무선 모니터링을 통한 개선

모터, 드라이브 및 기타 중요한 전자 기계 장비의 기계적 고장은 생산 중단의 가장 일반적인 원인 중 하나입니다. 다행스럽게도 최근의 진동 모니터링 및 데이터 분석의 발전으로 고장이 발생하기 전에 문제를 정확하게 감지할 수 있는 상태 모니터링 시스템이 개발되어 비용이 많이 드는 기계 가동 중단을 줄이고 생산량을 극대화할 수 있습니다.

이러한 시스템은 모니터링되는 장비에 설치되며 일반적으로 데이터 분석 및 경보 알림을 위해 중앙 컴퓨터에 다시 네트워크로 연결됩니다. 기계가 네트워크 인프라를 사용할 수 없는 원격 위치에 있거나 유선 네트워크 연결이 실용적이지 않은 이동 플랫폼에 있을 수 있기 때문에 무선 통신은 특정 상황에서 설치 비용 절감, 더 빠른 배포 및 향상된 안정성을 제공하는 네트워킹 대안입니다. .

그림 1. 직접 시퀀스 파형.

질문 및 우려 사항
많은 산업에서 상태 모니터링 시스템의 구매는 간단한 투자 수익(ROI) 계산으로 쉽게 정당화됩니다. 비교적 명목상의 비용으로 작동 오류를 줄이기 위해 상태 모니터링을 통해 중요한 기계를 개조할 수 있습니다. 그러나 네트워크 인프라를 사용할 수 없거나 실용적이지 않은 경우 고려해야 할 추가 비용이 있습니다. 이 추가 비용에는 광섬유 케이블 설치, 도관 엔지니어링/설치, 건물 간 트렌치, 원격 사이트용 전화선 임대, 장비 이동을 위한 페스투닝 또는 슬립 링 설치가 포함될 수 있습니다. 이러한 추가 비용으로 인해 ROI가 경영진이 수용할 수 있는 수준을 넘어설 수 있습니다.

그림 2. 802.11b 직접 시퀀스 채널.

모니터링 대상 기계가 공장 내 네트워크 인프라가 구축되지 않은 원격 위치에 있는 경우 케이블 설치가 필요합니다. 산업 플랜트의 케이블 설치 비용은 플랜트 유형 및 물리적 구성에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 연구에 따르면 화학 공장의 평균 케이블 설치는 피트당 $40(미터당 $120)인 반면 원자력 발전소 내 케이블 설치는 피트당 최대 $2,000(미터당 $6,000)일 수 있습니다. 실제 케이블 비용은 기존 네트워크 인프라와 관련된 기계의 위치, 필요한 케이블 유형(예:광섬유), 도관 엔지니어링(필요한 경우), 인건비 및 트렌칭이 필요한지 여부에 따라 다릅니다.

기계가 몇 마일(킬로미터) 이상 떨어진 원격 위치에 있는 경우 통신을 위해 전화선을 임대해야 합니다. 임대 전화선 비용에는 일반적으로 초기 활성화/설치 비용과 서비스 속도에 따른 월 사용료가 포함됩니다. 진동 모니터링은 지속적이고 일반적으로 데이터 집약적이기 때문에 전화선 서비스는 지속적인 모니터링을 위해 충분히 빠른 속도를 지원해야 합니다. 펌프장과 같은 원격 사이트에 대한 전화 회선 서비스도 회선 품질이 좋지 않아 통신 장애가 발생하기 쉽고 신뢰성이 문제가 될 수 있습니다. 무선 셀룰러 서비스는 때때로 원격 사이트에 대한 옵션이지만 서비스 가용성에 따라 제한되고 속도가 제한됩니다. 셀룰러 데이터 가입 비용도 비쌀 수 있습니다.

그림 3. 비중첩 802.11b 채널.

기계가 이동 플랫폼(예:오버헤드 크레인, 트랜스퍼 카 또는 컨베이어 시스템)에 있는 경우 상태 모니터링 시스템을 플랜트 네트워크에 연결하는 것이 특히 어렵습니다. 플랫폼이 이동하는 속도와 거리에 따라 페스투닝과 같은 기존의 케이블 연결 방법이 가능할 수 있습니다. 그러나 페스투닝은 마모될 수 있으며 케이블이 파손될 수 있으므로 그 자체가 신뢰성 문제입니다. 회전 플랫폼의 경우 이더넷을 지원하는 슬립 링을 사용할 수 있지만 비용이 많이 들고 정기적인 유지 관리가 필요합니다. 일부 기계는 너무 빨리 움직여서 유일한 실용적인 통신 방법은 무선 무선 주파수(RF)입니다.

네트워크 상태 모니터링 시스템의 과제를 감안할 때 무선 통신은 설치 비용을 낮추고(ROI 시간 단축), 전화선을 없애고 이전에는 실용적이지 않았던 기계를 원격으로 모니터링합니다. 그러나 무선 기술과 장비는 산업용 설치에서 성능과 안정성이 크게 다릅니다. 성공적인 무선 네트워크를 설계하려면 현재 무선 사용, RF 경로 및 산업 플랜트의 환경 문제를 조사해야 합니다.

그림 4. 주파수 호핑 채널.

무선 기술
무선 이더넷에 대한 가장 일반적인 접근 방식은 확산 스펙트럼 대역의 RF 전송입니다. 전 세계적으로 2.4 및 5.8GHz 대역은 대부분의 국가에서 라이선스 없이 사용할 수 있습니다.

스펙트럼 확산은 말 그대로 전체(또는 넓은 부분) 스펙트럼에 걸쳐 RF 에너지를 확산하는 것을 의미합니다. 이 기술은 여러 RF 시스템이 있는 잡음이 많은 환경에서 작동하도록 설계되면서 비교적 고속 통신을 허용합니다. RF 에너지를 전파하는 방법에는 직접 시퀀스와 주파수 호핑의 두 가지 주요 방법이 있습니다. 두 방법 모두 산업용 무선 통신에 장단점이 있습니다.

직접 시퀀스는 대역 내에서 넓은 채널을 사용하여 고도로 인코딩된 비트 패턴을 동시에 변조합니다(그림 1 참조).

직접 시퀀스는 넓은 채널이 복잡한 변조 방식의 전송을 허용하므로 가장 빠른 확산 스펙트럼 데이터 속도를 제공합니다. OFDM(Orthogonal Frequency Domain Modulation)은 빠른 데이터 속도가 가능한 복잡한 변조 기술이며 IEEE 표준 802.11g에서 광범위하게 사용되며 최대 54Mbps의 RF 데이터 속도를 지원합니다.

직접 시퀀스는 IEEE 802.11b, 802.11g(둘 다 2.4GHz 대역에서 전송) 및 802.11a(5.8GHz 대역에서 전송)를 포함하여 오늘날 널리 사용되는 모든 개방형 Wi-Fi 표준에서 사용되는 방법입니다. 광대역 변조는 고속을 제공하지만 여러 시스템이 근접하여 작동할 때 RF 시스템이 노이즈 문제에 더 취약하게 만듭니다. 예를 들어 IEEE 802.11b에는 13개의 사용 가능한 채널이 있지만(일부 국가에서는 11개 채널만) 3개의 채널만 겹치지 않습니다(그림 2 및 3 참조).

중복 채널과 공장에서 Wi-Fi 시스템의 인기로 인해 대역 과밀화 및 RF 포화로 인해 무선 성능이 저하될 수 있습니다. 주파수 도약은 뛰어난 잡음 내성 기술을 가지고 있기 때문에 산업 시스템에서 매우 인기 있는 기술입니다. 직접 시퀀스와 달리 주파수 호핑은 스펙트럼에서 더 작은 채널을 많이 사용하고 채널을 빠르게 변경하거나 채널에서 채널로 "호핑"합니다(그림 4 참조). 오류 수정 기술을 통합함으로써 주파수 호핑은 성공적인 데이터 전송을 위한 최상의 기회를 제공하는데, 이는 송신기가 승인을 받을 때까지 다른 채널을 사용하여 계속해서 패킷을 보낼 것이기 때문입니다. 주파수 호핑의 단점은 직접 시퀀스보다 느리고 데이터 대기 시간이 더 길다는 것입니다. 대부분의 주파수 호핑 시스템은 1Mbps 이하의 RF 데이터 전송률로 제한됩니다. 그러나 데이터 속도가 애플리케이션에 대해 충분히 빠르면 주파수 호핑의 신뢰성은 특히 미래에 더 많은 RF 시스템이 추가될 경우 이길 수 없습니다.

주파수 호핑 모뎀은 독점적입니다. 즉, 각 제조업체는 고유한 기술을 사용하며 공급업체 X는 일반적으로 공급업체 Y와 통신하지 않습니다. 이것이 상용 시스템의 잠재적인 단점이지만 산업용 시스템에는 보안과 격리라는 두 가지 이유로 바람직할 수 있습니다. 무선 정보 기술 시스템에서. 주파수 호핑 기술은 개방형 표준에 기반하지 않기 때문에 제조업체는 고유한 인증 프로세스와 정교한 암호화 기술을 사용할 수 있습니다.

WPA 및 WPA2 표준을 사용하는 Wi-Fi 시스템의 보안이 크게 향상되었지만 해커는 계속해서 허점을 찾을 것입니다. 많은 산업용 Wi-Fi 제조업체는 이제 SSID 비콘을 전송하지 않음으로써 액세스 포인트를 숨기는 옵션을 포함합니다. 이 기술은 잠재적인 해커로부터 액세스 포인트를 숨기는 데 효과적입니다.

주파수 호핑은 또한 공장 관리자가 IT 부서와 별도로 자체 무선 네트워크를 운영할 수 있는 기능을 제공합니다. 무선 네트워크 액세스, 창고 바코드 시스템 및 비디오 감시를 위한 802.11 기술의 인기로 인해 독점 주파수 호핑 시스템은 산업 시스템에 가장 적합한 선택이 될 수 있으며 부서 관리자 간의 평화를 유지합니다.

그림 5. 무선 냉각탑 애플리케이션.

무선 및 상태 모니터링 통합
대부분의 상태 모니터링 시스템에는 네트워크 연결을 위한 이더넷 통신 옵션이 있습니다. 이더넷은 데이터 속도(대역폭)와 데이터 대기 시간이라는 두 가지 고려 사항을 준수하는 경우 가장 쉽게 적용할 수 있는 무선 인터페이스입니다. 이러한 고려 사항은 특히 여러 원격 시스템을 모니터링할 때 적용됩니다. 적절한 데이터 속도를 유지하면서 모든 원격 사이트에 효과적으로 도달하는 RF 네트워크를 설계하는 것이 중요합니다. 원격 시스템의 수가 많으면 각 시스템의 성능을 극대화하기 위해 별도의 RF 시스템을 설치하는 것이 가장 좋습니다. 기계 위치와 건물 구조는 안테나 배치를 결정하며 여러 RF 시스템을 고려해야 하는 또 다른 이유가 될 수 있습니다. 많은 산업 시스템은 또한 자가 치유 메시를 생성하는 동시에 RF 신호 전파를 돕기 위해 패킷 반복을 지원합니다. 마지막으로, 무선 장비가 산업 설비용으로 특별히 설계되는 것이 매우 중요합니다. 검토해야 할 주요 사양은 RF 전력 출력(높을수록 일반적으로 더 우수함), 작동 온도, 내장 진단, 위험 인증(필요한 경우), 그리고 아마도 가장 중요한 것은 지원 직원의 산업 네트워킹 지식 수준입니다.

무선 애플리케이션
원격 상태 모니터링은 전기 기계가 생산에 필수적인 거의 모든 산업 분야에서 이점을 얻을 수 있습니다. 무선 상태 모니터링이 특히 효과적인 여러 애플리케이션에는 폐수 처리 공장의 펌프 모니터링, 석유/가스 시추 장비에 ​​사용되는 드라이브, 자동차 공장의 조립 라인 드라이브, 열간 금속 공장의 오버헤드 크레인이 포함됩니다.

특히 흥미로운 애플리케이션 중 하나는 발전소 냉각 팬 모니터링입니다.

석탄 화력 발전소는 냉각탑 바닥에 있는 냉각 팬을 모니터링하기를 원했습니다. 냉각 팬은 뜨거운 증기가 항상 존재하는 매우 열악한 영역에 장착됩니다. 팬이 고장나면 기술자가 수리할 수 있도록 타워를 닫아야 했으며, 따라서 때때로 피크 수요 기간 동안 발전소의 전력 출력이 감소했습니다. 상태 모니터링 시스템을 설치함으로써 플랜트는 피크가 아닐 때 팬 수리 일정을 잡을 수 있습니다.

상태 모니터링 시스템은 타워에 이더넷 네트워크 인프라가 없다는 점을 제외하고는 비교적 설치가 쉬웠습니다. 광섬유 케이블을 당기는 비용은 10만 달러 이상으로 추산되며 설치하는 데 6개월 이상이 소요됩니다. 발전소는 무선 이더넷을 사용하여 조사한 결과 광섬유 비용이 매우 적게 들고 3주 이내에 설치할 수 있음을 발견했습니다. 설치는 순조롭게 진행되었으며 시스템은 5년 이상 안정적으로 작동하고 있습니다(그림 5 참조).

요약
진동 분석의 발전으로 플랜트 생산을 크게 개선할 수 있는 현대적인 상태 모니터링 시스템이 탄생했습니다. 불행히도 이러한 장치를 네트워킹하는 비용은 매우 높거나 비실용적일 수 있습니다. 산업용 무선 기술은 유선 네트워킹에 대한 대안을 제공하며 비용을 낮추고 안정성을 높일 수 있습니다. 그러나 성공적인 시스템을 보장하기 위해 최고의 기술과 무선 하드웨어를 선택하는 데 주의를 기울여야 합니다.