상태 기반 모니터링(condition-based monitoring, CbM)에는 센서를 사용해 기계나 자산의 현재 상태를 모니터링하는 것이 포함된다. 예지정비(predictive maintenance, PdM)는 CbM, 머신러닝 및 분석과 같은 기술들을 조합해 향후 기계 또는 자산의 고장 발생 가능성을 예측한다. 따라서 장비의 상태를 모니터링할 때, 결함을 감지, 진단, 심지어 예측할 수 있도록 최적의 센서를 선택하는 것이 매우 중요하다.
최고의 PdM 전략은 가능한 한 많은 기술과 센서를 효율적으로 활용해 결함을 조기에 감지하고 높은 수준의 신뢰도를 확보하는 것이다. 따라서 모든 조건에 부합하는 단일 센서 솔루션은 존재하지 않는다. 이 글에서는 PdM 애플리케이션에서 결함을 조기에 감지하는 예지 정비 센서가 중요한 이유와 각 센서의 장단점에 대해 살펴본다.
시스템 결함 타임라인
[그림 1]은 권장되는 PdM 센서 유형과 함께 모터의 설치 시점부터 결함이 발생하기까지 시뮬레이션된 이벤트의 타임라인을 보여준다. 모터가 새로 설치되면 보증 기간이 적용된다. 몇 년 후 보증 기간이 만료되면, 이 시점부터는 보다 빈번한 검사가 필요하다.
그림 1. 기계 상태 vs 시간 그래프는 보증기간이 지난 후 결함이 발생할 것으로 예상되는 시간을 보여준다.
[그림 1]과 같이 유지관리 검사 기간에 결함이 발생할 경우, 예기치 못한 가동 중지 시간이 생길 수 있다. 이 경우 가능한 한 빨리 잠재적 결함을 감지할 수 있는 올바른 PdM 센서를 갖추는 것이 매우 중요하다. 그렇기 때문에 이 글에서는 진동 및 음향 센서에 중점을 두는 것이다. 진동 분석은 보통 PdM에 있어서 최고의 시작점으로 알려져 있다.
센서 및 시스템 결함 고려 사항
산업 및 상업용 회전 기계의 90% 이상이 구름 베어링(rolling-element bearing)을 사용한다. 모터에서 주로 어떤 부품이 고장나는지 확인해 보면 왜 베어링 모니터링에 초점을 맞춰서 PdM 센서를 선택해야 하는지 이유를 알 수 있다. 잠재적 결함을 감지, 진단 및 예측하려면 진동 센서의 잡음이 적고 대역폭이 넓어야 한다.
회전 기계와 관련한 가장 대표적인 결함과 PdM 애플리케이션용 진동 센서에 요구되는 사항들은 [표 1]에 나와 있다. 일반적으로 PdM 시스템에는 결함을 최대한 빨리 감지하기 위한 고성능 센서가 필요하다. 자산에 사용되는 PdM 센서의 성능 수준은 전체 프로세스 및 비용 내에서 자산이 지속적이고 안정적으로 작동할 수 있는지와 관련이 있다.
표 1. 기계 결함 및 진동 센서 고려 사항에 대한 개요
PdM용 센서
미세전자기계시스템(MEMS) 초음파 마이크 분석을 사용하면 잡음이 훨씬 적은 비가청 주파수 대역(20~100kHz)에서 소리를 감지하기 때문에 복잡한 모터 상태를 모니터링할 수 있다. 일반적으로 저주파 가청 신호의 파장은 약 17mm~17m 사이이고, 고주파 신호의 파장은 약 3mm~16mm 사이다. 파장의 주파수가 높아질수록 에너지가 증가하여 초음파가 더욱 뚜렷해진다. 이 기능은 베어링 또는 하우징의 결함을 정확히 찾아낼 때 매우 유용하다.
가속도계는 가장 많이 사용되는 진동 센서다. 진동 분석은 가장 널리 사용되는 PdM 기술로서 주로 터빈, 펌프, 모터, 기어박스 등 대형 회전장비에 사용된다. [표 2]는 고성능 MEMS 진동 및 음향 센서와 골드 표준 압전 진동 센서를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 사양들을 나타낸 것이다.
표 2. PdM 센서 성능 사양
*MEMS 가속도계 모듈은 가격이 30달러 이상이 될 수도 있지만, 이는 전체 시스템용 솔루션이며, 참조된 나머지 다른 모든 부품은 센서 전용이다.
**사양구분: 저, 중, 고
PdM 시스템을 위한 진동 센서는 한 개만 추천하기 어렵지만, 가속도계는 이미 검증이 되어 있으며 진화와 개선을 지속하고 있다. 아나로그디바이스는 범용성, 저전력, 저잡음, 높은 안정성, 높은 g를 갖춘 다양한 MEMS 가속도계와 [그림 2]에 표시된 지능형 에지 노드 모듈을 제공한다. ADcmXL3021 3축 진동 센서는 PdM 전용 모듈 솔루션의 훌륭한 사례들 중 하나일 뿐이다. ADI는 PdM 지원 MEMS 가속도계 제품군(20kHz 이상의 대역폭, 25μg/√Hz 잡음 밀도)을 최초로 출시한 바 있다.
그림 2. ADC, 프로세서, FFT, 통계 기능과 함께, 50kHz 이상의 공진 주파수를 갖춘 기계 패키지를 통합한 3축 MEMS CbM 모듈
PdM 솔루션에 가장 적합한 진동 센서를 선택할 때 가장 큰 과제는 가능성이 가장 높은 잠재적 결함 모드에 맞춰 센서를 페어링하는 것이다. MEMS 마이크는 가장 혹독한 환경에서 모든 진동 기반 결함 모드를 안정적으로 감지할 수 있을 만큼 충분히 견고하다는 입증이 아직 없다.
이와는 달리, 진동 감지의 산업 표준인 가속도계는 수십 년 동안 안정적으로 감지 작업을 수행해왔다. MEMS 초음파 마이크는 가속도계보다 일찍 베어링 결함을 감지하는 유망한 성능을 보여주었으며, 이러한 잠재적 공생 관계는 향후 자산의 진동 분석 요구에 가장 적합한 PdM 솔루션을 제공할 수 있을 것이다.
