기술기고문
기계를 위한 웨어러블 피트니스 트래커 ‘상태 기반 모니터링’ 기술
글: 스튜어트 서비스(Stuart Servis) 선임 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
상태 기반 모니터링(condition-based monitoring, CbM)은 인더스트리 4.0 에는 웨어러블 피트니스 기기와도 같다. 연결성이 폭발적으로 확대됨에 따라, 오늘날 우리는 과거에는 상상할 수 없던 방식으로 물리적 세상을 실시간으로 파악할 수 있게 되었다. 산업용 시스템에서는 장비와 기계의 노후화가 어떻게 진행되고 있는지 이해하는 것이 중요하다. 정유 가스, 풍력 발전, 산업용 공정 제어 같이 설비 비용이 막대하고 가동 중단으로 인한 손해가 엄청날 수 있는 경우에는 더욱 그렇다.
예기치 않은 가동 중단이 한 시간만 이어지더라도 그 손해는 어마어마 할 수 있다. 2017년의 한 조사에 따르면, 기업들은 가동 중단으로 인해 입게 되는 손해액이 평균적으로 2백만 달러에 달한다고 응답했으며, 예기치 않은 가동 중단은 계획적인 유지보수보다 훨씬 더 큰 손해를 일으킬 수 있다. 문제를 진단해서 부품을 조달하고 수리를 진행하는 동안 기계를 멈춰야 하기 때문이다.
기계의 계속적인 가동과 예상되는 잔여 수명은 누적 가동 시간, 변화하는 부하, 운용 환경, 결함 발생 같은 여러 변수들의 영향을 받는다. 상태 기반 모니터링은 이러한 영향을 수량화하고 즉시 경고를 해서 조치를 취할 수 있도록 하고 이상 징후를 미리 감지할 수 있도록 하기 위한 것이다.
기계의 노후화 과정은 눈에 띄지 않게 아주 천천히 일어나며, 기계마다 서로 다른 양상으로 나타난다. 시간이 지나면서 점진적으로 일어나는 변화를 적극적으로 감지하지 않는다면, 미처 깨닫지 못하는 사이에 노후화가 진행될 수 있다. 그러다 어느 시점에 갑자기 심각한 결함으로 나타나기도 하는데, 그 때는 기계를 멈춰 세우고 수리를 해야 한다. 최종 사용자들은 이상 징후를 미리 감지하고 예방적 가동 중단을 사전에 계획할 수 있기를 원한다. 또한 예를 들어서 제지나 강판 같은 최종 제품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 미세한 변화들을 더 잘 감지할 수 있기를 바란다.
그림 1: 압전 센서와 휴대형 로거를 이용한 수작업 검사
기계 마모를 좀더 조기에 감지하고 기계 가동 품질에 대한 정보를 얻기 위해 좀더 예민하고 범용적인 센서 기술이 필요해졌다. 측정의 형태 또한 갈수록 다양해지고 있다. 온도와 진동에 더해서 음향, 모터 전류, 전압 같은 것들을 추가적으로 측정할 수 있다. 이러한 측정들을 결합하면 장비 상태를 보다 총체적으로 파악할 수 있다. 이를 위해서는 기계 한 대당 측정 채널 수를 늘려야 한다. 개별 측정들을 잘 동기화하면 예컨대 x, y, z 축으로 진동 측정을 결합할 수 있다. 이러한 동기화를 하기 위해서는 시스템은 점점 더 복잡해질 수밖에 없다.
측정 노드 수가 많아지고 측정 방식이 다양해지면 사람이 일일이 수작업으로 검사하고 측정하는 것으로는 감당하기가 어려워진다. 기존에 구축되어 있는 유선 인프라나 견고하고 보안성 있는 무선 시스템을 사용해서 공장과 원격지 설비 전체에 걸쳐서 시스템을 구축해야 한다. 덩치가 크고 가격이 비싼 센서와 데이터 수집 장치들을 이러한 환경에 집어넣을 수 있도록 크기를 소형화하고, 가격대를 낮추고, 전력 효율을 높여야 한다.
다행히 이러한 센싱 요건들을 충족할 수 있도록 부품 차원에서나 서브시스템 차원에서 기능 집적도를 높인 새로운 정밀 솔루션들이 등장하고 있다.
데이터 수집
기계 마모를 가능한 조기에 감지하기 위해서는 미래를 내다볼 필요가 있다. 상태 모니터링을 위해서는 시스템 온도, 진동, 음향 시그니처 같은 것들의 미세한 변화를 통해 이상을 감지할 수 있다. 이러한 미세한 변화들을 감지하려면 강한 진동이나 온도 신호는 물론 작은 변화까지도 포착할 수 있는 민감한 센서와 데이터 수집 시스템이 필요하다. 그러기 위해서는 신호 체인에 극히 높은 동적 범위가 요구된다. 즉, 잡음은 극히 낮으면서 넓은 범위의 신호 레벨을 처리할 수 있는 시스템이 필요한 것이다. 일례로, 왕복 펌프에서 마모가 진행되는 것을 감지하기 위해서는 피스톤이 최대 300mm까지 움직이면서 피스톤의 엔드 스트로크 위치가 1/10mm 이하의 수준까지 변화하는 것을 감지할 수 있어야 한다. 이러한 변화를 감지할 수 있으려면 시스템 잡음이 이보다 최소한 10배 더 낮아야 한다. 그러기 위해서는 감지 수준이 1:300,000이 되어야 한다. 다시 말해서 109dB이 되어야 한다는 뜻이고, 그러려면 18비트 이상의 데이터 수집 시스템이 필요하다.
또 다른 고려사항은 대역폭을 넓혀야 하는 요구이다. 모터 회전축과 많은 기어 시스템은 비교적 저주파수에서 특징적인 진동을 나타내는데, 이 주파수는 회전축 회전 속도나 이 속도의 낮은 배수에 가깝다. 하지만 고주파 특성을 갖는 시스템의 다른 부품들도 있다. 볼 또는 오일 베어링 같이 더 높은 주파수 특성을 갖는 부품의 마모를 감지하기 위해서는 높은 분해능과 함께 10kHz를 넘어서 최대 80kHz에 이르는 높은 동적 범위가 필요할 수도 있다.
그림 2: 통상적인 진동 주파수 시그니처
센싱 시스템 사양에는 높은 동적 범위(DR)뿐 아니라, 극히 낮은 총 고조파 왜곡(THD)도 포함돼야 한다. 시스템 진동 프로파일에서 이러한 주파수 도메인 특성들을 구분할 수 있도록 하기 위해서다. 이러한 시스템에서, 최신 정밀 광대역폭 시그마-델타(Σ-Δ) 컨버터를 사용해서 아날로그-디지털 변환을 할 수 있다. 이러한 시스템용 핵심 요건들을 충족하도록 정확도가 극히 우수한 아날로그-디지털 컨버터들이 출시되고 있다. 이 등급의 컨버터들은 동적 범위와 THD가 지극히 우수할 뿐만 아니라, DC부터 최소한 80kHz까지 이르는 대역폭에 걸쳐서 이러한 성능을 제공한다. 여기에 아날로그 입력 프리차지 버퍼, 디지털 필터, 다중채널 위상 매칭을 위한 디바이스간 동기화 같은 편리한 기능들까지 포함하기 때문에 고성능 CbM 데이터 수집 시스템에 사용하기에 적합하다. 또한 전력 스케일링 기능을 제공하므로 동일한 하드웨어를 특정 전력 예산에 맞게 구성할 수 있다. 다만, 이 경우에는 총 전력에 대해 동적 범위나 대역폭을 절충해야 할 수 있다. 또한 넓은 대역폭에서만 아니라 DC에서도 정확도를 제공하므로 동일한 플랫폼에서 입력 채널로 온도, 스트레인, 그밖에 다른 DC 또는 저대역폭 센싱 요구를 충족할 수 있다. 그러므로 단일 플랫폼에서 모든 CbM 센서 유형을 충족할 수 있으므로 전반적인 상태 모니터링 시스템 아키텍처와 복잡성을 간소화할 수 있다.
동시 샘플링
CbM 시스템으로 동시 샘플링을 사용하여 일련의 시간 도메인 데이터들 사이에 위상 관계를 유지할 수 있다. 예를 들어서 2개 직교 진동 센서를 사용해서 진동 페이저의 방향과 진폭을 감지할 수 있다. 이상적으로는 각각의 센서 입력 경로로 위상 지연을 잘 매칭해야 한다.
샘플링 레이트, 대역폭, 전력 스케일링 요건 등과 관련해 좀더 폭 넓은 설계 유연성을 필요로 하는 CbM 시스템의 경우에는 SAR ADC 제품을 사용하는 것이 적합할 수 있다. SAR ADC는 높은 동적 범위와 THD를 제공하고, 최대 2MSPS의 쓰루풋이 가능하며, 신호 체인 복잡성과 전력 소모를 줄여 채널 밀도를 높이는 사용하기 쉬운 여러 기능들을 통합하고 있다. 컨버터가 더 높은 입력 임피던스 모드를 지원한다면, 최적의 성능을 유지하면서 이러한 ADC를 직접 구동하기 위해 사용할 수 있는 저전력 정밀 증폭기의 선택폭이 넓어진다.
시스템 회사들이 보다 컴팩트한 노드들이나 분산형 데이터 수집 노드들을 이용해 채널 밀도를 극대화하고 제품 출시 시간을 앞당길 수 있도록, 그 어느 때보다 높은 수준의 집적도를 제공하는 신호 체인 ?Module® 제품들이 개발되고 있다.
이들 ?Module 디바이스는 데이터 수집 신호 체인에 사용되는 주요 장치들을 IC 같이 컴팩트한 폼 팩터에 통합하고 있다.
?Module 제품을 사용하여, 설계자들은 아날로그 및 혼성신호 부품을 선택하고, 최적화하고, 레이아웃해야 하는 부담을 덜 수 있다. 전반적인 설계 시간과 시스템 문제 해결에 걸리는 시간을 줄일 수 있으므로, 궁극적으로 개발 시간을 단축할 수 있다. 소형화된 크기의 ?Module 디바이스는 분산형으로 채널 수가 적고 컴팩트한 CbM 시스템이든, 채널 수가 많은 랙 기반 시스템이든 어떤 시스템에도 사용하기에 적합하다.
그림 3: 3D로 표현한 ?Module 어셈블리
센서
신호 체인의 데이터 수집 부분에서만 높은 동적 범위와 넓은 대역폭, 높은 전력 효율, 높은 채널 밀도를 달성하는 것은 CbM 시스템의 설계 과제 중 일부만 해결한 것이다. 기존의 전자회로 내장 압전(integrated electronics piezoelectric, IEPE) 진동 센서는 크기가 크고 비싸며 데이터 수집 시스템보다 상대적으로 더 높은 전압 레일로 동작한다. 통상적인 압전 센서는 -24V 단일 전원을 사용해 2mA 이상을 소모하며, 무거운 금속 케이스로 하우징한다. 센서 전원은 일반적으로 데이터 수집 모듈로부터 제공되므로, 이 박스에서 채널 밀도를 높이면 전력 밀도와 부품 탑재 밀도에 있어서 문제가 된다. 여기에 배터리 전원으로 작동하는 무선 데이터 수집 노드를 사용하겠다고 하면, 기존의 압전 진동 센서로는 더 이상 이러한 신호 체인의 요구를 충족할 수 없게 된다.
MEMS 진동 및 관성 센서를 사용하면 이러한 시스템의 요구를 충족할 수 있다. 최신 광대역폭 MEMS 디바이스는 CbM 애플리케이션에 사용하기에 이상적인 잡음 및 대역폭 성능을 제공할 뿐만 아니라, 동급의 IEPE 센서에 비해 전력 소모가 20배 더 적은 극소형 표준 표면실장 패키지로 제공된다. 이러한 MEMS 센서의 작은 크기와 전력 프로파일을 활용함으로써, 개발자는 지속적인 상태 모니터링 애플리케이션을 위해 배터리 전원으로 동작하는 소형의 다축 시스템을 개발할 수 있다.
전원과 커넥티비티
기계의 온도, 진동, 잡음을 측정하고 이것을 디지털 정보로 변환하는 것이 모니터링 작업의 핵심적인 부분이기는 하지만 그것이 전부는 아니다. CbM 시스템 구축을 위해서는 아날로그, 디지털, 혼성신호 부품 모두에 대해서 주의를 기울여야 한다. 데이터 수집 체인에서 잡음 수준을 낮게 유지하려면 저잡음 센서와 ADC뿐 아니라 저잡음 전원장치도 필요하다. 또한 시스템 차원에서 저전력을 달성하기 위해서는 설계 복잡성을 가중시키지 않으면서 배터리나 현장에 구축된 배선으로부터 전력을 효율적으로 취할 수 있는 전원장치가 필요하다.
커넥티비티 요구 사항은 애플리케이션 환경마다 다를 수 있다. 많은 산업용 설비들은 이미 공정 제어나 온도 같은 환경 센싱을 위해서 집중적으로 배선을 구축하고 있을 것이다. 그런데 이러한 기존 인프라 대부분은 광범위한 CbM에 필요한 다량의 미가공 데이터나 데이터 속도를 처리하지 못할 수 있다.
한 가지 해결책은, 기존 기능에 영향을 미치지 않는 방식으로 기존 배선의 능력을 확장해서 더 많은 데이터를 처리하도록 하는 것이다. 예를 들어서 HART® 기술을 사용하면 보편적으로 사용되는 4 ~ 20mA 아날로그 인터페이스 상에서 디지털 형태로 된 진단 정보를 추가할 수 있다. 마찬가지로, 기존 이더넷 케이블이 설치되어 있는 곳에 산업용 이더넷을 사용해서 확정성과 실시간 제어를 추가할 수 있다. 이렇게 함으로써 제어 애플리케이션으로 알려진 지연시간이 가능할 뿐만 아니라, 진동 또는 FFT 데이터가 필요한 경우에 더 높은 대역폭이 가능하고, 또 각각의 링크로 다중 노드가 가능하다.
또 다른 방법은 정보를 무선으로 전송하는 것이다. 산업용 환경에서는 강건하고 보안성 있는 무선 네트워킹이 필요하다. 최신의 지능적인 메시 무선 기술은 무선 칩과 인증 받은 PCB 모듈을 사용해서 역동적으로 변화하는 열악한 RF 환경에서도 저전력 통신과 99.999% 이상의 데이터 신뢰성을 달성할 수 있다. CbM의 경우, 이는 최대한 신속하게 결함이나 이벤트 발생 사실을 감지하고 호스트로 통보해서 조치를 취할 수 있다는 것을 뜻한다.
그림 4: 통상적인 정밀 데이터 수집 신호 체인을 나타낸 블록 다이어그램
CbM의 향후 전망
에너지나 석유 가스 같이 대규모 설비에서 예기치 않은 가동 중단 사고가 발생했을 때 큰 피해를 입을 수 있는 분야에서는 CbM 기술이 절대적으로 필요하다. 또한 공장에서는 CbM 기술을 사용해서 이상 징후를 미리 감지하고 기계 유지보수를 할 수 있으며 가동 중단을 최소화할 수 있다. 이러한 모니터링의 유용성이 입증되면서 갈수록 더 다양한 기계들로 이 기술이 도입되고 있다. 풍력 터빈이나 제지 공장뿐만 아니라, 열차, 비행기, 자동차, 세탁기와 소형 가전으로까지 CbM이 사용되는 사례를 보게 될 것이다.
시스템 회사들은 자신들이 개발하는 시스템에 점점 더 많은 센서들을 탑재할 것이다. 모터에는 진동과 전류를 측정하는 센서들이 포함될 것이며, 베어링과 기어박스 역시 그렇게 될 것이다. 센서 노드를 내장하면 이상이 감지되었을 때 모바일 디바이스로 알려줄 수 있다. 예를 들어, 차고문에 센서를 설치함으로써 차고 안에 사람이 갇히는 일이 일어나지 않도록 할 수 있다.
이처럼 다양한 시나리오에서 갈수록 높아지는 센싱 기술에 대한 요구를 충족하기 위해서는 장비 회사들이 플랫폼 접근법을 취해야 한다. 다시 말해, 적은 숫자의 플랫폼을 사용해서 다양한 요구를 충족할 수 있게 해야 한다. 측정 채널에서 다양한 방식의 센서들을 처리할 수 있게 해야 한다. 그러면 동일한 랙 기반 장비를 가지고 또 다른 조합의 센서들을 처리하도록 변경할 수 있다. 소형 장비 역시 다양한 전력 프로파일을 충족할 수 있도록 해야 한다. 그러면 동일한 모니터링 노드를 세탁기에도 사용할 수 있고 배터리 구동 공구에도 사용할 수 있다.
맺음말
상태 기반 모니터링, CbM 기술은 기계에 대한 여러 파라미터들을 센싱해서 기계가 정상 상태인지 여부를 수량적으로 파악하기 위한 것이다. 공장에 이러한 센싱을 구축하기 위해서는 측정 정확도와 감도를 높이고 모니터링 장비의 크기, 무게, 전력을 낮추는 것이 필요하다.
공장의 기계 시스템에 CbM을 설치하는 것은, 마치 사람의 건강 상태를 파악하기 위해 사람 몸에 웨어러블 피트니스 트래커를 착용하는 것과 마찬가지다. 이렇게 함으로써 공장 가동에 대해서 새로운 차원의 통찰을 얻을 수 있다. 공장 관리자가 기계 가동에 대해서 미세한 변화까지 감지할 수 있으므로 이 정보를 사용해서 조기에 효과적이고 적절한 조치를 취할 수 있다.
사전에 계획적으로 유지보수를 할 수 있고 꼭 필요한 기계들만 수리를 할 수 있으므로 유지보수 비용도 크게 줄일 수 있다. 또한 야간 호출이나 당직 등에 따른 인건비를 없앨 수 있다.
공장을 좀더 효과적으로 통제할 수 있으므로 자본 설비 비용을 줄일 수 있다. 마모된 부품을 조기에 감지하고 교체할 수 있으므로 기계의 전반적인 건전성을 높일 수 있다. 면밀하게 모니터링을 함으로써 심각한 결함이 발생될 가능성을 낮출 수 있다. 기계를 수명이 다할 때까지 신중하게 관리함으로써 장비 수명을 늘릴 수 있다.
최종 제품의 제조 원가를 낮출 수 있다. 기계 건전성에 대한 통찰을 활용함으로써 기계의 공차를 잘 관리할 수 있다. 최종적으로 생산되는 제품의 품질을 로트 대 로트로 보다 일관성 있게 관리할 수 있다. 기계가 허용 범위를 벗어나거나 갑자기 멈추는 사고도 예방할 수 있다. 그러므로 재작업이나 낭비를 줄일 수 있다.
아나로그디바이스의 포괄적 솔루션
아나로그디바이스(ADI)는 장비의 효율과 수명을 극대화하고자 하는 고객이나, 자신들의 최종 고객들에게 이러한 측정 및 분석 솔루션을 제공하고자 하는 고객들의 센싱 및 측정 요구를 잘 이해하고 있다. ADI는 CbM에 필요한 센싱 및 측정 요구를 충족하도록 부품 차원뿐 아니라 통합적인 신호 체인용 Module 디바이스와 전원용 ?Module 제품을 통해 포괄적인 솔루션을 제공한다.
ADI는 저전력 MEMS 센서와 전력 효율이 우수한 고성능 데이터 컨버터에서부터 무선 커넥티비티와 전원 관리 제품에 이르기까지 신호 체인 전반에 걸쳐서 솔루션을 제공한다. 랙 기반 시스템용으로 최상의 성능을 제공할 뿐만 아니라, 분산형 모니터링 노드의 요구를 충족하는 제품을 제공한다. 데이터가 생성되는 곳은 아날로그 세상이고, 아나로그디바이스는 아날로그를 의미 있고 유용한 정보로 변환하는 일에 매진해온 회사이다.
아나로그디바이스의 CbM 솔루션에 관한 자세한 정보는 analog.com/cbm에서 볼 수 있으며, “예측적 유지보수용으로 적합한 가속도계 선택(https://www.analog.com/en/technical-articles/choose-the-right-accelerometer-for-predictive-maintenance.html)” 기사에서도 관련 정보를 확인할 수 있다.
저자 소개
스튜어트 서비스(Stuart Servis)는 아나로그디바이스의 제품 애플리케이션 엔지니어로서, 계측 및 정밀 기술 그룹의 정밀 신호 체인 팀 소속이다. 주로 시그마-델타 및 SAR ADC에 기반한 정밀 데이터 수집 신호 체인을 맡고 있다. 국립 아일랜드대학 골웨이 캠퍼스에서 응용 물리학과 전자공학을 전공했다. 문의: stuart.servis@analog.com
상태 기반 모니터링(condition-based monitoring, CbM)은 인더스트리 4.0 에는 웨어러블 피트니스 기기와도 같다. 연결성이 폭발적으로 확대됨에 따라, 오늘날 우리는 과거에는 상상할 수 없던 방식으로 물리적 세상을 실시간으로 파악할 수 있게 되었다. 산업용 시스템에서는 장비와 기계의 노후화가 어떻게 진행되고 있는지 이해하는 것이 중요하다. 정유 가스, 풍력 발전, 산업용 공정 제어 같이 설비 비용이 막대하고 가동 중단으로 인한 손해가 엄청날 수 있는 경우에는 더욱 그렇다.
예기치 않은 가동 중단이 한 시간만 이어지더라도 그 손해는 어마어마 할 수 있다. 2017년의 한 조사에 따르면, 기업들은 가동 중단으로 인해 입게 되는 손해액이 평균적으로 2백만 달러에 달한다고 응답했으며, 예기치 않은 가동 중단은 계획적인 유지보수보다 훨씬 더 큰 손해를 일으킬 수 있다. 문제를 진단해서 부품을 조달하고 수리를 진행하는 동안 기계를 멈춰야 하기 때문이다.
기계의 계속적인 가동과 예상되는 잔여 수명은 누적 가동 시간, 변화하는 부하, 운용 환경, 결함 발생 같은 여러 변수들의 영향을 받는다. 상태 기반 모니터링은 이러한 영향을 수량화하고 즉시 경고를 해서 조치를 취할 수 있도록 하고 이상 징후를 미리 감지할 수 있도록 하기 위한 것이다.
기계의 노후화 과정은 눈에 띄지 않게 아주 천천히 일어나며, 기계마다 서로 다른 양상으로 나타난다. 시간이 지나면서 점진적으로 일어나는 변화를 적극적으로 감지하지 않는다면, 미처 깨닫지 못하는 사이에 노후화가 진행될 수 있다. 그러다 어느 시점에 갑자기 심각한 결함으로 나타나기도 하는데, 그 때는 기계를 멈춰 세우고 수리를 해야 한다. 최종 사용자들은 이상 징후를 미리 감지하고 예방적 가동 중단을 사전에 계획할 수 있기를 원한다. 또한 예를 들어서 제지나 강판 같은 최종 제품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 미세한 변화들을 더 잘 감지할 수 있기를 바란다.
그림 1: 압전 센서와 휴대형 로거를 이용한 수작업 검사
기계 마모를 좀더 조기에 감지하고 기계 가동 품질에 대한 정보를 얻기 위해 좀더 예민하고 범용적인 센서 기술이 필요해졌다. 측정의 형태 또한 갈수록 다양해지고 있다. 온도와 진동에 더해서 음향, 모터 전류, 전압 같은 것들을 추가적으로 측정할 수 있다. 이러한 측정들을 결합하면 장비 상태를 보다 총체적으로 파악할 수 있다. 이를 위해서는 기계 한 대당 측정 채널 수를 늘려야 한다. 개별 측정들을 잘 동기화하면 예컨대 x, y, z 축으로 진동 측정을 결합할 수 있다. 이러한 동기화를 하기 위해서는 시스템은 점점 더 복잡해질 수밖에 없다.
측정 노드 수가 많아지고 측정 방식이 다양해지면 사람이 일일이 수작업으로 검사하고 측정하는 것으로는 감당하기가 어려워진다. 기존에 구축되어 있는 유선 인프라나 견고하고 보안성 있는 무선 시스템을 사용해서 공장과 원격지 설비 전체에 걸쳐서 시스템을 구축해야 한다. 덩치가 크고 가격이 비싼 센서와 데이터 수집 장치들을 이러한 환경에 집어넣을 수 있도록 크기를 소형화하고, 가격대를 낮추고, 전력 효율을 높여야 한다.
다행히 이러한 센싱 요건들을 충족할 수 있도록 부품 차원에서나 서브시스템 차원에서 기능 집적도를 높인 새로운 정밀 솔루션들이 등장하고 있다.
데이터 수집
기계 마모를 가능한 조기에 감지하기 위해서는 미래를 내다볼 필요가 있다. 상태 모니터링을 위해서는 시스템 온도, 진동, 음향 시그니처 같은 것들의 미세한 변화를 통해 이상을 감지할 수 있다. 이러한 미세한 변화들을 감지하려면 강한 진동이나 온도 신호는 물론 작은 변화까지도 포착할 수 있는 민감한 센서와 데이터 수집 시스템이 필요하다. 그러기 위해서는 신호 체인에 극히 높은 동적 범위가 요구된다. 즉, 잡음은 극히 낮으면서 넓은 범위의 신호 레벨을 처리할 수 있는 시스템이 필요한 것이다. 일례로, 왕복 펌프에서 마모가 진행되는 것을 감지하기 위해서는 피스톤이 최대 300mm까지 움직이면서 피스톤의 엔드 스트로크 위치가 1/10mm 이하의 수준까지 변화하는 것을 감지할 수 있어야 한다. 이러한 변화를 감지할 수 있으려면 시스템 잡음이 이보다 최소한 10배 더 낮아야 한다. 그러기 위해서는 감지 수준이 1:300,000이 되어야 한다. 다시 말해서 109dB이 되어야 한다는 뜻이고, 그러려면 18비트 이상의 데이터 수집 시스템이 필요하다.
또 다른 고려사항은 대역폭을 넓혀야 하는 요구이다. 모터 회전축과 많은 기어 시스템은 비교적 저주파수에서 특징적인 진동을 나타내는데, 이 주파수는 회전축 회전 속도나 이 속도의 낮은 배수에 가깝다. 하지만 고주파 특성을 갖는 시스템의 다른 부품들도 있다. 볼 또는 오일 베어링 같이 더 높은 주파수 특성을 갖는 부품의 마모를 감지하기 위해서는 높은 분해능과 함께 10kHz를 넘어서 최대 80kHz에 이르는 높은 동적 범위가 필요할 수도 있다.
그림 2: 통상적인 진동 주파수 시그니처
센싱 시스템 사양에는 높은 동적 범위(DR)뿐 아니라, 극히 낮은 총 고조파 왜곡(THD)도 포함돼야 한다. 시스템 진동 프로파일에서 이러한 주파수 도메인 특성들을 구분할 수 있도록 하기 위해서다. 이러한 시스템에서, 최신 정밀 광대역폭 시그마-델타(Σ-Δ) 컨버터를 사용해서 아날로그-디지털 변환을 할 수 있다. 이러한 시스템용 핵심 요건들을 충족하도록 정확도가 극히 우수한 아날로그-디지털 컨버터들이 출시되고 있다. 이 등급의 컨버터들은 동적 범위와 THD가 지극히 우수할 뿐만 아니라, DC부터 최소한 80kHz까지 이르는 대역폭에 걸쳐서 이러한 성능을 제공한다. 여기에 아날로그 입력 프리차지 버퍼, 디지털 필터, 다중채널 위상 매칭을 위한 디바이스간 동기화 같은 편리한 기능들까지 포함하기 때문에 고성능 CbM 데이터 수집 시스템에 사용하기에 적합하다. 또한 전력 스케일링 기능을 제공하므로 동일한 하드웨어를 특정 전력 예산에 맞게 구성할 수 있다. 다만, 이 경우에는 총 전력에 대해 동적 범위나 대역폭을 절충해야 할 수 있다. 또한 넓은 대역폭에서만 아니라 DC에서도 정확도를 제공하므로 동일한 플랫폼에서 입력 채널로 온도, 스트레인, 그밖에 다른 DC 또는 저대역폭 센싱 요구를 충족할 수 있다. 그러므로 단일 플랫폼에서 모든 CbM 센서 유형을 충족할 수 있으므로 전반적인 상태 모니터링 시스템 아키텍처와 복잡성을 간소화할 수 있다.
동시 샘플링
CbM 시스템으로 동시 샘플링을 사용하여 일련의 시간 도메인 데이터들 사이에 위상 관계를 유지할 수 있다. 예를 들어서 2개 직교 진동 센서를 사용해서 진동 페이저의 방향과 진폭을 감지할 수 있다. 이상적으로는 각각의 센서 입력 경로로 위상 지연을 잘 매칭해야 한다.
샘플링 레이트, 대역폭, 전력 스케일링 요건 등과 관련해 좀더 폭 넓은 설계 유연성을 필요로 하는 CbM 시스템의 경우에는 SAR ADC 제품을 사용하는 것이 적합할 수 있다. SAR ADC는 높은 동적 범위와 THD를 제공하고, 최대 2MSPS의 쓰루풋이 가능하며, 신호 체인 복잡성과 전력 소모를 줄여 채널 밀도를 높이는 사용하기 쉬운 여러 기능들을 통합하고 있다. 컨버터가 더 높은 입력 임피던스 모드를 지원한다면, 최적의 성능을 유지하면서 이러한 ADC를 직접 구동하기 위해 사용할 수 있는 저전력 정밀 증폭기의 선택폭이 넓어진다.
시스템 회사들이 보다 컴팩트한 노드들이나 분산형 데이터 수집 노드들을 이용해 채널 밀도를 극대화하고 제품 출시 시간을 앞당길 수 있도록, 그 어느 때보다 높은 수준의 집적도를 제공하는 신호 체인 ?Module® 제품들이 개발되고 있다.
이들 ?Module 디바이스는 데이터 수집 신호 체인에 사용되는 주요 장치들을 IC 같이 컴팩트한 폼 팩터에 통합하고 있다.
?Module 제품을 사용하여, 설계자들은 아날로그 및 혼성신호 부품을 선택하고, 최적화하고, 레이아웃해야 하는 부담을 덜 수 있다. 전반적인 설계 시간과 시스템 문제 해결에 걸리는 시간을 줄일 수 있으므로, 궁극적으로 개발 시간을 단축할 수 있다. 소형화된 크기의 ?Module 디바이스는 분산형으로 채널 수가 적고 컴팩트한 CbM 시스템이든, 채널 수가 많은 랙 기반 시스템이든 어떤 시스템에도 사용하기에 적합하다.
그림 3: 3D로 표현한 ?Module 어셈블리
센서
신호 체인의 데이터 수집 부분에서만 높은 동적 범위와 넓은 대역폭, 높은 전력 효율, 높은 채널 밀도를 달성하는 것은 CbM 시스템의 설계 과제 중 일부만 해결한 것이다. 기존의 전자회로 내장 압전(integrated electronics piezoelectric, IEPE) 진동 센서는 크기가 크고 비싸며 데이터 수집 시스템보다 상대적으로 더 높은 전압 레일로 동작한다. 통상적인 압전 센서는 -24V 단일 전원을 사용해 2mA 이상을 소모하며, 무거운 금속 케이스로 하우징한다. 센서 전원은 일반적으로 데이터 수집 모듈로부터 제공되므로, 이 박스에서 채널 밀도를 높이면 전력 밀도와 부품 탑재 밀도에 있어서 문제가 된다. 여기에 배터리 전원으로 작동하는 무선 데이터 수집 노드를 사용하겠다고 하면, 기존의 압전 진동 센서로는 더 이상 이러한 신호 체인의 요구를 충족할 수 없게 된다.
MEMS 진동 및 관성 센서를 사용하면 이러한 시스템의 요구를 충족할 수 있다. 최신 광대역폭 MEMS 디바이스는 CbM 애플리케이션에 사용하기에 이상적인 잡음 및 대역폭 성능을 제공할 뿐만 아니라, 동급의 IEPE 센서에 비해 전력 소모가 20배 더 적은 극소형 표준 표면실장 패키지로 제공된다. 이러한 MEMS 센서의 작은 크기와 전력 프로파일을 활용함으로써, 개발자는 지속적인 상태 모니터링 애플리케이션을 위해 배터리 전원으로 동작하는 소형의 다축 시스템을 개발할 수 있다.
전원과 커넥티비티
기계의 온도, 진동, 잡음을 측정하고 이것을 디지털 정보로 변환하는 것이 모니터링 작업의 핵심적인 부분이기는 하지만 그것이 전부는 아니다. CbM 시스템 구축을 위해서는 아날로그, 디지털, 혼성신호 부품 모두에 대해서 주의를 기울여야 한다. 데이터 수집 체인에서 잡음 수준을 낮게 유지하려면 저잡음 센서와 ADC뿐 아니라 저잡음 전원장치도 필요하다. 또한 시스템 차원에서 저전력을 달성하기 위해서는 설계 복잡성을 가중시키지 않으면서 배터리나 현장에 구축된 배선으로부터 전력을 효율적으로 취할 수 있는 전원장치가 필요하다.
커넥티비티 요구 사항은 애플리케이션 환경마다 다를 수 있다. 많은 산업용 설비들은 이미 공정 제어나 온도 같은 환경 센싱을 위해서 집중적으로 배선을 구축하고 있을 것이다. 그런데 이러한 기존 인프라 대부분은 광범위한 CbM에 필요한 다량의 미가공 데이터나 데이터 속도를 처리하지 못할 수 있다.
한 가지 해결책은, 기존 기능에 영향을 미치지 않는 방식으로 기존 배선의 능력을 확장해서 더 많은 데이터를 처리하도록 하는 것이다. 예를 들어서 HART® 기술을 사용하면 보편적으로 사용되는 4 ~ 20mA 아날로그 인터페이스 상에서 디지털 형태로 된 진단 정보를 추가할 수 있다. 마찬가지로, 기존 이더넷 케이블이 설치되어 있는 곳에 산업용 이더넷을 사용해서 확정성과 실시간 제어를 추가할 수 있다. 이렇게 함으로써 제어 애플리케이션으로 알려진 지연시간이 가능할 뿐만 아니라, 진동 또는 FFT 데이터가 필요한 경우에 더 높은 대역폭이 가능하고, 또 각각의 링크로 다중 노드가 가능하다.
또 다른 방법은 정보를 무선으로 전송하는 것이다. 산업용 환경에서는 강건하고 보안성 있는 무선 네트워킹이 필요하다. 최신의 지능적인 메시 무선 기술은 무선 칩과 인증 받은 PCB 모듈을 사용해서 역동적으로 변화하는 열악한 RF 환경에서도 저전력 통신과 99.999% 이상의 데이터 신뢰성을 달성할 수 있다. CbM의 경우, 이는 최대한 신속하게 결함이나 이벤트 발생 사실을 감지하고 호스트로 통보해서 조치를 취할 수 있다는 것을 뜻한다.
그림 4: 통상적인 정밀 데이터 수집 신호 체인을 나타낸 블록 다이어그램
CbM의 향후 전망
에너지나 석유 가스 같이 대규모 설비에서 예기치 않은 가동 중단 사고가 발생했을 때 큰 피해를 입을 수 있는 분야에서는 CbM 기술이 절대적으로 필요하다. 또한 공장에서는 CbM 기술을 사용해서 이상 징후를 미리 감지하고 기계 유지보수를 할 수 있으며 가동 중단을 최소화할 수 있다. 이러한 모니터링의 유용성이 입증되면서 갈수록 더 다양한 기계들로 이 기술이 도입되고 있다. 풍력 터빈이나 제지 공장뿐만 아니라, 열차, 비행기, 자동차, 세탁기와 소형 가전으로까지 CbM이 사용되는 사례를 보게 될 것이다.
시스템 회사들은 자신들이 개발하는 시스템에 점점 더 많은 센서들을 탑재할 것이다. 모터에는 진동과 전류를 측정하는 센서들이 포함될 것이며, 베어링과 기어박스 역시 그렇게 될 것이다. 센서 노드를 내장하면 이상이 감지되었을 때 모바일 디바이스로 알려줄 수 있다. 예를 들어, 차고문에 센서를 설치함으로써 차고 안에 사람이 갇히는 일이 일어나지 않도록 할 수 있다.
이처럼 다양한 시나리오에서 갈수록 높아지는 센싱 기술에 대한 요구를 충족하기 위해서는 장비 회사들이 플랫폼 접근법을 취해야 한다. 다시 말해, 적은 숫자의 플랫폼을 사용해서 다양한 요구를 충족할 수 있게 해야 한다. 측정 채널에서 다양한 방식의 센서들을 처리할 수 있게 해야 한다. 그러면 동일한 랙 기반 장비를 가지고 또 다른 조합의 센서들을 처리하도록 변경할 수 있다. 소형 장비 역시 다양한 전력 프로파일을 충족할 수 있도록 해야 한다. 그러면 동일한 모니터링 노드를 세탁기에도 사용할 수 있고 배터리 구동 공구에도 사용할 수 있다.
맺음말
상태 기반 모니터링, CbM 기술은 기계에 대한 여러 파라미터들을 센싱해서 기계가 정상 상태인지 여부를 수량적으로 파악하기 위한 것이다. 공장에 이러한 센싱을 구축하기 위해서는 측정 정확도와 감도를 높이고 모니터링 장비의 크기, 무게, 전력을 낮추는 것이 필요하다.
공장의 기계 시스템에 CbM을 설치하는 것은, 마치 사람의 건강 상태를 파악하기 위해 사람 몸에 웨어러블 피트니스 트래커를 착용하는 것과 마찬가지다. 이렇게 함으로써 공장 가동에 대해서 새로운 차원의 통찰을 얻을 수 있다. 공장 관리자가 기계 가동에 대해서 미세한 변화까지 감지할 수 있으므로 이 정보를 사용해서 조기에 효과적이고 적절한 조치를 취할 수 있다.
사전에 계획적으로 유지보수를 할 수 있고 꼭 필요한 기계들만 수리를 할 수 있으므로 유지보수 비용도 크게 줄일 수 있다. 또한 야간 호출이나 당직 등에 따른 인건비를 없앨 수 있다.
공장을 좀더 효과적으로 통제할 수 있으므로 자본 설비 비용을 줄일 수 있다. 마모된 부품을 조기에 감지하고 교체할 수 있으므로 기계의 전반적인 건전성을 높일 수 있다. 면밀하게 모니터링을 함으로써 심각한 결함이 발생될 가능성을 낮출 수 있다. 기계를 수명이 다할 때까지 신중하게 관리함으로써 장비 수명을 늘릴 수 있다.
최종 제품의 제조 원가를 낮출 수 있다. 기계 건전성에 대한 통찰을 활용함으로써 기계의 공차를 잘 관리할 수 있다. 최종적으로 생산되는 제품의 품질을 로트 대 로트로 보다 일관성 있게 관리할 수 있다. 기계가 허용 범위를 벗어나거나 갑자기 멈추는 사고도 예방할 수 있다. 그러므로 재작업이나 낭비를 줄일 수 있다.
아나로그디바이스의 포괄적 솔루션
아나로그디바이스(ADI)는 장비의 효율과 수명을 극대화하고자 하는 고객이나, 자신들의 최종 고객들에게 이러한 측정 및 분석 솔루션을 제공하고자 하는 고객들의 센싱 및 측정 요구를 잘 이해하고 있다. ADI는 CbM에 필요한 센싱 및 측정 요구를 충족하도록 부품 차원뿐 아니라 통합적인 신호 체인용 Module 디바이스와 전원용 ?Module 제품을 통해 포괄적인 솔루션을 제공한다.
ADI는 저전력 MEMS 센서와 전력 효율이 우수한 고성능 데이터 컨버터에서부터 무선 커넥티비티와 전원 관리 제품에 이르기까지 신호 체인 전반에 걸쳐서 솔루션을 제공한다. 랙 기반 시스템용으로 최상의 성능을 제공할 뿐만 아니라, 분산형 모니터링 노드의 요구를 충족하는 제품을 제공한다. 데이터가 생성되는 곳은 아날로그 세상이고, 아나로그디바이스는 아날로그를 의미 있고 유용한 정보로 변환하는 일에 매진해온 회사이다.
아나로그디바이스의 CbM 솔루션에 관한 자세한 정보는 analog.com/cbm에서 볼 수 있으며, “예측적 유지보수용으로 적합한 가속도계 선택(https://www.analog.com/en/technical-articles/choose-the-right-accelerometer-for-predictive-maintenance.html)” 기사에서도 관련 정보를 확인할 수 있다.
저자 소개
스튜어트 서비스(Stuart Servis)는 아나로그디바이스의 제품 애플리케이션 엔지니어로서, 계측 및 정밀 기술 그룹의 정밀 신호 체인 팀 소속이다. 주로 시그마-델타 및 SAR ADC에 기반한 정밀 데이터 수집 신호 체인을 맡고 있다. 국립 아일랜드대학 골웨이 캠퍼스에서 응용 물리학과 전자공학을 전공했다. 문의: stuart.servis@analog.com
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