우천희
(Chun-Hee Woo)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
DC condition monitoring, Field Control Unit, Fuzzy Inference System, Master controller, Sensors
1. 서 론
상·하수도 처리 시설 등의 현장에서는 분산 설치된 제어설비뿐만 아니라 전력설비, 조명설비 등을 제어 및 감시하기 위해 중앙감시제어시스템 뿐만 아니라
현장제어반(FCU: Field Control Unit)을 설치하여 자동제어시스템을 구성하고 있다. 본 논문에서는 제품에 설치된 전원이상 감지장치 및
다양한 센서로부터 확보한 데이터들을 종합적으로 판단하기 위하여 인공지능 기법인 퍼지추론시스템을 활용하여 재난안전 적합성 지수를 산출하는 방법을 제안하였다[1-2]. 특히 현장제어반 내부의 제어전원 이상을 복합적으로 관리하기 위하여, 개발제품에서는 제어전원의 과부하 및 아크발생 상태를 감시하기 위하여 DC전원
이상감시장치를 개발하여 현장제어반에 설치 적용하였으며, 판넬 내부의 절연건전성을 진단하기 위하여 산업현장에서 다양하게 활용되고 있는 아크센서, 적외선센서
및 진동센서를 설치하였다[3].
2. 현장제어반(FCU)의 구성
상·하수처리를 위해 플랜트 현장에 설치되는 원격감시제어시스템은 중앙감시제어시스템과 다양한 센서 중심의 감지장치와 계측기, 그리고 계측기에 연결되어
입출력 데이터를 처리하는 현장제어반으로 구성하고 있다. 현장제어반(또는 프로세스 제어반)에는 현장 계기로부터 입력되는 정보를 체계적으로 감시 및 저장하고
있으며, 관리자는 원격지인 운영실에서 현장설비로 부터 검침된 정보로 판단한 제어명령을 전송하여 현장의 설비를 제어하고 감시한다.
그림 1은 수처리제어시스템 구성도를 나타내고 있으며, 현장제어반에는 산업용 컴퓨터를 사용한 스마트형 HMI, 마이크로컨트롤러 및 메모리로 구성된 마스터제어기가
있다. 마스터제어기는 자체 모듈에 디지털 입출력, 아날로그 입출력 포트 32개를 내장하고 있으며, 현장 상황에 따라 확장된 입출력 모듈을 설치한다.
마스터제어기와 입출력 모듈들은 RS-485 통신방식으로 연결하고, 마스터제어기와 스마트형 HMI는 Modbus, 그리고 운영실에 설치한 중앙감시제어시스템과는
이더넷 TCP/IP 통신방식을 사용한다.
그림 1. 수처리제어시스템 구성도
Fig. 1. The System structure of water supply facilities
2.1 스마트형 HMI 구성
스마트형 HMI는 상·하수처리를 하기 위한 공정화면, 각 아날로그 입력값으로 지정한 각 포인트에 대한 트랜드 표시화면, 그리고 이벤트 발생 시 이벤트
저장 및 경보 표시화면 그리고 보고서 화면 등은 기본적으로 포함하고 있다. 필요한 데이터베이스 등 수처리시스템 등이 제공하는 표준적인 기능을 제공하기
위하여 하드웨어는 고성능 산업용 컴퓨터를 사용하였다.
● 자동으로 데이터 수집 및 알람 모니터 등 원격감시 제어가 가능한 HMI 프로그램 탑재
● 그래픽 또는 트렌드를 통한 부하설비의 현재 작동상태 표출
● 설비의 비정상 운전상태시 알람경고 표출
● 제어전원의 전기고장을 중앙감시제어시스템에서 감시, 데이터 관리, 실시간 경보, 예측경보 등 다양한 제어가 가능
● 현장제어반의 고유번호로 고장 판넬 파악 가능
● 선로의 전기고장 예측으로 사전 점검이 가능
대표적인 표시 화면은 그림 2의 공정계측화면, 그림 3의 트랜드 표시화면, 그리고 그림 4의 원격입출력화면이며, 각 화면의 기능은 다음과 같다.
1] 공정계측 화면
● 공정계측 화면이 그래픽화면으로 표시되고 계측데이터 및 동작상태가 표시됨
- Main 화면에서 공정계측으로 접속 시 터치 PC의 화면들을 최대 32개의 화면(현장제어반 1판넬에 마스터제어기 2대 이상인 경우 변동될 수 있음)
- 최대를 기준으로 32개의 화면을 동일하게 볼 수 있도록 설계됨
● 각 설비 제어상태가 그래픽 화면으로 표시됨
● 공정계측 화면이 현장제어반의 입출력 I/O 동작 상태와 일치함
● 중앙제어반에서 설비의 정보를 입력하면 현장제어반의 스마트 HMI 화면에 동일하게 표시됨
2] 트랜드(Trend) 표시화면
● 현장계측 센서로부터 수집된 아날로그 입력 정보가 실시간 및 과거의 경향화면으로 표시됨
그림 2. 공정계측 화면
Fig. 2. Processing Display
● 각 개별의 데이터를 선택하면 선 그래프로 표시됨
● 다양한 형태의 그래프를 실시간으로 보여주며 시간별, 주별, 월별, 년별로 구분하여 조회 가능함
그림 3. 트랜드 표시화면
Fig. 3. Trend Display
3] 원격 입출력 제어 화면
● 중앙감시반에서 디지털 입출력 및 아날로그 입출력을 통해 현장의 센서 계측치, 구동기 상태, 제어반 상태를 감시함
● 프로그램을 통해 원격제어가 가능함
그림 4. 입출력 표시화면
Fig. 4. AD I/O Control Display
2.2 마스터제어기(RCU: Remote Control Unit) 개발
원방감시제어시스템을 구성하는 데는 그림 5와 같은 독립형 현장제어장치가 필요하다. 본 논문에서는 고성능의 ARM 32-Bit CPU를 채택하여 편리하고 효율적인 제어 및 운용이 가능하도록
제어기를 설계하였으며, 다양한 입출력 포인트 구성과 센서타입을 지원하며, LAN/RS-485 통신 포트를 통하여 여러 가지 범용 통신프로토콜을 지원하며
내장 LCD와 키패드를 통하여 별도의 장비없이 직접 감시, 제어 및 설정이 가능하도록 제작하였다.
그래픽 기반의 FBD(Function Block Diagram)를 지원하여 간편하게 설비 제어프로그램 작성이 가능하며, 내장 배터리백업 시계(Real
Time Clock)로 독자적인 스케줄제어 기능을 제공한다. 또한 입출력 포인트는 내장 32포인트(AI:8/AO:8/BI:8/BO:8)를 기본으로
지원하며, 4종류의 확장모듈을 최대 16대까지 연결하여 사용한다.(물리적인 포인트는 160포인트까지, 소프트웨어적인 가상 포인트는 256포인트까지
사용이 가능함)
그림 5. 개발한 마스터제어기
Fig. 5. Developed master control unit
그림 6과 같이 제작된 마스터제어기의 전자파에 대하여 강인함을 입증하기 위하여 전자파적합성을 시행하였다.
그림 6. 마스터제어기의 전자파적합성시험
Fig. 6. EMC Test of master controller
2.3 DC전원 이상감시장치 개발
2.3.1 DC전원 이상감시장치(CDCM) 개발 및 설치 필요성
직류전원 선로에 교류용 차단기를 사용함으로써 직류전원 선로 또는 기기에 이상이 발생할 경우, 교류와 직류의 전기적 특성이 다르므로 자동으로 차단하는
안전장치로서의 구실을 못하고 있다.
그러므로 직류전원 선로에 과부하 또는 직렬아크(접속불량) 또는 병렬아크(합선) 또는 접지아크(누전) 또는 단선 등 결함이 발생할 경우, 보호가 되지
않아 기기손상, 고장확대, 화재발생 등으로 이어지고 있어 직류선로에서 직류전용으로 사용할 수 있는 직류 과부하 겸용 아크차단장치를 그림 7과 같이 개발하여 현장제어반에 설치하여 사용하였다.
그림 7. 개발되어진 DC전원 이상감시장치
Fig. 7. Developed DC Abnormality monitoring device
2.3.2. 개발되어진 DC전원 이상감시장치의 기능
과부하 또는 직렬아크 또는 병렬아크 또는 접지아크가 또는 단선이 발생할 경우 신호의 물리량 변화 즉 전압, 전류, 임펄스의 크기, 발생빈도, 지속시간,
숄더, 변화패턴을 포함하는 신호를 실시간으로 분석하여, 정상파형과 이상파형을 구분함
이상파형으로 판단될 경우 기 설정된 설정 값 보다 클 경우, 직류 선로계통의 결함으로 판단하여 차단
분석부에서 생성된 데이터를 유무선 통신망을 통하여 외부 매체와 통신이 가능
통신으로 연계된 외부 매체에서 직류 전원계통의 건전성을 확보하기 위해 상태감시를 포함한 안전지수 계수화 및 화재예측 지수화 등의 관리가 가능함
직류 과부하 겸용 아크 차단장치 및 제어 방법을 제공함으로써 효율적이고 안정적으로 직류전원의 건전성을 감시할 수 있는 효과가 있음.
3. 현장제어반의 복합이상감시 기술 개발
본 논문에서는 제어전원의 이상 감시기능과 현장제어반 내부의 절연파괴 및 지진에 의한 진동 등 이상상태를 표시해주는 절연열화상태 감시기능을 이용하여
이를 종합적으로 판단하는 재난안전 적합성지수를 산출법을 제안하며, Matlab에서 제공하는 퍼지추론시스템(FIS)으로 시뮬레이션 하였다[4].
3.1 퍼지추론시스템의 적용
퍼지추론시스템을 적용하여 재난안전 적합성지수를 종합적으로 산출하기 위해 제어전원이상 모니터링 장치 및 센서 모듈들을 제작하였으며, 이 장치들로부터
얻어지는 정보를 근거로 알고리즘을 수행한다.
입력변수 : 아크센서, 적외선온도센서 및 진동센서 동작 상태
출력변수 : 무게중심법에 의한 절연건전성 평가지수
각 센서에 대한 입력 멤버쉽함수와 출력에 대한 멤버쉽함수를 결정하기 위한 파라메터는 표 1처럼 결정하였으며, 이에 따른 멤버쉽함수는 그림 8과 같다.
그림 8. Matlab 시뮬레이션 위한 입력 퍼지 멤버쉽함수
Fig. 8. Input membership function for Matlab simulation
표 1 퍼지 입출력 멤버쉽함수를 위한 파라메터
Table 1 Parameters for fuzzy membership function
|
|
Arc
|
Seismic Vibration
|
IR_Temp
|
Insulation_
status
|
|
Small
|
-5, 0, 5
|
0, 0, 256
|
0, 0, 100
|
-5, 0 ,5
|
|
Medium
|
3, 5, 10
|
256, 686, 800
|
80, 100, 150
|
0, 5, 10
|
|
Big
|
5, 30, 30
|
686, 1530, 1530
|
100, 300, 300
|
5, 10, 15
|
3.1.1 퍼지추론시스템을 적용한 재난안전 전조 예측
현장제어반의 전기안전 및 화재로부터 예방진단할 수 있도록 3가지 기능을 인공지능 기법인 퍼지추론시스템에 입력시켜 재난안전 적합성 지수를 종합적으로
판단한다.
● 퍼지추론시스템 및 무게중심법을 이용하여 종합 결과치를 산출하여 표시함.
● 만다니(Mandani) 퍼지추론시스템으로 시뮬레이션하여 알고리즘의 정밀도를 검증한 이후, 퍼지규칙에 따라 자동생성된 소스코드를 활용 프로그램한다.
3.1.2 현장제어반의 절연열화상태 감시기능
측정된 전류 및 각 센서의 데이터를 이용하여 전력과부하, 아크발생, 온도상승 등 각 센서별로 전기안전경보를 발생한다.
그림 9. Matlab 시뮬레이션 위한 출력 퍼지 멤버쉽함수
Fig. 9. Output membership function for Matlab simulation
가속도 및 주기에 따른 진동센서 데이터를 이용하여 지진 발생 시 지진의 강도를 감시하고 그에 대한 데이터를 수치로 표시하며, 일정 규모 이상의 진동을
감지하여 내진경보를 발생하고 있다.
지진에 대비한 진동센서는 판넬 상부에 설치하며, 686gal을 디폴트값으로 설정하였다. 256~800gal을 정상범위로 설정하며, 최대값을 1,530gal로
설정하고 있다.
● %g=9.81cm/sec2
● 6등급(일부 무거운 가구가 움직임) : 6.86 ≤ %g < 14.73
● 7등급(심각한 피해) : 14.73 ≤ %g < 31.66
표 2 적용한 센서값의 범위
Table 2 The range of applied sensors
|
센서
|
계측값
|
표준
|
최소
|
최대
|
|
아크센서
A100
|
아크 카운트
|
5회
|
1회
|
30회
|
|
적외선온도센서
T100
|
적외선온도
(판넬 내부)
|
100℃
|
0℃
|
300℃
|
|
내진센서
V100
|
상부
|
686gal
|
100gal
|
1,530gal
|
3.2 재난안전 적합성 지수 산출법
현장제어반 내부의 비정상적인 아크 방전, 터미널 단자의 급격한 온도상승, 지진으로 인한 진동의 영향 등을 복합적으로 적용하여 재난안전 적합성 지수
결과치를 산출하기 위한 제어로직은 그림 10과 같다.
그림 10. 재난안전 적합성 지수를 산출하기 위한 퍼지추론시스템의 적용
Fig. 10. Applied FIS to obtain disaster safety index
현장제어반의 절연열화상태 감시기능은 DC전원 이상감지장치(CDCM) 출력만 발생 한 경우, 센서만 동작한 경우 그리고 CDCM 출력과 동시에 센서
동작한 경우로 나눌 수 있으며, 각 경우에 따라 재난안전 적합성 지수를 정의한다.
3.2.1 CDCM 출력만 발생한 경우
측정 과부하전류 ≥ 설정값 ⇒ 재난안전 적합성 지수 = 7.0 (과부하전류 경보)
측정 아크전압 ≥ 설정값 ⇒ 재난안전 적합성 지수 = 7.0 (아크 검출경보)
3.2.2 CDCM 출력 없고, 센서만 동작한 경우
재난안전 적합성 지수 = 절연건전성 평가지수(Insulation Status)
3.2.3 CDCM 출력과 동시에 센서 동작한 경우
절연건전성 평가지수 ≤ 정상(5.2) & CDCM 출력(과부하, 아크) ≥ 설정값 인 경우 재난안전 적합성 지수 = 7.00 (경고)
절연건전성 평가지수 ≥ 5.3 & CDCM 출력(과부하, 아크) ≥ 설정값 인 경우
재난안전 적합성 지수 = 10.0 (위험신호 발생 및 전원 차단)
그림 11. 퍼지추론시스템을 적용한 재난안전 적합성지수 산출 알고리즘 흐름도
Fig. 11. Flowchart to obtain disaster safety index using FIS
현장제어반 내부에 센서모듈 및 DC전원 이상감시장치를 개발하여 장착하였으며, 전원 이상 및 판넬 내부의 절연상태를 복합적으로 감시하기 위해 그림 12처럼 재난안전 감시기능을 제공하며, 이를 종합적으로 판단하기 위하여 퍼지추론시스템을 이용하여 재난안전 적합성지수를 산출하여 표시하였다.
그림 12. 재난안전 종합진단화면
Fig. 12. Multi-fault detection display for disaster safety
4. Conclusion
개발제품은 상·하수처리를 하기 위한 공정화면, 각 아날로그 입력값으로 지정한 각 포인트에 대한 트랜드 표시화면, 그리고 이벤트 발생 시 이벤트저장
및 경보 표시화면 그리고 보고서 화면 등은 기본적으로 포함하고 있으며, 현장제어반에 입력되는 제어전원의 품질을 진단 감시하며, 판넬 내부의 절연열화
상태를 감시하여 화재 및 인체 감전을 방지하는 독창적인 기능을 포함하고 있다. 또한 센서값을 입력받아 퍼지추론시스템에서 출력되는 절연건전성지수와 DC전원
이상감시장치 결과값을 가지고 재난안전 종합지수를 산출하여 수처리시스템에 안정적으로 적용하는 방법을 제안하였다.
References
Chun-Hee Woo, “Development of Electric Facilities Diagnostic Controller using Fuzzy
Inference System,” Trans. KIEE, vol. 70P, no.4, pp. 194-200, 2021.
Chun-Hee Woo, Bo-In Lee, Jae-Jong Na, “A study on using the fuzzy inference system
to determine the insulation status of power distribution panels,” KIEE Summer Conference,
7.15-7.17, 2020.
Discharge/Flame Sensor UVTRON, Hamamatsu, pp. 2, UVtron _TPT1034E.pdf
MATLB&Simulink, User's manual, MathWorks, http://kr.math works.com, 2021.
저자소개
1985년 연세대학교 전기공학과 졸업(공학사)
1993년 연세대학교 전기공학과 졸업(공학석사)
2000년 연세대학교 전기공학과 졸업(공학박사)
2005년 영국 Cambridge 대학 박사후연구원
2015년 중국 CCIT 교환교수
1995년~현재 명지전문대학 전기공학과 정교수