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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 기존의 유선계측모니터링 시스템이 지니고 있는 설계 및 설치의 복잡성과 비용 문제를 해결하고, 특히 무선계측시스템을 적용하였을 때 발생할 수 있는 데이터의 손실 문제 등을 해결하여 실시간 통합 무선제어가 가능한 시스템을 설계하고 개발하였다. 또한 개발된 통합무선제어 시스템의 성능을 검증하기 위하여 준능동제어 장치를 이용한 모형 교량의 진동제어를 수행하여 그 효용성을 검증하였다.
- 본 연구에서 개발한 통합무선제어시스템의 성능을 실험적으로 검증하기 위하여, 모형 교량과 진동제어 장치를 직접 제작하여 무선진동제어를 위한 실험 장비를 구성하고 성능을 평가하였다.
제안 방법
- (2) 또한, 통합무선제어시스템은 연결 케이블의 길이를 최소화한 무선시스템으로 개발하였으며, 입력과 출력, 데이터 전송을 하나의 통합된 시스템에서 처리할 수 있도록 시스템을 설계 및 개발함으로써 기존의 유선시스템에서 문제점으로 지적되었던 계측거리에 비례한 설치비용 문제와 시스템의 설계 및 설치의 복잡성 문제 해결을 위한 새로운 방안을 제시하였다.
- 구조물의 상판의 경계조건은 오른쪽 주탑부와 양쪽 끝단의 지점은 롤러로 하였고 왼쪽의 주탑부는 힌지로 제작 하였다. 모형 구조물의 제원은 다음의 Table 1과 같다.
- 디지털 출력을 무선계측시스템에 통합하기 위해서 cRIO -9104 에서 지원하는 FPGA을 이용하였고, 원하는 출력을 정확하게 내보내는지 확인하기 위하여 ±10V의 16비트 아날로그 입력 모듈인 NI 9215를 추가하여 기능을 보완하였다.
- 양방향무선통신시스템은 cRIO-9014와 cRIO-9104을 이용하여 TCP/IP 통신이 가능하도록 설계하였다. 또한 RFLink-500M (RF Vision)의 무선 Bridge를 이용하였고, 데이터의 전송 및 손실 문제를 해결하기 위하여 무선계측시스템과 중앙통제시스템에 큐(Queue)로 불리는 가상의 저장 공간을 이용할 수 있는 함수를 사용하였다.
- 따라서 본 논문에서는 기존의 유선계측모니터링 시스템이 지니고 있는 설계 및 설치의 복잡성과 비용 문제를 해결하고, 특히 무선계측시스템을 적용하였을 때 발생할 수 있는 데이터의 손실 문제 등을 해결하여 실시간 통합 무선제어가 가능한 시스템을 설계하고 개발하였다. 또한 개발된 통합무선제어 시스템의 성능을 검증하기 위하여 준능동제어 장치를 이용한 모형 교량의 진동제어를 수행하여 그 효용성을 검증하였다.
- 무선 계측 및 출력 실험은 무선출력시스템에 오실로스코프를 직접 부착하여 확인한 출력 데이터와 무선 전송되어 관리자가 확인한 중앙통제시스템의 데이터, 그리고 유선계측장비인 IOtech에서 획득한 데이터를 서로 비교하였다. 실험 결과는 다음의 Fig.
- 무선 제어 실험에 실행하기 전 통합무선제어시스템의 점검을 위해 무선 계측 및 출력실험을 수행하였다. 무선 계측및 출력 실험은 전자식 진동시험기 SET (EDS20-120와 Power Amplifier 1200) 및 가속도계 D사의 3055B3모델)를 이용하였다.
- 무선 진동제어 실험은 진동 감쇠가 없는 상태(Undamping), MR Damper을 부착시킨 후 전류를 인가하지 않은 상태 (Passive), MR Damper에 조건 없이 전류를 인가한 상태 (Active), 기본적인 트리거 함수를 사용하여 일정 기준 이상의 진폭에서 전류를 인가한 상태(Semiactive)에서 각각 가속도와 Force를 획득하였다. 이때, 구조물은 전자식 진동기험기를 이용하여 규모를 축소한 El-sentro 지진파로 진동을 가하였다.
- 무선제어 실험의 결과는 Un-damping, Passive, Active, Semi-active 상태에서의 가속도와 Force의 응답 데이터를 상호 비교하였다. 비교를 위하여 진동제어 성능지수 중 일부를 활용하였다(Dyke et al.
- 무선제어실험을 통하여 획득한 각 상태 별 데이터의 비교는 그래프를 활용한 비교와 성능지수를 활용한 비교로 진행하였다. 먼저 획득한 각 상태 별 가속도, 인가전압, 힘의 응답 그래프는 다음의 Fig.
- 무선출력시스템의 Analog Output(AO)을 위한 장치는 한 개의 모듈(4 Chs)로 구성되어 있으며, ±10V의 16비트 아날로그 전압 출력이 가능한 NI 9263을 사용하여 개발하였다.
- 본 논문에서는 개발한 통합무선제어시스템의 성능 점검을 위하여 무선진동제어 실험 장비를 구성하였다. 통합 무선제어시스템의 성능 점검에 앞서, Pre-test를 통하여 통합무선제어시스템의 기본 성능을 점검하였으며, 점검 결과를 바탕으로 구성된 무선 진동제어 실험 장비를 이용하여 통합무선제어시스템의 성능을 평가하기 위한 무선 구조물진동제어 실험을 수행하였다.
- 본 논문에서는 교량 구조물의 진동 제어를 위해 통합된 무선시스템을 설계 및 개발하고, 이를 활용하여 무선 구조물 진동제어 실험을 수행하였으며, 실험에 따른 통합 무선 시스템의 제어 성능을 성능지수를 활용하여 평가하였다. 또한, 무선제어 실험 전 무선시스템의 점검을 위하여 Wireless Measurement & Analog Output Test을 수행하여, 개발한 통합무선제어 시스템이 무선 구조물 진동제어에 활용 가능함을 확인하였다.
- 본 시스템은 유선시스템의 복잡성과 비용문제, 현재 개발된 무선시스템의 데이터 손실 문제 등을 해결하여, 하나의 통합된 시스템에서 계측, 판단, 및 제어를 손쉽게 관리 할 수 있는 통합 무선제어시스템을 개발하였다. 제안된 시스템은 무선계측시스템, 무선출력시스템, 중앙통제 시스템, 양방향 무선 통신시스템으로 구성하였다.
- 디지털 출력을 무선계측시스템에 통합하기 위해서 cRIO -9104 에서 지원하는 FPGA을 이용하였고, 원하는 출력을 정확하게 내보내는지 확인하기 위하여 ±10V의 16비트 아날로그 입력 모듈인 NI 9215를 추가하여 기능을 보완하였다. 본 연구에서 개발된 무선출력시스템은 시스템을 통하여 구조물에 진동을 가하기 위한 출력과 제어기의 통제를 위한 신호를 내보내도록 다음 Fig. 1과 같이 프로그램 하였다. Fig.
- 실험은 중앙통제시스템에서 전자식 진동시험기로 무선 출력시스템을 통하여 12hz Sine파로 움직이도록 출력신호를 보낸 후 전자식 진동시험기에 부착된 가속도계를 통해 데이터를 획득한 무선계측시스템이 무선으로 중앙통제시스템에 데이터를 전송하는 방법으로 진행하였다.
- 양방향무선통신시스템은 무선계측시스템과 중앙통제시스템 그리고 무선출력시스템 상호간에 양방향무선통신이 가능하도록 하는 역할을 하도록 개발된 시스템이다. 양방향무선통신시스템은 cRIO-9014와 cRIO-9104을 이용하여 TCP/IP 통신이 가능하도록 설계하였다. 또한 RFLink-500M (RF Vision)의 무선 Bridge를 이용하였고, 데이터의 전송 및 손실 문제를 해결하기 위하여 무선계측시스템과 중앙통제시스템에 큐(Queue)로 불리는 가상의 저장 공간을 이용할 수 있는 함수를 사용하였다.
- Table 3은 MR Damper의 제어를 위하여 전압을 인가한 Active와 Semi-active 상태에서의 출력데이터 수, Active 대비 Semi-active 상태의 인가전압 소모량 성능지수, 성능지수에 따른 인가전압 감소 효과 순으로 나타내었다. 여기서 active 상태의 인가전압 수는 Semi-active의 수와 비교를 위하여 가진 시작시점과 종료시점의 인가전압 수로 한정하였다. Table 4는 힘 응답에 따른 최대 힘, Undamping 대비 절대최대 힘 성능지수, 성능 지수에 따른 제어력의 증가 비율 순으로 나타내었다.
- 무선 진동제어 실험은 진동 감쇠가 없는 상태(Undamping), MR Damper을 부착시킨 후 전류를 인가하지 않은 상태 (Passive), MR Damper에 조건 없이 전류를 인가한 상태 (Active), 기본적인 트리거 함수를 사용하여 일정 기준 이상의 진폭에서 전류를 인가한 상태(Semiactive)에서 각각 가속도와 Force를 획득하였다. 이때, 구조물은 전자식 진동기험기를 이용하여 규모를 축소한 El-sentro 지진파로 진동을 가하였다. 구조물의 가진 명령 및 계측은 0.
- 본 시스템은 유선시스템의 복잡성과 비용문제, 현재 개발된 무선시스템의 데이터 손실 문제 등을 해결하여, 하나의 통합된 시스템에서 계측, 판단, 및 제어를 손쉽게 관리 할 수 있는 통합 무선제어시스템을 개발하였다. 제안된 시스템은 무선계측시스템, 무선출력시스템, 중앙통제 시스템, 양방향 무선 통신시스템으로 구성하였다. 각각의 시스템은 서로 다른 역할을 하지만, 실시간 진동제어를 수행하도록 서로 유기적으로 작동하여 피드백 진동제어가 될 수 있는 통합시스템이다.
- 중앙통제시스템은 무선계측시스템으로부터 무선 전송된 데이터를 확인하고, 구조물의 상태를 확인하며, 구조물의 상태에 따른 제어 여부를 무선출력시스템에 무선으로 전송하도록 설계하고 실시간 제어에 필요한 데이터 손실이 없도록 각 시스템 사이에 유기적인 연결과 관리를 하도록 상용 컴퓨터를 사용하여 개발 하였다. Fig.
- 본 논문에서는 개발한 통합무선제어시스템의 성능 점검을 위하여 무선진동제어 실험 장비를 구성하였다. 통합 무선제어시스템의 성능 점검에 앞서, Pre-test를 통하여 통합무선제어시스템의 기본 성능을 점검하였으며, 점검 결과를 바탕으로 구성된 무선 진동제어 실험 장비를 이용하여 통합무선제어시스템의 성능을 평가하기 위한 무선 구조물진동제어 실험을 수행하였다.
- , 2003). 활용된 진동 제어 성능지수는 절대 최대 가속도(J2),인가전압의 소모량(J3)이며, 특별히 MR Damper가 부착된 구조물의 중앙지점에서 발생하는 힘(제어력)을 절대 최대 힘(J4)의 항으로 정형화하여 활용하였다. 여기서, 인가전압의 소모량(J4)의 경우 준능동 제어 장치와 같은 별도의 외부전원공급을 요구하는 장치를 제어시스템에 적용할 경우 반드시 평가되어야 하는 성능지수이다.
대상 데이터
- 전단판, 마찰판, 그리고 요크는 자기의 포화 및 풀림 현상을 극대화하기 위하여 S20C의 저 탄소강으로 제작하였으며, 연결봉과 외부 고정대는 자기의 영향이 적은 알루미늄으로 제작하였다. 그리고 요크를 감은 코일은 0.4mm의 에나멜 코일을 2000 turns 감아 제작하였다. 전단판과 마찰판의 gap 크기는 좌우 동일하게 6mm로 설정하였고, L사의 MRF-132DG가 함침된 스펀지를 삽입하여 장치를 완성하였다.
- 무선 계측및 출력 실험은 전자식 진동시험기 SET (EDS20-120와 Power Amplifier 1200) 및 가속도계 D사의 3055B3모델)를 이용하였다. 데이터의 검증을 위한 유선계측장비는 오실로스코프(TDS2002B)와 상용 계측 장비인 IOtech 을 사용하였으며, 실험장비의 구성은 다음의 Fig. 8과 같다. Fig.
- 전단판과 마찰판의 gap 크기는 좌우 동일하게 6mm로 설정하였고, L사의 MRF-132DG가 함침된 스펀지를 삽입하여 장치를 완성하였다. 또한, MR Damper로 안정적인 전류 공급을 위하여 출력 전류 범위 0~2A인 L사의 Current Driver인 RD-3002-03을 이용하였다.
- 무선 제어 실험에 실행하기 전 통합무선제어시스템의 점검을 위해 무선 계측 및 출력실험을 수행하였다. 무선 계측및 출력 실험은 전자식 진동시험기 SET (EDS20-120와 Power Amplifier 1200) 및 가속도계 D사의 3055B3모델)를 이용하였다. 데이터의 검증을 위한 유선계측장비는 오실로스코프(TDS2002B)와 상용 계측 장비인 IOtech 을 사용하였으며, 실험장비의 구성은 다음의 Fig.
- 무선계측시스템은 구조물에 부착된 다양한 종류의 센서로부터 구조물의 응답을 계측하고, 계측된 데이터를 중앙 통제시스템으로 무선 전송하는 시스템이다. 무선계측시스템은 N사의 Ethernet 기반의 데이터 로거(Data Logger) 장치인 cRIO-9014와 cRIO-9104을 사용하였다.
- 이 MR Damper는 중앙에 전단판, 마찰판, 코일이 감겨 있는 요크 부분과 연결봉 그리고 외부고정대로 이루어져있다. 전단판, 마찰판, 그리고 요크는 자기의 포화 및 풀림 현상을 극대화하기 위하여 S20C의 저 탄소강으로 제작하였으며, 연결봉과 외부 고정대는 자기의 영향이 적은 알루미늄으로 제작하였다. 그리고 요크를 감은 코일은 0.
- 진동제어 실험을 위한 모형 구조물은 한국의 대표적인 사장교인 서해대교를 1/200로 축소화하여 다음의 Fig. 5와 같이 설계 및 제작하였다.
- 진동제어를 위한 제어장치는 전단형 MR Damper을 자체 설계 및 제작하여 사용하였다. 제작한 전단형 MR Damper 는 다음의 Fig.
- 이 장치는 안정화된 Real-Time OS가 탑재되고, 고속의 데이터 처리가 가능한 FPGA 칩이 내장되어 있어 본 연구에서 요구하는 실시간 계측 및 계측결과에 실시간 피드백 제어가 가능하도록 시스템을 개발할 수 있는 환경을 제공하고 있다. 특히 다종 및 다채널시스템을 개발하는 통합계측 시스템에 적정한 NI 9233모듈과 NI 9237모듈을 사용하였다. NI 9233모듈은 각 모듈 별 4 Channel(Ch) 로 구성되어 있는 24비트 아날로그 입력 모듈로써 구조물에 부착된 IEPE 표준에 따른 Piezometer Type의 가속도 센서와 Force 센서로부터 데이터를 획득할 수 있는 모듈이며, NI 9237모듈은 각 모듈 별 4 Ch로 구성되어 있는 24비트 반/완전 브리지(bridge) 아날로그 입력 모듈로써 구조물에 부착된 Wheatstone Bridge Type의 Strain 및 LVDT 등과 같은 센서로부터 데이터를 획득할 수 있는 모듈이다.
데이터처리
- 이때, 구조물은 전자식 진동기험기를 이용하여 규모를 축소한 El-sentro 지진파로 진동을 가하였다. 구조물의 가진 명령 및 계측은 0.0005초 간격으로 총27642개의 데이터를 출력 및 획득하도록 하였으며, 실험을 통하여 획득한 데이터를 저장하여 각각 상호 비교하였다.
이론/모형
- 무선제어 실험의 결과는 Un-damping, Passive, Active, Semi-active 상태에서의 가속도와 Force의 응답 데이터를 상호 비교하였다. 비교를 위하여 진동제어 성능지수 중 일부를 활용하였다(Dyke et al., 2003). 활용된 진동 제어 성능지수는 절대 최대 가속도(J2),인가전압의 소모량(J3)이며, 특별히 MR Damper가 부착된 구조물의 중앙지점에서 발생하는 힘(제어력)을 절대 최대 힘(J4)의 항으로 정형화하여 활용하였다.
성능/효과
- (1) 통합무선제어시스템은 기존의 연구에서 문제점으로 지적되었던 데이터의 손실문제를 해결하기 위하여 프로그램을 추가하는 방법을 선택하였으며, Pre-test를 통하여 개발된 통합무선제어시스템은 데이터의 손실 없이 무선 양방향 데이터 전송이 가능함을 확인하였다.
- (3) 마지막으로, 개발된 통합무선제어시스템은 이용한 Pre-test 및 교량의 진동제어 실험을 통하여, 본 시스템은 구조물의 무선 제어에 적합함을 입증하였으며, 기존의 제어 알고리즘을 적용한 유선시스템과 견주어 보았을 때, 우수한 제어 성능을 보임을 확인하였다. 단, Passive상태와 Semi-active상태의 비교에서 가속도 응답의 감쇠율이 제어력의 증가율에 미치지 못하는 점은 제어장치의 개선을 비롯한 여러 가지 실험 조건을 변화시켜 연구되어야 할 문제로 사료된다.
- 9는 좌측부터 오실로스코프, Iotech, 중앙통제시스템의 데이터 획득 그래프이다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 본 논문에서 개발한 무선출력시스템은 관리자가 원하는 신호인 12hz 의 Sine파를 출력함을 확인 하였고, 무선계측시스템은 구조물의 움직임을 정확히 계측하여 중앙통제시스템에 무선으로 전송함을 확인하였다. 결과적으로 통합무선제어시스템은 무선 제어를 위한 계측 및 제어의 기본 조건을 충족함을 확인하였다.
- A와 통신을 하는 다른 하나의 RFLINK 장비는 실내 실험상의여건으로 6m 떨어진 중앙통제시스템에 유선으로 연결을 하였다. 결과적으로 RFLINK 장비의 실내 무선 거리는 6m이다. B는 구조물에서 데이터를 획득하고, 제어 신호를 제어기에 인가하는 무선계측 및 무선출력시스템이다.
- 9에서 보는 바와 같이 본 논문에서 개발한 무선출력시스템은 관리자가 원하는 신호인 12hz 의 Sine파를 출력함을 확인 하였고, 무선계측시스템은 구조물의 움직임을 정확히 계측하여 중앙통제시스템에 무선으로 전송함을 확인하였다. 결과적으로 통합무선제어시스템은 무선 제어를 위한 계측 및 제어의 기본 조건을 충족함을 확인하였다.
- 다음으로 인가전압 응답의 경우 Fig. 12 (b)와 Table 3에서 보는 바와 같이 본 논문에서 개발한 통합무선제어 시스템은 가속도의 응답에 따라 MR Damper의 Current Driver인 Wonder Box의 기준 전압(0~5V) 중 MR Damper가 최고의 성능을 발휘하는 5V의 전압을 출력하는 것을 확인 할 수 있다. 또한, Active 대비 Semi-active 상태에서 인가전압이 59.
- 12 (b)와 Table 3에서 보는 바와 같이 본 논문에서 개발한 통합무선제어 시스템은 가속도의 응답에 따라 MR Damper의 Current Driver인 Wonder Box의 기준 전압(0~5V) 중 MR Damper가 최고의 성능을 발휘하는 5V의 전압을 출력하는 것을 확인 할 수 있다. 또한, Active 대비 Semi-active 상태에서 인가전압이 59.76% 감소한 것을 확인 할 수 있다.
- 또한, 무선제어 실험 전 무선시스템의 점검을 위하여 Wireless Measurement & Analog Output Test을 수행하여, 개발한 통합무선제어 시스템이 무선 구조물 진동제어에 활용 가능함을 확인하였다.
- 마지막으로 제어력 응답의 경우 Fig. 12 (c)와 Table 4에서 보는 바와 같이 Semi-active상태의 제어력이 Passive와 Un-damping 상태 보다 증가됨을 확인하였다. 제어력은 Active 350.
- 11 (a)와 Table 2에서 보는 바와 같이 Semi-active상태의 가속도 응답이 Passive와 Un-damping 상태 보다 감소된 응답을 보였다. 응답의 감소는 Active 37.8%, Semi-active 30.0%, Passive 27.8% 순으로 감쇠효과가 우수하였다. 여기서, Un-damping 상태와 Passive 상태에서 많은 차이를 보이는 것은 MR Damper의 마찰판과 전단판 사이에 부착된 Sponge와 MR Fluid로 인한 마찰 및 점성력의 영향으로 판단된다.
- 이상의 결론으로부터 본 연구에서 개발한 통합무선제어시스템은 준능동 제어 장치를 이용한 실시간 피드백 구조물 진동제어에 적합함을 확인하였으며, 기존의 유선시스템과 무선시스템의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 적절함이 확인되었다. 또한, 통합무선제어시스템은 프로그램 및 구성의 방향에 따라 다양한 유지관리 시스템에 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 이상의 무선 진동제어의 실험 결과 가속도와 힘의 응답에서 Semi-active 진동제어는 Active 상태의 응답에 비하여 성능이 저하되었으나, 인가전압이 59.76% 감소한 것을 고려한다면 우수한 성능을 보인 것으로 판단된다. 또한, 가속도 응답의 감쇠율이 제어력의 증가율과 차이가 나는 것은 앞서 언급되었던 바와 같이 지속적인 제어가 아닌 조건에 의한 제어를 진행함에 있어 발생한 오차에 따른 영향으로 판단된다.
후속연구
- (3) 마지막으로, 개발된 통합무선제어시스템은 이용한 Pre-test 및 교량의 진동제어 실험을 통하여, 본 시스템은 구조물의 무선 제어에 적합함을 입증하였으며, 기존의 제어 알고리즘을 적용한 유선시스템과 견주어 보았을 때, 우수한 제어 성능을 보임을 확인하였다. 단, Passive상태와 Semi-active상태의 비교에서 가속도 응답의 감쇠율이 제어력의 증가율에 미치지 못하는 점은 제어장치의 개선을 비롯한 여러 가지 실험 조건을 변화시켜 연구되어야 할 문제로 사료된다.
- 이상의 결론으로부터 본 연구에서 개발한 통합무선제어시스템은 준능동 제어 장치를 이용한 실시간 피드백 구조물 진동제어에 적합함을 확인하였으며, 기존의 유선시스템과 무선시스템의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 적절함이 확인되었다. 또한, 통합무선제어시스템은 프로그램 및 구성의 방향에 따라 다양한 유지관리 시스템에 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 또한, 가속도 응답의 감쇠율이 제어력의 증가율과 차이가 나는 것은 앞서 언급되었던 바와 같이 지속적인 제어가 아닌 조건에 의한 제어를 진행함에 있어 발생한 오차에 따른 영향으로 판단된다. 이점은 추후 연구를 통하여 다른 비교 조건을 추가해야 할 것이다.
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