신뢰성이 향상된 위치센서의 적용으로 유압실린더의 정확한 피드백을 구현할 수 있다.②

BALLUFF

진동

진동은 모터, 롤러, 움직이는 재료등 많은 곳에 존재한다. 주변 온도 변화로 인한 열 또는 열 충격과 결합하면 진동으로 인해 전자 부품과 내부 연결이 빠르게 노화돼 조기에 고장이 발생할 수 있다. 대부분의 실린더 위치 센서의 경우 진동 완화가 어렵거나 실행 불가능할 수 있으므로, 확장된 진동이 심한 환경에 노출될 때 센서 생존성을 높이려면 향상된 센서 설계가 필요하다. 진동에 장기간 노출되는 것을 견딜 수 있는 센서를 얻는 효과적인 설계 및 테스트 방법은, HALT 또는 고도로 단축된 수명 테스트이다.

HALT를 거친 제품은 약점을 일찍 발견해 제거할 수 있도록 개발 중 가속화된 노화를 겪는다. 샘플은 극저온 및 초고온 침지뿐만 아니라 급격한 온도 변화에도 영향을 받는다. 온도 범위는 최대 70K/min의 온도 구배로 -00℃에서 +200℃까지 확장할 수 있다. 그 다음 최대 50G의 진동 테스트가 이어진다. 온도 및 진동 테스트의 반복 사이클은 테스트 장치가 한계에 도달해 파괴될 때까지 계속된다. 디자인 팀의 목표는 궁극적인 실패가 발생할 때까지 가능한 한 오랜 기간을 연장하는 것이다. EN 60068-2-6은 10~2000 Hz의 주파수 스윕과 함께 20G의 우수한 표준을 제공한다.

액체 유입물

냉각수 및 오일과 같은 액체에 지속적으로 노출되는 애플리케이션은, IP67 이하의 많은 표준 센서에 있는 하우징 가스켓의 기능을 뛰어 넘어야 한다. 표준 센서는 특정 시간 동안 액체 침투를 견딜 수 있도록 설계됐지만 일정한 침수 또는 젖은 상태에 노출되면 침투될 수 있다. 사진 3은 압연 공장에서 찍은 것으로, 떨어지는 물이 센서 하우징으로 들어가는 것을 막기 위해 위치 센서 위에 설치된 파란색 플라스틱 덮개를 보여준다. 늘 그렇듯이 완화는 효과적인 접근 방법이다. 습기가 많은 곳에서 실용적인 경우 센서를 찾거나 효과적인 스플래시(splash) 가드를 제공해야 한다. 액체에의 노출을 피할 수 없는 경우 IP68 등급 또는 IP69K 등급의 센서를 선택해야 한다. IP68은 제조업체가 IP67 이상으로 침지 보호 기능을 제공한다는 것을 의미하며 (자세한 내용은 제조업체에 문의) IP69K는 센서가 가압 세탁 등급을 받았다는 의미이다. 일부 센서 하우징은 밀폐 용접돼 100% 누설 방지 어셈블리(assembly)를 제공하고 있다.

케이블에 액체 유입에 대한 취약성이 나타날 수 있다. 케이블 자켓이 절단되고 액체가 들어가면 케이블 내부로 운반돼 센서 하우징 내부로 들어갈 수 있다. 케이블에 보호 튜브를 설치해 응용에서 부수적인 접촉이나 마모가 발생해도 손상되지 않도록 해야 한다.

부식

환경에 존재하는 화학 물질은 센서 하우징 부식에 문제를 일으킬 수 있다. 특히, 알루미늄 하우징 부품은 부식성 요소에 장기간 노출되면 손상될 수 있다. 일반적인 예로는 도로의 소금, 해수 및 공기 중 바다염분(sea spray), 산성 음식, 주스 등이 있다. 다음은 발생할 수 있는 부식 문제의 사례이다. 고장난 유닛(사진 4)의 빨간색 RTV 실리콘 밀봉제는 센서를 추가로 보호하기 위한 플랜트 유지보수 시도이다. 외부 밀봉제의 추가에도 불구하고, 산성물은 실리콘 아래에서 진행돼 하우징 내부의 부품에 고이게 된다. 센서가 고장나고 분석을 위해 꺼내졌을 때 밀봉층을 벗겨내면 알루미늄 하우징을 통해 몇 개의 구멍이 생긴 것으로 나타났다. 부식에 대한 대부분의 우려를 줄이기 위해 권장되는 하우징 재질은 스테인레스 스틸이다. 일반적인 조건의 경우 표준등급 303 및 304 스테인레스 스틸로 충분하다.

소금이나 바닷물이 있는 지역에서는 스테인레스 스틸 316L이 선호된다. 표준 스테인리스 강은 표면에 형성되는 크롬 III 산화물의 얇은 층에 의해 부식으로부터 보호된다. 염수에서 발견되는 염소 이온과 같은 일부의 이온은이 보호층을 벗겨내 밑에 있는 강철을 부식에 노출시킬 수 있다. 316L 스테인레스 스틸은 염소 이온에 의한 침투에 견디도록 만들어졌다.

높은 실린더 압력

표준 실린더 위치센서는 최대 600bar/8700psi의 유압용으로 정해져 있으며, 이는 대부분의 애플리케이션에 충분하다. 그러나 일부 소형 모바일 유압시스템은 토목엔지니어링 프로젝트에서 사용되는 대형 리프트 시스템처럼 높은 압력에서 작동한다. 특수 고압 실린더 센서는 최대 1000bar/14,500psi에 정격으로 시스템을 안전하게 유지하고 높은 시스템 압력에서 작동할 수 있도록 한다. 센서 요소를 감싸는 압력 튜브의 외경은 필연적으로 더 커야 한다. 12.2mm(vs 표준품 10.2mm)이므로 실린더 로드에 더 큰 건 드릴과, 더 큰 내부 직경을 가진 자석이 필요하다. 또한 M22x1.5의 유압 포트 크기는 표준 3/4”-16 UNF 또는 M18x1.5보다 더 크다. 이러한 기계적 세부사항의 차이는 사양지정 및 주문 시 실린더 제조업체에게 전달해야 하고, 그렇지 않으면 표준 센서가 장착된 실린더가 인도될 수 있다.

중복(redundancy) 및 신속한 복구

중대한 적용 부분에서 센서 고장으로부터의 파생 결과를 막기 위해서, 시스템 설계자는 고장이 발생해도 작업을 계속 실행하거나 혹은 고장난 장치를 신속하게 온라인 상태로 복귀시킬 수 있는 다양한 옵션을 가지고 있다. 그 중 중복 센서는 병렬로 작동하는 2개, 3개 또는 4개의 센서를 활용하는 것을 포함한다. 센서 하나가 고장 나면 다른 센서는 계속 작동한다. 세 개 이상의 센서가 포함된 구성에서는 컨트롤러에서 평가를 통해 어느 센서가 유효한 위치 시그널을 보내고 있는지 그리고 다른 센서와 동기화가 안 됐는지 결정할 수 있다. 일반적으로 1차 센서는 실린더에 설치된다. 중복 센서(또는 센서들)는 외부에 설치돼 센서홀딩 브라켓에 고정된다.(마그넷 이용)

신속한 복구를 위한 일반적인 접근방법 세 가지는 다음과 같다.

1. 중복 센서 출력

특수 실린더 위치 센서는 한 개의 인클로저에 2-3 개의 완전히 분리된 위치 센서가 포함돼 있다. 각 센서에는 별도의 커넥터가 제공된다. 장점은 외부 장착 및 브라켓 없이 표준 실린더 포트에 설치하기 쉽다는 것이다. 이론상의 단점은 실린더 내부의 단일 목표 자석과 단일 압력 튜브에 대한 의존성이다. 자석이 손상되거나 압력 튜브가 손상되면 모든 채널이 함께 작동될 수 있다. 그러나 실제로 그런 경우는 극히 드물다.

2. 신속한 수리

센서는 모듈형 전자장치로 제공되며 고장 발생 시, 압력튜브를 실린더 안에 제 위치에 둔 상태로 신속하게 센서를 제거할 수 있다. 이로 인해 유지보수 작업자에게 고온의 오일 유출, 작동유의 손실 및 이로 인한 정화, 봉쇄 및 오염원과 공기가 유압 시스템에 유입될 수 있는 등의 안전 문제가 제거된다.

3. 또 다른 신속한 수리전략

센서를 중복출력으로 설치하고, 제어를 위해 하나의 채널만 연결하면 된다. 사용하지 않는 동안 미사용 커넥터를 보호하고, 제어 채널에 장애가 발생하면 연결 케이블을 다른 채널로 옮기고 작동을 재개해야 한다. 실패한 채널이 있는 센서 장치는 계획 예방 유지 보수 종료 시 제거 및 수리를 위해 스케줄 될 수 있다.

결론

조기 또는 빈번한 실린더 센서 고장은 가혹한 산업 분야에서 용인돼 야 할 상황이 아니다. 적용조건을 유념하고 센서 선택을 애플리케이션 요구 사항에 맞추면 센서에 관련된 문제를 완화하거나 제거할 수 있다. 고장이 끝내 발생할 경우, 중복센서, 센서의 중복출력 혹은 신속한 수리를 위해 설계된 센서(신속한 교체를 위해 설계된 모듈식 센서로 가동 중단 시간 최소화)와 같은 전략은 생산 가동 시간을 유지하는 데 도움이 된다.

자료 제공 : BALLUFF(www.balluff.com)