전자 유압 서보장치(Electro-Hydraulic Servo System, ex.압연기, 자동차 기타 유압장치)의 Trouble shooting관련 사항입니다. 제철설비의 압연기의 경우 서보유압 장치 관련한 Trouble이 발생하면, 정확한 원인의 파악 및 근본 대책의 마련이 무척 어려운 실정입니다. 국내외에 상관이 없이 관련 교육단체나 Software 또는 전문가를 아시는 분 및 저와 비슷한 고민을 가지신분은 답변을 부탁드리겠습니다.
제어시스템에서 각 Gain을 설정하는데 일반적으로 PID제어에서는 Trial & Error방법을 이용해서 해야하지만 이러한 경우는 PID제어이론에 대해서 잘알고 시스템에 대해서 잘알아야 합니다. 하지만 이렇게 모든것을 잘 알아서 Gain tuning을 하기란 쉽지않죠. 그래서 각 PID gain을 제어시스템에서 알아서 적절하게 설정해주는 것입니다. 이것은 제어 이론 및 시스템 동특성을 기초로하여 얻어집니다. 결국 Digital control system만이 Auto tuning이 가능하죠. 가장 쉬운 예는 유압액추에이터용 Servo valve input에 임의의 조그만 Input 을 입력하고 그 응답을 측정하여 이 두가지 신호관계를 이용하여 프로그램상에서 계산을 해서 PID Gain 을 자동적으로 구하는것 입니다. 이론적으로 여러가지 방법이 있으며 여기에서 설명하는데는 제한이 있으므로 추가적으로 필요하면 자료를 알려드리죠.
하지만 이러한 Auto tuning방법은 제품의 사용조건이 아주 많이 변화할때 사용하지 양산장비같이 사용조건이 많이 변화하지 않는곳에서는 초기 PID gain을 정해놓고 변경하지 않는것이 일반적입니다.
Servo 유압은 일반 유압과 달리 여러면에서 검토가 이루어져야 합니다.
예를 들어 일반유압(servo 유압이아닌 부분)은 기계적으로 on/off 및 비례변 제어를 하기 때문에 이는 순전히 유압자체의 문제 입니다. 또한 이러한 장비들은 servo system보다 비교적 공차의 여유가 있고 미세하지 않기 때문에 유압관리가 그렇게 심각한 편이 아닙니다. 하지만 servo-hydraulics parts는 제가 경험하건데 이런 부분보다는 여러 방면에 세심한 주의를 요합니다.
1. Hydraulic parts
일반적으로 질문하신 분과 같은 부분에 응용되는 제품은 저급인 경우 proportional valve를 사용하고 좀 고급이면 Mechanical feedback servo valve 혹은 electrical feedback servo valve를 사용하게 됩니다. 이러한 servo valve는 기본적으로 torque motor를 이용하여 spool의 위치를 플레퍼를 이용하여 조절하고 미세한 nozzle을 이용하여 self feedback 되게 합니다. 그 결과 spool의 이송은 미세한 힘으로 하기 때문에 Oil상에 이물질이 들어가게 되면 정상적으로 작동을 하지 못하죠. 또한 self compensation 할수있는 nozzle이 막히면 한쪽으로는 운동할수가 없습니다. 그러므로 oil관리가 매우중요합니다. 예를 들어 유압재료시험기에 사용하는 유압시스템에는 여러부분에 filter들이 있습니다. 우선 유압펌프에는 Pressure line filter와 return line filter가 있습니다. 일반적으로 pressure line filter는 15 micrometer 짜리를 사용하고 return line에는 3 micormeter짜리를 사용합니다. 또한 servo valve manifold block에도 spool을 control하는 유압입구에도 2차적으로 filter를 사용합니다. 결국 servo hydraulics에서는 기계부분의 문제는 제일중요한것이 oil관리입니다. 일반적으로 장비를 구입하면 이러한 notice부분을 확인 하시고 꼭 그대로 관리해주어야 합니다. 혹자는 filter가격이 부담이되(에상보다 매우비쌈) 그냥 걸르는 수가 있는데 그 결과 그것보다 더 비싼 servo valve 및 hydraulic actuator가 손상이 되죠. 운이 좋으면 rework을 해서 사용할수도 있지만 이 역시 매우 비싸죠. 만일 servo valve가 문제라면 servo valve maker에 부탁을 해서 수선을 해야 합니다. servo valve가 문제인지를 확인 할려면 servo valve driver(전기적인 driver)를 이용해서 강제로 유압액츄에이터를 상하이동 시키어 보면 급방 알수 있습니다. 물론 정상적으로 유압ㄹ이 공급되는지는 pressure line에 유압을 측정하면 되고 return line이 막혔거나 back pressure가 문제가 된다면 이 역시 pressure gage로 확인하면 됩니다.
2. Electro servo control part
servo란 말은 feedback이란 말과 같습니다. 결국 servo valve로 제어되는 유압액추에이터의 제어요소(예: 힘, 변위, pressure)가 요구되는 량만큼 갈때까지 servo valve의 pressure line, return line을 적절한 port로 연결 시키는 것입니다. 일반적으로 사용하는 제어방법은 PID control이며 가장 많이 사용하는 방법은 PI제어 입니다. 이러한 feedback control을 하기 위해서는 요구 신호는 사용자가 부여하기때문에 feedback signal은 무언가에서 측정을 해야 되겠지요. 그것이 feedback sensor 입니다. 가장 많이 사용하는 것은 변위, 하중, 압력 입니다. 변위는 반복운동이 많은곳은 비접촉식의 LVDT를 많이 사용하고, 요즈음은 MTS사 제품의 Tempersonic등도 사용합니다. 싸게 할려면 저항식도 사용하는데 반복 운동을 하다보면 접촉부가 산화되어 전기적인 noise 및 이상신호를 출력하므로 절대 추천 항목이 아닙니다. 압력과 하중은 가장 일반적으로 strain gage type 을 사용합니다. 그러면 electrical part는 servo valve, controller, feedback sensor입니다.
a. servo valve
servo valve의 torque motor는 일반적으로 문제가 생기지 않습니다. 외부에 큰 전류에 노출이되었다든지 불량품이던지가 아니면 관계가 없습니다. 10여년 경험 하건데 이런 경우는 1, 2건 이었습니다.
b. controller
controller는 크게 두부분으로 분류할수 있습니다. 하나는 control logic 즉 PID control을 계산하는 부분입니다. 다른 하나는 PID에서 계산된 controlled output을 servo valve에 인가하는 것입니다. 우선 control logic 부분에 대해서 말씀드리면 우선 PID gain tuning이 문제가 없이 되어야 합니다. 이 부분을 설면할려면 좀 기니까 필요하면 다시 질문 하십시요. P gain문제는 일반적으로 없고 I부분은 적분이기때문에 제어에서 말하는 Antiwind-up 기능과 I control start 순간이 매우중요합니다. 잘못하다가 대형사고를 치는 부분이니 controller 설계시 특별히 조심해야 합니다. D 부분은 좀 tuning하는것이 문제가 됩니다. 잘못하면 발진나고, 특히 feedback sensor에 noise가 실려오면 D는 쥐약이니까 조심해야 합니다.
두번째는 Controlled output문제 입니다. controlled output제어결과를 servo valve가 인식할수 있는 물리적 양으로 변환해서 servo valve에 출력하는것입니다. digital controller에서는 계산값을 voltage로 D/A converting해서 다시 V/I converter로 servo valve의 용량에 적절하게 출력합니다. 참고로 여기에서는 current feedback를 사용해야 하고, voltage는 servo valve spool의 이동방향을 결정하고 current 크기는 servo valve spool의 열림 크기를 결정합니다. 아까 말했다시피 servo valve는 torque motor에 의해서 제어 되므로 허용 이상의 전류를 흘리면 coil이 타기때문에 servo valve 출력단 바로 앞에 current limit를 넣어여 합니다. 대부분의 servo valve는 우리가 흔히보는 DC servo motor와 같기때믄에 전기회로는 단순 합니다. 그리고 대부분의 servo valve는 10mA부터200mA를 사용하기때문에 driver 부분은 단순합니다. 이러한 servo valve는 주로 2stage servo valve에 대해서 말한것이고 3 stage servo valve는 좀더 다른 control format을 가지고 있습니다. 결과적으로 여기에서 문제가 되느것은 전기 회로 부분의 오작동 이거나 controller의 safty logic의 설계 miss 입니다. 요즈음은 digital controller를 많이 적용하기때문에 이런 safty logic을 넣기가 매우 편리합니다.
3. sensor문제
sensor는 전기적 신호장치 입니다. 그러므로 이러한 sensor는 전기의 가장 기본적인 noise문제가 중요합니다. 가령예를 들어 하중이나 압력 측정용은 Strain gage type을 사용한다고 했는데 일반적인 Strain gage type의 gain은 2mV/V이므로 10V 인가전압을 기준으로 약 500배의 전기적인 신호증폭을 필요로 하고 있습니다. 결국적으로 noise를 500배 증폭한다고 해도 되죠. 그러니까 noise문제는 많은 경험을 토대로 적절한 배선, line연결, amplifier의 선정등을 필요로 합니다. 또한 공급되는 전기의 불량성에 의해서 나오는 문제이므로 UPS 및 AVR등이 중요합니다. 또한 제어장치를 오래사용하면 전선, connector등에 문제가 생기고 주변 먼지가 전기회로도에 덮어져 단선의 원인이 됩니다. 결국 가장많은 문제는 controller에서 생길가능성이 있습니다.
servo hydraulics는 유압, 가공, 전기, 전자, 제어 및 system intergration을 포합하는 매우어려운 문제 입니다. 결국적으로 값이 비싸죠. 가장 중요한 관리는 Oil관리 와 제어기 주변에 습기를 없애고 청결하게 하는것 입니다. 아직 우리나라에는 이 부분 한가지에 대한 know-how는 가지고 있어도 이 모든 부분에 대한 경험을 가진 사람이 많지는 않은것 같습니다. 생각나는데로 써보앗는데 질문하신 부분에 적절하신지 모르겠습니다. 추가적으로 구체적인 질문을 하시면 다시 답해 드리겠습니다. 제 Email로 문의하신던지 이 site를 이용해서 질문해주십시요.
참고로 필요한 전문가는 무엇을 위해 필요하나요?
수고많으십니다.
서보발브의 문제는 다양하게 나타날 수가 있습니다.
우선적으로 가장 먼저 생각을 하셔야 한는 것이 작동유의 불순물에 의한 오작동이며 그뒤로 내부적 실링이나 구조적 결함에의한 파손 등을 고려하여야하며 최종적으로 제어회로 즉 서보기능의 입출력 계통을 확인하셔야 할 것입니다.
저도 깊이있게는 모르지만 한때 이런 문제로 애를 먹은적이 있습니다.
최종 결론은 내부파이롯용 오리피스의 이물에 의한 오작동이었습니다.
유압계통 전기시스템을 전적으로 하던 업체가 있었는데 확인해보십시오
업체명: 파크전자
tel : 011-596-3918
유압 Trouble Shooting을 교육하는 곳이 대개 유압기기 메이커에서 하고 있습니다. 예를 들어 옛날 비커스(현 이튼)이나 독일 렉스로쓰등에서 하고 있습니다.
그러나 교육내용과 본인의 요구사항이 즉각 해결되는 과정을 찾는 것은 무척 어렵습니다.
귀하의 경우 유압과 전자 그리고 생산제품의 특징을 감각적으로 이해할 수 있는 전문가와 협의하시는 것이 문제해결과 교육을 동시에 해소할 수 있는 것이라고 판단됩니다.
이광희님의 글
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전자 유압 서보장치(Electro-Hydraulic Servo System, ex.압연기, 자동차 기타 유압장치)의 Trouble shooting관련 사항입니다. 제철설비의 압연기의 경우 서보유압 장치 관련한 Trouble이 발생하면, 정확한 원인의 파악 및 근본 대책의 마련이 무척 어려운 실정입니다. 국내외에 상관이 없이 관련 교육단체나 Software 또는 전문가를 아시는 분 및 저와 비슷한 고민을 가지신분은 답변을 부탁드리겠습니다.
----------------- [답 변] -------------------
정상적으로 운전되된 것이 어떤 원인에 의해 부적절한 제어가 이루어 진다면 초기 설치시의 문제 보다는 쉬운 것 같습니다.
서보제어는 유압/제어장치/커넥터/센서에 대한 각각의 기능을 먼저 확인해야 하며 대부분 문제의 95%이상을 차지하고 있습니다.
특히 작업 환경이 분진이 많다면 콘트롤러 제어 회로에 이물질과 습도가 조합이 되면서 발생할 문제가 많으며 접지 상태에 따라 외부에서 발생된 노이즈가 회로 내부에 영향을 주는 경우도 종종 있습니다.
또한 대부분의 유압기기들은 분진, 진동등과 같은 열악한 환경에서 사용되기 때문에 센서 자체의 결함, 센서가 지지되는 부분의 볼트 풀림등에 의해 센서의 정도가 취약해 지기 때문에 이 부분에 대한 검사가 선행되어야 합니다.
유압시스템의 경우 문제의 발생은 대부분 서보 밸브에서 발생될 가능성이 높습니다. 서보 밸브 내의 Pilot 압 관련되어 아주 미세한 구멍(수십마이크로)에 의해 공급되기 때문에 구멍의 확공, 막힘등에 의해 제어가 불안정해지며(제어가 덜되는 현상 발생) 부하 변동이 심한 경우 스풀레버의 영구 변형이 발생되는 경우도 발생합니다. 서보 밸브의 경우 자체 수리는 어렵기 때문에 바꾸는 길 외에는 방법이 없는 것 같습니다.
경험이 있는 사람은 센서 신호, 제어 신호를 모니터링하면서 어느 부분에 문제가 있는지를 쉽게 인식합니다.
대부분의 문제는 사소한 곳에서 발생됩니다. 근본적인 문제의 발생은 제품의 개발 단계에서 많이 해결되기 때문이죠.
발생되는 현상, 시스템 구성도, 도면을 보시고 문제가 발생할 가능성이 높은 곳을 점검해 보십시요. 시스템을 가장 잘 알고 있는 이광희님이 해결할 가능성이 가장 높습니다.
김낙인님의 훌륭한 답변 잘읽어 보았습니다.
제어가 취약해서 무리하게 질문합니다.
귀글귀중에 오토 튜닝이란 글귀가 있던데 이에대한 보충 답변을 부탁드리고 싶습니다.
감사합니다.