네트워크 내장 근접 센서를 이용한 선박 엔진 고장 진단 시스템 설계 및 성능 분석

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 네트워크 내장 근접 센서를 이용한 선박 엔진 고장 진단 시스템을 설계하고 성능을 분석 하였다. 선박 운행 중 동력 기관인 엔진이 정지 하는 상황이 발생하면 큰 인명사고나 해양오염을 야기 할 수 있다. 따라서 선박 엔진의 지속적인 운전으로 인해 발생하는 크랭크샤프트 편향과 베어링의 마모에 대한 관리가 필요하다. 현재의 관리 방법은 4개월 간격으로 작업자가 선박 엔진 내부로 들어가 크랭크샤프트 편향과 베어링의 마모 측정 하는 것이다. 작업자의 안전 문제와 측정 시간동안 엔진을 정지해야 하므로 선박 운행에 지장을 초래하여 금전적 손실이 발생하는 문제가 있었다.
본 연구에서는 네트워크 내장 근접센서와 이를 이용한 선박 엔진 고장 진단 시스템 설계 기법을 제안하고 그 성능을 테스트 베드를 이용해 분석하였다. 네트워크 내장 근접센서는 CANopen 프로토콜을 사용하여 센서의 초기 설정과 측정 데이터를 송/수신 할 수 있게 함으로써 응답시간 지연 없이 비선형성을 크게 감소 시켰다. 선박 엔진 고장 진단 시스템은 크랭크샤프트 편향과 크로스헤드 하사점을 실시간으로 계측하여 유지 보수에 편리함을 주며, MODBUS/TCP 프로토콜을 사용하여 AMS(Alarm Monitering System)와 연동해 선박 엔진에 심각한 고장을 예방 할 수 있다.
제안한 네트워크 내장 근접 센서를 평가하기 위해 1/1000mm 정밀도로 측정물의 가변이 가능한 고정밀 테스트 베드를 사용하여 비선형성을 실측 하였으며, 제안한 선박 엔진 고장 진단 시스템을 평가하기 위해 자기장 변화를 이용한 단위 임펄스 생성 장치를 사용하여 제안한 근접 센서의 응답시간 및 전체 시스템의 응답시간을 실측하였다.
실험 결과 제안한 근접 센서는 모든 금속 및 거리에 대한 비선형성이 0.3% 이내, 응답시간 700uS 이내이며, 제안한 선박 엔진 고장 진단 시스템의 응답 시간은 500mS 이내로 선박 엔진 제어 및 감시용으로 사용하기 충분한 성능을 갖추었다고 평가 된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis proposes a design and performance evaluation for fault detection system of marine engine system by using networked proximity sensor. When the engine is stopped accidently during ship operation, it causes maritime pollution and heavy damages. Therefore, management of crankshaft deflection and bearing wear continuously while engine operating plays a vital role in marine engine system. Conventional method measures crankshaft deflection and bearing wear every 4 month. This does not guarantee safety of the operator and property damage because of engine stopping.
In this thesis, design of network embedded proximity sensor and fault detection system of marine engine system is evaluated performance by test bed.
The network embedded proximity sensor is reduced nonlinearity without increasing response time by using CANopen protocol. The CANopen protocol enables to send initial value and measurement data for sensor.
The fault detection system of marine engine system measures crankshaft deflection and bottom dead center of crosshead in real-time, it allows to maintain comfortability and to prevent serious breakdown in marine engine by interlocking AMS (Alarm Monitoring System).
Evaluation results of proposed network embedded proximity sensor show an efficiency in terms of nonlinearity (within 0.3%) and response time (within 700uS); nonlinearity and response time are measured by 7.5mm of sensing distance for all metals in marine engine.
In addition, proposed fault detection system of marine engine system indicates an enhancement in terms of response time factor (within 500mS), that is measured with sensing distance by maximum 7.5 mm.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 선박 시스템 관련 연구 3
• 2.1 선박 엔진용 근접센서 3
• 2.1.1 유도형 근접센서 3
• 2.1.2 LVDT 센서 5
• 2.2 AMS(Alarm Monitoring System) 7
• 2.3 선박 엔진용 Field Bus 9
• 2.3.1 CAN(Controller Area Network) 9
• 2.3.2 CANopen 프로토콜 14
• 2.3.3 MODBUS 프로토콜 15
• 2.3.4 MODBUS TCP 프로토콜 18
• 2.4 크랭크샤프트의 편향 20
• 2.4.1 다이얼 게이지를 이용한 측정 방법 21
• 2.4.2 원격 측정 장치를 이용한 측정 방법 22
• 2.5 선박 엔진의 베어링 마모 23
• 2.5.1 엔진 분해를 통한 확인 방법 23
• 2.5.2 크로스헤드 하사점 측정을 이용한 방법 24
• 제 3 장 네트워크 내장 근접 센서 설계 25
• 3.1 디지털 신호 처리 방식의 센서 설계 26
• 3.1.1 회로구성 26
• 3.1.2 디지털 신호 처리 28
• 3.2 CANopen 프로토콜의 구현 31
• 3.2.1 프로토콜의 선정 32
• 3.2.2 CANopen 프로토콜 방식 32
• 3.2.3 CANopen 프로토콜의 구현 33
• 제 4 장 선박 엔진 고장 진단 시스템 설계 36
• 4.1 선박 엔진 고장 진단 시스템의 구성 36
• 4.1.1 측정 위치 및 산출 수식 37
• 4.1.2 표시 장치 39
• 제 5 장 성능 평가 및 분석 43
• 5.1 시험 시나리오 43
• 5.2 시험 환경 43
• 5.2.1 네트워크 내장 근접 센서의 비선형성 43
• 5.2.2 선박 엔진 고장 진단 시스템의 응답시간 45
• 5.3 시험 결과 및 분석 47
• 5.3.1 네트워크 내장 근접 센서의 비선형성 47
• 5.3.2 선박 엔진 고장 진단 시스템의 응답시간 48
• 제 6 장 결론 및 향후 연구 50
• [참고 문헌] 51