원격 모니터링의 새로운 동향으로 제조 향상

제조 과정에서 예상치 못한 다운 타임이 많을수록 생산라인의 처리량이 낮아진다는 계산은 틀림이 없다. 만약 한 회사가 제품을 만들지 않는다면, 그것은 수입을 잃는 것과 마찬가지이다.

원격 모니터링은 이러한 상황을 방지하기위한 강력한 도구를 제공한다. 자산 상태에 대한 지속적인 업데이트를 진행한다면, 조직은 사후 대응적 유지 보수에서 예측적 유지 보수로 전환하여 문제가 발생하기 전에 이를 해결할 수 있다. 그 과정에서 소유 비용을 절감하고 운영 장비 효율성을 높일 수 있다.

원격 상태 모니터링은 십 수 년 동안 점점 더 정교해지는 형태로 발전해 왔다. 그 기간의 대부분 동안 업계 전문가들은 우리가 시작한 해가 다가오고 있다고 예측했다. 어찌된 일인지, 그것은 전혀 실현되지 않았다. 오늘날 마침내 상황이 변할 준비가 된 것 같다. 제한된 인력 수요와 경제 동향 및 다양한 새로운 기술 제공이 마침내 원격 모니터링의 광범위한 활용을 위한 조건을 조성할 준비가 된 것이다.

노동인구의 변화

오늘날의 공장 노동자들은 10년 전과는 매우 다르다. 우선 경기 침체의 여파로 기업들은 인력 감축을 선택할 수밖에 없었다. 대부분의 조직들은 설계 팀이든 유지 관리 그룹이든 이전과 같은 수준의 엔지니어링 인재를 팀에게 제공하지 못했다. 이것은 단순한 숫자의 문제가 아니다. 공장 자체의 인구 통계가 변경된 것이다.

베이비 붐 세대의 노동자들은 전문성을 갖췄지만 은퇴를 할 시기가 되었다. 이들을 대체할만한 실무 경험이 충분한 엔지니어들을 구하기는 힘들다. 동시에 새 직원들은 노후화된 장비와 점점 더 복잡해지는 새 장비를 결합하여 더 많은 처리량, 더 우수한 제품 및 가동 시간을 제공해야하는 압박을 받고 있다. 이러한 요인들은 제조업체가 원하든 원하지 않든지 원격 모니터링을 고려하도록 압력을 가하고 있다. IHS Manufacturing의 최고 분석가 Alex West는 “일부 제조업체들은 선택의 여지가 없다.

현재 모든 유지 보수 요구사항을 충족할 우리가 보유하고 있는 인력이 없기 때문에 이러한 기술을 채택해야한다. 나는 가끔 필요성이 낳은 혁신과 특정 기업들이 변화해야만 하는 위치에 있다고 생각한다.”고 말했다. 최신 세대의 원격 상태 모니터링 장비는 기술 격차를 해소하기 위한 리소스를 제공한다. 사용자는 예산 친화적인 턴키 시스템에서 외부 전문가가 지원하는 클라우드 기반 솔루션까지 선택할 수 있다.

Rockwell Automation의 원격 모니터링 및 분석 서비스 프로젝트 관리자 Phil Bush는 “이를 통해 사용자는 해당 주제 전문 지식을 서비스로 이용할 수 있다. 또한 우리는 소비자들이 수정하고 그들의 장비 사용을 최대화 하는 것을 도울 수 있다.”고 말했다. 변화하는 경제로 인해 이 기술은 훨씬 더 광범위한 자산에 적합하다. Siemens Industry Motion Control Services의 디지털화 컨설턴트인 Vinicius Strey는 “5년 전에는 모터 진동 모니터링에 수천달러가 들었다. 하지만 이제는 수백 달러로 시스템 구현이 가능하다.”고 말했다.

원격 모니터링 적용하기

상태 모니터링 시스템은 전류 요구량, 온도, 진동 등의 매개 변수를 체크한다. 경우에 따라 센서 자체가 구성 요소에 내장되기도 한다. 오늘날 많은 스마트 드라이브에는 모터 및 모터를 모니터링하는 전류 센서와 모터 및 드라이브를 모니터링하는 온도 센서가 포함되어있다. 인코더에는 열전대도 포함될 수 있다. 부하를 이동하기 위해 모터에 더 많은 전류 토크가 필요한 경우에는 베어링 문제 또는 걸림이 표시될 수 있다.

온도가 증가하면 윤활유 고장을 미리 알 수 있다. 벨트 구동 액추에이터의 공명 주파수가 증가하면 벨트가 과도하게 팽팽하다는 표시일 수 있다. 공명 주파수가 떨어지면 벨트가 풀린 것일 수 있다. 오늘날의 스마트 드라이브는 모델 기반 모니터링을 통해 자산 상태를 추적할 수 있다. 모터는 토크를 적용하여 부하 위치를 조정한다. 피드백 루프는 토크 조정을 유발하는 오류를 보고한다. 이 변화는 진동을 일으킨다. 토크 조정에 기초하여 드라이브는 진동을 추정하기 위해 내장된 모델을 사용하며 마찰을 위한 유사한 작업을 수행한다.

Mitsubishi Electric Automation의 선임 마케팅 엔지니어 Elanie Wang은 “진동은 토크가 극적으로 적용되고 대규모로 조정될 때 발생한다. 이런 방식으로 서보 증폭기 자체는 토크 변화를 감시할 수 있으며 서보 반응을 바탕으로 진동을 추정한다. 예를 들어 일부 스마트 구성 요소는 매우 정교해지고 돌입 전류를 모니터링한다. 다른 경우에는 총 이동 거리와 결합된 계산된 진동 및 마찰을 기반으로 하여 드라이브가 모터의 고장 지점을 예측할 수 있다.”고 말했다.

진동 모니터링

다른 시스템은 실제 판독 값을 기준으로 장비를 모니터링한다. 이 데이터를 분석하면 시스템 상태에 대한 매우 세부적인 피드백을 생성할 수 있다. 이 기법은 회전축에 장착된 3축 가속도계의 출력에 적용된다. 데이터는 시간 파형 및 주파수 스펙트럼을 포함한 여러 가지 방법으로 표시할 수 있다. 가장 큰 피크는 회전하는 축의 기본 주파수에서 나타난다. 추가 피크는 기본 주파수의 고조파 (e.g. 2X, 3X, 등)에 나타난다. 이른바 동기식 피크는 팬이나 펌프 베인과 같은 샤프트 회전과 관련된 진동과 연관되어 있다.

기본 주파수 이하에 나타나는 피크를 하위 동기 피크라고 한다. 이 값은 느슨한 벨트, 베어링 케이지 결함 등과 같은 비대칭 동작으로 인한 진동에 해당한다. 각 장치에는 고유한 진동 시그니처가 있다. 피크 진폭을 변경하거나 새 고조파가 나타나면 자산의 물리적 상태가 변경되었음을 나타낸다. 진동 스팩트럼의 변화를 모니터링 함으로써 마모 또는 손상 징후를 상당히 정확하게 발견하고 모니터링 할 수 있다. 숙련된 진동 분석가는 진동 스펙트럼을 기준선과 비교하기만 하면 베어링 결함, 임펠러 날개 파손 등을 감지할 수 있다. 순환 테스트에서 기계는 쉬는 시간동안 원형 모양을 추적하여 이전 테스트 결과와 비교한다. 기준선으로부터의 변화는 기계 공구에 스핀들과 회전 장비가 포함된 문제를 강조할 수 있다.

이러한 기법은 일반적으로 고정 속도 AC 유도 모터와 관련이 있을 수 있지만 가변 주파수 구동으로 작동하는 유도 모터와 서보 모터와도 사용할 수 있다. 서보 모터의 경우 진동 주파수는 단순히 높은 주파수에서 발생하며 비교 기준이 있는 한 진동 분석은 여전히 변화와 문제를 나타낼 수 있다. 장비를 작동하여 고장을 일으키면 심각한 결과를 초래할 수 있다.

최적의 시나리오에서는 예를 들어 베어링이 고장 나서 교체해야한다. 최악의 경우 고장이 발생하면 모터 샤프트, 커플링 또는 기어 박스가 손상될 수 있다. 수리 프로세스는 단순히 구성 요소를 교체하는 것에서 새 모터를 주문하는 것, 사용자 지정 부품을 가공하는 것 등으로 변경된다. 장비의 위치에 따라 손상된 부품을 제거하고 새 부품을 넣는데 추가시간이 필요할 수 있다. 다운 타임을 몇 분에서 몇 시간 또는 며칠까지 연장할 수 있으며 비용은 항상 증가한다.

원격 상태 모니터링의 혜택을 받을 수 있는 네 가지 유형

가치가 높은 자산 - 시간이 많이 걸리고 수리하거나 교체하는데 비용이 많이 드는 정교한 장비. 그 예로는 가스 터빈과 발전기가 있다. 수년간 통합에 필요한 노력은 말할 것도 없고 조건 모니터링 시스템의 비용과 복잡성은 일반적으로 높은 가치의 자산만을 사용하도록 제한해왔다. 손상된 자산 - 운용 가능하지만 손상 흔적을 보이는 장비. 예를 들어, 장치 수리시 라인 가동 중단이 필요한 경우 가능하면 자산 소유자가 다음 유지 관리 기간까지 자산을 가동할 수 있다. 온라인 상태 모니터링을 설정하면 자산의 성능을 24/7로 분석하여 미터법이 사전 설정된 임계 값을 초과하는 즉시 자동으로 알림을 전송할 수 있다.

중요 자산 - 고장으로 생산이 중단될 수 있는 장비. 수백 달러의 비용이 드는 모터조차도 선의 작동을 막아준다면 중요한 자산이 될 수 있다. 장비 성능이 정상에서 벗어날 때마다 알림을 전송하도록 온라인 상태 모니터링을 설정할 수 있다. 유지 관리는 문제를 검사하고 계속 실행하기 위해 수리를 중지할지 여부를 결정한다.

접근이 어려운 자산-표준 유지 보수 검사를 위해 불편하고 안전하지 않거나 액세스 할 수 없는 장비. 온라인 상태 모니터링을 통해 직원을 위험에 빠뜨리지 않고 구성 요소의 상태를 추적할 수 있다. 온라인 상태 모니터링을 사용하면 적절한 간격으로 유지 관리를 예약하면서 자산 상태를 추적할 수 있다. 이 모니터링 중에 수집된 데이터 또는 자산의 수명동안 자산의 성능과 진화를 잘 이해하는 것이 가능하다.

이 정보는 문제가 있는 자산이 안전하게 실행될 수 있는 기간에 대한 예측 유지 보수 모델을 개발하는데 사용할 수 있다. Strey는 “어느 정도 추세 분석을 실행할 수 있는 괜찮은 플랫폼을 가지고 있다면 6개월 후에 중단점에 도달하여 생산이 부족할 때 유지 관리 날짜를 설정할 수 있다.”고 말했다. 원격 모니터링을 통해 조직은 고객과 서비스 수준 계약을 체결할 수 있다. 이는 장비 제조업체들이 자산 소유주 시설에서 작동하는 기계의 ‘비행대’를 유지하는 쪽으로 가는 큰 추세의 일부이다. 기계 제조업체인 OEM은 장비에 대한 비용이 아니라 가동 시간에 대한 비용을 지불한다. 원격 모니터링은 OEM 이 가동 시간이라는 제품을 제공할 수 있게 해주므로 이 모델의 필수적인 부분이다.

성공의 길

Strey는 자산이 원격 모니터링에 적합한지 여부를 결정하기 위해 두 가지 주요 기준을 따져보아야 한다고 말했다. 첫 번째, 원격 모니터링이 기술적으로 실현 가능한가? 구성 요소가 센서 또는 모델 기반 시스템을 통합하고 있는가? 장비가 시스템을 모니터링 하는데 필요한 기본 데이터를 제공할 수 없는 경우에는 사용자 정의 대시 보드가 포함된 분석 패키지를 사용하지 않는 것이 좋다. 최근에 제조된 자산은 일반적으로 이러한 기능을 가지고 있지만 30년 전에 제작된 장비는 그러지 않을 수 있다.

두 번째 기준은 결과를 이해하기위한 과거의 맥락을 제공하는 데이터를 포함한다는 것이다. 과거에 문제를 일으켰던 요소, 모터 또는 기계부터 시작해야한다. 이 장비는 고장 모드 및 동작 기록으로 알려져 있다. 두 가지를 조합하면 원격 모니터링으로 이동하기 위한 단계가 설정된다. 이런 경우 성공은 성공을 낳는다. Strey는 “이러한 자산을 모니터링 함으로써 투자를 정당화할 수 있다.

이러한 성공으로 프로그램을 확장하고 공장 전체로 나갈 수 있다. 이는 최상의 전략이다. 대규모 원격 유지 보수 프로그램을 동시에 공장 전체를 동시에 연결하는 것을 권장하지는 않는다.”고 말했다. 여러 공급 업체의 장비를 포함하는 설비에는 특히 단계별 접근 방식이 중요하기 때문이다.

단일 기술 플랫폼을 중심으로 구축된 공장의 경우 단일 기술 플랫폼에 대한 원격 모니터링의 전사적 롤 아웃을 구현하는 것이 이론적으로 최소한 실현가능하다. 그러나 시설에서 다양한 모터와 드라이브, 기계 도구, 제어 플랫폼 및 SCADA 시스템에 대해 하나의 공급업체를 선택할 경우 각 공급 업체가 다른 공급 업체와 통신하지 않는 자체 원격 모니터링 응용 프로그램을 보유하고 있을 수도 있다는 점이다. 모든 원격 모니터링 활동을 단일한 전사적 애플리케이션으로 전환하고자 하는 제조업체는 중대한 문제에 직면해있다. 또한 Strey는 “그렇게 함으로써 성공을 거둘 수 있지만 대부분은 얻고자 하는 정보를 한 가지만 얻을 수 있을 뿐 자산의 시스템을 세부적 으로 파악할 수 없다.

모든 벤더는 자체 기술 스택, 원격 기반 솔루션에 연결하는 응용 프로그램, 원격 모니터링 솔루션을 보유하고 있으므로 모든 다양한 솔루션을 사용하지만 자산에서 최상의 정보를 얻는 것은 어렵다.”고 말했다. 최적의 선택 방법은 관련 장비의 세부 사항에 따라 달라진다. 데이터가 이미 고객 사이트에서 특정 형식으로 수집되고 있다면 캡처하여 분석을 위해 클라우드로 보내는 것은 간단한 다음 단계이다. 자산 소유자와 OEM은 분석 제품군에 점점 더 많이 접근하여 데이터를 실행 가능한 정보로 변환할 수 있다. 이는 클라우드 기반 또는 구내에서 발생할 수 있다. 대부분의 엔지니어링 작업과 마찬가지로 최적의 선택은 애플리케이션의 세부 정보에 따라 달라진다. Bush는 모든 것이 클라우드로 갈 필요는 없다고 말한다.

실제로 클라우드는 로컬에서 수행하는 것보다 비용이 더 많이 들 수 있기 때문이다. 가장 가능성이 높은 시나리오는 몇 년 전과 수십 년 전의 자산을 혼합 한 것이다. 각각은 다양한 계측 수준을 가지고 있고 다른 정도의 데이터 집약도를 가질 것이다. 이 경우 첫 번째 단계는 단순히 데이터 수집을 시작하고 로컬에서 처리하는 것이다. 성공이 입증되면 다음 단계는 에지 프로세싱을 거쳐 연결된 엔터프라이즈 및 클라우드 기반 처리로 이동하는 것이다. 계측기가 없는 상태에서 클라우드에 완벽하게 설치된 방식으로 진행하는 것은 매우 중요한 투자이기 때문에 일종의 기기, 걷기, 달리기처럼 중요한 투자이다. 가치가 높거나 대량 생산되는 제품을 선택하고, 공격하고, 그러한 노력에 대한 수익을 얻은 다음, 향후 투자로 전환하는 것이 중요하다.

성공하기

최신 세대의 경제 솔루션이 이를 변화시킬 수 있다고 하더라도 비용은 진입 장벽 중 하나이다. Dynaper의 제품 매니저 Abhishek Jadhav는 “상태 모니터링 솔루션을 경험해보지 못한 고객과 이야기 해보면, 그들은 항상 상태 모니터링 솔루션이 매우 비싸다고 생각다. 하지만 한 번 경험해보고 나면 그들의 반응은 달라진다.”고 말한다.

상태 모니터링 시스템 도입의 증가는 다양한 수준의 참여를 필요로 한다. 조직 내에서 관리자는 이러한 아이디어를 지지하고 원격 모니터링으로의 전환을 지원해야한다. 의사 결정 프로세스가 엔지니어링, 구매 및 유지 보수에 있어 설비 기반의 의사 결정에서 전사적 이니셔티브에 이르기까지 계속 발전함에 따라 점점 증가하는 추세를 보이고 있다. Strey의 말에 따르면 5년 전에는 이러한 솔루션을 구현하기 위한 상위 관리자 이상 수준의 푸시가 없었다고 한다. 기본적으로 유지 관리 책임자와 논의해야만 했고 유지 관리 책임자는 내부적으로 이를 판매하려고 했다. 이제 상위 관리자는 이러한 해결책에 대해 논의하기 시작했다. 그들은 정비 직원들에게 돌아가서 예측 가능한 유지 보수를 구현해야한다고 말한다. 그는 이것이 앞으로의 핵심 변화가 될 것이라고 생각한다.