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인공지능 가상센서 기반
지역난방시스템의 이상검출 기술 개발
지도 교수 : 윤성민
산업체 멘토 : 조승대 ㈜ 일품이앤씨
대학원 멘토 : 최영웅
참여 학생 : 홍예진(대표), 박주현, 구자범, 김지원, 최세빈, 이혜린, 박민아, 안다윤, 최다정
연구 배경제 1 장
제 1장 연구 배경
자동제어설비시스템의 스마트빌딩 기술
제 1장 연구 배경
자동제어설비시스템의 스마트빌딩 기술
< 자동제어설비 센싱환경 예시 >
< 자동제어설비 자동제어 인터페이스 예시>
제 1장 연구 배경
자동제어설비 네트워크
DDC
(Direct digital controller)
Server
Operator
interface
Physical sensors
and equipment
센서 및 장치의
입력을 받고 처리
제어상태를 사용자
인터페이스로 연결
설비시스템의
상태를 계측
※ 장치 및 센서에서 오류가 발생하면 전체적인 네트워크 이상 초래
제 1장 연구 배경
시스템 내 센서 및 장치 문제의 영향
10000
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0 10 30 50
EnergyPlus 9.1.0
585
590
595
600
-4 -2 0 2 4
보일러 전력 소모량 [W] 보일러 배관 압력 부하 [%]
팬 전력 소모량 [W]공급기 온도[℃]
14
16
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22
-4 -2 0 2 4
열교환기 파울링 지수 [%] 열교환기 파울링 지수 [%]
공급기 온도 센서 오류 [℃] 공급기 온도 센서 오류 [℃]
문제 발생 정상 상태
장치 및 센서 오류
시스템 제어 변화
사용자 쾌적도 하락
비정상적 장치 거동
전력소모 상승
건물 성능 저하
전력 소모 증가
제 1장 연구 배경
FDD (이상 검출 및 진단) 에 대한 기존 연구
Sensor fault detection
Sensor fault diagnosis
Sensor fault estimation
Sequenceofsensorfaultsolutions
- Detect whether sensor is faulty or not
- Fault alarm for sensor management
- Figure out fault type (drift, bias, )
- Figure out which sensor is faulty (fault location)
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Sensor fault calibration (VVIC)
- Quantitative analysis for sensor errors
- Calibrate faulty sensors for system stabilization
S. Yoon, Y. Yu, J. Wang, P. Wang, Impacts of HVACR temperature sensor offsets on
building energy performance and occupant thermal comfort, Build. Simul. 12
(2019) 259–271. https://doi.org/10.1007/s12273-018-0475-3.
J. Wang, Q. Zhang, S. Yoon, Y. Yu, Impact of uncertainties on the supervisory control
performance of a hybrid cooling system in data center, Build. Environ. 148
(2019) 361–371. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2018.11.026.
Y. Yu, D. Woradechjumroen, D. Yu, A review of fault detection and diagnosis
methodologies on air-handling units, Energy Build. 82 (2014) 550–562.
https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.06.042.
F. Xiao, Y. Zhao, J. Wen, S. Wang, Bayesian network based FDD strategy for variable
air volume terminals, Autom. Constr. 41 (2014) 106–118.
https://doi.org/10.1016/j.autcon.2013.10.019.
Y. Zhao, J. Wen, S. Wang, Diagnostic Bayesian networks for diagnosing air handling
units faults - Part II: Faults in coils and sensors, Appl. Therm. Eng. 90 (2015)
145–157. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.07.001.
Y. Zhao, J. Wen, F. Xiao, X. Yang, S. Wang, Diagnostic Bayesian networks for
diagnosing air handling units faults – part I: Faults in dampers, fans, filters
and sensors, Appl. Therm. Eng. 111 (2017) 1272–1286.
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.09.121.
Z. Wang, L. Wang, K. Liang, Y. Tan, Enhanced chiller fault detection using Bayesian
network and principal component analysis, Appl. Therm. Eng. 141 (2018)
898–905. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.06.037.
and many more…
※ 센서 및 장치의 이상검출의 필요성 강조
캡스톤 디자인 목표 설정제 2 장
과제 개발 목표
• 가상센싱기술을 제안하고, 대상 시스템인 지역난방설비시스템에서의 센서 및 장치의 이상검출을 목표로 함
• 본 과제에서 개발하고자 하는 지역난방 이상검출 시스템의 목적은 아래와 같음
제 2장 캡스톤 디자인 목표 설정
1. 자동제어설비시스템의 실시간 모니터링
2. 시스템 구동 시 발생하는 문제에 대한 초기대응전략 제시
3. 궁극적으로 시스템의 안정적 운전 도모
과제 개발 목표
• 예비 과제목표와 최종목표를 아래 그림과 같이 제시하고 연구를 진행함
제 2장 캡스톤 디자인 목표 설정
가상센서를 활용한
이상검출기술 개요
제 3 장
가상센서(Virtual sensor)의 개념
• 제한적인 센싱환경에서 시스템 변수를 바탕으로 측정하
기 어렵거나 불가능한 변수를 측정하는 함수모델
• 가상센서는 수학적 모델로 다양한 머신러닝 방법을 활용
하여 구성됨
• 물리적 센서의 측정 범위 확장
• 하지만, Target이 있는 지도학습의 형태
P
P
T
T
Supply
Return
Heating
TH,sup PH,sup
PH,retTH,ret
fH DPV
T : Temperature P : Pressure
Input variables
Output
variable
𝑌 ∶ 목표변수
𝑉𝑆 ∶ 가상센서 모델
𝑥 ∶ 입력변수 (𝑖 : 입력 변수의 개수)
𝑌 = 𝑉𝑆(𝑥1, 𝑥2, … , 𝑥𝑖)
Input layer Hidden layer Output layer
제 3장 가상센서를 활용한 이상검출기술 개요
가상센서와 물리적 센서
• 가상센서는 목표값(Target value)를 입력변수를 토대로 추론하는 수학적 함수모델
• 가상센서는 계층구도에 따라 Input으로 사용될 수도 있으며 독립적으로 사용될 수도 있음
• 아래의 도식은 가상센서와 물리적 센서의 구조를 나타냄
제 3장 가상센서를 활용한 이상검출기술 개요
Virtual sensors
Application purposes
〮 Observing
〮 Backup
〮 Replacment
Physical sensors
Auxiliary
virtual sensors
Chief
virtual sensors
Modeling method
〮 Model-driven
〮 Grey-box
〮 Data-driven
Measurement characteristics
〮 Transient-state
〮 Steady-state
Usedasainput
This sensor is not only auxiliary virtual sensor, but
also chief virtual sensor if it is used individually
Auxiliary virtual sensor layers for the one
chief virtual sensor can be n layer (n 0)
가상센서를 활용한 센서의 이상검출
• 가상센서는 이상검출 대상 센서(Fault detection target sensor)에 대한 레퍼런스 센서
(Reference sensor)로 활용되어 Back-up 기능으로 활용
• 가상센서와 이상검출 대상센서의 차이를 정량적으로 정의하여 이를 이상검출지수로 사용
• 이상검출지수(Fault detection indicator)가 설정한 한계선(Threshold)를 초과할 시 이상검출
제 3장 가상센서를 활용한 이상검출기술 개요
Physical sensor
Virtual sensor
Used as a reference sensor
of a physical sensor
적용 및 결과제 4 장
제 4장 적용 및 결과
대상건물 및 시스템
항목 설명
건물명 주상복합건물
위치 경기도 고양시 소재
위도 / 경도 37.64° / 126.89°
세대수 918세대(총 7대동, 27층)
준공년월 2019년 01월
용적률 / 건폐율 445% / 34%
난방 방식 지역난방, 열병합
세대 면적 103㎡, 135㎡, 147㎡
• 지역난방시스템은 주거동과 상가동으로 구분되어 개별 제어
• 주거동은 고층부와 저층부로 Zoning 되어 개별 컴팩트 열교환기로 제어
• 2차측 난방공급수 온도는 백엽상에서 측정되는 외기온도에 따라 외기보상제어
• DPV와 난방수 순환펌프의 자동제어로 2차측 난방시스템 공급 및 환수 차압 일정 유지
대상 건물 지역난방시스템 개요
Units Number Flow (L/min) Head (mAq) Power (kW) Remarks
Pump (P-11) 2 1,060 21 7.5 Variable Speed
Units Number Valve Size (mm) Remarks
DPV 1 100 - Local Made (20K)
Sensors Number Symbol Remarks
𝑇 𝐷𝐻,𝑠𝑢𝑝 1 PTS
- Pipe Temperature Sensor
- Detection Range: -30~150℃
- Detection Element: LG-Ni 1000Ω
- Precision: ±0.3℃
𝑃 𝐻,𝑠𝑢𝑝 1
PS
- Pipe Pressure Sensor
- Operating Temperature: -10~70℃
- Power: 24VDC/VAC
- Output Signal: 4~20mA
𝑃 𝐻,𝑟𝑒𝑡 1
𝑇 𝐻,𝑠𝑢𝑝 1
PTS
- Pipe Temperature Sensor
- Detection Range: -30~150℃
- Detection Element: LG-Ni 1000Ω
- Precision: ±0.3℃
𝑇 𝐻,𝑟𝑒𝑡 1
장치 및 센서 별 제원
제 4장 적용 및 결과
제 4장 적용 및 결과
가상센서 기술 적용 목적
Real sensor
Virtual sensor
Pump
Valve Heat exchanger
Differential pressure valve
T
T
P
P
T
T
Supply
Return
Heating
TDH,sup TH,sup
HX-2
PH,sup
PH,retTH,ret
fH
VDH
T
TDH,ret
District
Hot water
Supply
Return
DPV
Primary section Secondary section
T : Temperature P : Pressure
열교환기의 파울링 문제를 3단계로 정의
(Light, Medium, Severe)
열교환기 파울링
2차측 유량 가상센서 2차측 유량을 측정하는 가상센서
제 4장 적용 및 결과
가상센서 기반 이상검출시스템 GUI 구축
<Light fouling fault detection result – GUI> <Medium fouling fault detection result – GUI>
<Severe fouling fault detection result – GUI>
제 4장 적용 및 결과
열교환기 파울링 문제 이상검출 결과(Light)
<Light fouling fault detection result – GUI>
제 4장 적용 및 결과
열교환기 파울링 문제 이상검출 결과(Medium)
<Medium fouling fault detection result – GUI>
제 4장 적용 및 결과
열교환기 파울링 문제 이상검출 결과(Severe)
<Severe fouling fault detection result – GUI>
제 4장 적용 및 결과
가상센서 기반 유량 센싱 GUI 구축
<Medium fouling fault detection result – GUI>
결 론제 5 장
결론
• 자동제어시스템에서의 센서 및 장치의 이상검출에 대한 필요성을 제기
• 가상센서의 개념을 제시하고 이상검출 방법 및 가상센싱 방법에 대하여 제시
• 산학협력으로 실제 지역난방시스템의 데이터를 바탕으로 이상검출, 가상센싱 알고리즘을 구축
• 가상센서를 바탕으로한 이상검출 알고리즘을 GUI 형식으로 구축
본 캡스톤 디자인의 주요내용
과제 최종 결과물 요약
인공지능 가상센서 기반
지역난방시스템의
이상검출 및 가상센싱 기술
Fault detection Virtual sensing
Physical sensor
Virtual sensor
Used as a reference sensor
of a physical sensor
Virtual sensor
AI virtual sensor based
district heating system
fault detection and virtual sensing

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Artificial intelligence virtual sensor based district heating system abnormality detection and virtual sensing technology

  • 1. 인공지능 가상센서 기반 지역난방시스템의 이상검출 기술 개발 지도 교수 : 윤성민 산업체 멘토 : 조승대 ㈜ 일품이앤씨 대학원 멘토 : 최영웅 참여 학생 : 홍예진(대표), 박주현, 구자범, 김지원, 최세빈, 이혜린, 박민아, 안다윤, 최다정
  • 3. 제 1장 연구 배경 자동제어설비시스템의 스마트빌딩 기술
  • 4. 제 1장 연구 배경 자동제어설비시스템의 스마트빌딩 기술 < 자동제어설비 센싱환경 예시 > < 자동제어설비 자동제어 인터페이스 예시>
  • 5. 제 1장 연구 배경 자동제어설비 네트워크 DDC (Direct digital controller) Server Operator interface Physical sensors and equipment 센서 및 장치의 입력을 받고 처리 제어상태를 사용자 인터페이스로 연결 설비시스템의 상태를 계측 ※ 장치 및 센서에서 오류가 발생하면 전체적인 네트워크 이상 초래
  • 6. 제 1장 연구 배경 시스템 내 센서 및 장치 문제의 영향 10000 15000 20000 25000 30000 0 10 30 50 40 50 60 70 80 90 100 0 10 30 50 EnergyPlus 9.1.0 585 590 595 600 -4 -2 0 2 4 보일러 전력 소모량 [W] 보일러 배관 압력 부하 [%] 팬 전력 소모량 [W]공급기 온도[℃] 14 16 18 20 22 -4 -2 0 2 4 열교환기 파울링 지수 [%] 열교환기 파울링 지수 [%] 공급기 온도 센서 오류 [℃] 공급기 온도 센서 오류 [℃] 문제 발생 정상 상태 장치 및 센서 오류 시스템 제어 변화 사용자 쾌적도 하락 비정상적 장치 거동 전력소모 상승 건물 성능 저하 전력 소모 증가
  • 7. 제 1장 연구 배경 FDD (이상 검출 및 진단) 에 대한 기존 연구 Sensor fault detection Sensor fault diagnosis Sensor fault estimation Sequenceofsensorfaultsolutions - Detect whether sensor is faulty or not - Fault alarm for sensor management - Figure out fault type (drift, bias, ) - Figure out which sensor is faulty (fault location) - Estimate magnitude of sensor fault - Define severity of sensor fault Sensor fault calibration (VVIC) - Quantitative analysis for sensor errors - Calibrate faulty sensors for system stabilization S. Yoon, Y. Yu, J. Wang, P. Wang, Impacts of HVACR temperature sensor offsets on building energy performance and occupant thermal comfort, Build. Simul. 12 (2019) 259–271. https://doi.org/10.1007/s12273-018-0475-3. J. Wang, Q. Zhang, S. Yoon, Y. Yu, Impact of uncertainties on the supervisory control performance of a hybrid cooling system in data center, Build. Environ. 148 (2019) 361–371. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2018.11.026. Y. Yu, D. Woradechjumroen, D. Yu, A review of fault detection and diagnosis methodologies on air-handling units, Energy Build. 82 (2014) 550–562. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.06.042. F. Xiao, Y. Zhao, J. Wen, S. Wang, Bayesian network based FDD strategy for variable air volume terminals, Autom. Constr. 41 (2014) 106–118. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2013.10.019. Y. Zhao, J. Wen, S. Wang, Diagnostic Bayesian networks for diagnosing air handling units faults - Part II: Faults in coils and sensors, Appl. Therm. Eng. 90 (2015) 145–157. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.07.001. Y. Zhao, J. Wen, F. Xiao, X. Yang, S. Wang, Diagnostic Bayesian networks for diagnosing air handling units faults – part I: Faults in dampers, fans, filters and sensors, Appl. Therm. Eng. 111 (2017) 1272–1286. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.09.121. Z. Wang, L. Wang, K. Liang, Y. Tan, Enhanced chiller fault detection using Bayesian network and principal component analysis, Appl. Therm. Eng. 141 (2018) 898–905. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.06.037. and many more… ※ 센서 및 장치의 이상검출의 필요성 강조
  • 8. 캡스톤 디자인 목표 설정제 2 장
  • 9. 과제 개발 목표 • 가상센싱기술을 제안하고, 대상 시스템인 지역난방설비시스템에서의 센서 및 장치의 이상검출을 목표로 함 • 본 과제에서 개발하고자 하는 지역난방 이상검출 시스템의 목적은 아래와 같음 제 2장 캡스톤 디자인 목표 설정 1. 자동제어설비시스템의 실시간 모니터링 2. 시스템 구동 시 발생하는 문제에 대한 초기대응전략 제시 3. 궁극적으로 시스템의 안정적 운전 도모
  • 10. 과제 개발 목표 • 예비 과제목표와 최종목표를 아래 그림과 같이 제시하고 연구를 진행함 제 2장 캡스톤 디자인 목표 설정
  • 12. 가상센서(Virtual sensor)의 개념 • 제한적인 센싱환경에서 시스템 변수를 바탕으로 측정하 기 어렵거나 불가능한 변수를 측정하는 함수모델 • 가상센서는 수학적 모델로 다양한 머신러닝 방법을 활용 하여 구성됨 • 물리적 센서의 측정 범위 확장 • 하지만, Target이 있는 지도학습의 형태 P P T T Supply Return Heating TH,sup PH,sup PH,retTH,ret fH DPV T : Temperature P : Pressure Input variables Output variable 𝑌 ∶ 목표변수 𝑉𝑆 ∶ 가상센서 모델 𝑥 ∶ 입력변수 (𝑖 : 입력 변수의 개수) 𝑌 = 𝑉𝑆(𝑥1, 𝑥2, … , 𝑥𝑖) Input layer Hidden layer Output layer 제 3장 가상센서를 활용한 이상검출기술 개요
  • 13. 가상센서와 물리적 센서 • 가상센서는 목표값(Target value)를 입력변수를 토대로 추론하는 수학적 함수모델 • 가상센서는 계층구도에 따라 Input으로 사용될 수도 있으며 독립적으로 사용될 수도 있음 • 아래의 도식은 가상센서와 물리적 센서의 구조를 나타냄 제 3장 가상센서를 활용한 이상검출기술 개요 Virtual sensors Application purposes 〮 Observing 〮 Backup 〮 Replacment Physical sensors Auxiliary virtual sensors Chief virtual sensors Modeling method 〮 Model-driven 〮 Grey-box 〮 Data-driven Measurement characteristics 〮 Transient-state 〮 Steady-state Usedasainput This sensor is not only auxiliary virtual sensor, but also chief virtual sensor if it is used individually Auxiliary virtual sensor layers for the one chief virtual sensor can be n layer (n 0)
  • 14. 가상센서를 활용한 센서의 이상검출 • 가상센서는 이상검출 대상 센서(Fault detection target sensor)에 대한 레퍼런스 센서 (Reference sensor)로 활용되어 Back-up 기능으로 활용 • 가상센서와 이상검출 대상센서의 차이를 정량적으로 정의하여 이를 이상검출지수로 사용 • 이상검출지수(Fault detection indicator)가 설정한 한계선(Threshold)를 초과할 시 이상검출 제 3장 가상센서를 활용한 이상검출기술 개요 Physical sensor Virtual sensor Used as a reference sensor of a physical sensor
  • 16. 제 4장 적용 및 결과 대상건물 및 시스템 항목 설명 건물명 주상복합건물 위치 경기도 고양시 소재 위도 / 경도 37.64° / 126.89° 세대수 918세대(총 7대동, 27층) 준공년월 2019년 01월 용적률 / 건폐율 445% / 34% 난방 방식 지역난방, 열병합 세대 면적 103㎡, 135㎡, 147㎡ • 지역난방시스템은 주거동과 상가동으로 구분되어 개별 제어 • 주거동은 고층부와 저층부로 Zoning 되어 개별 컴팩트 열교환기로 제어 • 2차측 난방공급수 온도는 백엽상에서 측정되는 외기온도에 따라 외기보상제어 • DPV와 난방수 순환펌프의 자동제어로 2차측 난방시스템 공급 및 환수 차압 일정 유지 대상 건물 지역난방시스템 개요
  • 17. Units Number Flow (L/min) Head (mAq) Power (kW) Remarks Pump (P-11) 2 1,060 21 7.5 Variable Speed Units Number Valve Size (mm) Remarks DPV 1 100 - Local Made (20K) Sensors Number Symbol Remarks 𝑇 𝐷𝐻,𝑠𝑢𝑝 1 PTS - Pipe Temperature Sensor - Detection Range: -30~150℃ - Detection Element: LG-Ni 1000Ω - Precision: ±0.3℃ 𝑃 𝐻,𝑠𝑢𝑝 1 PS - Pipe Pressure Sensor - Operating Temperature: -10~70℃ - Power: 24VDC/VAC - Output Signal: 4~20mA 𝑃 𝐻,𝑟𝑒𝑡 1 𝑇 𝐻,𝑠𝑢𝑝 1 PTS - Pipe Temperature Sensor - Detection Range: -30~150℃ - Detection Element: LG-Ni 1000Ω - Precision: ±0.3℃ 𝑇 𝐻,𝑟𝑒𝑡 1 장치 및 센서 별 제원 제 4장 적용 및 결과
  • 18. 제 4장 적용 및 결과 가상센서 기술 적용 목적 Real sensor Virtual sensor Pump Valve Heat exchanger Differential pressure valve T T P P T T Supply Return Heating TDH,sup TH,sup HX-2 PH,sup PH,retTH,ret fH VDH T TDH,ret District Hot water Supply Return DPV Primary section Secondary section T : Temperature P : Pressure 열교환기의 파울링 문제를 3단계로 정의 (Light, Medium, Severe) 열교환기 파울링 2차측 유량 가상센서 2차측 유량을 측정하는 가상센서
  • 19. 제 4장 적용 및 결과 가상센서 기반 이상검출시스템 GUI 구축 <Light fouling fault detection result – GUI> <Medium fouling fault detection result – GUI> <Severe fouling fault detection result – GUI>
  • 20. 제 4장 적용 및 결과 열교환기 파울링 문제 이상검출 결과(Light) <Light fouling fault detection result – GUI>
  • 21. 제 4장 적용 및 결과 열교환기 파울링 문제 이상검출 결과(Medium) <Medium fouling fault detection result – GUI>
  • 22. 제 4장 적용 및 결과 열교환기 파울링 문제 이상검출 결과(Severe) <Severe fouling fault detection result – GUI>
  • 23. 제 4장 적용 및 결과 가상센서 기반 유량 센싱 GUI 구축 <Medium fouling fault detection result – GUI>
  • 25. 결론 • 자동제어시스템에서의 센서 및 장치의 이상검출에 대한 필요성을 제기 • 가상센서의 개념을 제시하고 이상검출 방법 및 가상센싱 방법에 대하여 제시 • 산학협력으로 실제 지역난방시스템의 데이터를 바탕으로 이상검출, 가상센싱 알고리즘을 구축 • 가상센서를 바탕으로한 이상검출 알고리즘을 GUI 형식으로 구축 본 캡스톤 디자인의 주요내용 과제 최종 결과물 요약
  • 26. 인공지능 가상센서 기반 지역난방시스템의 이상검출 및 가상센싱 기술 Fault detection Virtual sensing Physical sensor Virtual sensor Used as a reference sensor of a physical sensor Virtual sensor AI virtual sensor based district heating system fault detection and virtual sensing