[테크리포트] 산업 시설 건강상태 관리 위한 새로운 엣지 센싱 솔루션

[테크월드뉴스=이광재 기자] 이 글은 최첨단 스마트 진동 센서를 설계, 기능, 애플리케이션을 중심으로 깊이 있게 살펴본다. 이 센서의 핵심적인 목표는 MEMS(microelectromechanical system) 기술을 기반으로 하며 다양한 산업 및 연구 환경에서 높은 정밀도, 신뢰성, 실시간 모니터링 기능을 제공하는 것이며 이와 관련해 ADI MEMS 센싱 기술의 다양한 응용 분야를 소개한다.

현대 산업 환경에서는 기계의 상태를 정밀하고 신뢰성 있게 그리고 실시간으로 모니터링하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌다. 상태 기반 모니터링(condition-based monitoring, CbM) 시스템은 예방 정비 전략의 핵심 요소로 자리 잡았으며 이를 통해 가동 중단을 최소화하고 생산성을 향상시키며 유지보수 비용을 절감하는 것을 목표로 한다.

MEMS 기술을 활용한 최첨단 센서와 정교한 진단 알고리즘은 다양한 기계의 상태를 평가할 수 있는 범위를 넓혀주고 있다. MEMS 가속도계의 성능은 최근 들어 압전 진동 센서와 경쟁할 수 있을 정도로 크게 발전했다.

낮은 전력 소비, 소형화, 높은 집적도, 넓은 대역폭, 100μg/√Hz 이하의 잡음 수준과 같은 주요 장점 덕분에 이들 MEMS 진동 센서는 유지보수는 물론 설비 엔지니어가 기계의 결함을 탐지, 진단, 예측, 궁극적으로 방지할 수 있는 완전히 새로운 CbM 패러다임을 열었다.

MEMS 가속도계의 초저전력 특성 덕분에 유선 시스템은 무선 솔루션으로 대체될 수 있게 됐고 단일 축 압전 센서는 소형·경량의 3축 아날로그 부품으로 교체될 수 있으며 보다 광범위한 기계류를 비용 효율적으로 연속 모니터링할 수 있게 됐다.

이번 글에서는 MEMS 기반 진동 센서의 최신 발전, 특히 이 기술의 선두 주자격인 AVS 1001HF(고주파)와 AVS 1003LF(저주파) 가속도계를 다룬다.

상태 기반 모니터링(CbM)

터빈, 팬, 펌프, 모터와 같은 로봇 및 회전 기계용 상태 기반 모니터링 센서(condition-based monitoring sensor, CMS)는 기계의 상태와 성능에 관련된 실시간 데이터를 기록한다. 이는 목표 지향적인 예방 정비와 최적화된 제어를 가능케 한다.

기계 수명 주기의 초기 단계에 목표 지향적인 예방 정비를 적용하면 생산 중단 위험을 줄일 수 있으며 그 결과 신뢰성 향상, 상당한 비용 절감, 공장 현장에서의 생산성 증대를 달성할 수 있다.

예상치 못한 가동 중단 사태를 겪은 기업들은 평균 두 번의 가동 중단 사고로부터 평균 4시간 동안 지속되는 정전 사태와 평균 200만달러의 비용 손실을 입은 것으로 분석됐다.

CbM의 중요성

CbM의 주요 기능은 기계의 유지보수 일정을 알려주는 실시간 데이터를 제공하는 것이다. 이러한 데이터 기반 접근법은 필요한 경우에만 유지보수를 수행할 수 있도록 해 예기치 못한 고장을 방지하고 장비의 운용 수명을 연장한다. 이처럼 계획되지 않은 가동 중단을 줄임으로써 CbM 시스템은 생산 흐름의 연속성을 유지하고 자원 배분을 최적화하는 데 기여한다.

AVS 센서 솔루션

가속도계는 산업 시설 상태 모니터링 분야에서 중요한 진보를 보여준다. 이 센서의 핵심 목표는 다양한 산업 및 연구 환경에서 높은 정밀도, 신뢰성, 실시간 모니터링 기능을 제공하는 것이며 이는 ADI의 다양한 MEMS 센싱 기술의 활용 사례를 통해 확인할 수 있다.

고주파와 저주파 진동 측정 기능을 실시간 데이터 처리 및 전송 기술과 통합함으로써 이 센서들은 예방 정비를 위한 포괄적인 솔루션을 제공한다. 이들 센서는 손쉬운 통합성, 높은 활용도, 고정밀 특성 덕분에 생산성을 높이고 가동 중단을 줄이며 산업 환경에서 유지보수 전략을 최적화하는 데 필요한 매우 가치 있는 도구로 활용된다.

상태 모니터링을 재정의함으로써 AVS 센서 제품군은 기계의 운용 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 산업 시설 상태 관리의 새로운 기준을 제시한다. 산업계가 지속적으로 스마트 기술을 채택함에 따라 AVS 시리즈와 같은 첨단 센서는 차세대 산업 자동화와 유지보수를 이끄는 핵심 요소가 될 것이다.

AVS 센서 솔루션의 이점

새로운 AVS 센서 제품군이 제공하는 핵심적인 이점은 상태 모니터링을 재정의한다는 점이다. 일반적인 CbM은 센서, 복잡한 배선, 전용 데이터 수집 및 처리 장치를 필요로 한다.

스마트 AVS 센서에서는 이러한 기능이 모두 센서 내부에서 수행된다. 분석 결과는 PLC(programmable logic controller)나 SCADA(supervisory control and data acquisition)로 곧바로 전송될 수 있다. 디지털 RS-485 링크를 사용하면 여러 개의 센서를 하나의 케이블로 연결할 수도 있다.

또 다른 중요한 장점은 AVS 센서의 활용 범위가 굉장히 넓다는 것이다. 일반적인 동작 중에는 계산된 매개 변수만 전송할 수 있지만 보다 정교한 분석이 필요할 경우에는 원시 진동 신호를 전송해 분석할 수도 있다.

AVS 1001HF 및 AVS 1003LF 센서

AVS 1001HF 센서= AVS 1001HF는 단일 축 디지털 고주파 가속도계로 진동뿐 아니라 온도도 측정한다. 이 센서는 진동 가속도 신호를 처리해 산업 표준 RS-485와 모드버스(Modbus) 프로토콜의 디지털 커넥터를 통해 데이터를 제공한다.

이 센서는 2가지 유형의 데이터를 제공할 수 있는데 하나는 원시 진동 데이터 스트림이고 다른 하나는 진동 신호에서 산출된 개변수다<그림1>.

AVS 1003LF 센서= AVS 1003LF는 3축 디지털 저주파 가속도계다. AVS 1001HF와 마찬가지로 AVS 1003LF 역시 진동과 온도를 모두 측정하며 RS-485 및 모드버스 프로토콜을 통해 데이터를 제공한다. 이 센서는 3축 전반에 걸쳐 포괄적인 모니터링 기능을 제공하도록 설계됐다<그림2>. 이 두 센서의 상세 기술 규격은 <표1>에서 확인할 수 있다.

새로운 AVS 센서 제품군의 장점

직접 디지털 데이터 접근= 직접 디지털 데이터 접근 기능이 통합돼 있어 복잡한 배선이나 전용 데이터 수집·처리 장치가 필요하지 않다. 모든 기능이 센서 내부에서 수행되므로 설치 과정이 크게 간소화되고 전체 비용이 절감된다.

다양한 활용 가능성= AVS 센서는 뛰어난 활용성을 제공한다. 일반적인 동작 중에는 계산된 매개변수만 전송해 대역폭과 처리 성능을 절약할 수 있다. 보다 정밀한 분석이 필요할 경우에는 원시 진동 신호를 전송해 기계 상태에 대한 심층적인 통찰을 얻을 수 있다.

신뢰도 높은 데이터 전송= 디지털 RS-485 링크를 사용하면 여러 개의 센서를 하나의 케이블로 연결할 수 있으며 최대 1km까지 안정적인 데이터 전송이 가능하다. 이를 통해 산업 현장의 노이즈 영향을 최소화하고 센서 네트워크를 손쉽게 확장할 수 있다.

고정밀·저노이즈 특성= 두 센서는 높은 감도와 낮은 노이즈 특성을 갖추고 있어 진동 데이터의 정확도를 높인다. AVS 1001HF는 최대 100mV/g의 감도와 4㎍/√Hz의 노이즈 밀도를 제공하며 AVS 1003LF는 80㎍/√Hz의 노이즈 밀도를 갖춰 까다로운 산업 환경에서도 정밀한 측정을 보장한다.

MEMS 기술= 이들 센서의 핵심은 우수한 성능과 소형화 설계 특성을 결합한 MEMS 기술이다. MEMS 센서는 까다로운 산업용 애플리케이션에 필수적으로 요구되는 높은 내구성과 견고성을 제공한다.

높은 대역폭과 3축 센싱의 중요성

결함 포착을 위한 고대역폭= 11kHz, 3dB 대역폭을 제공하는 ADXL1002 단일 축 가속도계는 저대역폭 센서로는 놓칠 수 있는 고주파 베어링 및 기어링 결함을 포착하는 데 있어 핵심적인 역할을 한다. 이처럼 높은 대역폭 성능은 중요 부품에 대한 정밀한 분석을 가능하게 하며 고장 가능성을 조기에 탐지하고 예방할 수 있게 해준다<그림3>.

포괄적인 모니터링을 위한 3축 센싱= AVS 1003LF가 제공하는 것과 같은 3축 센싱 솔루션은 단일 축 센서로는 놓칠 수 있는 결함을 예측하는 데 필수적이다. 이들 센서는 3개 축에 걸쳐 데이터를 수집함으로써 기계 상태를 보다 종합적으로 파악할 수 있으며 이를 통해 결함 예측과 유지보수 계획을 한층 더 정밀하게 수행할 수 있다.

사례 연구

AVS 1001HF와 AVS 1003LF 가속도계 센서는 AMC 테크(AMC TECH)의 클라우드 기반 상태 모니터링 시스템에 통합됐다.

센서가 포착한 원시 신호는 엣지 프로세싱 유닛으로 전송되며 이 유닛은 진단 특성을 계산한 뒤 해당 데이터를 클라우드 서버로 보낸다.

사용자는 이를 통해 기계의 상태 정보를 빠르고 편리하게 확인할 수 있다. 제공되는 플롯에는 지도, 사용자 정의 미믹(막대 그래프 등 다양한 구성 요소 포함), 알람, 추이, 파형, 스펙트럼 등이 있다. <그림4>는 이 시스템에서 출력된 일부 플롯을 보여준다.

설정 가능한 막대 그래프 플롯은 작업자가 빠르게 상태를 평가할 수 있는 뷰를 제공한다. 한계치를 초과하면 막대의 색상이 노란색(경고)이나 빨간색(알람)으로 바뀐다.

사용자 친화적이고 직관적인 정보를 제공하기 위해 그림이나 다른 구성 요소를 추가

할 수도 있다. 또 모드버스, OPC UA, MQTT와 같은 디지털 프로토콜을 통해 데이터를 다른 시스템과 손쉽게 교환할 수 있다.

또 다른 유용한 기능으로는 보다 심층적인 분석을 위해 관심 있는 데이터를 파일로 내보내는 기능도 있다<그림7>.

또 다른 1차 플롯은 이벤트/알림 뷰다<그림5>. 작업자는 현재 활성화된 임계값 위반 상태를 확인하거나 과거의 변화를 점검할 수 있다. 작업자의 시간을 절약할 수 있도록 다양한 필터링 옵션도 제공된다. 추이 플롯은 선택된 진동 파라미터(rms 및 속도 rms)의 이력을 보여준다<그림6>.

사용자는 시간에 따른 변화의 특성, 예를 들어 변동성, 상승 추이, 다른 측정값과의 상관관계 등을 빠르게 확인할 수 있다. 경우에 따라 더 깊은 통찰이 필요할 때가 있다. 예를 들어 진동 수준이 증가한 원인이 무엇인지 파악할 필요가 있는 경우 그 궁극적인 단서는 원시 진동 신호에서 찾아야 한다. 진동 전문가들은 파형 및 스펙트럼 플롯을 활용해 이러한 신호를 분석할 수 있다.

<그림7>의 데이터는 체 분리기(sieve screener)에서 수집된 것으로 총 8개의 센서(고주파 4개, 저주파 4개)가 사용됐다. <그림8>은 베어링에 장착된 센서 중 하나를 보여준다.

이 설치는 센서의 기능과 열악한 환경에서도 산업 시설을 모니터링할 수 있는 능력을 입증했다.

결론

AVS 1001HF와 AVS 1003LF 가속도계는 산업 시설 상태 모니터링 분야에서 중요한 진보를 보여준다. 고주파와 저주파 진동 측정 기능을 실시간 데이터 처리 및 전송과 통합함으로써 이 센서들은 예방 정비를 위한 포괄적인 솔루션을 제공한다.

손쉬운 통합성, 다양한 활용성, 높은 정밀도를 바탕으로 생산성을 높이고 가동 중단을 줄이며 유지보수 전략을 최적화하는 데 있어 매우 유용한 도구가 된다.

AVS 센서 제품군은 상태 모니터링의 개념을 재정의하며 기계의 운용 효율을 향상시킬 뿐 아니라 산업 시설 상태 관리의 새로운 기준을 제시한다.

산업계가 스마트 기술을 지속적으로 도입함에 따라 AVS 시리즈와 같은 첨단 센서는 차세대 산업 자동화와 유지보수를 이끄는 핵심적인 역할을 하게 될 것이다.