A Study on Development of Industrial Engine Monitoring System Using Smart Phone Application

http://dx.doi.org/10.7839/ksfc.2013.10.2.007

스마트폰 앱을 이용한 산업용 엔진의 모니터링 시스템 개발에 관한 연구 A Study on Development of Industrial Engine Monitoring System

Using Smart Phone Application

정찬세

․김용석

․정영만

․고주현

․정광식

․이효성

․양순용

C. S. Jeong, Y. S. Kim, Y. M. Jeong, J. H. Kho, K. S. Jeong, H. S. Lee and S. Y. Yang

Received: 14 May 2013, Accepted: 27 May 2013

Key Words：Monitoring System(모니터링 시스템), Engine Monitoring(엔진감시), Remote Terminal Unit(중계기), Master Control Unit(수신기), Smart Phone Monitoring System(스마트폰 감시시스템)

Abstract: In this study, a wire/wireless communication system transmitting the operation data of engine from the ER (Engine Room) to the engine controller of ECR(Engine Control Room) has been developed through the communication of ISM(Industrial Science Medical) Band for the test operation environment improvement of medium speed engine. This wire/wireless communication system is composed of the RTU (Remote Terminal Unit) gathering and transmitting engine data as well as the MCU (Master Control Unit) receiving engine status information from the RTU to be sent to the engine controller (PLC). Through this study, a trial product of RTU and MCU has been manufactured. A test bench that has made temperature, pressure and pick-up sensor into a module for the local test of prototype was produced a test bench. In addition, at the same time save the data to a Web server and the smart phone real-time monitoring system has been developed using Wi-Fi communications. The ultimate objective of this study is to develop a wireless smart phone monitoring system of engine for the operator of engine to be able to monitor and control engine status even from the outside of engine room and control room based on this study.

* Corresponding author: soonyy@ulsan.ac.kr

1 Department Mechanical Automotive Engineering Graduate school of University of Ulsan, Ulsan 680-749, Korea

2 Department of Mechanical Engineering, The University of Ulsan, Korea

3 Institute of e-vehicle Technology, Graduate school of University of Ulsan, Ulsan 680-749, Korea

4 High Quality Company, Ulsan 681-802, Korea Copyright Ⓒ 2013, KSFC

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1. 서 론

중저속(중대형)엔진은 운전에 필요한 냉각수(청수 및 해수), 연료(F·O), 윤활유(L·O) 등의 공급과 유량, 온도, 압력 등의 운전조건을 맞추기 위해 보조기기를 갖추고 있다. 엔진의 상시운전 중에는 보조기기로부

터 공급되는 운전요소의 조건들을 엔진의 입구와 출 구의 상태를 감시하여 엔진의 비정상적 운전을 예측 하고 대비하게 된다. 또한 엔진의 실린더, 배기가스, 연소공기 등의 온도 및 유압시스템 등의 압력을 감시 하여 정상운전과 비정상운전을 판단하게 된다. 엔진 운전 데이터의 모니터링은 시운전에서부터 현장에 설 치되어 상시운전에 이르기까지 필수적이다.

엔진의 모니터링에 대한 연구는 여러 분야에서 진 행되어 왔다. 기자영 외 3명은 가스터빈 엔진 정비 의사결정 지원시스템에 대하여 연구하였으며 공창덕 외 4명은 가스터빈 엔진의 상태 모니터링 및 진단에 관하여 연구하였다.

자동차 분야에서는 전경주 외 3명이 LPG 엔진오일

열화도 모니터링을 통한 엔진마모도 연를 수행하였으

며 윤성하 외 2명은 차세대 자동차 통합스마트 모니

터 시스템에 대하여 연구하였다.

또한 엔진의 간접

적인 모니터링 방법으로 윤전경주 외 1명은 윤활유

분석을 통한 엔진 열화 모니터링 방법에 대하여 연구 를 수행하였고 엔진오일 유전상수 변화량 측정에 의 한 엔진오일 품질 모니터링 시스템 개발에 관한 연구 를 수행하였다.

김상환 외 3명은 디젤엔진의 비틀 림 진동 모니터링 시스템에 관한 연구를 수행하였 다.

선박분야에서는 배정철 외 5명이 IEEE 802.15.4 기반의 선박엔진 모니터링 시스템에 관하여 연구하였 고 이 현 외 2명이 CAN의 분산 선행대기 열 기법을 이용한 선박 엔진 모니터링 시스템에 대하여 연구하 였다.

또한 김대영 외 3명은 선박엔진의 유증기를 이용한 모니터링 시스템 개발에 대하여 연구하였으 며, 이돈출 외 4명이 선박용 엔진 진동 분석 및 모니 터링 시스템 개발에 관하여 연구를 수행하였다.

원격 엔진 모니터링에 관한 연구는 김윤희 외 3명이 선박용 디젤 엔진의 원격 진단 및 모니터링에 대한 방법을 연구하였다.

하지만 기존의 모니터링에 대 한 연구는 PC기반의 모니터링 기술이며 전자제어장 치(ECU)의 정보를 모니터링하는 기술이므로 전자제 어장치에서 fail이 발생할 경우 오작동을 일으킬 수 있다. 따라서 엔진에서 데이터를 직접 측정하여 PC 및 스마트폰 App을 통하여 모니터링 할 수 있는 시 스템이 요구된다.

본 연구에서는 중형엔진의 시운전 환경개선을 위 해 ISM Band의 통신을 통한 유․무선으로 엔진의 운 전데이터를 수집 및 전송하는 중계기(RTU: Remote Terminal Unit)와 중계기로부터 엔진상태정보를 수신 하여 엔진제어기(PLC)와 통신하는 수신기(MCU:

Master Control Unit)을 개발로 구축된 테스트벤치 2)와 연계한 웹서버 및 스마트폰 App을 이용한 모니 터링시스템을 개발하였다. 본 중형엔진의 로컬 시운 전 데이터 스마트폰 모니터링 시스템의 구성을 개념 적으로 나타내면 Fig. 1과 같다.

Fig. 1 Concept of web smartphone monitoring system

2. 데이터 통신시스템

2.1 무선통신시스템 사양

본 연구에서는 엔진보디의 터미널박스에서 다량의 신호케이블이 바닥과 테스트 블록에 설치되어 엔진컨 트롤 룸으로 연결되고 있던 신호 케이블로 인해 다수 의 애로점을 가지고 있었던 중속엔진의 시운전 환경 의 개선을 위해, 유선 및 무선통신 모니터링 수단으 로 대체하고자 한다. 일반적으로 엔진의 시운전 로컬 및 필드공간의 통신환경은 매우 열악한 상태이며, 이 러한 환경을 극복할 수 있는 통신시스템의 선정이 필 요하다. 더욱이 무선통신 데이터 획득은 노이즈에 대 한 무선 네트워크의 환경조사가 필요하며, 데이터 전 송 속도보다 데이터가 많을 때 발생할 수 있는 데이 터 손실과 데이터 병목현상을 방지하기 위한 충분한 통신 속도를 확보하고, 데이터 저장과 알고리듬 적용 을 위해 제한적인 메모리의 크기를 늘리는 시스템 선 정이 중요하다. 본 연구의 유선 및 무선 데이터 획득 시스템(DAQS: Data Acquirement System)과 수신시 스템(GateWay)의 개념도는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2 Composition of wire/wireless and web monitoring system

본 엔진데이터 모니터링 통신시스템은 크게 데이

터 획득시스템(DAQS)인 RTU(Remote Terminal

Unit)와 게이트웨이인 MCU (Master Control Unit)로

구성되며, RTU는 주기적으로 센서로부터 수집된 데

이터를 지그비(ZigBee)를 통한 무선송신 또는 이더넷

(EtherNet)으로 송신하게 되며, MCU는 RTU로부터

받은 데이터를 ZigBee(RS232C) 또는 LAN를 통해

ECR 컨트롤 패널의 PLC로 전송하게 된다. RTU의

CPU는 32bit 디지털 신호 처리(DSP: Digital Signal

Processing)칩으로 TMS320F28335 모듈을 적용한다.

Table 1 RTU & MCU hardware specification

Items Specification Remark

Input voltage 24V±3.5V (MCU)

Input

DI Photo-coupler 8 Ch

AI

4~20mA 8 Ch

Pickup NPN/PNP Type 4 Ch RTD(PT-100) 8 Ch Thermocouple K-Type 16 Ch Output DO Relay Output 8 Ch

ADC(External) 12Bits Resolution Display (Data

communication station)

Communication station: 3 digits(=MCU: 2digits) Channel display: 4 digits RPM data: 4digits(MCU)

Comm unicati on

LAN 10/100T (MCU)

1 Port Zigbee 2.4Gh (MCU)

1 Port RS-232C Serial Communication

(MCU)

1 Port

External External Port 1 Port (MCU)

is the same as the specifications for the RTU.

Table 2 Input and output specification of RTU

Items Specification

Ambient Humidity 35%~85% RH

Display FND(Flexible Numeric Display) Operation Mode Normal/Calibration/Pick-UP

Input range

•Speed: 0~1200rpm

•Pressure: 0~16㍴

•RTD: 0~200℃

•Thermocouple: 0~600℃

•Digital Input: 0/24V dc

•Digital Output: 0/24V dc

Error range

•RTD: ±(0.3+0.005×t)℃

•Thermocouple: -110<t<293.33℃

→±2.2℃,

t>293.33℃→0.75%

•4~20mA: ±0.3% ㍴

Communication interface

•Wireless: 2.4G㎓ ZigBee

•Ethernet: 10/100 base TCP/IP

•Wire: RS232C(19200bps, 8bit, 1stop, No Parity)

입출력 채널은 확장성을 고려하여 42개의 채널에 서 최대 66개의 채널을 가지며, 광접합 소자 (photocoupler) 디지털 입력: 8Ch, 아날로그 입력으로 전류(4~20mA): 8Ch, Pickup(NPN/PNP type): 4Ch, RTD (Resistance Temperature Detector) PT100:

8Ch, Thermocouple (K-type): 16ch과 확장용 8~24Ch 그리고 디지털 릴레이 출력: 8Ch로 각각 설계하였다.

무선 기본통신 망은 RS232 Interface 모듈타입인 ZigBee(2.4㎓)적용하고, 유선 백업통신 망으로 LAN 을 적용하여 안정성을 확보하였다. 유선 및 무선의 통신상태을 나타내는 표시 부는 LED 디스플레이를 적용하고, 각 데이터의 통신 상태는 ID가 표시되도록 하였다. MCU의 CPU는16Bit 마이크로 프로세스 (AVR)는 ATMEL사 ATMEGA-128L 시리즈를 적용 하며, 무선통신망과 유선 백업통신망 그리고 통신상 태 표시 부는 RTU사양과 동일하게 적용하였다. 엔진 시운전 데이터 모니터링 시스템의 RTU 및 하드웨어 상세사양은 Table 1과 같고 MCU의 하드웨어 상세사 양은 Table 2와 같다.

2.2 무선통신 시스템

전술한바와 같이 중속엔진 운전데이터 모니터링을 위한 DAQS의 소프트웨어 및 하드웨어 설계사양에 따른 RTU 및 MCU의 형상 레이아웃은 Fig. 3과 같 고, Fig. 3(a)는 RTU의 레이아웃을 나타내고, Fig.

3(b)는 MCU의 레이아웃을 나타낸다.

Fig. 3 Shape layout of RTU and MCU

중속엔진 시운전 데이터 모니터링시스템의 설계사

양에 따른 개발시제품은 각각 Fig. 4, Fig. 5와 같고,

RTU 및 MCU의 제작 및 조립상태는 Fig. 4와 같고,

시제품의 완성된 조립상태는 Fig. 5와 같다.

Fig. 4 Prototype assembly state of RTU and MCU

Fig. 5 Completion state of a prototype

3. 스마트폰 어플리케이션

기 구축된 데이터 모니터링 테스트벤치는 MCU로 부터 PC와의 통신은 RS232통신을 기반으로 구성하 였고, 엔진제어 및 모니터링 필드시스템에서 PLC부 분의 기능은 PC에서 수행할 수 있도록 하였다. 모니 터링 GUI 프로그램은 Visual C++로 프로그래밍 하였 고, 디스플레이 화면은 통신환경 설정 및 상태 뷰, 측 정 값 그래프 뷰, 측정값 표시 필드 그리고 채널 선택 필드로 구성하였다. 서버는 Apache web 서버를 적용 하였고, App(어플리케이션 프로그램)은 PHP (Hypertext Preprocessor)을 이용하여 코딩하였다.

또한 수집된 데이터의 저장 및 DB의 관리는 MY-SQL 시스템을 적용하였다. 본 Web에 의한 모 니터링 데이터는 WiFi 지역 내에서만 가능 하고, Connect touch를 통하여 수신이 가능하다. 본 시운전 데이터 모니터링을 위한 시스템 개발에 따른 시제품 RTU 및 MCU에 대한 랩 테스트를 위해 구축된 테스 트벤치의 디스플레이의 구성은 Fig. 6과 같다. 본 디

스플레이 데이터는 스마트 폰을 통해 동시에 확인할 수 있다. 스마트폰 App에 의한 디스플레이는 Fig. 7 과 같고 전용 IP를 설정하여 모니터링을 할 수 있다.

Fig. 6 Test bench for monitoring display

Fig. 7 Smartphone display by ADAMS App

4. 성능 시험

본 테스트벤치는 기초적인 테스트를 위해 구축되

었다. MCU로부터 PC와의 통신은 RS232통신을 기반

으로 구성하였고, 엔진제어 및 모니터링 필드시스템

에서 PLC부분의 기능은 PC에서 수행할 수 있도록

하였다. 모니터링 GUI 프로그램은 Visual C++로 프

로그래밍 하였고, 디스플레이 화면은 통신환경 설정

및 상태 뷰, 측정 값 그래프 뷰, 측정값 표시 필드 그

리고 채널 선택 필드로 구성하였다. 본 엔진운전 데

이터 모니터링을 위한 시스템 개발에 따른 시제품

RTU 및 MCU에 대한 랩 테스트를 위해 구축된 테스

트벤치 모듈은 Fig. 8과 같다.

Fig. 8 Test bench for monitoring system

온도의 측정은 저온부(RTD: PT100) 만을 테스트 하였으며, 압력의 측정은 랩에서 압력소스를 얻을 수 없어 생략하였다. 향후 고온측정과 압력측정은 랩에 서 구축중인 디젤엔진 데이터 획득시스템을 통해 테 스트를 수행하여 검정할 예정이다. 속도의 측정은 회 전수를 측정하는 픽업센서의 대체수단으로 펄스제너 레이터에 의한 펄스입력으로 대체하였으며, 펄스 값 으로 2㎑을 입력하게 되면, 단위계는

가 되고, 이를



으로 환산을 하고, 내부적으로 기어비가 300으로 설정되면, 출력속도는 400

이 출력되는 것을 확인 하였다. 여기서 기어 비는 실제적으로 엔진의 속도측 정 시 켈리브레이션에 따른 설정 값을 대신하게 된다.

Fig. 9 Test result on smart phone app for pressure and PT100

또한, 본 테스트벤치를 통한 랩 테스트에서는 통신시 스템 RTU 및 MCU에 대한 통신성능상태를 ZigBee 통신시험 장치를 이용하여 검토 및 확인하였다.

스마트폰 App의 디스플레이는 압력 데이터를 나타 내는 4～20mA의 값과 PT100, thermo couple, RPM 값을 출력하며 4～20mA 와 PT100의 결과는 Fig. 9 와 같고 thermo couple과 RPM은 Fig. 10과 같다.

Fig. 10 Test result on smart phone app for thermo couple and RPM

5. 결 론

본 연구에서는 산업용 중형엔진의 시운전환경개선 을 위하여 ISM Band의 통신을 통해 엔진의 시운전 데이터를 모니터링 하는 유·무선 통신시스템을 설계 하고 제작하다. 또한 스마트폰 어플리케이션을 이용 한 모니터링 시스템을 개발하고 테스벤치를 구축하였 으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.

1) 데이터 획득시스템(DAQS)인 RTU(Remote Terminal Unit)와 게이트웨이인 MCU (Master Control Unit)를 개발하였다.

2) Zigbee 통신을 이용한 무선 통신 모니터링 시스 템을 구축하였다.

3) PC 기반의 GUI 프로그램을 개발하고 유무선 통 신 테스트벤치를 구축하였다.

4) WiFi 통신과 스마트폰 어플리케이션을 이용한 실시간 모니터링시스템을 개발하였다.

5) 기 개발된 시스템의 테스트벤치를 통한 검정시

험을 수행하여 산업용 엔진 운전데이터의 모니터링시

스템으로 적용 가능성을 확인하였다

후 기

본 논문은 2011년 중소기업청 산학협력 기업부설 연구소 지원사업에 의한 연구로 수행되었음.

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