산업 응용 분야의 조건 기반 모니터링을 위한 MEMS 진동 센서 시스템 구축

산업용 기계의 모든 부분은 제조 결함, 이물질 누적, 내부 부품 성능 저하, 마모와 손상 등으로 인해 결국 고장을 일으키게 됩니다. 자동화된 산업 라인의 성장으로 공장 운영자는 끝나지 않는 유지 관리 및 수리로 인해 라인을 멈추게 될 수 있습니다. 특히, 감지되지 않은 기계 결함은 심각한 고장으로 이어질 수 있습니다.

예기치 않은 장비 고장에 대응하거나 부적절한 유지 관리를 위해 불필요한 다운타임을 견뎌내는 대신 공장 운영자는 조건 기반 모니터링(CBM) 표시기를 사용하여 장비가 중요 작동 상태로 전환되기 이전에 유지 관리 및 수리를 효과적으로 예약할 수 있습니다. 기계의 작동 상태를 모니터링할 수 있다면 산업 환경에서 많은 비용을 절감할 수 있습니다. 산업 엔지니어는 장비 고장에 앞서 일반적으로 나타나는 조건을 감지하여 고장을 일으키기 전에 기계를 수리할 수 있습니다.

하지만 CBM을 구현할 때 모니터링해야 하는 조건의 특성이 다를 수 있으므로, 개발자는 특정 요구 사항에 맞는 센서 신호 체인을 정확하게 구축해야 합니다.

이 기사에서는 산업용 장비에 대해 CBM을 구현하기 위한 요구 사항을 설명하고 개발자가 Analog Devices의 장치를 조합하여 이러한 요구 사항을 충족하는 신호 체인을 구축할 수 있는 방법을 살펴봅니다.

진동 분석

기본 CBM 방법인 진동 분석은 기계와 해당 가동 부품의 작동 상태를 평가하는 기본적인 기술로 자리 잡았습니다. 이 접근 방식에서 산업 엔지니어는 진동 측정을 분석하여 회전자, 기어, 베어링 및 기타 기계 부품 간 기계적 인터페이스의 불균형, 오정렬 또는 손상을 나타내는 패턴을 파악합니다. 예를 들어 진폭이 큰 진동이 반복적으로 발생하는 패턴은 손상되거나 마모된 클러치, 기어, 베어링, 베어링 레이스 또는 기타 기계의 접촉면으로 인한 기계적 충격을 나타낼 수 있습니다.

하지만 이번 도메인 진동 측정 이외에 고속 프리에 변환(FFT) 분석을 사용하는 주파수 도메인 측정에서는 기계 상태에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있습니다. 이 주파수 도메인 분석을 생성하는 데 사용되는 FFT 계산에는 더 우수한 컴퓨팅 성능이 필요하지만 결과적으로 볼 때 그만한 가치가 있습니다. 숙련된 엔지니어들이 이 접근 방식을 통해 불균형, 오정렬, 느슨함, 베어링 결함 등 고장을 나타내는 다양하고 신뢰할 수 있는 주파수 관련 지표를 확인했습니다(그림 1).

그림 1: 산업 엔지니어는 주파수 도메인에서 피크의 절대적 크기와 상대적 크기를 측정하여 기계 부품 불균형부터 기계 고장까지 기계의 광범위한 현재 문제와 잠재적 문제를 추론할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이러한 지표 중에서 고조파 및 초기 기준 1x 측정에 상대적인 기본 주파수(1x 성분이라고도 함) 변경은 진폭이 회전율의 제곱에 비례하고 주파수가 기계의 회전 또는 공진 주파수와 일치하는 신호에 반영되는 기계 내 불균형을 암시할 수 있습니다. 반대로 기계 부품 사이의 오정렬 또는 느슨함은 첫 번째 고조파(2x 성분이라고도 함)에서는 물론이고 10배 더 높은 주파수 성분에서도 특징적 증가를 일으킵니다. 마찬가지로 불균형, 오정렬 또는 손상된 내부 부품(예: 기어)으로 인해 자체 회전율 및 톱니 수와 관련된 주파수에서 피크가 높아집니다.

특히, 기계 내에서 레이스에 덮여 있는 베어링의 경우 결함 지표가 훨씬 더 복잡할 수 있습니다. 베어링이 레이스를 통해 이동할 때 주파수에서 볼 자전 주파수(BSF)라는 특징적 신호를 생성합니다. BSF는 베어링 레이스의 기본 열 주파수(FTF) 즉, 베어링 케이지가 베어링 주위로 이동하는 속도와 관련된 포락선 내에 포함됩니다. 결함 있는 베어링 또는 레이스는 FTF에 의해 변조되는 낮은 진폭 진동 열을 생성하여 BSF에서 상대적으로 높은 진폭 이벤트를 발생합니다(그림 2).

그림 2: 기계 결함과 관련한 진동 신호는 기존 주파수와 고조파에서 쉽게 인식되는 피크부터 베어링 레이스의 기본 열 주파수(FTF)와 관련된 포락선 신호를 포함하는 볼 자전 주파수(BSF)의 펄스를 변조하는 복잡한 베어링 결함 신호까지 다양합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

베어링 결함의 결과 주파수 도메인 신호는 매우 복잡하여 넓은 고주파수 대역 전반에 걸쳐 있는 낮은 진폭 성분에서 광범위하게 증가하는 것처럼 보일 수 있습니다(그림 1의 오른쪽 그림 참조).

명확히 나타나는 주파수 도메인 신호의 복잡성에도 불구하고 산업 엔지니어들이 불균형, 오정렬, 미묘한 베어링 관련 문제 등 광범위한 결함을 진단하는 포괄적인 분석 방법 및 세부 지표 카탈로그를 개발했습니다.

효과적인 솔루션에 대한 수요 증가와 가용성 향상으로 인해 분석 및 진동 측정 방법은 점점 더 정교해지고 있습니다. 과거에는 엔지니어가 일반적으로 핸드헬드 진동 모니터와 휴대용 데이터 로거를 사용하여 패턴을 기록했다가 나중에 오프라인으로 분석했습니다.

Industry 4.0 자동화로 전환되고 자동화된 기계에 대한 의존성이 높아지면서 수동으로 작업하는 방식은 실효성이 떨어지게 되었습니다. 고급 반도체 장치의 출시로 CBM 응용 분야에서는 점차적으로 중요 기계에 직접 연결된 진동 측정 장치에 기반하여 지속적 모니터링을 제공합니다.

진동 측정 요구 사항

센서 신호 수집 응용 분야와 마찬가지로 CBM 진동 측정 장치에서도 센서, 신호 조정 단계, 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 프로세서로 구성된 친숙한 신호 체인 토폴로지를 사용합니다(그림 3).

그림 3: 진동 감지 시스템에서는 센서, 저역 통과 필터(LPF), 연산 증폭기, ADC 등으로 구성된 신호 체인을 프로세서 및 지원 장치와 결합하는 친숙한 토폴로지를 사용합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

앞서 언급한 주파수 도메인 분석 방법을 지원하기 위해 이 진동 신호 체인 사양은 일반적으로 소비자 장치에서 동작 감지에 사용되는 신호 체인과 큰 차이가 있습니다.

산업용 응용 분야와 소비자 응용 분야 간의 가장 중요한 차이 중 하나는 진동 센서 대역폭 요구 사항에 있습니다. 위에서 언급한 대로 기계의 결함 지표는 기본 주파수의 경우보다 5배 또는 10배 더 높은 고조파나, 그보다 훨씬 더 높은 주파수 대역의 고조파에서 광범위하게 나타날 수 있습니다. 산업용 기계는 일반적으로 분당 수백 또는 수천 rpm으로 회전하므로, 1,000rpm으로 작동하는 기계에서 베어링 결함 또는 복잡한 오정렬과 관련된 주파수 스파이크를 캡처하려면 5kHz 이상의 대역폭을 사용하는 진동 센서가 필요할 수 있습니다. 마찬가지로 높은 BSF 범위에서 작동하는 베어링과 관련한 신호를 캡처하려면 광대역이 필요합니다.

작은 불균형, 오정렬, 베어링 레이스 또는 베어링 자체 문제와 관련한 미묘한 결함 신호를 캡처하려면 광대역 성능만으로 충분하지 않을 수 있습니다. 진폭은 작지만 이러한 신호 발생기는 베어링 문제의 경우 새로운 문제나 임박한 고장을 나타낼 수 있습니다. 따라서 CBM 진동 측정 장치는 이러한 결함과 관련한 낮은 진폭 신호를 분리하기 위해 저잡음 플로어에서 충분한 분해능으로 작동해야 합니다.

마이크로 일렉트로닉스 시스템(MEMS) 센서

이전에는 압전 가속도계가 산업용 응용 분야에서 널리 사용되었지만, 최근에는 마이크로 일렉트로닉스 시스템(MEMS) 센서가 효과적인 솔루션으로 새롭게 등장했습니다. 실리콘 기판 위에 제작되는 이러한 폴리실리콘 구조는 두 개의 고정 플레이트 사이에 가동식 플레이트가 있는 셀을 기반으로 합니다(그림 4).

그림 4: 기존 반도체 공정 기술로 제작되는 마이크로 일렉트로닉스 시스템(MEMS) 센서는 가속에 대응하여 굴절되어 셀 정전 용량을 변경하는 고정 플레이트와 가동식 플레이트로 구성된 셀을 통합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

가속으로 인해 가동식 플레이트가 고정 플레이트에 비해 굴절되면 가속에 비례한 센서 출력을 생성하여 차동 정전 용량이 변경됩니다.

작은 굴절에도 고급 MEMS 진동 센서는 산업용 기계 관련 가속을 추적하는 데 필요한 고성능 범위를 지원합니다.

간단한 고조파 동작 방정식에 따르면 가속은 주파수와 다음과 같은 관련이 있습니다.

a = -(2pf)² x (방정식 1)

여기서,

a = 가속

f = 주파수

x = 중앙 위치를 기준으로 한 변위의 크기(MEMS 진동 센서의 경우 일반적으로 1µm 정도)

따라서 산업용 기계의 MEMS 센서에서 발생하는 가속이 수백 gs에 도달할 수 있습니다. 이는 소비자 제품에서 일반적으로 사용되는 MEMS 진동 센서에서 발생하는 가속 범위보다 훨씬 큰 수치입니다(그림 5).

그림 5: MEMS 센서는 산업용 기계의 일반적인 rpm 범위에서 매우 높은 가속을 발생할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey, Analog Devices 데이터)

MEMS 제조 기술의 지속적인 발전으로 인해 이제 개발자는 Analog Devices ADXL100x MEMS 가속도계 제품군과 같이 진동 기반 CBM 응용 분야의 엄격한 요구 사항을 충족하면서 기본 진동 감지 시스템의 설계를 단순화하는 MEMS 진동 센서를 찾을 수 있습니다.

통합 MEMS 센서

ADXL1001, ADXL1002, ADXL1003, ADXL1004, ADXL1005를 비롯하여 Analog Devices ADXL100x MEMS 단일 축 진동 센서 제품군은 가속 범위, 대역폭, 분해능, 잡음 등에 대한 산업 요구 사항을 충족할 수 있는 광범위한 장치를 개발자에게 제공합니다(그림 1).

표 1: Analog Devices ADXL100x 진동 센서의 성능 사양(표 출처: Analog Devices)

MEMS 센서는 기존 반도체 공정 기술로 제조되므로 다른 회로와 쉽게 통합하여 다양한 아날로그 및 디지털 기능을 제공할 수 있습니다. ADXL100x 제품군의 각 제품은 MEMS 센서를 센서 증폭기, 복조기, 출력 증폭기, 추가 기능 등과 결합하여 동일한 기능적 아키텍처를 사용합니다(그림 6).

그림 6: Analog Devices ADXL100x 진동 센서 제품군의 모든 제품은 MEMS 센서를 포괄적인 센서 신호 조절 단계 및 추가 기능과 결합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이러한 기능 중 과범위(OR) 감지 기능을 사용하면 가속이 장치의 지정된 g 범위를 약 2배 초과할 경우 센서 소자를 보호할 수 있습니다. 이러한 이벤트는 특히, 기계를 처음 시작하거나 이후에 속도를 변경할 때 정상적으로 작동하는 기계에서 종종 발생합니다. 기계가 기본 주파수로 안정화될 때까지는 아무리 강력한 진동 센서라도 부품이 최대 속도에 도달할 때 생성되는 공진 주파수를 조합하여 과포화 상태가 될 수 있습니다.

과범위 조건이 발생할 경우 ADXL100x OR 서브 시스템은 호스트 프로세서에 경고하도록 OR 출력 신호를 설정합니다. 또한 내부 클록을 200μs 동안 비활성화하여 MEMS 구조가 손상되는 것을 방지합니다. 과범위 조건이 이 200μs를 초과하여 지속될 경우 OR 서브 시스템은 500μs마다 출력 신호와 차단 기간을 다시 트리거합니다.

신호 체인 확대

ADXL100x의 통합된 출력 증폭기는 최대 100pF의 부하 정전 용량에서 저항 부하를 최대 2mA의 소스 전류로 확대할 수 있습니다. 따라서 개발자는 원칙적으로 ADXL100x를 Analog Devices AD4000 16비트 정밀 연속 근사화 레지스터(SAR) ADC에 직접 연결할 수 있습니다.

기본적으로 이 직접 연결 구성을 사용하려면 샘플링 속도가 220kHz 이상이어야 합니다. MEMS 센서의 경우보다 높은 장치 주파수 응답 대역폭 3dB의 2배로 샘플링해야 하기 때문입니다(표 1 참조). 실제로 통합 출력 증폭기는 70kHz의 3dB 주파수 응답 대역폭에서 센서의 공진 주파수에 근접한 주파수로 측정할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 사양에 제공된 3dB 주파수보다 훨씬 더 높을 수 있습니다(그림 7).

그림 7: Analog Devices의 ADXL100x 진동 센서 제품군은 11kHz의 3dB 대역폭을 지정하고 훨씬 더 높은 주파수 대역의 특징적 공진 주파수 피크를 사용하는 ADXL1002에 대해 여기에 표시된 곡선과 비슷한 광대역 주파수 응답을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

변환 신호 체인과 마찬가지로 관련 주파수 대역에 대한 잡음 앨리어싱 유입을 방지하려면 샘플링 속도가 등가 잡음 대역폭(ENBW)의 최소 2배가 되어야 합니다. 따라서 ENBW = π/2 x ω_3dB입니다. 여기서 ω_3dB은 이 경우 70kHz이고, ADXL100x 장치의 ENBW는 110kHz입니다. 따라서 필요한 샘플링 속도는 220kHz 이상이어야 합니다.

개발자는 단극 저역 통과 필터를 간단히 추가하여 이 샘플링 요구 사항을 쉽게 줄일 수 있습니다. 실제로 센서와 ADC 사이에 앞서 언급한 Analog Devices AD4000과 같은 2극 저항기 커패시터(RC) 필터를 사용하는 것이 좋습니다(그림 8).

그림 8: 개발자는 Analog Devices ADXL100x MEMS 센서와 Analog Devices AD4000 ADC 사이에 간단한 2극 저역 통과 필터를 사용하여 필요한 센서 샘플링 속도를 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

예를 들어 16kΩ R1 저항기, 300pF C1 커패시터, 32kΩ R2 저항기 및 300pF C2 커패시터를 사용하여 ADXL1001/ADXL1002의 200kHz 내부 클록 주파수에서 약 84dB 감쇠를 제공합니다. 이 경우 ADC 샘플링 속도 32kHz는 앨리어싱 아티팩트 없이 0kHz ~ 10kHz 범위의 진동을 측정하는 데 충분합니다.

ADXL100x 센서를 AD4000 ADC 및 일부 수동 소자 부품과 함께 사용하여 개발자는 진동 측정을 위한 전체 신호 체인을 구현할 수 있습니다. 전압 조정기(예: Analog Devices ADP7104 저드롭아웃(LDO) 조정기), 레퍼런스 전압 소스(예: Analog Devices ADR4550) 및 프로세서(예: Analog Devices ADUCM4050 마이크로 컨트롤러)를 추가하여 진동 센서 시스템 설계의 핵심을 신속하게 완료할 수 있습니다.

일부 부품을 ADXL100x 제품군의 다른 제품과 함께 사용하여 개발자는 고유한 CBM 응용 분야와 관련한 우수한 가속 범위 또는 높은 대역폭을 비롯한 특정 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

3축 측정

더 복잡한 CBM 응용 분야의 경우 ADXL100x 제품군의 단일 축 측정 기능으로는 부족할 수 있습니다. 개발자가 필요한 각 측정 축에 대한 기본 설계를 쉽게 복제할 수 있지만 Analog Devices는 ADcmXL3021 3축 진동 센서 모듈을 통해 더 간단한 접근 방식을 제공합니다.

Analog Devices ADcmXL3021 모듈은 23.7mm x 27.0mm x 12.4mm 알루미늄 하우징에 실장 플랜지로 고정되어 있으며, 상호 직교하는 감지 축을 따라 배치된 세 개의 ADXL1002 MEMS 가속도계를 사용하여 3축 측정을 지원합니다(그림 9).

그림 9: Analog Devices ADcmXL3021 모듈은 23.7mm × 27.0mm × 12.4mm 알루미늄 하우징(왼쪽)에 담겨 있으며 산업용 성능 요구 사항을 충족할 수 있는 완벽한 3축 진동 측정 시스템(오른쪽)을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

각 MEMS 센서의 신호 체인 내에서 전용 ADC는 220kSPS로 샘플링하여 모듈에 내장된 FIFO(First-In, First-Out) 버퍼에 결과를 저장합니다. 모듈의 통합 프로세서는 다음과 같은 네 가지 작동 모드로 시간 도메인 및 주파수 도메인 측정을 지원합니다.

• 실시간 스트리밍(RTS) - 실시간 데이터를 제공합니다.
• 수동 FFT 모드(MFFT) - 외부 신호 또는 소프트웨어 명령의 트리거에 대응하여 주파수 도메인 데이터를 생성합니다.
• 자동 FFT 모드(AFFT) - 내부 타이머를 사용하여 주파수 도메인 데이터 캡처를 자동으로 트리거합니다.
• 수동 시간 캡처(MTC) 모드 - 4,096개의 연속 시간 도메인 샘플을 캡처하고 필터링, 평균을 비롯한 신호 처리 함수 사용을 지원합니다.

통합된 MCU를 사용하여 ADcmXL3021은 네 가지 샘플링 모드 이외 추가 기능을 제공합니다. 그런 기능은 기계에서 적합하지 않은 작동 조건이 발생할 때 경고를 사용하고 기계가 중요한 조건에 진입할 경우 경보를 사용하도록 요청하는 ISO 10816과 같은 산업 표준을 지원합니다.

MTC 모드에서 ADcmXL3021은 시간 도메인 데이터에 대해 세 가지 구성 가능한 레벨(정상, 경고, 중요)로 경보를 제공합니다. ISO 10816 알림을 지원하기 위해 개발자는 정상 레벨을 나타내는 신호, 부적절한 작동을 나타내는 경고 신호, 불안전한 작동을 나타내는 경보 신호를 설정할 수 있습니다.

MFFT 또는 AFFT 모드에서 주파수 도메인을 측정할 경우 ADcmXL3021은 더 정교한 경보 기능을 제공합니다. 개발자는 각각 주파수 상한과 하한, 진폭 상한과 하한을 지정하는 6개 경보 대역 구성을 설정할 수 있습니다. 이 기능을 사용하여 개발자는 알려진 경고 또는 경보 조건과 관련한 특정 주파수 및 진폭 신호를 인식하도록 ADcmXL3021을 구성할 수 있습니다(그림 10).

그림 10: 개발자는 진동 진폭과 진동 주파수 대역을 기반으로 지표를 조합하여 경고 또는 경보를 발생하도록 Analog Devices ADcmXL3021 진동 센서 모듈을 구성할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADcmXL3021을 사용하여 개발을 간소화하도록 돕기 위해 Analog Devices는 ADcmXL3021 플렉스 테일 커넥터 핀에 쉽게 접근하기 위한 헤더를 제공하는 ADCMXL_BRKOUT 브레이크아웃 기판을 제공합니다.

또한 Analog Devices는 Cypress Semiconductor CYUSB3KIT-003 USB 3.0 SuperSpeed Explorer 키트에서 작동하도록 설계된 Windows 기반 ADCMXL Vibration Evaluation 소프트웨어 응용 프로그램을 제공합니다. 평가 소프트웨어 인터페이스를 사용하여 개발자는 각 축에 대한 시간 도메인 및 주파수 도메인 데이터를 검사하고 대체 캡처 구성을 탐색하도록 ADcmXL3021 레지스터를 수정할 수 있습니다(그림 11).

그림 11: 설계자는 Analog Devices 평가 소프트웨어 응용 프로그램을 사용하여 ADcmXL3021 진동 센서 모듈의 출력을 확인하거나 다른 캡처 구성을 탐색하도록 레지스터를 대화식으로 수정할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey/Analog Devices)

결론

CBM은 갑작스러운 기계 고장으로 인한 예기치 않은 다운타임이나 불필요하게 예약된 유지 관리를 방지하기 위한 많은 이점을 제공할 수 있습니다. 하지만 CBM 응용 분야의 개발자는 적합한 진동 측정 시스템의 엄격한 성능 요구 사항이 부담될 수 있습니다. 소비자 응용 분야의 동작 감지 시스템과 달리 산업용 진동 시스템은 높은 가속 범위, 광대역, 높은 분해능, 매우 낮은 잡음 밀도가 필요합니다. Analog Devices의 MEMS 센서 및 관련 부품을 사용하여 개발자는 정교한 산업용 CBM 응용 제품을 구현하는 데 필요한 강력한 진동 측정 시스템을 안전하게 구축할 수 있습니다.