[논문]전기유압서보시스템 온-프로세스 진단 기술

김성동

[국내논문] 전기유압서보시스템 온-프로세스 진단 기술
On-Process Diagnosis Technique for Electro-Hydraulic Servo System 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.16 no.3, 2019년, pp.86 - 93

김성동 (금오공과대학교 기계시스템공학과)

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표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Moog사 서보밸브 테스터
그림 Fig. 2 Moog사 서보밸브 테스터의 조작 판넬 모습
그림 Fig. 3 Configuration of an electro-hydraulic servo system
표 Table 1 Measuring signals and diagnosis items
그림 Fig. 4 Schematic diagram of a hydraulic position control servo system
그림 Fig. 5 Transient-response curve
그림 Fig. 6 Photograph of experimental hydraulic position control servo system
그림 Fig. 8 Experimental result of delay time
그림 Fig. 7 Experimental result of slew-rate ratio
표 Table 2 Experimental condition for clearance between spool and sleeve and leakage index
그림 Fig. 9 Effect of spool wear on the behavior of servo valve
그림 Fig. 10 Repetitive diagnosis results of null bias and pressure sensitivity
표 Table 3 Wear and null bias of the two valves
그림 Fig. 11 Hardware configuration of diagnosis equipments
그림 Fig. 13 Report graph of the slew-rate ratio
그림 Fig. 14 Report graph of the time delay
그림 Fig. 15 Report view on the stick occurrence
그림 Fig. 12 Magnified side guide system signal

AI 본문요약
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문제 정의

국내 P 제철소 압연공정 사이드 가이드 시스템을 대상으로 온-프로세스 진단을 적용한 사례를 소개한다. 사이드 가이드 시스템은 판 형태의 강편(slap)을 중앙에 위치하도록 하는 전형적인 위치서보제어계이다.
생산설비에 사용되어지고 있는 전기유압서보시스템의 성능진단을 수행하는 온-프로세스형 성능진단기의 개발에 필요한 기술을 소개하고자 한다.

가설 설정

유압서보시스템은 다양한 크기의 입력신호에 대하여 출력 특성이 편차를 보이는 비선형 특성이 강하여, 단순히 출력신호를 입력신호의 진폭으로 나누는 방법으로 표준화(normalization)하기 어렵다. 즉, 성능 진단을 실시하기 위한 특정 조건의 입출력에 대해서만 진단을 적용하는 것이 효과적일 것이다. 입력신호의 진폭이 무작위하게 주어지는 시스템의 경우에는 입력 진폭이 사전에 설정된 범위에 들어올 경우에만 진단을 실시할 수 있을 것이다.

제안 방법

Fig. 6과 같이 구성된 위치제어계 유압서보시스템 진단시험장치를 이용하여 스풀의 마멸과 슬루율 비에 대한 상관관계를 실험을 통하여 밝혔다.
전기유압 서보시스템의 각 구성 부품의 성능을 온-프로세스 진단하는 방법을 제시하고, 제시된 성능 진단 항목으로 마멸된 서보밸브에 대한 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

실험에서 밸브 스풀의 마멸 정도를 달리한 3 종의 밸브가 사용되었는데, 3종의 서보밸브의 스풀마모 상태와 누설지수는 Table 2에 표기된 바와 같다. 여기서 누설지수(leakage index)는 아래 식으로 정의 되었다.
사이드 가이드 시스템은 판 형태의 강편(slap)을 중앙에 위치하도록 하는 전형적인 위치서보제어계이다. 진단 시스템의 하드웨어 구성은 Fig. 11에서 보여주는 구성을 가지는데, 계측 신호로서 서보밸브의 입력신호, 부하압력신호, 실린더 변위신호가 사용되었다. Fig.

성능/효과

(2) 식은 밸브마모의 증가에 비례적으로 증가하는 틈새 r_c에 따라서 영점 압력민감도 K_p0가 감소함을 보여준다. 즉, 밸브의 마모와 영점 압력민감도가 서로 긴밀히 연관되어 있으므로 영점 압력민감도 K_p0가 밸브마모에 진단에 사용될 수 있을 것이다.
Fig. 9의 (a)와 (b)를 종합적으로 분석하면 신품 밸브는 중립점오차가 작으며 마모된 밸브는 중립점오차가 크게 형성되어 있는데, 중립점오차를 감안하여서 부하작용구간에서 압력민감도를 관측한다면 신품 밸브에서는 압력민감도가 크며 마모된 밸브에서는 압력민감도가 작다. 이러한 결과는 Fig.
1) 서보밸브 입력신호의 슬루율에 대한 압력신호의 슬루율의 비가 스풀 마멸에 대한 성능 진단의 척도가 될 수 있다.
2) 스풀의 마멸이 진행됨에 따라 슬루율 비가 감소하는데, 이러한 슬루율 비의 정도에 따라 밸브의 사용 가능 여부 및 교환 시기를 파악할 수 있다.
3) 스풀의 마멸이 진행됨에 따라 지연 시간이 증가하는데, 지연 시간의 증가량을 사용해서 밸브의 사용가능 여부 및 교환 시기를 파악할 수 있다.
4) 서보밸브의 입력신호와 부하력 신호만을 이용하여서 서보밸브의 중립점오차와 스풀마모를 온-프로세스 진단하는 것이 가능하다.
5) 서보시스템이 무부하 정상상태의 조건에서 서보밸브 입력신호가 영으로부터 벗어나는 편위량으로 중립점오차를 측정할 수 있다.
6) 유압실린더에 부하가 작용하는 정상상태 조건에서 근사적 압력민감도를 측정함으로써 밸브의 마모량을 예측할 수 있다.
7) 실험실에서 인공적으로 서보밸브 스풀은 마모된 상태에서 상기 결론 사항들이 양호하게 부합하지만 제철소 압연공정에 적용한 결과에서는 측정 신호는 예상하지 못한 노이즈와 흔들림이 많았기 때문에 진단 변수 값들도 심하게 요동치는 모습을 보였다.
실제 공정에서 채취한 측정 신호는 예상하지 못한 노이즈와 흔들림이 많았기 때문에 진단 변수 값들도 심하게 요동치는 모습을 보였다. 그러므로 단순히 순간순간의 진단 값을 그대로 이용하기보다 하루 누적 평균, 일주일 누적 평균, 한달 누적 평균 등의 형태로 누적 평균 데이터를 적극 활용하여야 할 것으로 판단되었다.

후속연구

그러므로 하루 누적 평균, 일주일 누적 평균, 한달 누적 평균 등의 형태로 누적 평균 데이터를 적극 활용하여야 할 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기유압서보시스템의 사용분야는?	전기유압서보시스템은 제철소의 압연기, 발전설비의 터빈제어, 정밀주조의 다이캐스트, 피로시험기, 인장시험기, 전차용 자동 조준 장치 등의 다양한 산업분야에서 사용되어진다. 또 전기유압서보시스템은 그 구성 가격이 수 백만 원에서 수 천만 원에 이르는 고가이며, 초정밀 부품으로 구성되어지기 때문에 유압유 속에 존재하는 먼지나 오염물질 등에 의하여 쉽게 고장이 초래되어지는 어려움이 있다.
	시간관리의 개념으로 생산라인의 전기유압서보시스템을 관리하는 방법은?	국내 P 제철소에서는 시간관리의 개념으로 생산라인의 전기유압서보시스템을 관리하고 있다. 시간관리는 일정한 시간 동안에 사용된 전기유압서보시스템의 핵심 부품을 성능상태의 양/불량에 상관없이 새로운 부품으로 교체하는 방법이며, 서보밸브와 같은 고가의 부품들을 수명 이전에 폐기하게 되어서 경제적 손실을 초래하고 있다. 미국의 Moog, Vickers, Parker와 독일의 Bosh Rexroth 등의 주요 유압서보시스템 전문업체에서는 서보밸브의 동작 가능 여부만을 시험하는 간이 테스터(Fig.
	전기유압서보시스템의 고장을 초래하는 것은 무엇인가?	전기유압서보시스템은 제철소의 압연기, 발전설비의 터빈제어, 정밀주조의 다이캐스트, 피로시험기, 인장시험기, 전차용 자동 조준 장치 등의 다양한 산업분야에서 사용되어진다. 또 전기유압서보시스템은 그 구성 가격이 수 백만 원에서 수 천만 원에 이르는 고가이며, 초정밀 부품으로 구성되어지기 때문에 유압유 속에 존재하는 먼지나 오염물질 등에 의하여 쉽게 고장이 초래되어지는 어려움이 있다. 제철소의 압연기, 발전소의 터빈 제어기 등에서 전기유압서보시스템은 핵심 시설이며, 전기유압서보시스템의 고장으로 인하여 초래되어지는 생산 손실액과 영향은 지대하게 큰 규모이다.

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