포스코 기술연구소 - Vibrating Screen 포터블 성능진단 시스템 개발

Author(s):
이성진 책임연구원 - 포스코 기술연구소

Industry:
Basic Materials - Steel/ Lumber/ Construction

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
제철공정에서 Vibrating Screen 은 분쇄기로부터 나오는 원료를 진동하는 체를 이용하여 크기별로 분류하는 장비이다.

The Solution:
진단용 가속도 센서는 K-Beam Triaxial Capacitive Accelerometer 로 3수직 축의 저주파 (혹은 정적) 가속도를 측정할 수 있는 센서로서 본 장치에 사용된 Kistler 사의 8393A10 모델은 가속도 범위 10g, 주파수 응답 0 180Hz, 감도 (Sensitivity) 200mV/g 의 사양을 가지는 초저주파용 가속도 센서이며, PC 내에서는 데이터 수집용 보드 (NI PCI-MIO-16E-4) 가 내장되어 있다.

현황 및 문제점
제철공정에서 Vibrating Screen 은 분쇄기로부터 나오는 원료를 진동하는 체를 이용하여 크기별로 분류하는 장비로서 Screen 의 성능이 부적합할 경우 품질 측면으로는 Screen 열화로 원료광 품질 저하, 입도 불량 및 분진, 원료광 비산에 의한 환경 문제 초래하거나 좌우 상하 진동 과대 및 Unbalance 로 Base Frame Crack 다발 등과 같은 문제점을 유발하게 된다.

진단 원리
Screen 의 몸체가 네 꼭지점에 부착된 스프링에 의해 지지 되고 있다. Screen 의 성능 진단은 기본적으로 Machine 의 변위 특성으로 판단할 수 있다. 하지만 현장의 열악한 환경 (지지점 설치 곤란, 분진, 구조물 흔들림)과 Vibrating Screen 의 특성에 따라 변위 센서에 의한 진단이 곤란하다. 본 연구에서는 3축가속도 센서를 스프링과 몸체가 연결된 부분에 설치하여 Screen 의 진동 특성을 측정하는 방법을 택했다.
3축 가속도 센서는 X축이 Screen 의 측면 방향, Y축이 Feeding 방향, Z축이 수직방향이 되도록 설치하여 Vibrating Screen 의 움직임에 따라 총 4개의 센서에서 각각 3방향의 가속도가 동시에 측정되어 진다.
Vibrating Screen 의 진단 순서로서는 먼저 센서별 3축에 대한 가속도신호를 동시에 수집하고 FIR Filtering 과 적분 알고리즘에 의해 속도와 변위 파형을 추출한다. 가속도와 속도, 변위에 대하여 항목별로 P-P(Peak to Peak)와 Rms(Root Mean Square) 값을 계산한다. 가속도 파형을 APS(Auto Power Spectrum) 처리하여 가속도 (Machine 의 수직 성분)의 기본 주파수를 구한다. 이 기본 주파수는 모터의 운전 속도와 비교하여 동일한 값이어야 한다. 또한 가속도 파형을 위상 스펙트럼(Phase Spectrum) 처리하여 앞에서 구한 기본 주파수 대비 위상 값을 구하고 각 위상간의 위상차(Phase Difference) 을 구한다.
앞에서 구한 Screen 의 진동 특성 값을 진단 기준에 적용하여 Vibrating Screen 의 성능을 최종적으로 판단하게 된다. 실제 구동 중에 위상차가 과대하게 발생하는 경우 스크린 성능이 저하되거나 광석이 국부적으로 모이는 현상이 발생하므로 위상차가 적어야 한다.

포터블 진단장치
진단 시스템의 주요 구성은 아래와 같다.

진단용 센서 : K-Beam 형의 3축 가속도센서 (Kistler사 8393A10)
데이터수집용 보드 : 12-bit a/d board (PCI-MIO-16E-4)
진단용 프로그래밍 : LabVIEW 6.1
진단용 PC : Portable Computer (Dolch사 FieldPAC)

진단용 가속도 센서는 K-Beam Triaxial Capacitive Accelerometer 로 3수직 축의 저주파 (혹은 정적) 가속도를 측정할 수 있는 센서로서 본 장치에 사용된 Kistler 사의 8393A10 모델은 가속도 범위 10g, 주파수 응답 0 180Hz, 감도 (Sensitivity) 200mV/g 의 사양을 가지는 초저주파용 가속도 센서이다.
또한 본 장치에 사용된 진단용 PC 는 Doch 사의 FieldPAC 모델로서 Fig. 8에서 알 수 있듯이 현장의 열악한 환경에서 사용 가능한 베터리가 내장된 Ultra-Rugged Case 를 가진 포터블 컴퓨터이다. PC 내에서는 데이터 수집용 보드 (NI PCI-MIO-16E-4) 가 내장되어 있다.

LabVIEW 로 구현된 진단프로그램
Screen 성능진단 프로그램은 메인 화면, PARAMTER 설정 화면, 동작 중인 Screen 의 가속도 신호를 수집하는 TEST MODE 화면과 수집된 데이터를 읽어 가속도 신호를 1차 적분하여 속도 파형으로 변환하고 이를 2차 적분하여 변위파형으로 변환하며 각 신호 파형에 대한 진폭을 계산하는 ANALYSIS 화면, 진단 항목별로 기준 값과 비교하여 이상 유무를 나타내는 DIAGNOSIS 화면, 추출된 3축 방향의 변위 신호를 이용하여 Screen 의 3D 모션을 볼 수 있는 3D MOTION 화면 등으로 구성되어 있다. 또한 진단 결과는 EXCEL로 포맷된 형태의 진단 보고서로 자동 발행되어 진다. 그림 2는 가속도를 2중 적분(Double Integration) 하여 계산된 변위 파형을 나타낸다. 앞의 속도 파형과 마찬가지로 필터링 처리되어 깨끗한 파형을 나타냄을 알 수 있다.
가속도를 적분하는 과정에서는 수치적분에 의한 적분 오차를 최소화할 수 있는 전처리, 적분 및 후처리 과정과 같은 세심한 배려가 필요하다.

그림 3은 가속도에서 2중 적분을 통해 얻은 변위 파형으로 Screen 의 모션을 볼 수 있도록 만든 3D 모션 분석 화면이다. 메뉴에서 VIEW ANGLE (TOP, LEFT, FRONT, BACK, RIGHT, 3D) 과 Motion Speed 를 임의로 설정할 수 있으며 실제 변위데이터를 이용하여 Screen 의 Motion 을 봄으로써 Screen 의 상태를 파악할 수 있도록 개발하였다.

결론
Vibrating Screen 의 성능 진단을 위해 현장의 열악한 환경 (지지점 설치 곤란, 분진, 구조물 흔들림)과 Vibration Screen 의 특성에 맞는 3축 가속도센서를 이용한 진단시스템을 개발하였다.
본 프로젝트를 통하여 가속도 신호를 적분 및 Filtering 처리에 의해 정도 높은 속도 및 변위 파형을 추출할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 이러한 방식을 통해 이와 유사한 대형 구동 장치, 구조물의 흔들림 등의 다양한 적용 예가 있음을 확인하였으며 LabVIEW 가 이러한 신호 처리 과정을 충분히 소화해 줄 수 있는 최적의 프로그램임을 알 수 있었다.

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이성진 책임연구원
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