산업용 모터 구동 디바이스의 실시간 운영 및 건전성 모니터링 시스템

국문 초록 (Abstract)

전기설비의 상시점검의 어려움과 사고 예측에는 한계가 존재한다. 일반적인 모터제어를 위해 설치된 장비는 경우에 따라 수 개에서 수 백 개에 이를 정도로 많으며, 파생되는 작업의 어려움 및 설치 비용, 유지 보수 비용이 많이 발생한다는 단점이 있었다. 또한 과거의 장비 및 시스템에 대한 정비 기술은 손상이 진행되어 고장이 발생하면 수리하는 사후정비에 의존하였다, 하지만 이는 고가/ 고안전성 시스템에 적용하기에는 위험성이 높은 방법이었다. 이러한 이유로 인하여 본 논문에서는 산업용 모터 구동 디바이스의 실시간 운영 및 건전성 모니터링 시스템을 디지털 트윈을 사용하여 구현하고자 하였다.
디지털 트윈은 미국 GE가 주창한 개념으로 컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만드는 개념으로, 실제 세계의 개체 또는 시스템, 즉 물리적 세계를 사이버 세계 디지털로 표현한 것이다. 실 시계의 객체와 IoT 등을 통해 연결되어 정보를 제공하고, 변화에 대응하는 기술이다. 디지털 트윈은 3차 산업 혁명을 넘어서 4차 산업 혁명 기술과 관련된 기술을 적용하려는 움직임이 가속화됨에 따라 이에 맞추어 발전하고 있으며, 이러한 4차 산업 혁명 기술은 사이버물리 시스템 기술 등으로 불리며 사이버 세계 컴퓨팅과 연계해 효율적이고 스마트한 시스템을 실현하고, 사물인터넷 등을 통해 데이터를 취득 분석하여 구축한 지능형 시스템이라고 볼 수 있다. 본 연구는 디지털트윈 기술 개념을 사용하여 종래에 사용되던 산업용 모터 디바이스를 여섯 개의 센서를 통하여 데이터를 추출하였다. 추출된 데이터를 통하여 고장 관리와 건전성 예측을 할 수 있는 시뮬레이션을 실시함으로써 디지털트윈 기술을 구현하였다.
본 연구에 사용된 센서는 진동 센서, 마이크 센서, 압력 센서, 온습도 센서, 전압 전류 센서, 응력 센서로 총 여섯가지 센서가 사용이 되었으며, 일곱 개의 모터를 사용하여 각각의 모터에 대한 센서 값을 추출하였다. CATIA 3DS를 활용한 구동장치 모델링 및 센서를 통해 추출한 진동, 마이크, 압력, 온습도, 전압 전류, 응력의 총 여섯가지 수치를 실시간으로 수집하였으며, 수집된 데이터를 통하여 산업용 모터 구동 디바이스의 실시간 운영 및 건전성을 예측 및 관리하도록 할 수 있게 하였다. 본 연구는 이러한 디지털 트윈 기술을 사용하여 구동장치를 실시간으로 모니터링 하고, 본격 구동 프로세싱 전에 가상 프로세싱을 구현함으로써 구동의 문제 발생 여부를 사전에 파악함과 동시에 최적의 솔루션을 도출하여 현장에서 즉각적으로 대응할 수 있도록 조치하는 것을 목표로 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 표 목차 ⅸ
• 그림 목차 ⅹ
• 국문 요약 ⅻ
• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 관련 기술 및 연구 3
• 제 1 절 용어 정의 3
• 1. 디지털 트윈 3
• 1.1. 디지털 트윈 정의 3
• 1.2. 디지털 트윈 특성 및 모델 5
• 1.3. 디지털 트윈 시뮬레이션 기술 6
• 1.4. 디지털 트윈 사례 9
• 2. 빅데이터 분석 12
• 2.1. 빅데이터 정의 13
• 2.2. 빅데이터 예측분석 14
• 3. IoT 스마트 센서 15
• 3.1. IoT 15
• 3.2. 스마트 센서 15
• 4. 엣지 클라우드 플랫폼 16
• 제 2 절 모터제어 및 고장예측 건전성 관리 기술 17
• 1. 모터제어 기술 17
• 1.1. 기존 모터제어 기술 17
• 1.2. 기존 모터제어 기술 문제점 19
• 1.3. 기존 모터제어 기술 개선방법 19
• 2. 고장예측 건전성 관리 기술 21
• 2.1. 기존 고장예측 건전성 관리 기술 21
• 2.2. 기존 고장예측 건전성 관리 기술 문제점 22
• 2.3. 기존 고장예측 건전성 관리 기술 개선방법 23
• 제 3 장 시스템 설계 26
• 제 1 절 기존 시스템 문제점 26
• 제 2 절 제안 시스템 구성 28
• 1. 시스템 구조 28
• 2. 시스템 프레임워크 29
• 3. UML 29
• 3.1. 유스케이스 다이어그램 29
• 3.2. 상태 다이어그램 31
• 3.3. 시퀀스 다이어그램 32
• 3.4. 활동 다이어그램 33
• 3.5. 배치 다이어그램 34
• 제 4 장 시스템 구현 35
• 제 1 절 개발 환경 35
• 1. 환경 계측 센서 35
• 1.1. 진동 센서 35
• 1.2. 마이크 센서 37
• 1.3. 압력 센서 38
• 1.4. 온습도 센서 41
• 1.5. 전압, 전류 센서 42
• 1.6. 응력 센서 43
• 1.7. 구동 모터 45
• 제 2 절 DB Schema 47
• 1. 진동 센서 수집 데이터 47
• 2. 마이크 센서 수집 데이터 49
• 3. 압력 센서 수집 데이터 49
• 4. 온습도 센서 수집 데이터 50
• 5. 전압, 전류 센서 수집 데이터 50
• 6. 응력 센서 DB Schema 51
• 제 3 절 3D 모델링 53
• 1. 부품 구성 53
• 2. 어셈블리 59
• 3. 평면도 61
• 제 4 절 실험 결과 62
• 1. 오류감지 62
• 1.1. 추출 DB 활용 및 예측관리 63
• 제 5 장 결론 및 향후 계획 65
• 참 고 문 헌 66
• ABSTRACT 71