트의 사행(Meandering)에 의한 벨트의 손상을 조기에 검출하는 수단으로 제시 하였다. 또한 마이크로프로세서를 이용하여 손상 검출 경보를 작업자에게 다양한 형태로 원활히 전송함으로써 제철소의 원료 운송수단인 콘베이어벨트 자동화 생산공정에서 안정성과 신뢰성을 개선, 구축할 수 있도록 하는데 필요한 요소기술로 적용될 수 있음을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구는 콘베이어 벨트의 신뢰성 확보에 따른 설비관리 효율화 및 정비성, 생산성 향상등의 부가적인 기대효과를 나타낼 수 있을 것으로 사료된다.
마지막으로 실용성 실험에서 4cm 이상의 사행시 전압 변동 편차에 해당되는 약 2volt이상에서의 추가된 경보 전송 램프의 작동은 정상적으로 이루어졌으며, 전압 변동 편차가 2volt이상시 콘베이어벨트의 구동 중단신호로 실험한 결과 유용성을 입증할 수 있었다.

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