산업 애플리케이션의 기계 상태 및 자산 모니터링:센서 기술 살펴보기

원격 장비 모니터링에서 얻은 데이터는 모든 산업 프로세스의 기능에 매우 중요합니다. 종종 이 데이터는 버스, 스타 또는 트리 토폴로지를 통해 이더넷 및 TCP/IP 네트워크를 통해 SCADA(감독 제어 및 데이터 수집) 제어 시스템에 의해 처리됩니다. 산업용 사물 인터넷(IIoT) 시스템은 종종 더 복잡한 데이터 처리 및 분석을 위해 클라우드로 다시 연결되는 게이트웨이에 연결된 노드의 무선 네트워크를 허용하기 위해 이러한 레거시 시스템을 보완하고 경우에 따라 이를 대체합니다. 유선 또는 무선 기술의 사용에 관계없이 이러한 프로세스에 사용되는 기본 센서는 플랜트 장비를 평가하고 분석하는 데 필요한 데이터의 백본을 제공합니다.

이 문서에서는 산업 기계 상태 및 자산 모니터링 애플리케이션에 대한 조감도와 일반적으로 사용되는 일부 센서 기술에 대한 개요를 제공합니다.

IIoT의 기계 상태 및 자산 모니터링 애플리케이션

원격 산업 기계 상태 및 자산 모니터링 애플리케이션은 실시간 또는 준실시간 데이터 전송을 달성하기 위해 무선 프로토콜과 함께 사용되는 다양한 센서 유형과 함께 광범위한 산업 분야에 걸쳐 있습니다. 보다 전통적인 SCADA 아키텍처에서 센서/액추에이터 노드는 산업용 I/O 모듈(종종 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 또는 원격 터미널 장치(RTU))에 연결됩니다. 이러한 I/O 모듈은 감시 컴퓨터(종종 HMI(Human Machine Interface))의 피드백을 기반으로 노드와 센서 데이터를 주고받습니다. 사람의 입력을 기반으로 데이터를 수집하고 배포합니다.

산업용 무선 센서 네트워크(IWSN)에서 다수의 센서 노드는 허가/비허가 대역 및 특정 무선 프로토콜을 통해 PtMP(point-to-multipoint) 토폴로지의 게이트웨이에 무선으로 연결됩니다. 산업용 애플리케이션에서 이는 WirelessHART와 같은 산업별 프로토콜에서 셀룰러 기반 네트워크, Zigbee와 같은 보다 상업적인 프로토콜에 이르기까지 다양할 수 있습니다. 이는 SCADA 아키텍처에서 발견되는 개별 I/O 모듈의 배선을 우회하여 이 계층을 압축하여 센서 노드에서 게이트웨이/기지국, 중앙 집중식 클라우드 기반 플랫폼으로의 단순화된 데이터 전송으로 더 복잡한 분석을 수행합니다.

기계 상태 모니터링을 위한 IWSN의 응용 프로그램에는 산업용 포지셔닝 장비, 모터/드라이브, 자산 모니터링 응용 프로그램이 포함됩니다(그림 1). 예를 들어 유도 모터는 정밀 CNC 기계에서 대형 산업용 크레인, 풀리 및 컨베이어 벨트에 이르기까지 광범위한 기계 장비에서 볼 수 있습니다. 이러한 기계의 모든 결함은 기계적 정확도를 저하시키거나 심지어 고장 및 공장 가동 중지 시간을 야기하여 추가 수리 시간 비용과 함께 귀중한 플랜트 운영 시간을 직접적으로 감소시킬 수 있습니다. 모터에 대한 몇 가지 일반적인 기계적 결함은 로터 바 균열, 짧은 권선 결함, 에어 갭 변동 및 베어링 결함입니다.

가속도계는 진동 데이터 분석에 가장 일반적으로 활용됩니다. 회전 기계의 대부분의 기계적 결함은 진동 수준의 감지 가능한 증가로 이어집니다. 추가 측정에는 모터의 전류 파형 왜곡이 피크의 진폭과 피크가 발생하는 주파수를 기반으로 특정 오류를 외삽할 수 있는 모터 전류 서명 분석(MCSA)이 포함됩니다. 이 측정 방법은 종종 클립형 변류기(CT)를 사용하여 수행됩니다.

가속도계 및 전류 센서 외에도 온도, 습도, 압력 및 레벨 센서는 IWSN에서 자주 활용됩니다. 예를 들어 자산 모니터링 애플리케이션에서 화학 물질, 식품 및 제약 혼합 탱크의 탱크 채우기 레벨을 추적하는 것은 재료가 정확한 값으로 투입되도록 하는 데 가장 중요합니다. 이러한 경우 압력 센서를 사용하거나 다양한 액체 레벨 센서를 사용하여 탱크의 충전 레벨을 측정할 수 있습니다. 기류 또는 액체 흐름 모니터링은 산업용 공기 여과 시스템 또는 상업용 HVAC 시스템에서 뿐만 아니라 압력 및 액체 센서를 모두 사용하여 수행할 수 있습니다. 수처리 및 관리 시설에서 필터는 성능 및 막힘을 추적하고 압력 센서로 감지할 수 있는 유입(입력) 및 유출(출력) 라인에서 차압을 나타냅니다.

여러 기본 원리(광학, 전자기, 레이더, 기계, 초음파, 음향 등)를 활용하여 동일한 감지 결과를 얻을 수 있습니다. 이 다양성은 레벨, 습도 및 온도 센서에서 찾을 수 있습니다. 기술 선택은 가격, 정확도, 폼 팩터, 설치/교정 용이성, 응답 속도, 연속 또는 개별 모니터링 간의 균형입니다. 다음 섹션에서는 IWSN에서 일반적으로 활용되는 일부 센서에 대해 설명합니다.

일반적으로 사용되는 센서 살펴보기

가속도계 – 앞서 언급했듯이 가속도계는 진동 데이터에 대한 기계 장비 모니터링을 위한 초석 구성 요소입니다. 이는 전압 데이터에서 가속, 감속, 충격과 같은 매개변수를 수집하여 발생합니다. 이것은 시간 영역 또는 주파수 영역에서 진동 진단으로 전환됩니다. 시간 영역 분석에서 신호 샘플의 수집 및 배포는 시간 경과에 따른 기계 동작의 눈에 띄는 변화를 허용합니다. 시간 영역 진동 분석의 한 가지 간단한 형태는 기계 하우징의 RMS(Root Mean Square) 속도로 "경보 한계"를 정의하는 것입니다(ISO 2372 표준).

시간 영역 분석은 일반적으로 관찰 가능한 차이를 기록하기 위해 더 많은 데이터를 수집해야 하므로 결함을 조기에 포착할 수 없다는 단점이 있습니다. 그러나 시간 파형은 일시적이거나 간헐적인 이벤트를 분류하는 주요 이점이 있습니다. 주파수 영역에서 다양한 결함은 더 나은 결함 분리를 허용하는 스펙트럼 전력 함량의 명백한 차이(즉, 다양한 주파수에서 진동 속도의 피크)를 생성합니다. 시간 영역 분석은 이미 알려져 있거나 검색되는 매우 구체적인 패턴을 나타내는 문제를 조사하는 데 종종 활용되는 반면, 주파수 영역 분석은 결함 식별이 훨씬 더 분명한 기계 작동에 대한 광범위한 조사를 허용합니다. 다축 가속도계는 축 방향과 반경 방향 모두에서 데이터를 수집할 수 있기 때문에 특히 유용합니다. 가속도계는 용량성, 압전 또는 압전 저항과 같은 기본 원칙 중 하나를 따를 수 있습니다.

가장 일반적으로 사용되는 용량성 가속도계는 스프링에 매달린 증거 질량이 가속 응력 하에서 불균형으로 이동합니다. 이 변위는 궁극적으로 가속 속도와 가속 방향을 산출하는 정전 용량의 변화와 함께 전극에 의해 등록됩니다. 압전 가속도계도 증명 질량을 사용합니다. 그러나 증거 질량의 이동은 대신 전기 출력으로 직접 변환되는 압전 재료에 전단 응력을 유발합니다. 이전 센서에 나열된 압력 및 레벨 센서와 유사하게, 가속도계는 또한 가속 결과를 산출하기 위해 증거 질량 및 스트레인 게이지를 사용하여 압저항 원리를 이용할 수 있습니다.

전류 센서 – 현재 센서 산업 응용 프로그램에는 기계 장비, 스마트 미터링 및 전원 공급 장치(예:인버터 제어, 무정전 전원 공급 장치, 용접 등)와 관련된 응용 프로그램에 대한 MCSA 분석이 포함될 수 있습니다. 전류 센서는 옴의 법칙, 패러데이의 법칙, 패러데이 효과 또는 자기장 감지의 네 가지 기본 원칙 중 하나를 활용합니다.

저항성 분로형 전류 센서는 옴의 법칙을 활용하며 원하는 전류 값을 갖는 전류 운반 도체에 직렬로 작용하는 저항성 요소로 구성됩니다. 이렇게 하면 전류의 일부가 소자를 통과하여 흐르는 전류에 비례하는 전압 강하가 발생합니다.

그림 2는 다양한 센서 기술의 개요를 보여줍니다. 변류기(CT)는 패러데이의 유도 법칙을 이용합니다. 변압기는 투자율이 높은 자기 코어 주위에 여러 개의 권선을 포함합니다. 1차 권선 또는 전류가 흐르는 도체는 몇 번 회전하거나 단순히 코어를 통과하는 선일 수 있습니다. 1차 권선을 통해 흐르는 AC는 코어 또는 자속 집중기 내의 자속 라인을 집중시키고, 이는 차례로 1차 권선 내의 전류에 정비례하는 2차 권선 내의 전류를 유도하여 전류 흐름의 측정을 제공합니다.

로고스키 코일은 공기와 유사한 투자율을 가진 코어 대신 동일한 원리를 사용합니다. 2차 권선 내의 유도 전압은 원하는 전류의 시간 도함수에 비례합니다. 따라서 로고스키 코일의 2차 권선은 연산 증폭기 적분기 회로로 종단됩니다.

홀 효과 자기장 센서는 개방 루프 또는 폐쇄 루프 아키텍처에서도 활용됩니다. 홀 효과는 단순히 금속 스트립을 통해 흐르는 전류와 자기장이 존재할 때 생성되는 수직 전압 벡터를 설명합니다. 개루프 구성은 전류가 흐르는 도체가 투자율이 높은 자기 코어의 중심을 통과한다는 점에서 변류기와 유사합니다. 홀 효과 센서는 코어의 갭 내에 배치되어 전류에 비례하는 전압을 생성합니다. 그러나 이 전압은 출력 전압이 작기 때문에 증폭기가 필요합니다.

폐쇄 루프 구성은 보상 코일 또는 2차 권선을 포함하며, 이 코일은 전류가 흐르는 도체의 전류에 반대되는 자기장을 생성하여 홀 효과 센서에서 자기장이 보이지 않습니다. 2차 권선은 전류 감지 IC의 증폭기에 의해 구동되며 부하 저항으로 종단됩니다. 전류가 흐르는 도체의 전류는 이 출력 저항의 전압에 비례합니다.

압력 센서 – 압력 센서라는 용어는 일반적으로 압력 센서, 압력 변환기 및 압력 트랜스미터를 포함하는 포괄적인 용어로 사용됩니다. 일반적으로 압력 센서는 눈에 띄는 신호 손실 없이 전기 장치에서 10~20피트 떨어진 곳에서 이 출력 신호를 사용할 수 있는 10mV 출력 신호를 생성합니다. 압력 변환기는 신호 저하 없이 20피트 이상 이동할 수 있는 더 높은 전압 출력(0.5~4.5V)을 생성합니다. 압력 트랜스미터는 4 ~ 20mA의 전류 출력 신호를 제공합니다. 압력 센서는 Wheatstone Bridge 유형/압전 저항, 정전 용량, 전자기, 압전 및 광학을 비롯한 다양한 구성으로 제공될 수 있습니다.

이 기사에서는 가장 일반적인 유형의 압력 센서인 브리지 유형/압전 저항 구성에 중점을 둡니다(그림 3). 가장 일반적인 압력 센서는 재료가 변형될 때 발생하는 저항 변화가 재료가 받는 압력과 상관관계가 있는 압저항 효과에 의존합니다. 일반적으로 이러한 센서에는 가스/액체(즉, 작동유, 물, 오일 등)와 마주하는 다이어프램의 측면이 "기준" 압력에 노출되고 다이어프램의 다른 쪽이 노출되는 측정 다이어프램이 있습니다. 고압에. 이 경우 다이어프램은 그에 따라 편향/변형되며 스트레인 게이지는 이 정보를 전송할 준비가 된 전기량으로 변환하기 위해 각각 간의 압력 차이를 측정합니다.

스트레인 게이지는 기본적으로 저항의 변화가 가해지는 스트레인의 양에 비례하는 저항 요소로 작동합니다. 이러한 스트레인 게이지는 스퍼터 증착 공정을 통해 제조된 호일 접착식 또는 불순물을 실리콘 기반 다이어프램에 확산시켜 생산하는 확산형 실리콘 스트레인 게이지로 반도체 스트레인 게이지라고도 합니다. 호일 기반 스트레인 게이지는 더 높은 압력을 견딜 수 있다는 이점이 있는 반면 반도체 기반 스트레인 게이지는 더 높은 감도를 제공하므로 종종 더 낮은 압력에서 활용됩니다. 그러나 실리콘 스트레인 게이지는 온도의 영향을 많이 받으므로 포일 스트레인 게이지보다 작동 온도가 낮은 경향이 있습니다.

액위 센서 – 레벨 센서는 용기 내의 액체, 분말 또는 입상 물질(예:펠렛)의 양을 감지합니다. 압력 센서와 달리 이 측정은 다양한 방법으로 수행할 수 있습니다. 위의 표는 각 레벨 센서 유형에 대한 설명과 몇 가지 주요 고려 사항과 함께 몇 가지 방법을 나열합니다. 이 섹션에서는 정수압 다이어프램 기반 센서에 초점을 맞춥니다.

특히 정수압 레벨 센서는 압력 센서에서 볼 수 있는 브리지형 센서와 동일한 기본 압저항 원리에 의존합니다. 실제로, 이러한 유형의 수위 센서는 탱크 내 액체의 상승/하강 수위가 다이어프램 내 압력 변화와 상관 관계가 있으므로 탱크 내 수심과 매우 선형적인 관계를 유지하는 압력 센서입니다. 아래 식과 같이 정압 (P) 액체의 비중은 액체의 비중(γ)과 액체의 높이( h ).

페 =γ*으

결론

산업 모니터링 애플리케이션에 사용되는 기본 센서 기술을 이해하면 산업 시스템의 설계 및 개발에 관련된 모든 사람에게 통찰력을 제공할 수 있습니다. 각 센서는 다양한 기본 원칙을 활용할 수 있으며, 각 원칙에는 애플리케이션에 대한 고유한 이점과 고려 사항이 있습니다. 이러한 센서에서 수집한 데이터의 수집 및 보급에는 유선 또는 무선 백본이 포함될 수 있으며, 특히 IIoT는 미래 산업 응용 프로그램을 위한 더 복잡한 데이터 분석의 가능성이 있습니다.

이 기사는 L-com, North Andover, MA의 제품 라인 관리자인 Tinu Oza가 작성했습니다. 자세한 내용은 여기를 방문하십시오. .

참조

1. 루이스, 조. 고형물 측정 및 검출 핸드북 . 모멘텀 프레스, 2014.