KR20120027733A - Rotating machinery fault diagnostic method and system using support vector machines - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 진단대상 회전기계의 구성요소들에 설치된 다수의 가속도센서 및 변위센서에 의하여 검출된 신호들이 입력되고, 상기 입력 신호들을 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환 등을 통하여 전처리되며, 상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 특징벡터를 구성하고, 상기 특징벡터와 서포트 벡터 머신 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함으로 분류할 수 있는 회전기계의 결함진단 방법 및 장치에 관한 것이다.According to the present invention, signals detected by a plurality of acceleration sensors and displacement sensors installed in components of a rotating machine to be diagnosed are input, and the input signals are preprocessed through frequency conversion or wavelet conversion, and the like. A method and apparatus for diagnosing a defect of a rotating machine capable of constructing a feature vector from the values and classifying the normal or multiple abnormal defects of the rotating machine from a pre-trained SVM classification model using the feature vector and the support vector machine algorithm. will be.
모터, 펌프, 송풍기, 터빈 등과 같은 회전기계는 설계 특성, 설치 상태, 운전 조건뿐만 아니라 운전연수에 따라 다양한 이상상태를 경험하게 되는데, 특히 질량 불평형에 의한 편심, 정렬불량, 베어링 성능 저하 등에 의해 이상진동이 유발되며 이는 곧 회전기계의 성능 저하 및 수명단축을 가져와 심한 경우에 회전기계가 설치된 발전소 시스템의 정지까지 유발할 수 있다. Rotating machines such as motors, pumps, blowers, turbines, etc. experience various abnormal conditions depending on the design characteristics, installation conditions, operating conditions, as well as the number of years of operation, especially due to eccentricity, misalignment and poor bearing performance due to mass unbalance. Vibration is triggered, which can lead to reduced performance and shortened life of rotating machinery, which can, in severe cases, even shut down power plant systems in which the rotating machinery is installed.
따라서, 주요 회전기계에 대해서는 최적의 성능을 유지시키기 위해 시험, 검사 및 정비를 일정한 주기로 수행하고 있지만 이외에도 예측정비 및 상태진단이 반드시 필요하다. Therefore, in order to maintain optimum performance for major rotating machines, tests, inspections, and maintenance are conducted at regular intervals, but predictive maintenance and condition diagnosis are essential.
일반적으로 회전기계의 진단은 진동, 음향방출 등의 신호 처리 및 분석을 통하여 기기의 상태를 진단한다. 그러나 결함 진단을 위해서는 일정 수준의 전문성과 진단 경험이 요구되며 비전문가가 쉽게 진단할 수 있는 영역은 아니다. 더구나 측정신호만으로 정상 및 결함상태를 구분하기 어려운 경우도 있으므로 일반적으로 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환 등을 통한 신호분석이 추가로 필요하게 된다.In general, the diagnosis of a rotating machine diagnoses the state of the device through signal processing and analysis such as vibration and sound emission. However, fault diagnosis requires a certain level of expertise and diagnostic experience and is not an area that non-experts can easily diagnose. In addition, since it may be difficult to distinguish between normal and defective states only by measuring signals, signal analysis through frequency conversion or wavelet conversion is generally required.
또한, 회전기계 진단을 위해 신호의 평균값 등의 특징데이터를 이용하여 패턴 인식 등의 방법으로 이상을 진단하는 기술도 많이 이용되고 있으나, 정상상태 이외에 한 가지 결함만을 진단하거나 또는 다수의 결함을 진단하는 경우에도 동일한 특징데이터를 이용하는 방법이 사용되고 있다. In addition, there are many techniques for diagnosing abnormalities by using pattern data such as pattern recognition using characteristic data such as signal average values for the diagnosis of rotating machines. Even in this case, a method using the same feature data is used.
종래의 방법에 사용된 패턴 인식 기법은 퍼지, 신경회로망, 또는 K-means 클러스터링 알고리즘을 이용하고 있으나, 이 경우 SVM(Support Vector Machine) 방법이 이진분류 및 일반화 측면에서 훨씬 나은 것으로 알려져 있다. The pattern recognition technique used in the conventional method uses a fuzzy, neural network, or K-means clustering algorithm, but in this case, the SVM (Support Vector Machine) method is known to be much better in terms of binary classification and generalization.
또한, 패턴 인식 기법에 의한 진단결과는 패턴인식 기법 자체의 성능뿐 만 아니라 입력 특징데이터에 의해서도 영향을 받기 때문에 어떠한 특징데이터를 이용하는가도 매우 중요하다.In addition, it is very important to use the feature data because the diagnosis result by the pattern recognition method is influenced not only by the performance of the pattern recognition method itself but also by the input feature data.
본 발명이 해결하려는 과제는 진단대상 회전기계의 구성요소들에 설치된 센서에 의하여 검출된 신호와 이진분류 및 일반화 측면에서 뛰어난 성능을 보이는 SVM 알고리즘을 이용하여, 미리 학습된 하나 또는 다수의 SVM 분류모델과 SVM 분류모델의 최적 특징데이터를 이용하여 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함중의 하나로 분류하여 정상 및 비정상 결함을 쉽게 판단할 수 있도록 하는데 있다. The problem to be solved by the present invention is one or more pre-trained SVM classification model using SVM algorithm that shows excellent performance in terms of binary classification and generalization and the signal detected by the sensors installed in the components of the rotating machine to be diagnosed. And classify one of the normal or abnormal defects of the rotating machine by using the optimal feature data of the SVM classification model.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 측정된 신호로부터 구한 특징 값들로 이루어진 특징벡터 및 SVM 알고리즘을 이용하여 각 결함유형 군에 속하는 결함유형중의 하나로 분류하는 다수의 SVM 분류기로 구성되어 회전기계의 진단을 전문가가 아니더라도 용이하게 진단할 수 있으므로 유지비용을 절감하는데 있다.Another problem to be solved by the present invention consists of a plurality of SVM classifiers that classify one of the defect types belonging to each defect type group by using a feature vector and an SVM algorithm consisting of feature values obtained from the measured signals. Even if you are not an expert, it is easy to diagnose, which is to reduce the maintenance cost.
본 발명의 과제 해결 수단은 진단대상 회전기계의 구성요소들에 설치된 다수의 가속도센서 및 변위센서로부터 각각의 신호를 측정하는 단계와, 측정된 신호들을 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환 등을 통하여 전처리하는 단계와, 상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 특징벡터를 생성하는 단계와, 상기 특징벡터와 SVM 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함으로 진단하는 단계로 이루어진 회전기계의 결함 진단방법을 제공하는데 있다.The problem solving means of the present invention comprises the steps of measuring the respective signals from a plurality of acceleration sensors and displacement sensors installed in the components of the rotating machine to be diagnosed, and preprocessing the measured signals through frequency conversion or wavelet conversion, and the like; And generating a feature vector from the feature values of the preprocessed signals, and diagnosing a normal or multiple abnormal defects of the machine from the pre-trained SVM classification model using the feature vector and the SVM algorithm. To provide a method for diagnosing defects.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 진단대상 회전기계의 구성요소들로부터 신호를 획득하기 위한 다수의 가속도센서 및 변위센서와, 다수의 가속도센서 및 변위센서로 측정된 신호들을 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환 등을 통하여 전처리하는 수단과, 상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 구성된 특징벡터를 획득하는 수단과, 상기 획득한 특징벡터와 SVM 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함으로 진단하는 수단으로 이루어지는 회전기계의 결함 진단장치를 구현하는데 있다.Still another object of the present invention is a plurality of acceleration sensors and displacement sensors for acquiring a signal from the components of the rotating machine to be diagnosed, frequency conversion or wavelet conversion of the signals measured by the plurality of acceleration sensors and displacement sensors Means for preprocessing, means for obtaining a feature vector comprising the feature values of the preprocessed signals, and normal or multiple abnormalities of the rotating machine from the SVM classification model previously learned using the obtained feature vector and SVM algorithm. The present invention provides a defect diagnosis device for a rotating machine comprising means for diagnosing a defect.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 미리 학습된 다수의 SVM 분류모델을 통해서 정상 또는 비정상 결함유형중의 하나로 분류하는 하나의 SVM 분류기로 구성되거나, 상기 비정상 상태로 분류된 경우, 2 또는 3개의 결함유형으로 이루어진 다수의 결함유형군의 하나로 분류하는 SVM 분류기와, 상기 각 결함유형 군으로 분류된 경우에 각 결함유형군에 속하는 결함유형중의 하나로 분류하는 다수의 SVM 분류기로 구성된 회전기계의 결함진단 방법 및 장치를 제공하는데 있다.Another problem solving means of the present invention consists of one SVM classifier classifying one of the normal or abnormal defect types through a plurality of pre-trained SVM classification model, or when classified as the abnormal state, two or three defect types A defect diagnosis method of a rotating machine comprising an SVM classifier classified into one of a plurality of defect type groups, and a plurality of SVM classifiers classified into one of a defect type belonging to each defect type group when classified into each defect type group, and To provide a device.
본 발명은 진단대상 회전기계의 구성요소들에 설치된 센서에 의하여 검출된 신호와 이진분류 및 일반화 측면에서 뛰어난 성능을 보이는 SVM 알고리즘을 이용하여, 미리 학습된 하나 또는 다수의 SVM 분류모델과 SVM 분류모델의 최적 특징데이터를 이용하여 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함중의 하나로 분류하여 정상 및 비정상 결함을 쉽게 판단할 수 있는 유리한 효과가 있다.The present invention utilizes one or more SVM classification models and SVM classification models that have been learned in advance using signals detected by sensors installed in the components of a rotating machine to be diagnosed, and SVM algorithms that exhibit excellent performance in terms of binary classification and generalization. By using the optimal feature data of the classification of one of the normal or abnormal defects of the rotating machine has an advantageous effect that can easily determine the normal and abnormal defects.
본 발명의 또 다른 효과는 측정된 신호로부터 구한 특징 값들로 이루어진 특징벡터 및 SVM 알고리즘을 이용하여 각 결함유형 군에 속하는 결함유형중의 하나로 분류하는 다수의 SVM 분류기로 구성되어 회전기계의 진단을 전문가가 아니더라도 용이하게 진단할 수 있으므로 유지비용을 절감하는데 있다.Another effect of the present invention consists of a plurality of SVM classifiers that classify one of the defect types belonging to each defect type group by using a feature vector and an SVM algorithm consisting of feature values obtained from the measured signals. If not, it can be easily diagnosed, thereby reducing maintenance costs.
도 1은 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 알고리즘을 설명한 도면이다.
도 2는 발명의 진단방법이 적용되는 회전기계의 결함진단 방법의 예를 나타낸 예시도이다.
도 3은 하나의 SVM 분류기를 이용한 SVM 분류모델의 예시도이다.
도 4는 다수의 SVM 분류기를 이용한 SVM 분류모델의 예시도이다.
도 5는 정상 및 비정상 결함이 있는 회전기계 일측에 설치된 센서로부터 검출한 측정데이터를 나타낸 그래프이다.
도 6은 정상상태 및 10개 결함유형을 모사한 회전기계 일측에 설치된 센서로부터 검출한 측정데이터의 특징 값들의 예시도이다.
도 7은 발명에 따른 결함진단 장치 화면의 예를 나타낸 도면이다.
* 주요 도면 부호의 설명 *
10, 11 : 클래스 정보를 가진 데이터
12 : 서포트 벡터
13, 14 :두 개의 클래스를 분류하는 초평면의 예
15 : 입력데이터
20 : 입력신호(측정값)
30 : 특징 추출 및 특징벡터 구성 단계
40 : 최적특징 결정 단계 50 : SVM 학습 단계
60 : 진단대상 입력신호(측정값) 70 : 최적특징 추출 단계
80 : 결함 진단 단계 100 : SVM 분류모델
111, 121~126 : SVM 분류기1 is a diagram illustrating a support vector machine (SVM) algorithm.
2 is an exemplary view showing an example of a defect diagnosis method of a rotary machine to which the diagnostic method of the present invention is applied.
3 is an exemplary diagram of an SVM classification model using one SVM classifier.
4 is an exemplary diagram of an SVM classification model using a plurality of SVM classifiers.
5 is a graph showing measurement data detected from a sensor installed on one side of a rotating machine having normal and abnormal defects.
6 is an exemplary diagram of characteristic values of measurement data detected from a sensor installed on one side of a rotating machine simulating steady state and ten defect types.
7 is a diagram illustrating an example of a defect diagnosis apparatus screen according to the present invention.
Explanation of the Main References
10, 11: data with class information
12: Support Vector
13, 14: hyperplane example to classify two classes
15: input data
20: input signal (measured value)
30: feature extraction and feature vector construction step
40: determining optimal feature 50: SVM learning step
60: input signal for diagnosis (measured value) 70: optimal feature extraction step
80: fault diagnosis step 100: SVM classification model
111, 121 ~ 126: SVM classifier
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다. 본 발명에 따른 회전기계의 결함진단 방법은 진단대상 회전기계의 구성요소들에 설치된 다수의 가속도센서 및 변위센서로부터 각각의 신호를 측정하는 단계와, 측정된 신호들을 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환 등을 통하여 전처리하는 단계를 포함한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Defect diagnosis method of a rotating machine according to the present invention comprises the steps of measuring the respective signals from a plurality of acceleration sensors and displacement sensors installed in the components of the rotating machine to be diagnosed, and through the frequency conversion or wavelet conversion Pretreatment.
또한, 상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 특징벡터를 생성하는 단계와, 상기 특징벡터와 SVM 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함으로 진단하는 단계를 포함한다.The method may further include generating a feature vector from feature values of the preprocessed signals, and diagnosing a normal or multiple abnormal defects of a rotating machine from a pre-trained SVM classification model using the feature vector and the SVM algorithm. .
본 발명에 따른 회전기계의 결함진단 장치는 진단대상 회전기계의 구성요소들로부터 신호를 획득하기 위한 다수의 가속도센서 및 변위센서와, 다수의 가속도센서 및 변위센서로 측정된 신호들을 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환 등을 통하여 전처리하는 수단을 포함한다. The defect diagnosis apparatus of a rotary machine according to the present invention is a frequency conversion or wavelet for the signals measured by a plurality of acceleration sensors and displacement sensors, and a plurality of acceleration sensors and displacement sensors for obtaining signals from the components of the rotary machine to be diagnosed Means for preprocessing through conversion or the like.
또한, 상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 구성된 특징벡터를 획득하는 수단과, 상기 획득한 특징벡터와 SVM 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함으로 진단하는 수단으로 구성되어 있다. 본 발명의 구체적인 실시 예에 대하여 살펴본다.In addition, means for obtaining a feature vector consisting of the feature values of the pre-processed signals, and means for diagnosing the normal or multiple abnormal defects of the rotating machine from the previously learned SVM classification model using the obtained feature vector and SVM algorithm It consists of. It looks at a specific embodiment of the present invention.
<실시 예><Examples>
<실시 예 1>≪ Example 1 >
본 발명에 따른 실시 예1을 도면에 기초하여 살펴본다. 실시 예1은 본 발명에 따른 회전기계의 결함 진단방법에 관한 것이다. 도 1은 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM) 알고리즘을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 진단방법이 적용되는 회전기계의 결함진단 방법의 하나의 예를 도시한 것이다.A first embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
본 발명에 따른 회전기계의 결함진단 방법은 진단대상 회전기계의 구성요소들에 설치된 다수의 가속도센서 및 변위센서로부터 각각의 신호를 측정하는 단계와, 측정된 신호들을 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환 등을 통하여 전처리하는 단계를 포함한다.Defect diagnosis method of a rotating machine according to the present invention comprises the steps of measuring the respective signals from a plurality of acceleration sensors and displacement sensors installed in the components of the rotating machine to be diagnosed, and through the frequency conversion or wavelet conversion Pretreatment.
또한, 상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 특징벡터를 생성하는 단계와, 상기 특징벡터와 SVM 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함으로 진단하는 단계를 포함한다.The method may further include generating a feature vector from feature values of the preprocessed signals, and diagnosing a normal or multiple abnormal defects of a rotating machine from a pre-trained SVM classification model using the feature vector and the SVM algorithm. .
상기 본 발명에 따른 각각의 기술적 구성에 대하여 구체적으로 살펴본다. Each technical configuration according to the present invention will be described in detail.
도1은 SVM을 이용하여 두 개의 클래스로 분류하는 개념을 나타낸 것으로, 두 개의 클래스(10, 11)를 구분할 수 있는 초평면은 도 1에 도시된 초평면(13,14)외에도 많으나 최대 마진을 갖는 초평면(14)은 유일하다. FIG. 1 illustrates the concept of classifying into two classes using SVMs. The hyperplane capable of distinguishing the two
기본적으로, SVM은 이진분류 문제를 다루며 서포트 벡터(Support Vector) (12)로 정의되는 초평면(14)으로 두 개의 클래스(10, 11)로 구분한다. 여기서 각 클래스에 속한 데이터 중 경계와 가장 인접한 데이터가 서포트 벡터(12)가 된다. Basically, SVM deals with the binary classification problem and is divided into two classes (10, 11) with a
클래스를 알고 있는 학습데이터(10,11)를 이용하여 서포트 벡터(12)가 결정되면 서포트 벡터(12)를 제외한 나머지 데이터들은 더 이상 이용되지 않고 클래스를 모르는 데이터(15)는 서포트 벡터(12) 정보로 구성된 초평면(14)을 이용하여 분류하게 된다. When the
입력공간이 선형적으로 쉽게 분리될 수 없는 비선형 입력공간의 데이터는 커널(kernel) 함수를 이용하여 고차원의 특징공간으로 변환함으로써 선형화하는 방법을 이용한다. 일반적으로 사용되는 커널 함수로는 RBF 커널, polynomial 커널, linear 커널, sigmoid 함수 중에서 하나를 선택하여 이용할 수 있다.Nonlinear input space data that cannot be easily separated linearly is linearized by converting the data into a high-dimensional feature space using a kernel function. Commonly used kernel functions include one of RBF kernel, polynomial kernel, linear kernel, and sigmoid function.
도 2는 SVM을 이용하여 결함을 진단하는 과정을 하나의 실시 예로 도시한 것이다. 2 illustrates an example of diagnosing a defect using an SVM.
도 2에서, 결함정보를 가진 입력신호(20)로부터 결함정보의 특징을 연산하여 추출한 뒤, 해당 결함정보의 클래스와 추출한 결함정보의 특징으로 구성된 특징벡터를 생성하는 단계(30)를 포함한다. In FIG. 2, a
정상상태를 포함한 11가지 결함유형의 클래스 중의 하나로 분류하는 SVM 분류모델(100)과 상기 구성된 특징벡터를 입력으로 하여 SVM 분류모델(100)에 대하여 최적특징을 결정하는 단계(40)를 거친다. The
최적특징과 결함유형 정보로 구성된 최적 특징벡터와 SVM 알고리즘을 이용하여 학습하는 단계(50)를 거치게 되면, 도 1에 나타낸 최적 초평면(14)에 해당하는 정보를 이용한 SVM 분류기를 구현할 수 있다. After the
본 발명에 따라 구현된 SVM 분류기는 SVM 분류기의 데이터베이스 또는 메모리에 저장된 정상상태 및 다양한 결합종류의 결함상태에 대한 최적 특징정보(40)를 이용하여 회전기계의 구성요소에 설치된 센서에서 검출된 신호(60)로부터 최적특징 정보를 추출하여 최적특징벡터를 구하면(70) 최적특징벡터를 입력자료로 하여 SVM 분류기로부터 회전기계의 정상 여부 및 결함을 진단(80)할 수 있다.The SVM classifier implemented in accordance with the present invention utilizes the signal detected by the sensor installed in the components of the rotating machine by using the optimal
도 3과 도 4를 참조하여 SVM 분류모델(100)에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 3은 하나의 SVM 분류기(111)로부터 정상상태(C1)와 비정상상태의 10개 결함유형(C2내지 C11), 즉 11개 클래스 중의 하나로 분류하는 SVM 분류모델의 예를 나타낸 것이다. The
도 3에서, 비정상상태의 10개 결함유형은 회전자 질량 불평형(C2), 베어링 내륜결함(C3), 베어링 외륜결함(C4), 베어링 볼결함(C5), 회전자 접촉마모유형1(C6), 회전자 접촉마모유형2(C7), 회전차축 굽힘(C8), 회전자축 균열(C9), 베어링하우징 풀림(C10) 및 커플링 결함(C11)으로 구성된다. In Fig. 3, the ten defect types in an abnormal state are rotor mass unbalance (C2), bearing inner ring defect (C3), bearing outer ring defect (C4), bearing ball defect (C5), rotor contact wear type 1 (C6). , Rotor contact wear type 2 (C7), rotor axle bending (C8), rotor shaft crack (C9), bearing housing loosening (C10) and coupling defect (C11).
최적특징은 11개 클래스의 특징 값의 차이가 최대이고, 동일 클래스 내 특징 값의 차이는 최소가 되는 방법으로 결정된다.The optimal feature is determined in such a way that the difference between the feature values of 11 classes is the maximum and the difference between the feature values in the same class is the minimum.
도 4는 정상상태를 포함한 11개 클래스(C1내지 C11)에 대하여 총 6개의 SVM 분류기로부터 11개 클래스(C1내지 C11) 중의 하나로 분류하는 SVM 분류모델의 또 다른 실시 예를 나타낸 것이다. 4 illustrates another embodiment of an SVM classification model for classifying one of eleven classes (C1 to C11) from a total of six SVM classifiers for eleven classes (C1 to C11) including a steady state.
SVM1 분류기(121)는 정상상태(C1)와 비정상상태(C2내지 C11)를 분류하고, 비정상상태로 분류된 SVM2 분류기(122)에 의하여 4개의 결함유형 군의 하나로 분류된다. 즉, {C2, C10, C11}, {C3, C4, C5}, {C6, C7}, {C8, C9} 중의 하나의 결함유형으로 분류하고, 분류결과에 따라 SVM3 분류기(123), SVM4 분류기(124), SVM5 분류기(125), SVM6 분류기(126) 중의 하나로 판단 선택하여 최종적으로 해당 결함유형 군에 속한 결함유형 중의 하나로 진단하도록 구성되어 있다. The
여기서, 4개의 결함유형군은 하나의 예로 제시한 것이며, 앞서 제시한 방법을 응용하여 다양한 방법으로 구분하여 SVM 분류 모델(100)을 구성할 수 있다. Here, the four defect type groups are presented as an example, and the
상기 SVM 분류모델(100) 구성 시에 최적특징은 앞서 기술한 바와 동일하게 각각의 SVM 분류기의 분류대상 결함유형 클래스의 특징 값의 차이가 최대이고, 동일 클래스 내 특징 값의 차이는 최소가 되는 방법으로 각각 결정된다.In the
도 5는 정상상태(C1) 및 4가지 결함유형(C2, C3, C4, C8)이 있는 회전기계의 결함을 모사한 실험 장치로부터 취득한 진동신호의 예이다. 5 is an example of a vibration signal obtained from an experimental apparatus that simulates a defect of a rotating machine having a steady state C1 and four defect types C2, C3, C4, and C8.
각 결함유형별로 총 5회(D1, D2, D3, D4, D5로 표기)를 측정하였고 정상상태 외에 실험 장치를 통해 모사한 결함유형은 앞서 기술한 질량 불평형(C2), 베어링 내륜결함(C3), 베어링 외륜결함(C4), 베어링 볼결함(C5), 회전자 접촉마모유형1(C6), 회전자 접촉마모유형2(C7), 회전차축 굽힘(C8), 회전자축 균열(C9), 베어링하우징 풀림(C10) 및 커플링 결함(C11)까지 모두 10가지이다. Each defect type was measured 5 times (marked as D1, D2, D3, D4, D5), and the defect types simulated by the experimental apparatus in addition to the normal state were described above as mass unbalance (C2) and bearing inner ring defect (C3). , Bearing outer ring defect (C4), bearing ball defect (C5), rotor contact wear type 1 (C6), rotor contact wear type 2 (C7), rotor axle bending (C8), rotor shaft crack (C9), bearing There are 10 types of housing loosening C10 and coupling defect C11.
도 6은 취득한 진동신호를 입력으로 하여 11개 클래스에 대한 특징데이터의 하나의 예를 그래프로 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 실시 예1에서는 측정신호의 평균값, RMS, 왜도, 첨도, 최대 첨두치, 5차에서 9차까지의 중심 모멘트(central moment), 절대평균, 크레스트 요소(crest factor), 형상계수, 임펄스 요소(impulse factor), 클리어런스 요소(clearance factor), 엔트로피(entropy), 변형된 엔트로피(modified entropy), 평균값을 표준편차로 나눈 값 등 18가지로 특징을 가진 신호를 추출하였다. 6 is a graph showing one example of feature data for eleven classes with the acquired vibration signal as an input. In Example 1 according to the present invention, the average value of the measurement signal, RMS, skewness, kurtosis, maximum peak value, 5th to 9th order central moment, absolute mean, crest factor, shape factor Signals with 18 characteristics were extracted: impulse factor, clearance factor, entropy, modified entropy, and mean value divided by standard deviation.
도 6에서, 총 측정회수 5번의 측정 자료(D1~ D5로 표기)는 각각 9,500개의 샘플데이터로 구성된 20개의 신호로 등분하고 등분된 신호로부터 각각 18개의 특징을 가진 신호(도 6의 특징번호 1내지 18)를 추출하였다. In Fig. 6, the measurement data (denoted as D1 to D5) of the total number of times of measurement is divided into 20 signals each consisting of 9,500 sample data, each having 18 characteristics from the equalized signal (feature
도 6에서, 가로축의 숫자는 각각의 결함유형을 의미하며, 1 이 정상상태(C1)이다. 도 6을 살펴보면, 1, 2, 11, 17, 18번 특징들이 비교적 각 결함유형을 잘 구분하고 있으며, 도6의 3내지 9번 특징은 3번 결함(C3)을 다른 결함으로부터 비교적 잘 구분하나 3번 결함(C3)을 제외한 다른 결함들에 대해서는 특징의 차이가 없음을 알 수 있다. 따라서 11개 결함유형을 분류하기 위하여 3내지 9 특징만을 이용할 경우에 좋은 SVM 분류기의 성능을 기대하기 어렵다.In Fig. 6, the number on the horizontal axis means each defect type, and 1 is the steady state C1. Referring to FIG. 6, features 1, 2, 11, 17, and 18 relatively distinguish each defect type, and features 3 to 9 of FIG. 6 distinguish
표 1은 도 3의 SVM 분류기와 도 4의 6개 SVM 분류기에 대하여 5개 최적특징번호를 예시로 나타낸 것이다. 여기서 D1내지 D5는 특징데이터 집합이다.Table 1 shows five optimal feature numbers for the SVM classifier of FIG. 3 and the six SVM classifiers of FIG. 4. Where D1 to D5 are feature data sets.
표 1을 살펴보면, 각각의 SVM 분류기에 대한 5개 최적특징번호가 각각 다름을 확인할 수 있으며, 도 3의 SVM 분류기의 5개 최적특징번호와도 차이가 있음을 알 수 있다.Looking at Table 1, it can be seen that the five optimal feature numbers for each SVM classifier are different, and it can be seen that there are also differences from the five optimal feature numbers of the SVM classifier of FIG. 3.
각 결함유형별로 측정한 5회의 데이터(D1내지 D5)를 이용하여 도 3, 4에 나타낸 SVM 분류모델에 따른 결함진단을 수행하였다. 5개 신호에 대하여 220 × 18 특징데이터 집합을 각각 이용하여(D1내지 D5) SVM 분류기들을 학습하였고, D1내지 D5에 대하여 학습에 이용되지 않은 4 개의 신호를 이용하여 220 × 18 특징데이터 집합을 검증하였다. Defect diagnosis was performed according to the SVM classification model shown in FIGS. 3 and 4 by using five data (D1 to D5) measured for each defect type. The SVM classifiers were trained using the 220 × 18 feature data sets for each of the five signals (D1 to D5), and the 220 × 18 feature data sets were verified using four signals that were not used for learning for D1 to D5. It was.
예를 들어, 표1에서 D3 가 학습용 입력 데이터로 이용되었을 경우에 검증용 데이터는 D1, D2, D4, D5가 된다. 도 3의 SVM 분류기에 따라 11개 클래스에 대한 분류 결과를 표 2 에 나타내었고, 도 4의 SVM 분류기들을 이용한 결과는 표 3에 나타내었다. For example, in Table 1, when D3 is used as training input data, the verification data is D1, D2, D4, and D5. The classification results for 11 classes according to the SVM classifier of FIG. 3 are shown in Table 2, and the results using the SVM classifiers of FIG. 4 are shown in Table 3. FIG.
표 2와 3에서, 특징의 수가 1이고, 학습용 특징데이터 집합이 D1인 경우에 도 3의 SVM 분류기를 이용한 경우 도6의 1번 특징이 이용되었고, 도 4의 6개 SVM 분류기들을 이용한 경우에 각각 도6의 18, 17, 1, 11, 1, 17번 특징이 이용되었음을 의미한다. 5 개까지의 최적특징번호는 표 1에 나타나 있다.In Tables 2 and 3, when the number of features is 1 and the learning feature data set is D1, the
표 2와 표 3을 보면, 결함유형별 최적 특징 데이터의 수를 1개만 이용하는 경우, 도 3의 SVM 분류기는 D1을 예외로 하여도 59.2%의 최저 분류 성능을 보여주고 있으나, 도 4의 SVM 분류기를 이용할 경우 63.8% 이상의 분류성능을 보여주고 있다. In Tables 2 and 3, when only one optimal feature data for each defect type is used, the SVM classifier of FIG. 3 shows the lowest classification performance of 59.2% with the exception of D1. However, the SVM classifier of FIG. When used, it shows more than 63.8% classification performance.
입력 특징데이터의 수가 3 또는 5인 경우에 D1을 학습데이터로 이용할 경우를 제외하고는 도 3의 SVM 분류기를 이용한 경우가 더 나은 분류성능을 보여주고 있으나, 입력 특징데이터의 수가 10 개인 경우에는 도 4의 SVM 분류기를 이용한 경우가 더 좋은 결과를 보여주고 있다.When the number of input feature data is 3 or 5, except that D1 is used as learning data, the classification performance of the SVM classifier of FIG. 3 is better. However, when the number of input feature data is 10, FIG. Using the SVM classifier of 4 gives better results.
표 4에 나타낸 도 3의 SVM 분류모델로 측정한 학습시간에 대한 도 4의 SVM 분류모델로 측정한 학습시간을 서로 대비해 보면, 두 경우 모두 특징데이터 수에 따른 학습시간의 차이는 거의 없었다. In comparison with the learning time measured by the SVM classification model of FIG. 4 with respect to the learning time measured by the SVM classification model of FIG. 3 shown in Table 4, in both cases, there was almost no difference in learning time according to the number of feature data.
도 4의 SVM 분류모델로 측정한 학습시간이 도 3의 SVM 분류모델로 측정한 학습시간의 비율이 60내지 70% 정도로 짧은 것으로 나타나므로 도 4의 SVM 분류모델로 측정할 경우에 짧은 학습시간으로 유사한 분류 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.Since the learning time measured by the SVM classification model of FIG. 4 is short as 60 to 70%, the learning time measured by the SVM classification model of FIG. 3 is short. It can be seen that similar classification performance can be obtained.
도 7은 본 발명에 따른 결함 진단시스템 화면의 하나의 실시 예를 나타낸 것으로, 도 7의 ①과 같이 SVM 분류기에 대한 간략 정보를 표시하도록 구성하며, 도 7의 ②와 같이 센서의 종류와 센서 신호로부터 추출한 특징 및 특징의 수 등을 표시하도록 하고, 도 7의 ③과 같이 결함진단 결과를 결함유형별로 시각적으로 나타낼 수 있다. FIG. 7 illustrates an embodiment of a screen for diagnosing a defect in accordance with the present invention, and is configured to display brief information on an SVM classifier as in ① of FIG. From the features and the number of features extracted from the display, such as (3) of Figure 7 can be visually represented by the defect diagnosis results for each defect type.
또한, 도 7의 ④와 같이 진단을 위한 입력신호를 읽고 진단을 수행하며, 진단결과를 저장하는 등의 제어를 할 수 있도록 구성할 수 있다.In addition, as shown in ④ of FIG. 7, an input signal for diagnosis can be read, a diagnosis can be performed, and a control such as storing a diagnosis result can be configured.
<실시 예 2><Example 2>
본 발명에 따른 실시 예2에 대하여 살펴본다. 실시 예2는 본 발명에 따른 회전기계의 결함진단 장치에 관한 것이다. It looks at Example 2 according to the present invention.
본 발명에 따른 회전기계의 결함진단 장치는 상기 실시 예1의 회전기계의 결함진단 방법을 수행할 수 있도록 구현된 것으로, 회전기계의 결함진단 방법을 수행하기 위한 프로그램이 탑재되어 있다. The defect diagnosis apparatus of the rotary machine according to the present invention is implemented to perform the defect diagnosis method of the rotary machine of the first embodiment, and a program for carrying out the defect diagnosis method of the rotary machine is mounted.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 회전기계의 결함진단 장치는 진단대상 회전기계의 구성요소들로부터 신호를 획득하기 위하여 회전기계의 일측에 설치된 다수의 가속도센서 및 변위센서와, 다수의 가속도센서 및 변위센서로 측정된 신호들을 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환 등을 통하여 전처리하는 수단을 구비하고 있다.More specifically, the defect diagnosis apparatus of the rotary machine according to the present invention is a plurality of acceleration sensors and displacement sensors, one of the acceleration sensor and displacement sensors installed on one side of the rotary machine to obtain a signal from the components of the rotary machine to be diagnosed Means for preprocessing the signals measured by the sensor through frequency conversion or wavelet conversion, and the like.
또한, 실시 예2는 상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 구성된 특징벡터를 획득하는 수단과, 상기 획득한 특징벡터와 SVM 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함으로 진단하는 수단으로 구성되어 있다.In addition, Example 2 includes a means for obtaining a feature vector consisting of feature values of the preprocessed signals, and the normal or multiple abnormal defects of the rotating machine from the SVM classification model previously learned using the obtained feature vector and the SVM algorithm. It consists of means for diagnosing.
실시 예 1로부터 기술된 기술적 구성에 대하여서는 반복 설명을 피하기 위하여 실시 예2에서 이에 대한 기재를 생략한다. For the technical configuration described in
이상 설명한 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것으로 본 발명의 보호범위가 상기 실시 예에 의하여 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 다양한 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.Embodiments of the present invention described above have been given specific examples for clarity of understanding, and the scope of protection of the present invention is not limited to the above embodiments, and various other modifications based on the technical spirit of the present invention are possible. It will be apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains.
본 발명은 진단대상 회전기계의 구성요소들에 설치된 다수의 가속도센서 및 변위센서에 의하여 검출된 신호들이 입력되고, 상기 입력 신호들을 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환 등을 통하여 전처리되며, 상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 특징벡터를 구성하고, 상기 특징벡터와 서포트 벡터 머신 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함으로 분류할 수 있는 회전기계의 결함진단 방법 및 장치를 제공하여 회전기계의 진단 전문가가 아니더라도 회전기계의 정상상태 및 비정상 결함의 유형 정보를 쉽게 판단할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.According to the present invention, signals detected by a plurality of acceleration sensors and displacement sensors installed in components of a rotating machine to be diagnosed are input, and the input signals are preprocessed through frequency conversion or wavelet conversion, and the like. A method and apparatus for diagnosing a defect of a rotating machine capable of classifying a feature vector with values and classifying the normal or multiple abnormal defects of the rotating machine from a pre-trained SVM classification model using the feature vector and the support vector machine algorithm. Therefore, even if you are not an expert in diagnosis of rotating machine, it is easy to determine the steady state and abnormal type of defect information of rotating machine.
Claims (14)
진단대상 회전기계의 구성요소들에 설치된 다수의 가속도센서 및 변위센서에 의하여 신호를 측정하는 단계;
상기 측정된 신호들을 특징 값을 구하기 위하여 전처리하는 단계;
상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 특징벡터를 생성하는 단계; 및
상기 특징벡터와 SVM 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 상태 또는 다수의 비정상 결함으로 진단하는 단계로 이루어지는 회전기계의 결함 진단방법.In the fault diagnosis method of the rotating machine,
Measuring a signal by a plurality of acceleration sensors and displacement sensors installed on the components of the rotating machine to be diagnosed;
Preprocessing the measured signals to obtain a feature value;
Generating a feature vector from feature values of the preprocessed signals; And
And diagnosing a steady state or a plurality of abnormal defects of the rotating machine from the previously learned SVM classification model using the feature vector and the SVM algorithm.
상기 미리 학습된 SVM 분류모델은 정상 상태 또는 비정상 결함유형 중의 하나로 판단 분류하는 하나의 SVM 분류기로 구성된 것을 특징으로 하는 회전기계의 결함 진단방법The method according to claim 1,
The pre-learned SVM classification model is a fault diagnosis method of a rotating machine, characterized in that it is composed of one SVM classifier that is classified as one of the normal state or abnormal defect type.
상기 다수의 비정상 결함에는 회전자 질량 불평형(C2), 베어링 내륜결함(C3), 베어링 외륜결함(C4), 베어링 볼결함(C5), 회전자 접촉마모유형1(C6), 회전자 접촉마모유형2(C7), 회전차축 굽힘(C8), 회전자축 균열(C9), 베어링하우징 풀림(C10) 및 커플링 결함(C11)으로 구성됨을 특징으로 하는 회전기계의 결함 진단방법.The method according to claim 1,
The abnormal abnormality includes rotor mass unbalance (C2), bearing inner ring defect (C3), bearing outer ring defect (C4), bearing ball defect (C5), rotor contact wear type 1 (C6), rotor contact wear type 2 (C7), rotary axle bending (C8), rotor shaft crack (C9), bearing housing loosening (C10) and coupling defect (C11).
상기 C2내지 C11을 결함 유형별로 {C2, C10, C11}, {C3, C4, C5}, {C6, C7}, {C8, C9}로 4가지 결함유형 군으로 분류하고, 분류된 결함유형 중의 하나로 진단함을 특징으로 하는 회전기계의 결함 진단방법.The method according to claim 3,
The C2 to C11 are classified into four types of defect types by {C2, C10, C11}, {C3, C4, C5}, {C6, C7}, and {C8, C9} according to defect types, and among the classified defect types. Method for diagnosing faults of rotating machines, characterized by diagnosing one.
상기 신호의 특징 값 추출은 측정신호의 평균값, RMS, 왜도, 첨도, 최대 첨두치, 5차에서 9차까지의 중심 모멘트, 절대평균, 크레스트 요소, 형상계수, 임펄스 요소, 클리어런스 요소, 엔트로피, 변형된 엔트로피, 평균값을 표준편차로 나눈 값 중 하나를 선택하여 추출함을 특징으로 하는 회전기계의 결함 진단방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The feature value extraction of the signal includes the average value of the measured signal, RMS, skewness, kurtosis, maximum peak value, center moments from 5th to 9th order, absolute mean, crest element, shape factor, impulse element, clearance element, entropy, A method for diagnosing defects of a rotating machine, characterized in that it extracts by selecting one of the modified entropy and the mean divided by the standard deviation.
상기 전 처리 단계는 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환을 통하여 이루어짐을 특징으로 하는 회전기계의 결함 진단방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the pre-processing step is a fault diagnosis method of a rotating machine, characterized in that through the frequency conversion or wavelet conversion.
상기 SVM 분류모델에 이용되는 최적 특징벡터는 회전기계의 분류대상 결함유형 또는 결함유형군별로 특징 값의 차이가 최대이고, 동일 결함유형 또는 결함유형군 내 특징 값의 차이는 최소가 되는 방법으로 결정됨을 특징으로 하는 회전기계의 결함 진단방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The optimal feature vector used in the SVM classification model is determined in such a way that the difference in feature values for each classification of defect types or types of defects of a rotating machine is maximum, and the difference in feature values in the same type of defect type or defect type group is minimized. Defect diagnosis method of the rotating machine, characterized in that.
진단대상 회전기계의 구성요소들로부터 신호를 획득하기 위한 다수의 가속도센서 및 변위센서;
상기 다수의 가속도센서 및 변위센서로 측정된 신호들을 전처리하는 수단;
상기 전처리된 신호들의 특징 값들로 구성된 특징벡터를 획득하는 수단; 및
상기 획득한 특징벡터와 SVM 알고리즘을 이용하여 미리 학습된 SVM 분류모델로부터 회전기계의 정상 또는 다수의 비정상 결함으로 진단하는 수단으로 이루진 회전기계의 결함진단 장치.In the defect diagnosis device of the rotating machine,
A plurality of acceleration sensors and displacement sensors for obtaining signals from components of the rotating machine to be diagnosed;
Means for preprocessing signals measured by the plurality of acceleration sensors and displacement sensors;
Means for obtaining a feature vector consisting of feature values of the preprocessed signals; And
And a means for diagnosing a normal or a plurality of abnormal defects of the rotating machine from the SVM classification model previously learned using the obtained feature vector and the SVM algorithm.
상기 미리 학습된 SVM 분류모델은 정상 상태 또는 비정상 결함유형중의 하나의 유형으로 판단 분류하는 하나의 SVM 분류기로 구성된 것을 특징으로 하는 회전기계의 결함진단 장치.The method according to claim 8,
The pre-learned SVM classification model is a fault diagnosis apparatus of a rotating machine, characterized in that it consists of one SVM classifier for classifying the classification as one of the steady state or abnormal defect types.
상기 다수의 비정상 결함에는 회전자 질량 불평형(C2), 베어링 내륜결함(C3), 베어링 외륜결함(C4), 베어링 볼결함(C5), 회전자 접촉마모유형1(C6), 회전자 접촉마모유형2(C7), 회전차축 굽힘(C8), 회전자축 균열(C9), 베어링하우징 풀림(C10) 및 커플링 결함(C11)으로 구성됨을 특징으로 하는 회전기계의 결함진단 장치.The method according to claim 8,
The abnormal abnormality includes rotor mass unbalance (C2), bearing inner ring defect (C3), bearing outer ring defect (C4), bearing ball defect (C5), rotor contact wear type 1 (C6), rotor contact wear type 2 (C7), rotary axle bending (C8), rotor shaft crack (C9), bearing housing loosening (C10) and coupling defect (C11).
상기 C2내지 C11을 결함 유형별로 {C2, C10, C11}, {C3, C4, C5}, {C6, C7}, {C8, C9}로 4가지 결함유형 군으로 분류하고, 분류된 결함유형 중의 하나로 진단하도록 구성됨을 특징으로 하는 회전기계의 결함진단 장치.The method according to claim 10,
The C2 to C11 are classified into four types of defect types by {C2, C10, C11}, {C3, C4, C5}, {C6, C7}, and {C8, C9} according to defect types, and among the classified defect types. A fault diagnosis device for a rotating machine, characterized in that configured to diagnose as one.
상기 신호의 특징 값 추출은 측정신호의 평균값, RMS, 왜도, 첨도, 최대 첨두치, 5차에서 9차까지의 중심 모멘트, 절대평균, 크레스트 요소, 형상계수, 임펄스 요소, 클리어런스 요소, 엔트로피, 변형된 엔트로피, 평균값을 표준편차로 나눈 값 중 하나를 선택하여 추출됨을 특징으로 하는 회전기계의 결함 진단장치.The method according to any one of claims 8 to 11,
The feature value extraction of the signal includes the average value of the measured signal, RMS, skewness, kurtosis, maximum peak value, center moments from 5th to 9th order, absolute mean, crest element, shape factor, impulse element, clearance element, entropy, A device for diagnosing defects of rotating machines, characterized in that it is extracted by selecting one of the modified entropy and the mean value divided by the standard deviation.
상기 전 처리 단계는 주파수 변환 또는 웨이블렛 변환을 통하여 이루어짐을 특징으로 하는 회전기계의 결함 진단장치.The method according to any one of claims 8 to 11,
The pre-processing step is a fault diagnosis apparatus for a rotating machine, characterized in that the frequency conversion or through the wavelet conversion.
상기 SVM 분류모델에 이용되는 최적 특징벡터는 회전기계의 분류대상 결함유형 또는 결함유형군별로 특징 값의 차이가 최대이고, 동일 결함유형 또는 결함유형군 내 특징 값의 차이는 최소가 되는 방법으로 결정됨을 특징으로 하는 회전기계의 결함 진단장치.The method according to any one of claims 8 to 11,
The optimal feature vector used in the SVM classification model is determined in such a way that the difference in feature values for each classification of defect types or types of defects of a rotating machine is maximum, and the difference in feature values in the same type of defect type or defect type group is minimized. Defect diagnosis device of the rotating machine, characterized in that.
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