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2022년 8월 8일 월요일

41 진동 상태평가 3가지 기준과 방법절대, 상대, 상호

진동 상태평가 3가지 기준과 방법(절대, 상대, 상호)

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진동이 발생하는 설비(기계), 구조는 생산에 직결하는 매우 중요한 자산(Asset)이므로 관리자의 입장에서 보면 여러 의미에서 반드시 이 자산의 좋은 상태와 나쁜 상태를 집계할 필요가 있다. 따라서 상태를 평가하고 현재가 정상인가 아닌가를 판단하려면 어떠한 기준이 있어야 한다는 것은 짐작하고 있을 것이고 찾을 것이다. 가장 많이 사용되고 있는 평가기준(criteria)은 ISO나 API등에서 다루고 있는 ‘절대기준’이며 이는 참조기준이나, 성문기준, 제조사 권고기준 등을 포함한다. 그러나 설비의 건강상태를 평가하는 것은 일괄적일 수 없을 때도 많으므로 절대적인 기준 이외의 평가방법이 필요하다. 이 것은 물론 일반적인 Overall값(진동량)으로 하는 것으로 개별 주파수진폭에 의한 평가와는 다른 것임을 이해하고 있어야 한다.

진동의 절대평가, 상대평가, 상호평가

상태를 평가한다 라고 하는 것은 측정된 진동에 대해 정상치 인지 이상치 인지를 평가하는 것이다. 평가를 위한 평가기준(Criteria)에는 절대평가기준, 상대평가기준, 상호평가기준 등이 있으며 설비의 특성에 따라 각각 달리 적용하고 있다.

¨ 절대평가기준 – 동일 부위에서 측정한 값을 평가 기준과 비교하여 양호, 주의, 불량을 평가한다. 일반 회전기계, 건물, 환경, 구조 전반에 적용한다. ISO, DIN, ANSI, 법(법령, 규칙, 규정, 조례), 각종 시방서, 자체내부관리기준 등에서 정하고 있다. 이 것과 측정값을 비교하여 ......

2019년 3월 23일 토요일

철도의 진동

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누구나 인정하듯 의례 그런 줄 알고 있다. 철도는 진동이 많다. 자동차보다 선박, 항공 같은 다른 수송기계 중 진동이 제일 심하다는 것은 자연감지 능력만으로 알 수 있다. 그 이유는 고체와 고체간의 마찰 및 충격이 아주 잘 발생할 만큼 속도와 중량이 크기 때문이다. 발생원도 차체에서 발생하는 것과 차륜과 레일의 충격에서 발생하는 것의 두 가지로 나눌 수 있어서 소음발생원보다는 적지만 강력한 가진력을 가지고 있다.

철도 가진력(동력부와 차륜-레일부)

철도차량에서 발생하는 가진력은 철도차량 실내 또는 기계의 건강측면에서 느낄 수 있는 것으로서 다음과 같은 원인을 들 수 있다.

1. 탄성재료(공기스프링, 고무, 금속스프링)을 거치고 억제된 차륜-레일충격진동 (30~60Hz)

2. 구동모터 및 감속기 진동(1~60Hz, 1000~2000Hz)

3. 에어컨 및 환기팬 진동(1~200Hz)

4. 변압기 및 전기기인 진동(60~500Hz)

5. 기타 이음부의 마찰진동(1~10Hz)

위의 원인은 실내에로 전달이 되어 사람의 불편함과 기계수명에 영향을 준다.

둘째로 철도차량의 차륜이 레일 위를 지나갈 때 발생하는 것으로 위의 5항을 구체화 할 수 있다. 이 진동은 실내와 인근 구조물에 전달된다. 고유주파수 (0.5~1Hz)를 가진하며 일반개활지 통과 시 철도차량으로부터 R파(10Hz이하 표면파)로 전달되며 도심지 지하철은 30~150Hz의 P파, S파로 전달된다.

1. 레일간 이음부, 용접부, 분기부 등의 불연속구간

2. 레일의 수평또는 수직방향의 뒤틀림, 레일강성의 불균일, 레일지지기반의 침하(단차)

3. 차륜평면화(Wheel flat, 편마모), 차량자체결함

4. 열차들간 중량차이

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키워드	철도진동, 수송기계진동, 진동측정, 온라인 모니터링시스템, VMS, trend

2019년 3월 2일 토요일

축진동 Vs 케이싱진동 (shaft monitoring, bearing housing;casing monitoring)

축진동 Vs 케이싱진동

(shaft monitoring, bearing housing;casing monitoring)

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회전기계를 모니터링하는 이유는 위험한 상태를 사전에 파악하거나 또는 기계가 갑자기 고장이 나면 생산량에 차질이 발생할 수 있으니 그 상태를 보면서 보수시점을 확인하기 위함 중의 하나가 될 것이다. 그리고 모니터링하는 방법도 정기적으로 측정하는 방식과 온라인으로 센싱을 한다. 그런데 모니터링측정기술은 어떨까? 모니터링측정기술도 위와 같이 양분하고 있다. 바로 ‘축진동과 케이싱진동’인데 진동을 알고 있는 사람 중에서도 정확히 이 차이를 알지 못할 수 있다. 이 것은 현재 산업현장에서는 아주 보편적이지만 모두가 확인할 수 없는 것이기도 하다. 이 차이를 살펴보기로 한다.

Shaft & Casing, Housing vibration monitoring

회전기계의 진동발생은 축이 회전하면서 가진력이 발생한다. 따라서 축의 진동을 직접 측정하면 좋은데 이 방법에는 기술적인 한계가 있다. 그래서 축의 진동이 베어링을 타고 베어링의 하우징 또는 케이싱에 전달되는 곳을 측정하는 방법을 많이 사용하는데 이 것을 보편적으로 ‘베어링하우징진동’ 또는 ‘케이싱진동’이라고 한다. 이 차이를 정리하였다.

	축(shaft)진동	케이싱(Bearing Housing, casing)진동
개요	주요 대형산업의 온라인모니터링에 사용되는 진동모니터링 측정기술	진동측정을 하는 가장 보편적인 방법으로 온라인도 가능한 측정기술
사진
주요센서	Proximity probe	Accelerometer, Velometer
주요모니터링단위	변위(displacement)	속도(Velocity)
센싱원리	Eddy current의 발생을 통한 역기전력변화	Piezo의 압전효과를 이용한 가속도변화
접촉, 비접촉	비접촉	접촉
절대진동, 상대진동	상대진동측정방식 (하우징에 부착된 센서가 움직일 수 있음)	상대진동측정방식이나, 센서자체로 보면 절대값을 산출함.
적용표면	도체	모든 물체의 표면
측정방식	직접, 축의 거동을 모니터링	간접, 축진동이 베어링을 통해 베어링하우징 케이싱에 전달된 진동을 모니터링
센싱주기, 방법	온라인모니터링	온라인 또는 오프라인(정기측정방식)
주요베어링종류	슬리브베어링	구름베어링
주요모니터링대상	대형고속설비(터빈유닛, 급수펌프, 터보압축기 등)	중형이하 저속설비(펌프, 팬, 모터, 왕복동기계, 스크류압축기, 기어유닛 등)
모니터링목적	위험관리	유지보수관리(생산 및 품질)
경제성	초기설치비 및 유지보수에 설비를 정지해야 하므로 좋지 않음	설비정지가 불필요함, 초기설치비는 센서가격이 저렴함.
대표시스템 및 제조사	GE(Bently nevada), MEGGIT(Vibrometer)	Emerson(CSI), SKF
장점	모니터링의 대상이 진동의 발생원인인 회전부분을 직접측정하므로 직감적이고 센싱에 민감하여 위험관리를 위한 모니터링에 적절	실제로 문제가 되는 진동의 결과대상을 측정하므로 인간의 인지대상과 유사하고 설치비용이 저렴하며 모든물체의 대상에 기계의 정지와 관련없이 측정이 가능
단점	고주파 측정신뢰저하(기어 및 구름베어링은 불가), 정지시에 설치가능, 설치비 고가, 부도체에 측정불가	저주파 약점, 축의 거동을 직접 측정할 수 없음.

이 자료는 매우 현실적이며 실제 국내 산업현장에서 확인된 결과이나 주관적이고 편중될 수도 있다고 생각할 수 있으므로 이를 참조하기 바란다.

2018년 11월 24일 토요일

기계설비의 유지보수시점을 결정하는 전제조건

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유지보수(Maintenance)로 번역되는 용어는 수리(Repair)와는 다르다. Repair를 하기 위한 계획절차와 시스템을 포함하기 이전에 Maintenance는 Repair를 하지 않기 위한 엔지니어링 절차이다. 약간 의미가 모호하게 들릴 수 있지만 협의의 Maintenance는 예지보전(Predictive maintenance, PdM)에서는 설비의 수명을 늘려 신뢰성(Reliability)을 확보하기 위한 과정이므로 수리를 최소화하는 것이 최선의 방법이며 이는 광의의 Maintenance에 관한 시스템(인력, 기술, 계획, 교육, 절차 등)이 잘 되어 있어야 가능한 일이다.

보수시점의 결정

아무리 Maintenance시스템이 잘되어 있어도 언젠가 수리(Repair)는 필요할 것이다. 불가피한 돌발사고 및 정지를 방지하기 위해서 상태모니터링(Condition monitoring)시스템도 장착되어 있고 정기적으로 정밀진단 및 고도의 기술진이 배치되어 있어도 경고, 주의(Warning, Alarm)신호를 줄 뿐, 유지보수 시점을 결정하지 않는다. 다만 Trip신호를 발생하여 큰 사고를 방지하기 위한 강제정지시스템이 최종절차이다. 결국, 수리시점의 결정은 기계가 아닌 사람이 하는 것이다. 시스템으로 인해 결정되는 시스템은 아직 존재하지 않는다. 그 이유는 다음과 같은 복잡한 전제조건 중에 사람이 판단하는 것이 많기 때문이다.

결정을 위한 전제조건

1. 상태신호가 현재 비정상일 것(비정상 Trend 확인), 과거의 상대비교

2. 동종설비에 비교하여 비정상일 것(상호비교)

3. 절대기준에 적용하여 정상이 아닐 것(ISO, 성문기준, 참조기준, 제조사기준, 당사기준 등)

4. 관계전문가들의 공통된 의견일 것(전문가 진단, 기술적인 분석, 통계자료, 주원인의 파악)

5. 최종결정을 위한 판단(경제성과 안전을 고려한 시점의 결정, 대책의 결정)

사람의 시스템은 종합적이고 다양한 메커니즘을 모두 포함하고 있어서 단순한 결정을 복잡한 전제조건을 통해 내릴 수 밖에 없는 중요한 이유가 있다. 그 것은 ‘책임’이다. 사람처럼 본인이나 가족에 의해 판단결정을 내려 책임지기에는 기계시스템의 정지는 매우 큰 책임이 부여되기 때문이다.

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키워드	Repair, Maintenance, PdM, 예지보전, 메인트넌스, 모니터링, CMS, VMS, 온라인 모니터링시스템, 진동모니터링

2018년 6월 9일 토요일

진동분석기술과 윤활유분석기술에 대한 우위관점

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진동(vibration)을 인체의 건강상태를 진단하는 기술로 사용하는 청진기나 심전도 검사 등을 이용하여 쉽게 그 차이점을 비교하듯이 윤활유 분석기술(lubrication analysis)은 마치 사람의 혈액검사와 비유할 수 있다. 그러나 사람의 문제는 회전하는 기계처럼 원심력에 의해 발생하는 가진력으로 하여금 발생한 것이므로 진동분석기술을 청진기 전도로 생각하기에는 너무 과소평가한 기술이라고 할 수 있다. 무엇보다도 진동분석기술은 진동이 발생하는 패턴을 분석하는 것이기 때문이다.

무엇이 먼저인가? 윤활 or 진동?

윤활유 검사는 매우 체계적이고 세분화할 수 있으며 일찌감치 기계가 나쁜 상태를 짐작케 하는 중요한 기계진단기법이다. 주로 베어링유 또는 그리스를 통해 마모입자, 원성분 오염도, 유전상수, 수분함유량, 마모성분분석 등 수 십 가지의 상태를 분석하여 그 결과를 비교한다. 그러나 때때로 너무 일찍 또는 너무 국부적인 분석결과가 나타날 수 있으며 변화가 미세하고 장기간 동안에 순식간의 변화를 감지해야 하는 실시간 온라인모니터링(real time online monitoring)을 적용하기에는 큰 의미가 없다는 것에 많은 설비감시 전문가들이 공감한다. 반면에 진동분석은 이에 비해 광범위 고장인자를 포함하고 있으며 즉각적인 위험감시에도 적합하므로 실시간 온라인 모니터링에 적절하다. 그러나 기계 또는 설비가 가동중일 경우에만 분석이 가능하다는 단점이 있다.

여기에서 한가지 중요한 배틀인자가 있다. 바로 누가 먼저이고 무엇이 더 확실한가?를 가릴 때이다. 예를 들어 베어링 윤활이 적절하지 못하여 마찰, 열이 발생하여 베어링이 파손하게 되면 진동이 발생한다는 윤활기법 관점(윤활이 나쁘면 순식간에 베어링이 파손된다.)과 조립불량, 부하부적절, 전기적문제, 공진문제 등으로 진동이 발생하게 되면 베어링에 피로파괴 또는 결함이 발생하여 마모, 파손, 열발생에 의해 윤활문제가 발생한다는 진동기법의 관점과의 차이이다. (진동이 크면 베어링수명은 크게 줄어든다.). 이 두 관점 모두 이해가 되지만 확률의 %로 우열을 가리라고 한다면 어떨까? 필자는 개인적으로 ‘윤활 사용메뉴얼’이 ‘기계정비기술’보다 오류나 예외가 작지만 ‘상태모니터링’과 ‘실시간 모니터링’은 분명 차이가 있다고 생각한다.

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키워드	모니터링, CMS, VMS, 온라인 모니터링시스템, 진동모니터링, 윤활모니터링, 상태기반모니터링

2018년 4월 21일 토요일

상태감시와 예지(prognosis)

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구름베어링의 상태를 감시하고 결함을 찾아내는 절차는 상태감시(Condition Monitoring)의 핵심이자 안전관리와 자산관리의 가장 기본적인 과정이다. 구름베어링은 회전체의 토오크와 하중을 받으며 고체와 고체사이에 마찰열을 윤활을 통해 가급적 직접적인 접촉을 막아서 방지해야 하는 임무를 가지고 있다. 이 상태를 파악하여 언제 고장이 날지 언제까지 수명이 유지될 수 있을지를 파악하고 평가하는 것은 과학과 기술을 떠나서 예술에 가깝다고 말하는 이도 있다. 비록 결함은 여러 분석적인 기법에 의해서 과학적으로 검출될 수 있지만 결함의 심각도 평가는 특히 예술이라 할 수 있을 이유는 저진폭의 신호와 노이즈 그리고 산업현장의 광범위한 다양성이 존재하기 때문이다.

상태평가와 예지

베어링 결함은 낮은 진폭의 신호를 발생시키고 베어링 상태와 반드시 연관되지는 않기 때문에 진폭은 베어링 상태의 신뢰할 만한 지표라고 할 수 는 없다. 베어링 주파수와 측대역의 평가가 반드시 병행되어야 한다. 비록 외륜의 결함이 가장 일반적인 결함이라도 가장 심각한 것은 아니다. 구름요소 및 케이지 결함도 베어링 수명을 단축시키고 예측하기 힘들다. 따라서 분석가는 유사한 결함을 가진 사례를 경험하여 기계의 결함이 인식된 이후 안전하게 운전될 수 있는 잔여시간에 대한 평가를 가능하도록 한다. 또한 결함심각도와 관련하여 기계의 형식에 따른 다양한 경험을 쌓아야 한다.

예지(prognosis)란 인간의 잔여수명을 결정하듯이 회전기계장치의 잔여수명을 결정하는 과정이다. 이러한 기술은 발전이 많이 더딘데 아직까지 베어링 잔여수명을 결정하는 실질적인 방법은 존재하지 않는다. 결함의 증가률에 대한 불확실성 및 가변성과 결함의 심각도를 평가하기 위해서 사용되는 원격측정기법의 특성 때문에 예지는 매우 어려운 절차이다. 한가지 예를 살펴보면 결함성장행태의 변동을 밝히는 피로균열전달모델을 사용한다거나 상태를 나타내는 특별한 특성(feature)을 찾기 위해 big data를 이용한다거나 하는 등인데 주된 문제점은 결함신호와 결함크기라 치명적인 결함인가의 연관성이 확연하지 않다는 것, 산업환경에서처럼 실험실의 결과가 잘 맞는 확률은 아주 적다는 것이 주요한 약점일 수 있겠다. 무엇보다 산업현장에서의 데이터는 수집이 어렵고 결과와 원인도 너무나도 다양하고 변수가 많다는 것이 한계점이다.

키워드	온라인 모니터링시스템, VMS

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2018년 1월 6일 토요일

검사와 모니터링의 차이 (Inspection Vs Monitoring)

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인공지능(AI)을 통한 결과의 세계가 한창 유행이다. 결과에 대한 완벽한 신뢰는 아닐 테이지만 결국 최종판단은 사람이 하게 된다는 것을 모두 알게 될 날이 있을 것으로 생각된다. 한편, 모니터링은 바로 인공지능을 위한 데이터에 이목구비 손과 발로부터의 정보를 제공하는 시스템을 일컫는 용어로서 이 것이 구비되어 있지 않으면 아무리 머리가 좋다 하더라도 결과는 고사하고 계산의 시작도 하지 못한다. 그런데 이 모니터링을 검사와 유사하게 사용되는 바람에 정확히 이를 잘 구분하지 못하는 경우가 있어서 적어도 과학적이고 현장에서 사용되는 용어로 이를 풀어 정리하고자 한다.

양호/불량과 결함확률(%)의 차이

병원에 가서 진찰을 받으면 진단을 하려면 검사를 받아보자고 한다. 피검사 X레이검사 등을 거쳐 나온 결과를 보고 진단을 한다. 이 결과는 어떤 결과값과 기준값 등을 가지고 평가한다. 이는 공장에서 사용하는 방법과 크게 다르지 않은 절차로서 제품의 불량이나 양호를 가리기 위해 수행하는 것이며 이를 똑같이 ‘검사(Inspection)’라고 했다.

반면에 환자의 상태가 심각한 중환자이거나 또는 장기간의 관찰과 진단결과에 대한 추이를 관찰하기 위해 그 상태를 지속적으로 관찰하여 필요에 따라서 기준값과 비교하거나 유사한 형태와 비교하여 그 위험한 상태를 판정하거나 이상수준을 파악하는 것을 ‘감시(Monitoring)’라고 한다. 모니터링의 형태는 간헐적(offline)으로 할 수 도 있고 상시(Online)로 할 수도 있는데 온라인모니터링이라 함은 상시감시시스템이라 하겠다.

검사는 진단을 위한 수행과정으로서 불량과 양호를 판단하는 분석을 수행한다. 그런데 모니터링은 다양한 방법의 알고리즘을 통해서 절대평가 시간상대평가 비교상호평가를 하며 심각도나 결함등을 확률로서 표현하고 있다. 잘 살펴보면 검사는 결과로 즉시 데이터를 형성하지만 모니터링은 결과를 만들기 위해 다양한 알고리즘의 파라미터가 필요하고 수많은 시그널이 관찰되며 평가알고리즘을 통해서 비로서 데이터로 탄생한다.

따라서 모니터링이 검사에 포함될 수는 없고 그 반대가 되어있음을 판단할 수 있다. 인공지능은 데이터를 통해서 판단한다. 다른 개념으로 설명할 수도 있다. 모니터링을 통해서 사람이나 인공지능은 좋은 판단을 위한 결과를 알아낼 수 있지만 검사처럼 한 번 확인하면 그 즉시 결과를 알아내는 것은 아니라는 점이 있다. 즉, 모니터링은 여러 개의 검사를 통한 데이터들이 축적되어 가는 과정이다.

키워드	온라인 모니터링시스템, VMS, 검사, 모니터링

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2017년 12월 31일 일요일

상태감시의 개요 (Condition Monitoring)

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상태감시(Condition Monitoring)란? 설비의 상태를 나타내는 정보나 데이터를 검출 및 수집하는 것으로서 사후보전(고장이 난 후 수리하는 유지보수방법)과 시간보전(계획된 강제시간간격으로 수리하는 유지보수방법)에 비교된 용어라고 할 수 있다. 최근 이슈되고 있는 PHM, 빅데이터, IOT의 활용은 모두 이러한 상태감시시스템으로부터 수집된 데이터 또는 수집하는 수단, 결과의 활용에 언급된 용어로 본다면 결국 애초의 시작은 ‘측정’이라고 할 수 있는 것이다.

상태감시와 설비진단

산업 플랜트는 많은 설비에 의해 구성된다. 적어도 중요기기는 상호연관을 가지고 컴퓨터에 의해 운전, 제어되고 아울러 온라인으로 감시되고 있다. 어떻게 보면 고도로 최적화된 하나의 컴퓨터 응용시스템이다. 또한 주변의 보조기기들은 정기적으로 오프라인으로 감시된다. 일련의 결함에 의해 플랜트 전체가 운전불능 상태에 빠지는 경우도 있으므로 아주 중요한 임무라고 할 수 있다.

총체적으로 항상 건강한 상태에서 운전되는 것이 요망된다. 그러나 운전하는 설비에는 항상 고장의 원인이 되는 여러 스트레스의 상태, 설비의 열화나 고장, 운전상태에 문제가 있기 마련이다. 이러한 건강하지 않은 부위를 조기에 발견하여 플랜트의 치명적인 사고를 사전에 방지하며 설비의 신뢰성을 극대화시킬 수 있는 정기적인 검진기술로서 기계의 상태감시가 요구되는데 예를 들어 보건소에서 행하는 정기 간이건강진단서비스가 이에 해당한다고 할 수 있다. (간이진단)

한편 설비진단이라함은 현재의 상태를 평가하고 이상상태의 징후를 미리 판단하는 컨설팅으로서 이상상태를 알아내는 것은 진단기술로 진동, 열화상, 초음파, 윤활, 온도 등이 있으며 그 ‘상태’는 결국 모니터링을 통해서 측정 및 수집이 되므로 상태감시와 설비진단은 서로 떼어 놓을 수 없이 밀접한 관계라 할 수 있다.

다시 말하면 시스템을 통하여 필요한 상태를 잘 모니터링하는 방법이 상태감시이고 이 방법을 통해 얻은 적절한 상태파라미터를 이용하여 진단을 내린 결과를 이용하여 위험의 가능성을 줄이고 설비의 수명을 늘리며 궁극적으로 위험모니터링과 생산성의 수준을 높인다는 것이다.

키워드	온라인 모니터링시스템, VMS

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