성공적인 예측 유지 보수 모델 구현을 위한 진동, 음향 센서 가이드

Analog Devices

상태 기반 모니터링(CbM, Condition-based monitoring)은 센서를 사용하여 기계의 현재 상태를 측정하는 것으로, 예측 유지 관리(PdM, Predictive maintenance), 기계 학습, 분석과 같은 기술을 조합해 오류를 예측한다. 센서의 최종 목표는 예기치 않은 기계 가동 중지를 피하는 것이다. 기계 상태를 모니터링 할 때 가장 적합한 센서를 선택하는 것은 매우 중요하다.

PdM 기술은 회전 기계(모터, 기어, 펌프 및 터빈)와 비 회전 기계(밸브, 회로 차단기 및 케이블)에 적용된다. 산업용 모터는 화학, 식품 가공 공장, 발전 시설과 같은 연속 생산 분야에서 최대 20년까지 작동하도록 설계되었지만 일부 모터는 예상 수명에 도달하지 못한다. 이는 모터의 불충분한 작동으로 인한 것일 수 있지만 PdM 시스템에 대한 투자 부족 또는 PdM 시스템이 설치되지 않았기 때문이다. PdM을 사용하면 예기치 않은 다운타임을 방지할 수 있다. PdM을 통한 기계 결함의 조기 예측은 엔지니어가 비효율적으로 작동하는 모터를 식별하고 수리하는 데 도움이 되어 성능, 생산성, 자산 가용성 및 수명을 향상시킬 수 있다.
  

최고의 PdM 전략은 가능한 한 많은 기술과 센서를 효율적으로 활용하여 오류를 조기에 감지하는 것이다. 본문에서는 애플리케이션의 결함을 조기에 감지하는 예측 유지 보수 센서가 중요한 이유와 각 센서의 장단점을 설명하고자 한다.

시스템 오류 타임 라인

그림 1은 예측 유지 보수 센서 유형과 함께 새 모터 설치부터 모터 고장까지의 시뮬레이션된 타임 라인을 보여준다. 새 모터는 몇 년이 지나면 보증이 만료되며 이 시점에서부터 빈번한 검사가 필요하다.
유지 관리 검사에서 오류가 발생하면 가동 중지 시간이 발생할 가능성이 있다. 이 경우 가장 중요한 것은 가능한 빨리 잠재적인 오류를 감지할 수 있는 올바른 예측 유지 보수 센서를 갖추는 것이다. 이러한 이유로 본문에서는 진동과 음향 센서에 중점을 두고 설명하고자 한다. 진동 분석은 PdM에 대한 최상의 출발점이다.

유지 보수 예측용 센서

그림 1과 같이 센서는 베어링 손상과 같은 결함을 일찍 감지할 수 있다. 결함을 가능한 빠르게 감지하는 데 일반적으로 사용되는 센서, 즉 가속도계 및 마이크에 대해 설명하고자 한다.
표 1은 센서 사양 목록과 감지할 수 있는 오류를 보여준다. 대부분의 PdM 시스템은 이 센서 중 일부만 사용하므로 잠재적인 오류를 감지하기 위해선 가장 적합한 센서를 선택해야 한다.

센서 및 시스템 오류 고려 사항

산업 및 응용 분야에서 회전 기계의 90% 이상이 롤링 요소 베어링을 사용한다. 모터의 고장난 구성 요소가 그림 2에 나와 있다. 잠재적인 오류를 감지, 진단, 예측하려면 진동 센서에 저소음 및 넓은 대역폭 기능이 있어야한다. 표 2는 회전 기계 결함 중 PdM에서 진동 센서가 필요함을 보여준다. 빨리 오류를 감지하기 위해 PdM 시스템에는 고성능 센서가 필요하다. 예측 유지 보수 센서의 성능 수준은 전체 프로세스를 지속적이며 안정적으로 작동할 수 있는 총 비용에 영향을 준다.
  

모터의 진동 또는 움직임(피크, 피크 대 피크 및 rms)의 에너지 양을 통해 기계의 균형이 맞지 않거나 정렬 여부를 확인할 수 있다. 베어링 또는 기어 결함은 진동만으로는 식별하거나 예측할 수 없다. 이러한 결함은 저잡음(5kHz)의 고성능 센서가 필요하다.

PdM용 진동, 음파 및 초음파 센서

MEMS(Microelectromechanical System) 마이크는 PCB에 MEMS 요소를 포함하며, 내부에 음압파(sound pressure waves)가 가능하도록 금속 케이스가 포함되어 있다. MEMS 마이크는 베어링 상태, 기어 맞물림, 펌프 캐비테이션, 오정렬 및 불균형과 같은 기계 결함을 감지한다. 따라서 MEMS 마이크는 배터리 구동 애플리케이션에 이상적이다. 소음 발생원에서 상당한 거리에 위치할 수 있으며 비 침투적이다.
  

반면 다른 기계에서 발생하는 가청 소음의 양이나 먼지나 습기와 같은 환경적 요인으로 인해 마이크 성능이 저하될 수 있다. 대부분의 MEMS 마이크 데이터 시트에는 모바일 터미널, 랩톱, 게임 장치 및 카메라 등과 같은 응용 프로그램이 나열되어 있다. 일부 MEMS 마이크 데이터 시트에는 응용 프로그램으로 진동 감지 또는 PdM이 나열되어 있다. 기타 MEMS 마이크 데이터 시트는 최대 10,000g의 내구성을 지녔다.

MEMS 초음파 마이크 분석을 사용하면 소음이 훨씬 적은 비가청 스펙트럼(20kHz~100kHz)의 소리를 듣기 때문에 가청 소음 증가 상황 등 복잡한 모터 상태를 모니터링 할 수 있다. 저주파 가청 신호의 파장은 일반적으로 길이가 약 1.7cm에서 17m이다. 고주파 신호의 파장은 약 0.3cm~1.6cm이다. 파장의 주파수가 증가하면 에너지가 증가하면서 초음파가 뚜렷해진다. 베어링이나 하우징의 고장을 찾아내려고 할 때 매우 유용하다. 가속도계는 가장 일반적으로 사용되는 진동 센서다. 진동 분석은 가장 일반적으로 사용되는 PdM 기술이다. 주로 터빈, 펌프, 모터, 감속기와 같은 대형 회전 장비에 사용된다.
  

표 3 및 표 4는 고성능 MEMS 진동 및 음향 센서와 골드 표준 피에조 진동 센서를 선택할 때 고려해야 할 사양을 보여준다. 각 열의 데이터는 해당 카테고리 내의 최소/최대 변동을 나타낸다. CbM 산업의 무선 설치는 향후 5년 동안 상당한 성장을 보일 것이다. Piezo 가속도계는 크기, 통합 기능 부족 및 전력 등으로 인해 무선 CbM 시스템에 적합하지 않다. 그러나 0.2mA~0.5mA 범위의 소비량으로 존재한다. MEMS 가속도계와 마이크는 작은 크기, 저전력, 고성능 기능으로 인해 배터리 구동식 PdM 시스템에 매우 적합하다.
  

MEMS 가속도계는 DC에 대한 응답을 제공할 수 있는 유일한 센서로, 매우 낮은 회전 속도에서 불균형을 감지하고 기울기를 감지하는 데 유용하다. MEMS 가속도계에는 센서가 100% 작동하는지 확인할 수 있는 자체 테스트 기능도 있다.

이는 센서가 작동하는지 확인할 수 있으므로 시스템 표준을 보다 쉽게 충족할 수 있다. 혹독하고 더러운 환경에서 사용하기 위해서는 세라믹 패키지의 MEMS 가속도계와 기계적 패키지의 피에조 가속도계를 완전히 밀봉할 수 있다. 표 4는 센서의 물리적, 기계적, 환경적 성능에 중점을 두고 통합, 열악한 환경에 대한 내성, 기계적 성능, 회전 기계, 마운트 부착 등 주요 차이점을 보여준다.
  

세 축에서 진동 데이터를 감지하면 더 정확한 통찰력을 가지고 오류를 감지할 수 있다. 이는 데이터 품질, 배선, 공간 절약 측면에서 피에조 및 MEMS 가속도계가 제공하는 장점이다. MEMS 마이크는 장기간 높은 습도에 노출되었을 때 최대 –8dB의 왜곡을 보였다. 큰 약점은 아니지만 PdM 애플리케이션이 습도가 높은 환경에 있을 때 고려해야 할 부분이다. 전기 콘덴서 마이크(ECM, electret condenser microphones)는 MEMS 마이크에 비해 바람, 대기압, 전자기장, 기계적 충격에 강하다.

무해한 환경에서 MEMS 마이크는 PdM 애플리케이션에서 뛰어난 성능을 제공한다. 그러나 MEMS 마이크는 과도한 진동, 먼지, 습기 등 열악한 환경에 영향을 받는다. 무선 PdM 솔루션이 MEMS 마이크를 사용하는 경우 상자에 구멍 또는 포트가 있어야 음향 신호가 센서에 도달할 수 있으므로 설계 복잡성이 추가되고 다른 전자 제품이 먼지나 습기에 약해질 수 있다.
정전식 MEMS 가속도계는 저렴한 저전력 무선 CbM 솔루션을 구현할 수 있다. 시설 관리에 대한 통찰력을 제공하고 중요한 시스템의 가동 시간을 유지할 수 있다. 이러한 발전은 MEMS 가속도계를 보다 유선 CbM 시스템에서 사용하기 위해 피에조 성능에 더 가깝게 이동시켰기 때문이다.

산업 표준 연결(ICP 및 IEPE)과 결합된 저잡음 및 넓은 대역폭을 가진 피에조 가속도계는 수십 년 동안 진동 측정에 사용되는 표준 센서였다. MEMS 가속도계는 그림 3과 같이 IEPE 표준 모듈과 인터페이스 하도록 조정되었다. 변환 회로는 Lab? 참조 설계의 회로를 기반으로 한다. 이 회로는 넓은 대역폭에서 작동하도록 특성화된 특수 PCB에서 설계되었다.
  

그림 4에 표시된 장치에는 3개의 단일 축 MEMS 가속도계, 3개의 ADC, 프로세서, 메모리 및 알고리즘이 모두 50kHz 이상의 공진을 갖는 기계 모듈에 포함되어 있다. 이는 센서 노드에서 인텔리전스를 통합하는 MEMS 가속도계의 기능을 강조하여 센서가 최상의 신호 체인 및 처리와 쌍을 이루어 최고의 성능을 달성하도록 하기 위함이다. 이 모듈은 FFT를 수행하고, 주파수 도메인 경보를 트리거하고, 알고리즘 또는 기계 학습 도구에서 오류를 예측할 수 있다.
  

PdM 솔루션에 적합한 진동 센서를 선택할 때 문제는 고장 상황을 충족하기 위해 센서를 페어링 해야 하는 것이다. MEMS 마이크는 가장 가혹한 환경에서 진동 기반 고장 모드를 안정적으로 감지할 수 있을 만큼 견고하지 않았다. MEMS 초음파 마이크는 가속도계보다 빠르게 베어링의 결함을 감지한다. 진동 분석 요구에 가장 적합한 PdM 솔루션이다.

Analog Devices는 범용, 저전력, 저잡음, 높은 안정성을 갖춘 MEMS 가속도계와 그림 4에 표시된 지능형 에지 노드 모듈을 제공한다. ADcmXL3021은 전용 PdM 모듈 솔루션의 한 예일 뿐이다. Analog Devices는 PdM 가능 MEMS 가속도계 제품군(20kHz + 대역폭, 25μg / √Hz 잡음 밀도)을 최초로 출시했다. Analog Devices는 센서, 신호 체인 솔루션, 기계 모듈, 플랫폼, 기계 학습 알고리즘, 인공 지능 소프트웨어 플랫폼 및 토탈 시스템 솔루션을 제공하고 있다.

자료 제공: Analog(www.analog.com)