CPS/PHM 설비예지보전 (3)

덤

• 연관 표준: ISO 10816, 13373, 7919
• 추력 = 추진력

데이터 수집

진동의 측정

• 진동 측정위치 선정 시 고려 요소
  • 안정적인 자리
  • 고장상태 변화에 대한 높은 감도
  • 고장 이외에 영향을 받지 않음
  • 재현성 보장됨
  • 신호의 감쇠 및 손실을 고려해야 함
  • 접근 쉬운 곳
  • 환경, 비용
• 진동 측정 방법
  • 상태 감시용 센서의 위치는 대상 기계마다, 계측상 파라미터에 의존해서 달라진다
    1. 기계 하우징의 절대진동
    2. 기계 하우징에 대한 회전체의 거동
    3. 기계 운전 중 하우징에 대한 축의 상대적인 위치
    4. 축의 절대진동
  • 보통 센서는 베어링이나 그 근처에 설치함. 근데 필요 시 다른 데 달아도 됨(”그러나 만약 다른 기계에 대한 실적이 있다면 다음과 같이 베어링 이외의 다른 위치에 센서를 설치해도 좋다”).
    • 진동이 최대가 되는 위치(대형 가스터빈의 중간 축 중앙)
    • 정지부와 회전부 사이에 작은 틈새가 있어 접촉이 발생할 것 같은 위치
• 진동 측정 변수의 선택
  • 변수: 변위, 속도, 가속도
  • 변수 선택 기준: 진동의 특성, 분석 목적, 원하는 정보의 형태
  • 변위
    • 저주파수의 구조 진동, 축 진동 측정
    • 실제적인 움직임, 변형 측정
  • 속도
    • 10~1000Hz 대역 진동 - 일반적인 기계 상태감시와 분석
    • 이 대역의 실효값(rms) - ISO 진동 심각도를 나타내는 값으로 규정
    • 진동 심각도를 평가하는 경우에, 주파수를 고려할 필요 없이 간이 진동계의 측정 값을 그대로 적용할 수 있음
  • 가속도
    • 1000Hz 이상의 결함
• 진동 측정 위치
  • 로드 존이라고 해서 부하를 가장 많이 받는 쪽에 센서를 설치하는 게 보통이다.
  • 언밸런스나 정렬 불일치의 경우 수평 방향으로 설치하는 편
• 측정 장소 선택
  • 기계의 상태를 반영하고 있는 장소에 센서가 설치되어야 함
  • 모든 측정은 원칙적으로 베어링 하우징에서 함
  • 베어링 하우징 이용 불가한 경우 최대한 가까운 곳으로 하되, 그 사이에 절단면이 없어야 함.
• 센서 설치 위치
  • 베어링의 이상 진단은 부하방향에서 하는 것이 바람직
  • 절단면 기피, 케이싱에 붙여야만 하는 경우에도 케이싱이 얇은 곳은 피하기(강성이 약함).
• 센서 설치 위치별 의미
  • 베어링 하우징: 회전체에서 발생되는 가진력이 전달되어 기계 상태를 나타내기에 가장 좋음
  • 수평 방향: 일반적인 기계 결함
  • 수직 방향: 베어링 손상, 공진 여부 판단
  • 축 방향: 추력을 받는 경우(앵귤러 콘택트 베어링, 스퍼 기어를 제외한 기어들)
• 진동 측정의 형식과 위치: ISO13373-1 표 A-1 참고

센서

• 기계적 응답을 전기적 신호로 변환하는 것
• 센서의 특성: 감도, 요구되는 물리적 크기, 측정 변수, 주파수 응답 범위
• 감도 = 출력되는 전기 신호 per 입력되는 진동 신호(기준 공학 단위)
  • 예: 200mV/$\mu$m, 500mV/mm/s, 100mV/g ← 100mV/g를 보통 씀
• 주파수 응답특성: 주파수가 다른 동일한 진폭의 진동들에 대한 센서의 응답 감도 → 측정하고자 하는 주파수 대역에 대해서 평탄한 응답 특성을 가져야 한다
• 센서도 고유 진동수가 있다
• 진동 센서는 접촉식과 비접촉식이 있다
  • 보통의 변위계는 비접촉식이지만 가속도계가 적분을 2번 하면 변위가 되니까 그걸로 접촉식 변위계를 만들기도 한다
  • 속도계도 동전식 말고 압전식으로 구현할 경우 가속도계에 적분 회로가 들어간 것이다.
• 가속도계는 지금은 대부분 압전식
• 변위계는 와전류식 말고도 반사광식, 레이저 간섭계수식도 있음
• 상한(upper) 진동 수는 대체로 최소 기준 진동 수의 3배, 경우에 따라 10배까지도
  • 기어 맞물림 주파수: GMF * 3
  • 송풍기: BPF * 3 = 회전 수 * 날개 수 * 3
  • 펌프: VPF * 3 = 회전 수 * 베인 수 * 3
  • 전동기, 발전기: 2$F_L$ * 3 = 전원 주파수 * 2 * 3
• 변위계: 축과 케이싱의 진동을 동시에 고려해야 함
• 속도계: 안에 자석 움직여서 자체적으로 전류를 생성하지만 수명이 짧음 → 요즘 잘 안 씀
  • 속도계의 주파수 응답 특성: 입력과 출력의 비례가 선형적일 것이 요구됨. 그게 가능한 범위가 20~1000Hz. 근데 사실 가속도 센서가 응답 특성이 더 좋음.
• 가속도계
  • 작고 저렴 = 많이(many) 쓸 수 있다
  • 증폭기가 요구된다는 약간 아쉬운 점
  • 적분 회로가 들어가면 속도계, 하나 더 넣으면 변위계
  • 정지상태를 zero로 해서 0-p 측정
  • 압전식 가속도계
    • 주로 납, 지르코늄, 티타늄 합성 소재 세라믹 사용
    • 신호가 약해 노이즈가 많고 전달 거리가 짧음
  • 주파수 응답특성
    • 보통 스터드 마운팅을 많이 쓴다. 그게 주파수 응답 특성을 최대로 활용할 수 있음.

센서 샘플 보는데 이제 생각난 게, 케이블이 연결되면 그것 때문에도 진동 측정에 영향이 있을 것인데 뭐 어떻게 잘 감안하겠지? 배우겠지

• 트리거 장치
  • 분석기에서 신호 취득을 시작하게 하는 기준 신호를 측정하는 장치
  • 회전 기계에서는 회전속도가 기준 신호가 됨

센서 노이즈

• 가속도 센서의 가장 큰 단점: 신호가 작아서 노이즈에 취약
• 센서의 구조공진
  • 센서 자체도 고유 진동수를 가짐
  • 통상 센서의 사용 범위는 구조공진 주파수의 1/3 이하의 영역으로 제한됨
  • 센서가 작을수록 강성이 높아져 구조공진을 높일 수 있고 고주파 측정에 유리하지만 감도가 떨어진다는 단점이 있음
• 횡감도
  • 진동센서는 하나의 축방향 진동을 측정하도록 제작됨. 이게 수감축.
  • 그래서 원래는 축이랑 다른 방향(횡방향)으로 부착하면 측정을 못해야 맞는데, 약간 측정되긴 함
• 케이블 노이즈
  • 마찰전기 노이즈: 케이블에 굽힘 같은 스트레스가 가해지면 신호에 노이즈가 생김
  • 케이블이 스트레스받지 않도록 크게 둥글려서 설치하거나, 아예 바닥쪽에 케이블을 연결해서 설비에 착 붙여버리기
• 변위계
  • 고정을 위해 치구가 필요, 치구 강성은 충분히 높아야 하며 센서 끝부분 직경 대비 최소 3배 이상의 공간을 가져야 함
  • 여러 개의 변위계를 설치할 경우 간섭 방지를 위해 공간상에서 엇갈리도록 설치하기
• 센서 설치: 평탄면에 설치가 베스트
• 접촉공진(설치공진): 손으로 설치했는지, 자석을 붙였는지 등 설치 방식에 따른 공진. 마찬가지로 공진 주파수 1/3 이내 범위로 측정해야 할 것.
• 접촉식 센서의 설치 방법
  • 베스트는 영구 고정
  • 그와 비슷하게 좋은 게 스터드 볼트
  • 안되면 왁스 고정
  • 손으로 꾹 눌러서 측정하는 건 의미가 없다
• 측정 부분 표시
  • 매번 같은 자리에서 측정해야 함. 잘 보이게 표시할 것.
  • 측정면이 평탄하지 않으면 평탄하게 만들 것
• 각종 변환기
  • 이건 뭐 뭘 필기해야 할지 모르겠음 그냥 나중에 자료 받으면 써있는 거 보기
  • 압전형 가속도 센서
    • 기계에서 실제로 발생하는 진동보다 훨씬 사양이 높은 것을 사용
    • 증폭기가 붙어있으면 150도까지, 따로 있으면 450도까지 견딤. 근데 온도가 높을수록 비쌈.
    • 가벼움
• 센서 질량의 영향: 진동 센서부의 결합 질량이 기계 질량의 1/50 이하여야 함. 근데 차량에 센서 붙인다고 해도 차량 무게의 1/50씩이나 되는 센서를 어찌 쓰겠습니까 사실상 무시해도 되는 수준임

요약

• 기계 상태의 평가를 위한 측정 변수들(변위, 속도, 가속도)은 기계의 특성에 따라 결정된다
• 진동 센서들은 주파수 응답, 신호 강도, 센서 크기, 기계와 베어링의 종류에 따라 선택되어야 한다.
• 신호의 강도는 선택된 측정 변수와 주파수 범위에 의해서 결정된다.
• 각각의 센서들은 중투어 따라서 다른 주파수 응답 특성을 가지고 있다
  • 변위 신호: 저주파 대역에서 크고, 고주파 대역에서 작다
  • 가속도 신호. 저주파 대역에서 작고, 고주파 대역에서 크다
• 센서 응답 특성은 진동의 크기를 재 생성하는 센서의 능력이다
• 진동 센서들은 베어링에 최대한 가까이 설치되어 원하는 주파수의 데이터가 얻어지도록 해야 한다.
• 일반적인 기계 상태의 감시는 베어링의 반경 방향 신호를 측정하여 사용하며, 정확한 신호 분석을 위해서 반경 방향과 축 방향을모두 측정하여 분석한다.
• 축 방향의 추력이 발생되는 경우(일부 구름 베어링, 기어의 경우)에는 축 방항 진동을 측정한다.
• 발생되는 모든 진동 현상이 잘 축정되도특 적절한 주파수 범위와 분해능을 설정한다
• 측정된 데이터의 분석이 쉬워지도록 데이터를 표현하는 방식으로 데이터 취득방법을 설정하라. → 뭔말이지 싶었는데 강사님도 뭔말인지 모르겠다고 하심

풍력발전기 사례

• 풍력발전기의 특징
  • 환경적, 구조적 요소 때문에 화재나 붕괴 위험이 있음
  • 본체가 저 위에 있어서 유지보수를 위한 접근성 그지같음
  • 지지대 때문에 붕괴 위험
  • 부품 손상 화재 위험
• 사고 사례
  • 제일 많은 고장 사례가 화재임 뭐 지상 60미터 이런 데 있으니까 사다리차도 안닿음
  • 지반이 약하든 다리가 부러지든 해서 붕괴되는 사고도 많음
  • 공진으로 흔들흔들 하다가 무너지기도
• 주요 고장 원인 → 전부 화재 아님 붕괴로 이어짐. 특히 산에 지은 경우가 많아 화재가 치명적
  • 블레이드
    • 정렬 불량
    • 피로 파괴 및 균열
    • 과속 마찰
  • 주축 베어링
    • 헐거움, 손상
    • 샤프트 언밸런스, 정렬 불량
    • 윤활 불량
  • 타워(다리)
    • 공진
    • 연결부 헐거움
    • 피로 파괴 및 균열
  • yaw 베어링(바람 맞춰서 풍차 머리 돌림)
    • 드라이버, 모터 이상
    • 베어링 헐거움, 손상
  • 발전기
    • 권선 노화, 열화
    • 베어링 헐거움, 손상
  • 기어박스(증속기)
    • 기어 치면 마모/손상
    • 기어 가공/조립 상태
    • 베어링 이슈
    • 샤프트 언밸런스, 정렬 불량
• 측정 센서
  • 구조물 거동: 변위를 봐야 하는데 비접촉식 변위계는 못쓰고 적분 가속도계 같은 걸 씀
    • 거동(擧動, Behavior)은 구조물이 하중, 힘, 환경 조건 등에 반응하여 움직이거나 변형되는 방식을 의미
  • 발전기 상태: 에어 갭(공극 상태 확인)
  • 총 진동
  • 화재 감시: 열화상 카메라
• 워터폴 그래프: FFT 주파수 그래프를 시간순으로 겹쳐서 늘어놓고 보는 그래프.
  • 왜 보는가? 고장 원인 분석 위함. 사실 원래도 주파수 분석은 그 목적이 고장 원인 분석임.
  • 그러니까 사실상 멀쩡한데 굳이 볼 것 같지는 않고, 이미 고장이 있을 때 상황 파악을 위한 것
• PHM의 의의
  • 어느 설비를 집중 감시해야 하는지?
  • 언제 고쳐야 딱 좋은지?
  • 고장이 왜 났는지?
• 통합 감시 시스템: 구조 공진 상태 감시, 회전 설비 상태 감시, 운전 정보/환경 정보 통합 등 발생할 수 있는 다양한 문제를 하나의 시스템이 종합적으로 관리함

제철소 예지보전 사례

• 포스코에서 하고 있는 시스템임
• 공장은 다양한 설비들의 조합이에요. 워낙 다양해서 거기에 맞게 적합한 용도의 센서와 프로그램을 써야 한다. 예지보전도 프로그램이 하나만 있지 않다. 용도마다 다름.
• 제철소 예지보전시스템 요구기술
  • 초저속(극저속) 설비, 진동 신호 레벨이 낮은 초대형/과대중량 설비, 압연 설비 → 고주파/저주파 동시 측정 및 처리 기술, 충격 분석 기술
    • 주기가 너무 길어서 문제인 거임(예: 베어링 한바퀴에 8초). 별도 기술 필요.
  • 국부적 진동으로는 설비 상태 판정의 어려움 → 설비 거동 판단 시스템
  • 변속 설비 → 정속 및 변속 신호 분석 tool
  • 조업 조건에 따라 부하 변동이 큰 설비 → 조업 정보와의 연동
  • 고정형 센서 부착이 어려운 설비 → 대형 이송/회전설비 진단에 필요한 무선시스템의 필요
  • 다양한 제철소 설비 → 노이즈 최소화 기술
• 용융 아연 도금 공정
  • 한 번에 한 롤이 들어가는데, 이게 끝까지 완성되지 않으면 통째로 불량임 → 고장나면 개손해 → 기존에는 설비 수명보다 짧은 주기로 정기점검을 했음
  • 도금이 균일한지 확인하기 위해 마지막 부분에 변위계가 있음.
  • 아주 천천히 돌아가는 설비(예: 0.5Hz)이기 때문에 저주파 감도가 높은 센서를 써야 함
• 저주파와 고주파는 샘플링 속도를 다르게 해야 한다
• 롤 압연 공정
  • 철판이 계속 왔다갔다 하면서 점점 펴짐
  • 철판이 들락날락할 때마다 충격 있고, 과정 진행도에 따라 RPM이 조금씩 바뀐다고 함
  • 철판을 눌러서 펴는 게 목적이니 롤 간격이 가능한 한 좁게 설정되는데, 가끔 그래서 철판이 못들어가고 롤 앞에서 부딪힐 때가 있다. 이때 진동 센서로 감지하고 자동으로 롤을 살짝만 벌려주게 하면 되겠죠
• 제철소에는 연주기라는 게 있다. 쇳물을 밑으로 내려보내는 거라고 함(잘 이해 못함). 연주 공정이라고 함.
  • 바이브레이터가 위아래로 움직이면서 쇳물을 출렁이게 해서 내려보낸다는 것 같은데, 이게 균일하게 위아래로 움직이지 않는 경우가 많다는 것 같음. 3축 센서 쓴다 함. 사실 연주 공정 찾아보다가 설명 다 못들음.
• 변속 설비 - 터빈
  • 보통 2차 위험 속도보다 빠르게 돌린다. 어떤 문제가 있을까? → 설비가 감속하다가 공진을 못견디면 터질 수 있음. 체르노빌이 비슷한 사례임.
  • 기본적으로 밸런싱이 안되면 절대 위험 속도를 못넘어감. 어디든 문제 있으면 못넘어감.
  • 근데 터빈은 가끔 긴급정지를 하잖아. 매번 위험 속도를 들락날락해야 하잖아요.
  • 그래서 원자력 발전소, 화력발전소는 그 위험 구간을 어떻게 넘어가는지 매번 감시한다.
• 공작기계 사례
  • 툴이 마모되거나 깨지면 불량이 나죠? 그걸 진동으로 예지보전한다
• 미분기 예지보전 사례
  • 100mV/g보다 500mV/g가 더 감도가 높다고 보면 된다. 그리고 가속도 센서일 경우 후자가 저주파 감도가 좀 더 좋다.
    • 그거지 똑같이 한 대 쳤는데 100의 크기로 으악 하는 애랑 500의 크기로 으악 하는 애랑 놓고 보는 거임
  • 사이드밴드 복습합시다
    • 사이드밴드 왜 생길까? 그 주파수에 해당하는 기어나 피니언에 비정상 충격 요소가 있다는 것.
  • 예전엔 진동을 소리로 직접 듣기도 했었다. 소음은 두 가지가 있다 에어 본 노이즈와 스트럭쳐 본 노이즈
    • 공기의 파열에 의한 노이즈: 예를 들면 사람이 말하는 소리, 항공기가 지나가는 소리, 팬 돌아가는 소리, 물 흐르는 소리 등 구동계의 마찰이나 마모와 무관한 소리 → 마이크로폰이라는 소음계를 써서 측정하면 된다.
    • 구조물의 마찰이나 마모에 의해 유발되는 소음 → 이건 진동 센서로 측정함.
      • 그 외에도 완성된 제품의 소음 테스트를 할 때에도 쓰기도 한다. 공장 시끄러운데 마이크 갖다대봐야 측정이 되겠냐고요. 진동과 소리는 상관관계가 있으니 환산이 가능하다.
    • 오래 근무한 경력자의 경우 직접 들은 소리로 문제를 파악하기도 해서 현장에 설치된 예지보전 시스템이 소리를 따로 제공하기도 한다.
  • 오일 debris 센서: 오일이 오염됐는지 보는 센서임. 기어가 파손되면 오일에 미세금속이 섞인다 함.
    • 입자가 작은 것만 붙는 타입이 있고, 큰 게 붙는 타입이 있다. 둘 다 자석임. 원리는 모름.
    • 기어 마모 초기에는 입자가 작은 게 많이 나와서 그쪽 센서에 반응이 온다. 시간이 지나면 점점 큰 덩어리가 떨어지면서 큰 쪽 센서에 같이 반응이 온다. 이거 보고 수리하면 됨.
  • 치찍힘(nick) → GMF 사이드밴드가 된다

자동차 공장 예지보전 사례

• ISO 권고 모니터링 사항: 진동, 유분석, 열화상, 소음, 초음파
• 프레스 공정
  • 모터, 감속기, 대형 기어, 대형 볼 베어링
  • 대형 설비이며 고충격, 고부하, 고압력 부하 조건에서 운전됨
  • 프레스 충격을 별도로 취급하여 감시할 필요가 있음
• 차체
  • 로봇, 리프터
  • 설비 움직임이 유동적이고 순간적 동작 변화 있어 부하 변동 큼
  • 로봇 관절 헐거움, 축 베어링 손상 등의 문제 존재
• 도장
  • 급/배기 팬
  • 일정 부하 조건으로 상시 운전
  • 팬 불평형, 조립 불량, 베어링 손상, 모터 손상 등
  • 운전 중에 페인트가 엄청 묻기 때문에 아무리 밸런싱을 해둬도 운전 중에 밸런스 불평형이 생길 수밖에 없다.
  • 진동, 윤활, 열화상 등 감시
• 의장
  • 차체랑 비슷한 느낌임
• 예전엔 현장에서 설비 관리를 했는데 지금은 중앙에서 모아서 하는 편이다.
• 1X 주파수의 배수 주파수가 여러 개 나오는 걸 하모닉이라고 한다. 소프트풋이 문제거나 주축 문제인데, 이게 10배까지 많이 가면 대체로 소프트풋임
• 고장은 빨리 고치지 않으면 설비가 급속도로 망가진다. 뒤늦게 발견하고 수리해도 원상복구가 안됨. 그냥 수명 날린거임.

TPM 및 예방보전

지금 뭐가 어려운지 알았어 이름 매칭이 안돼

아니 변속기면 변속기지 그걸 또 왜 미션이라고 불러요 정말 낯설어요

하드웨어 너무 낯설다 어디에 뭐가 붙었는지 1도 모르는데

• 자동차의 경우엔 예지보전이 어떤 부분에 어떻게 들어가야 하겠는가? 공장 설비와 자동차 자체의 예지보전으로 생각해보라.
  • 자동차에서 예지보전으로 봐야 할 부분은 뭐가 있을까? 자동차에서 제일 중요한 거 뭐예요 엔진이잖아요. 연구소 가면 엔진 성능 내구도 테스트 다 합니다.
  • 그 다음으로 중요한 거 미션(변속기)
  • 전기차는 배터리가 제일 중요하지. BMS 배터리 관리 시스템 있어. 그 다음으로 중요한 건 모터. 엔진 미션 없는 대신 모터가 있거든.
  • 그리고 전기차는 또 중요한 게 타이어. 내연차랑 다른 전용 타이어를 쓴다. 전기차는 내연차보다 훨씬 무겁거든. 부하를 훨씬 많이 받기 때문에 다른 타이어를 써야 한다. https://www.hyundaimotorgroup.com/ko/story/CONT0000000000049683
• 현차 요즘 사업 뭐 해요 자동차 말고
  • 로템에서 전차 기차
  • 로봇
  • 피지컬 AI
  • UAM
• 뭐 저런 다양한 대상에 대한 예지보전 그게 님들이 앞으로 설계해야 할 것입니다.
  • 예지보전 대상이 뭐가 있는지
  • 센서는 뭘 붙일건지
  • 무엇을 수집해서 어떤 정보를 얻어낼 것인지
  • AI한테 물어보지 말고 가능하면 아는대로 해보세요
  • 예를 들어 선박은 콘크리트가 아니라 철판 위에 설비를 얹어놓았으니 공진 관련한 한계가 있다. 마찬가지로 운전하는 차량은 어떻겠어요? 함 해보세요.

예지보전 설계 실습

• 오일 누설은 탐지가 참 어렵다. 석유 도굴이 왜 성공하겠음? 빠지는 양도 미미하고 그로 인한 성능 차이도 미미함. 게다가 그 긴 파이프 한 곳에 구멍이 생겼다면 그 구멍은 어찌 찾을 것인가?
  • 지금도 똑바로 된 솔루션이 없는 문제다
• 로봇팔은 아직까지는 진동 센서만 쓰는 편이다. 다른 거 달아봤자 그닥 유효하지 않았다고 설명 들은 것 같음 살짝 까먹었음
• 나중에 고유진동수 찾는 과제 나갑니다
• 기계공학 신기한데 너무 어렵다 상상도 못해본 내용 한가득임

UAM 예지보전을 설계해보자

• 국산 헬기 수리온의 경우에는 원래도 예지보전 시스템이 들어가 있다. 특히 블레이드 부분은 상시 모니터링을 함. 수리온 이후의 헬기는 전부 예지보전이 적용된다.
• 엔진의 경우 매뉴팩처러가 권고하는 센서 위치와 값이 있다. 항공기가 권고 시간 이상 운행하게 되면 무조건 내려서 한번 성능 테스트를 하고 통과해야 이어서 운행할 수 있도록 하고 있다.