기계 상태 모니터링으로 공장 가동 유지

1901년에 Ransom E. Olds가 최초의 Oldsmobile 차량을 만드는 데 사용한 연속적으로 움직이는 조립 라인에 대한 아이디어로 특허를 받았습니다. 1913년 Henry Ford는 움직이는 컨베이어 벨트를 추가하여 개념을 개선했으며 이 두 가지 혁신으로 자동차 조립 시간이 1½일에서 1½시간으로 단축되었습니다. 현대적인 조립 공장이 탄생했습니다.

다음 40년 동안 이동식 생산 라인의 아이디어는 라디오에서 면도기, 시계에서 유아용 침대, 못에서 신문에 이르기까지 수많은 산업에서 채택되었습니다. 제2차 세계 대전 중 미국은 이동식 생산 라인을 사용하여 300,000대의 항공기를 제작했습니다. 이 아이디어는 전 세계 제조의 근간이 되었으며 대중 시장에 제품을 제공하는 주요 방법으로 남아 있습니다.

조립 작업에 사용되는 도구와 기계는 모든 라인에서 가장 중요한 부분입니다. 1950년대에는 공장 장비의 신뢰성이 운영의 중요한 부분이 되었습니다. 한 대의 기계가 작동을 멈추면 수리가 가능할 때까지 전체 라인이 중단됩니다. 유휴 기계 및 조립업체는 효율성을 감소시키고 비용에 영향을 미쳤습니다. 유지 관리가 중요해졌습니다.

20세기 후반 동안 대부분의 공장 유지 보수는 정기 정기 유지 보수로 구성되었습니다. 이것은 기계의 신뢰성과 서비스 수명을 향상시켰지만 공장 운영자가 장비 오작동이나 예정에 없던 가동 중지 시간을 예측하고 방지하는 데 도움이 되지 않았습니다. 지난 20년 동안 기계 상태 모니터링은 공장 운영의 중요한 부분이 되었습니다. 스마트 공장, 산업용 IoT(IIoT) 또는 인더스트리 4.0이라고도 하는 공장에는 제조 장비의 상태를 감시하는 센서와 분석 시스템이 추가되고 있습니다.

상태 모니터링은 임박한 오류 또는 오류를 나타내는 중요한 매개변수 변경을 식별할 수 있는 센서가 있는 장비를 장비하는 프로세스입니다. 이 시스템은 두 가지를 찾습니다. 첫째:기계가 설계 매개변수를 벗어나 작동하여 빠른 응답이 필요합니까? 두 번째:기계가 유지보수, 수리 또는 교체가 필요할 시기를 예측하기 위한 중요한 매개변수의 장기적 경향은 무엇입니까?

공장 전기 모터

공장에서 가장 보편적인 기계 중 하나는 전기 모터입니다. 오늘날 전 세계의 제조 시설에서 3억 개의 모터가 작동하는 것으로 추산됩니다. 그들은 공장에서 제품을 제조, 조립 및 이동할 수 있는 힘을 제공합니다. 모터 하나가 고장나면 생산 라인이 중단되어 시간당 10,000달러의 비용이 듭니다. 상태 모니터링 센서 및 분석은 문제에 대한 조기 경고를 제공합니다. 이러한 문제를 신속하게 처리하면 유지 관리 비용이 절감되고 공정 흐름이 중단되며 장비 운영자의 안전이 향상됩니다.

모든 모터의 상태는 세 가지 작동 매개변수를 모니터링하여 결정할 수 있습니다.

• 진동 - 가속도계로 측정됨.

• 온도 — 접촉식 온도 센서로 측정합니다.

• 전류 — 유도성 또는 션트 유형 전류 센서로 측정됩니다.

가속도계는 모터의 기계적 상태에 관한 데이터를 제공합니다. 온도 센서는 기계적 및 전기적 상태에 관한 데이터를 제공하고 전류 센서는 전기적 상태를 확인합니다. 센서는 또한 모터에 부착된 장비 및 도구의 상태에 관한 데이터를 제공할 수 있습니다.

가속도계

모든 회전 모터에는 베어링에 의해 매달려 있고 다양한 속도로 회전하는 전기자가 있습니다. 전기자는 회전하는 동안 진동하지 않도록 균형을 이룹니다. 그러나 불균형하거나 손상된 전기자는 베어링에 영향을 줄 수 있는 진동을 생성합니다. 진동이 모터에 부착된 다른 장비의 공진 주파수에 있는 경우 손상이 심각하고 빠를 수 있습니다. 모터의 진동 주파수는 모터 RPM과 일치하며 일반적으로 수 Hz에서 4 kHz 범위입니다. 가속도계는 이러한 진동을 측정하는 데 적합합니다.

가속도계는 윤활이 고갈된 베어링에서 발생하는 고주파 소음(삐)을 수신하는 접촉 마이크로도 사용됩니다. 이 주파수 범위는 5kHz ~ 15kHz입니다. 압전 가속도계는 단일 장치로 두 주파수 범위를 모두 포괄하는 광범위한 주파수 응답을 가지고 있기 때문에 잘 작동합니다.

일반적으로 FFT(고속 푸리에 변환)는 신호를 분석하는 데 사용됩니다. FFT 데이터는 진동의 각 주파수 대역과 강도를 보여줍니다. 그림 2는 일반적인 모터의 고유 진동 주파수와 진폭을 나타냅니다.

새 모터에는 나중에 모터 수명에서 얻은 데이터와 비교하기 위한 기준으로 기록되고 사용되는 고유 진동 주파수가 있습니다. 이러한 측정값이 원래 데이터와 동일한 범위에 있으면 모터 상태가 양호한 것입니다. 주파수나 강도가 시간이 지남에 따라 변하기 시작하면 모터 부품이 마모되었다는 표시이며 고장이 임박할 수 있습니다. 따라서 오류가 발생하기 전에 수리를 예약할 수 있습니다. 이렇게 하면 치명적인 라인 가동 중단이 발생하지 않고 제조 효율성이 향상됩니다.

그림 3은 TE Connectivity Sensors Business Unit의 모델 8911 진동 센서를 보여줍니다. 여기에는 압전 가속도계와 고객이 필요로 하는 형식으로 FFT 변환을 수행하는 마이크로 컨트롤러가 포함됩니다. 또한 이 센서는 배터리로 구동되며 LoRa 주파수를 통해 무선으로 데이터를 전송합니다. 이것은 어려운 배선을 제거합니다. 센서는 접착제, 마운팅 스터드 또는 마그네틱 베이스를 사용하여 모터에 쉽게 장착할 수 있습니다. 배선이 필요 없고 장착이 간단하기 때문에 센서는 매우 저렴한 비용으로 즉시 사용에서 전체 작동으로 전환할 수 있습니다.

온도 센서

고온의 영향을 가장 많이 받는 모터의 두 부분은 베어링과 고정자 권선입니다. 효과적이려면 이러한 매개변수를 측정하는 센서가 관심 있는 모터 부품과 물리적으로 밀접하게 접촉해야 하므로 일반적으로 모터 애플리케이션에 고유한 설계가 필요합니다.

작동 시 모터 베어링은 일반적으로 60° – 70°C(140° – 160°F)에서 작동합니다. 적절하게 로드되고 윤활되면 베어링은 매우 긴 서비스 수명을 가질 수 있습니다. 가장 흔한 문제는 윤활유가 누출로 인해 사라지거나 주변 과열로 인해 실패할 때 발생합니다. 이러한 오류 모드는 1000시간의 상당히 긴 작동 기간 동안 발생할 수 있습니다. 윤활유가 고갈되면 베어링 온도가 상승하기 시작하며 온도 센서와 분석 소프트웨어로 쉽게 추적할 수 있습니다.

그림 4는 외부 베어링 레이스와 직접 접촉하도록 설계된 스프링 장착 NTC 또는 RTD 유형 온도 센서를 보여줍니다. 이 장착은 가장 정확한 온도 측정을 제공합니다. 베어링 하우징에는 온도 센서를 수용하고 베어링에 가깝게 접근할 수 있도록 설계된 기능이 있어야 합니다.

온도 센서는 고정자 전기 권선의 온도를 측정하는 데도 사용됩니다. 이들은 전기자의 회전을 추진하기 위해 자기장을 생성하는 코일입니다. 이러한 권선이 충격이나 부식에 의해 손상되면 와이어의 저항이 증가하고 전류 전도 능력이 감소합니다. 이로 인해 영향을 받는 전선이 가열됩니다. 단열재를 녹이고 화재를 일으킬 수 있는 온도에 도달할 수 있습니다.

그림 5a와 5b는 모터의 고정자 권선에 내장된 온도 센서(TE Connectivity Sensors Business Unit)를 보여줍니다. 센서는 장치의 영구적인 부분이 됩니다.

진동 센서와 마찬가지로 초기 작동 온도가 측정되고 기록됩니다. 시간이 지남에 따라 온도를 주기적으로 측정하여 기준선과 비교합니다. 온도가 정상에서 벗어나기 시작하면 베어링의 기계적 문제 또는 고정자 권선의 전기적 문제를 나타냅니다. 다시 말하지만, 중대한 장애가 발생하기 전에 유지 보수를 예약할 수 있어 예기치 않은 라인 종료를 방지할 수 있습니다.

전류 센서

진동 및 온도 센서는 모터의 물리적 상태를 보고할 수 있지만 전류 센서는 전기 상태를 확인할 수 있습니다. 전류 센서는 션트 또는 유도 설계의 두 가지 기본 구성으로 제공됩니다. 각각 장점과 단점이 있습니다. 모터가 끌어오는 전류의 양은 인가된 전압, 모터 속도, 모터 샤프트의 부하, 전기자 브러시의 상태와 같은 많은 요인에 의해 영향을 받습니다. 범위를 벗어난 전류는 전원 전압 문제, 고정자 또는 전기자 권선의 단락, 마모된 브러시 또는 부착된 도구 문제를 나타낼 수 있습니다.

션트 전류 센서는 모터의 전력선과 직렬로 배치된 매우 낮은 값의 전력 저항기입니다. 저항 양단에 발생하는 전압은 저항을 통해 흐르는 전류에 비례합니다. 옴의 법칙(I =E/R)을 사용하고 전압과 저항 값을 알면 전류를 계산할 수 있습니다. 션트는 매우 높은 정확도가 필요한 곳이나 고주파 브러시리스 모터에 사용됩니다. 그림 6은 션트 센서의 회로도를 보여줍니다.

유도 전류 센서는 전원 와이어 주위에 고유전율 링을 사용합니다. 와이어를 통한 전류는 링(Bin)에 자기장을 유도합니다. 링에 내장된 홀 효과 센서는 자기장을 측정하고 링을 감싸는 증폭기와 코일을 통해 역 자기장(BF)을 유도하여 Bin을 상쇄합니다. BF 필드를 생성하는 데 필요한 전압은 출력 신호입니다. 두 자기장의 순 효과는 홀 센서에서 널 필드로 나타납니다. 전력선의 전류 흐름이 높을수록 BF 전압이 높아야 합니다. (그림 7 참조)

모터 너머

종종 모터에 부착된 장비도 상태를 모니터링할 수 있습니다. 그림 8은 평평한 표면을 공작물로 가공하기 위해 다중 홈이 있는 회전 커터를 사용하는 밀링 머신의 예를 보여줍니다. 회전 절삭 공구의 상태는 절삭 작업의 품질에 매우 중요합니다. 절단기의 홈이 날카로울수록 절단이 더 정확하고 완성된 작업의 표면이 더 좋아집니다. 각 플루트가 절단될 때 모터 전류가 증가하여 필요한 전력을 제공합니다. 날카로운 플루트는 금속을 자르는 데 더 적은 힘이 필요합니다. 둔한 피리에는 더 많은 힘이 필요합니다.

이 밀링 머신의 모터 전류를 모니터링하여 절삭 공구의 홈 중 어느 것이 날카롭고 어떤 것이 무디고 날카롭게 해야 하는지 결정할 수 있습니다.

IIoT에 대한 상태 모니터링의 기여

생산 라인의 발명과 그것이 만들어낸 산업 혁명으로부터 제조의 진보를 밀어붙인 수많은 기술 혁신이 있었습니다. 공장은 지난 70년 동안 연평균 2.8%의 생산성 향상을 경험했습니다. 전동 공구, 사출 성형, 픽 앤 플레이스 장비, 자동 테스트 및 로봇과 같은 기술이 모두 기여했습니다. 오늘날 기계 상태 모니터링이 혼합에 추가되고 있습니다. 성공적인 상태 모니터링은 상태 및 작동에 대한 데이터를 지속적으로 보고하는 공장 기계에 있는 센서에서 시작됩니다. 실시간 분석을 사용하여 공장 운영자는 치명적인 오류를 기다리지 않고 문제 지점을 식별하고 필요한 수리 및 유지 관리 일정을 잡을 수 있습니다. 이것은 제조에 생산성 향상을 제공할 것입니다. 하지만 모든 것은 센서에서 시작됩니다.

이 기사는 TE Connectivity Sensor Solutions — TES(Schaffhausen, Switzerland/Berwyn, PA) 영업 및 마케팅 지원 수석 관리자인 Pete Smith가 작성했습니다. 자세한 내용은 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있습니다.에서 Smith 씨에게 문의하십시오. 그것을 보려면 JavaScript가 활성화되어 있어야 합니다. 또는 여기를 방문하십시오. .