진동모니터링설계사례-FA 조립 및 생산라인 (자동제어 및 반복 조립라인)

진동모니터링설계사례-FA 조립 및 생산라인 (자동제어 및 반복 조립라인)

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최근 많이 이슈화 되고 있는 4차산업의 혁명을 이야기 하기 전에 기반이 되는 스마트공장에 대한 관심이 뜨겁다. 스마트 공장은 과거 인력의 감축을 목표로 한 로봇의 배치나 자동화의 플랜트 이미지를 넘어서 최대 생산효율을 산출하기 위한 생산신뢰성 구축, 품질최적화, 고장자동예측, 자동화 최적화 등을 포함하고 있는데 이 중에서도 생산성에 크게 영향을 줄 수 있는 설비고장의 모니터링시스템이 매우 중요시화되고 있다. 모니터링시스템의 설계는 설치만 하면 모든 고장을 줄일 수 있을까? 그리고 설치를 통해 모든 설비의 수명을 예측하거나 엄청난 투자비 이상을 되찾을 수 있을까?

자동제어가 적용된 조립 및 반복 생산라인(FA)에 대한 모니터링시스템 설계에 대한 사례

본 설비의 구조는 사출, 주입, 성형, 세척, 조립, 포장 등을 연속적으로 수행하는 반복 조립생산라인으로 공산품이나 작은 조립생산품, 생활제품 그리고 대형 조립 및 자동차부품과 반도체, 전자제품의 조립까지를 포함하여 가장 광범위하게 사용되고 있는 생산장치이다. 모터와 각종 펌프, 공기 및 팬, 압축기, 진공장치와 진공펌프, 벨트, 구름베어링 등 다양한 설비구성요소를 가지고 있다.

이러한 공정에 사용되는 설비류는 생산을 지원하는 입장이므로 설비제조사에서 각종 센서를 포함한 자동제어장치가 설치되어 있으며 설계자는 생산의 속도나 제품의 품질제어까지를 확인할 수 있는 특성인자(Feature)를 설비에 장착하였다. 그리고 그 특성을 잘 파악하기 위하여 매뉴얼도 구성되어 있고 계속 생산자와 협의하여 맞춤형 기계로 생산과 품질을 최대화 하고 있다. 설계자는 그 설비를 가장 잘 알고 있고 사용자는 그 설비의 문제를 가장 잘 알고 있다. 문제가 있어야 설계자는 재 설계할 기회를 찾는다.

여기에 한층 더 나아가서 스마트 공장과 메인트넌스 입장에서 살펴본다면 이렇다.

자동조립라인을 구성하고 있는 설비구성요소의 고장은 단순히 빠른 교체에 의존하고 있으므로 유지보수에 관한 입장에서는 완전히 BM(Breakdown maintenance)의 수준에 머물고 있다 할 수 있다. 생산설비의 MTBF가 잦더라도 MTTR이 짧은 것에 만족하고 있는 상태이므로 설비구성요소의 불필요재고량은 별로 관심대상이 아닌 것이다. 그런데 스마트 공장의 개념은 이 생각을 깰 것을 요구한다. 개인적인 의견으로는 기존 공장에서 얻는 눈앞의 생산량을 상태기반 또는 예측기반 메인트넌스와 비교해도 크게 설득될 것 같지는 않지만, 설비구성요소의 불필요재고량에 대한 설득은 여지가 있다. 왜냐하면 빨리 교체하기 위해 많은 량의 비싼 설비에 대하 재고량을 안고 갈 필요가 없을 수 있는 방법이 있기 때문이다. 한 사례로 설비제조사에서도 하지 않은 모니터링시스템을 장착하려면 어떻게 해야 하는지?에 대한 문의가 있어서 답변사례를 담았다.

< 자료를 잘 확인하였습니다.

안타깝게도 상태기반 모니터링시스템에서 잘 응용하는 모터, 베어링이나 벨트는 관찰할 필요가 없다고 하셨으므로 제안드릴 내용이 많지 않습니다. (제조사 설계팀도 하지 못한, 무엇이 이상?현상이 될까?를 저희가 미리 알 수는 없습니다.)

이상징후를 위해서 진동센서를 이용하려면, 우선 문제가 되는 순위(FEA)를 알고 있어야 합니다.

무엇이 고장이 자주 생기거나, 어떤 불량생산품이 생기거나 하는 순위를 알려주시고,

현장에 방문하여 센서의 적용유무를 판단한 후, 그 다음 제안하는 방법이 있겠습니다.

송구합니다만, 지금으로서는 어쩔 수 없군요. 품질이든 생산량이든 고장이든 어떠한 ‘문제’가 있어야 모니터링 시스템에 대한 설계와 그 제안을 할 수 있습니다.

고장이 문제가 있고 이 것이 생산과 품질 그리고 고장 부품 재고량과 공간확보, 교체시간확보 등에 어려움이 연관이 있다고 생각하시면 모니터링시스템을 통해서 고장을 일으키는 문제를 예측하여 미리 교체할 수 있도록 할 수 있습니다. 상태모니터링시스템(CMS)이란 이런 것입니다. >

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키워드	진동센서, 가속도센서, Acceleration, Accelerometer, 진동측정방향, 진동측정위치, VMS 센서, Online monitoring용 진동센서, CMS, VMS, 모니터링시스템설계

상태모니터링 측정시 적절한 센서의 선택(진동센서를 중심으로)

상태모니터링 측정시 적절한 센서의 선택(진동센서를 중심으로)

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 상태를 모니터링하여 메인트넌스(유지보수)를 효율적으로 수행하고 안전 고장을 줄이고 고장시점을 예측하는 목적으로 사용되는 시스템(Online, Offline)에는 반드시 상태를 관찰하는 센서를 선택해야 한다. 이러한 물리적인 특성을 전기적인 양으로 변환하는 변환기(Transducer, 센서)에는 온도센서, 압력센서, 힘센서, 유량센서, 위치센서, 초음파센서, 전류센서 등 여러 가지가 있지만 그 중에서도 진동센서는 가장 많은 정보를 포함하고 있으므로 매우 중요하며 자체의 안정 또는 이상 상태를 확인할 수 있는 오감(눈, 코, 입, 촉감, 맛)의 역할을 하는 첫 번째 게이트로 볼 수 있다. 따라서 이 센서의 선택을 적정하게 하지 못하면 상태를 대변할 수 없을 뿐만 아니라 알람의 설정도 오류가 있으므로 필요없고 중요한 값을 신뢰할 수 없는 무용지물의 시스템이 된다.

상태모니터링용 진동센서의 선택시 고려사항

진동센서의 설치위치와 방향 그리고 설비방법도 중요하지만 우선 센서의 선택이 너무나 중요하다. 감시하는 대상에 따라서 센서를 선택하는 것이 기본이나 기타 고려사항을 살펴보면 다음과 같이 정리할 수 있다.

1.     고속 대형의 Critical한 설비가 아니며 분해조립이 잦고 중간주파수를 충분히 담고 있으며 하우징을 측정하는 방식의 자석 부착식 가속도센서를 선택하면 편리하다.

2.     대정비기간에 분해조립을 하거나 센서의 재설치가 빈번하지 않은 경우, 특히 축(shaft)거동을 직접 비접촉으로 측정하려면 Proximity probe를 사용하고 이 때 케이블의 고정이나 초기셋팅(gap voltage)에 특히 주의하여야 한다.

3.     평가해야 하는 단위에 따라서 적절한 센서를 선택할때 변위를 측정해야 한다면 변위센서로, 가속도나 속도를 측정해야 한다면 가속도센서를 선택하는 것이 최적이다.

4.     가속도센서를 선택하였다면, 감시해야 하는 대상의 주요주파수를 가장 잘 측정할 수 있는 센서를 선택한다. 주요 관찰 주파수가 500Hz이하일 경우 진동센서는 감도가 우수한 것으로 1000Hz이상일 경우에는 고유주파수가 높은 것으로 설치하여 센서의 측정한계와 오류의 원인을 제거한다.

5.     산업용센서가 아닌 연구시험용센서를 사용한다면 대부분 센서바닥이 Isolated되어 있지 않으므로 전기적roof노이즈에 주의하여야 한다. 시스템의 신호안정성은 항상 나타나는 어려운 문제이다.

6.     유지보수를 위해서 가격대와 설치용이성을 고려한다. 가격이 너무 고가인 센서라면 재설치를 포기할 수도 있다. 일반적으로 제조사에서 보장하는 가속도센서의 MTBF(평균고장간격)는 축(axis)당 1년이다. 너무 큰 센서는 감도는 좋으나 고주파 측정이 좋지 않다.

7.     센서는 감도에 맞는 값을 계속 출력하는지를 정기적으로 검정하는 것이 좋다. 특히 변위센서는 2년에 1회는 probe표면을 클리닝하거나 교체하는 것을 추천하고 있다.

키워드	진동센서, 가속도센서, Acceleration, Accelerometer, 진동측정방향, 진동측정위치, VMS 센서, Online monitoring용 진동센서

 

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