[논문]배관 진단 시스템을 위한 항법 시스템 개발과 성능 분석

진용; 박찬국; 노용우

배관 진단 시스템을 위한 항법 시스템 개발과 성능 분석
Performance Analysis and Development of the Navigation System for Pipeline Inspection Gauge 원문보기

가스 배관 진단 시스템은 배관 내부에 투입되어 배관 내부의 여러 정보를 수집한다. 배관 진단을 위한 센서로는 배관 내부의 상태를 측정하는 캘리퍼(caliper) 센서와 온도, 압력센서가 있다. 그리고 정확한 위치 정보를 제공할 수 있는 IMU(Inertial Measurement Unit)와 주행 거리계를 사용하는 결합 항법 시스템도 필요하다. 본 논문에서는 가스 배관 진단시스템을 위한 항법 데이터 저장 시스템을 개발한다. 항법 데이터 저장 시스템은 실시간 동작을 위하여 마스터/슬레이브 구조를 가진다. 마스터 시스템은 항법 데이터를 저장하거나 통신하는데 사용하며 슬레이브 시스템은 센서 데이터를 처리한다. 개발된 항법 데이터 저장 시스템의 성능은 Pull Rig 실험을 통하여 검증한다.

The PIG(Pipeline Inspection Gauge) is inserted in the pipeline and stores data of pipeline. In order to investigate the status of pipeline, a lot of sensors such as caliper, pressure, IMU and odometer are used. In this paper, the navigation storage data system for PIG is developed. It has master/slave structure for a real time operation. The master system stores data, while the slave system acquire the data from sensors. The performance of the developed system is verified by pull rig test.

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문제 정의

따라서 실제 동작 시간은 PIG 운용이나 배관의 상태에 따라 달라지는데 현재 설계된 시스템은 최소 24시간 이상 운용하는 것을 목표로 한다. 본 연구에서 개발된 항법 데이터 저장 시스템이 적용될 Geometry PIG 는 그림 1고!.
본 논문에서는 Geometry PIG를 위한 항법 데이터 저장 시스템을 개발하고 그 성능을 분석하였다.
본 논문에서는 Geometry PIG를 위한 항법 데이터 저장 시스템을 연구. 개발하고 그 성능을 분석한다.

제안 방법

이를 위하여 주 데이터 저장장치는 진동에 강한 테입 저장 장치인 DAT를 사용한다. 개발된 시스템은 모의 배관 실험인 Pull Rig 실험으로 성능을 확인함으로써 실제 배관 시험에도 적용 가능하도록 하였다.
개발된 시스템은 항법 센서로 Litton사의 LN-200 IMUdnertial Measurement Unit)와 3축의 주행 거리계를 사용하며, 배관의 상태 측정을 위해서 캘리퍼(caliper) 센서를 사용한다. 개발된 시스템은 배관 내의 상황을 고려하여 진동이나 충격에도 안정적으로 데이터를 저장할 수 있도록 설계 제작되었다. 이를 위하여 주 데이터 저장장치는 진동에 강한 테입 저장 장치인 DAT를 사용한다.
개발하고 그 성능을 분석한다. 개발된 시스템은 항법 센서로 Litton사의 LN-200 IMUdnertial Measurement Unit)와 3축의 주행 거리계를 사용하며, 배관의 상태 측정을 위해서 캘리퍼(caliper) 센서를 사용한다. 개발된 시스템은 배관 내의 상황을 고려하여 진동이나 충격에도 안정적으로 데이터를 저장할 수 있도록 설계 제작되었다.
모의 배관에 제작된 PIG를 투입하여 센서들의 동작 및 성능을 확인하는 Pull Rig 실험을 수행하고 그 성능을 분석하였다.
본 연구에서 개발된 항법 데이터 저장 시스템은 마스터/슬레이브 구조로 되어 있으며 마스터와 슬레이브 사이의 데이터 공유는 하드웨어-FIFO 메모리를 이용한다. 전체 구조는 그림 3과 같다.
전체 데이터 저장 시스템은 데이터 처장 및 전체 시스템 운용을 위한 마스터 시스템과 데이터 획득 및 처리를 위한 슬레이브 시스템으로 분리되며 FIFO 메모리를 사용하여 데이터가 공유되도록 구성하였다.

대상 데이터

IMU와의 SDLC 통신을 위하여 80C₁₉6KC와 Am85C₃₀을 사용하며 캘리퍼센서와 주행 거리계 등의 데이터 처리를 위하여 80C₂₉6SA를 사용한다. 모든 센서 데이터의 처리는 IML' 데이터의 수신 완료 시점에 농기되어 처리된다.
개발된 데이터 저장 시스템의 동작은 한국가스공사에서 제작된 Geometry PIG의 1차시제품에 탑재한 후. 실험실 및 압력실에서 정적 상태에서의 12시간 이상 데이터를 저장하는 시험을 진행하여 전체 시스템의 안정성을 검증하였으며, 다시 약 37m의 모의 배관 테스트를 진행하여 실제 시스템이 정상 동작하였음을 확인하였다.
PIG에서 요구하는 항법 성능을 만족하기 위해서는 중급 이상의 IMU를 사용하여야 한다. 이를 위하여 동작 범위가 넓고 충격에 강한 FOGfFiber Optic Gyro) 와 MEMS 가속도계로 구성되어 있는 Litton 사의 LN-200 IMU 를 사용한다. LN-200은 RS-422, SDLC 동기 통신 규약에 따라 데이터를 출력하며 통산 클럭은 1MHz이다 주요한 오차 사양은 표 1과 같다.
개발된 시스템은 배관 내의 상황을 고려하여 진동이나 충격에도 안정적으로 데이터를 저장할 수 있도록 설계 제작되었다. 이를 위하여 주 데이터 저장장치는 진동에 강한 테입 저장 장치인 DAT를 사용한다. 개발된 시스템은 모의 배관 실험인 Pull Rig 실험으로 성능을 확인함으로써 실제 배관 시험에도 적용 가능하도록 하였다.

성능/효과

시스템이 정상적으로 .동작함을 확인하였으며 실제 항법을 수행한 결과를 모의 배관 정보와 비교한 결과 서로 일치함을 확인 할 수 있다.
또한 25m에서 31m 정도의 구간에서 전체 출력되는 값이 변경된 이유는 시험에 사용된 배관의 직경이 바뀌기 때문이다. 따라서 캘리퍼 센서가 정확하게 배관의 상황을 반영함을 실험 데이터로 확인할 수 있다.
본 논문에서 분석된 Pull Rig 실험은 약 5분간의 실험 결과이며 이 중 2분은 배관 진입 전이고 배관 진입 후에 1분 정도 정지 상태를 유지하며 다시 1분 30초 동안 약 36m의 모의 배관을 주행한다..
탑재한 후. 실험실 및 압력실에서 정적 상태에서의 12시간 이상 데이터를 저장하는 시험을 진행하여 전체 시스템의 안정성을 검증하였으며, 다시 약 37m의 모의 배관 테스트를 진행하여 실제 시스템이 정상 동작하였음을 확인하였다.

후속연구

본 논문의 결과는 PIG 외에도 항공기나 차량 등의 블랙박스나 무인 잠수정 등의 데이터 저장 시스템을 개발하는데도 사용할 수 있다.
본 연구에서 개발된 내용은 PIG와 같은 가스 배관 진단 시스템 외에도 항법 데이터와 여러개의 진단 센서들을 가진 무인 시스템 또는 차량, 항공기 등의 사고 기록 장치 등에도 적용 될 수 있다.

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