예측 유지보수 도입을 통해 인더스트리 4.0 시설의 이점 최대화

데이터 분석 및 머신 러닝(ML)을 활용하는 예측 유지보수(PdM)는 사전 장비 관리를 실현하여 효율성 및 유지보수 일정을 최적화하고 다운타임을 최소화하여 지속 가능성 향상을 지원하므로 인더스트리 4.0에서 매우 중요합니다. 시기 적절하고 정확한 데이터 수집은 PdM의 성공적인 도입을 위한 핵심 요소입니다.

데이터는 또한 완전해야 합니다. 전원 공급 장치는 DC 전압(V_DC) 및 전류(I_DC), 피크 전류(I_PEAK), 실행 시간, 교체 시간을 모니터링할 수 있습니다. 모터 상태 모니터는 진동, 온도, 전류, 절연 저항(지락)을 모니터링하는 데 필요합니다.

열 상태 모니터는 고전압 제어 패널, 전력 변압기, 유압 장비, 모터 및 베어링, 기어박스 등의 다양한 장치에 필요합니다. 이러한 모든 전원 공급 장치, 모터, 열 모니터에는 실시간 분석을 위해 데이터를 전송할 수 있도록 Ethernet/IP 또는 Modbus TCP 연결이 필요합니다.

이 기사에서는 먼저 예측 유지보수에 대한 간략한 개요, 예측 유지보수의 많은 이점 및 이를 인더스트리 4.0 시스템 아키텍처에 적용할 수 있는 방법을 알아봅니다. 그런 다음 Omron에서 제공하는 다양한 PdM 장치 및 소프트웨어에 대해 자세히 알아봅니다. 마지막으로, 인공 지능(AI)을 사용하여 PdM 성능을 최적화하는 방법을 살펴봅니다.

PdM은 장비 및 시설 유지보수에 대한 세 가지 접근 방식 중 하나입니다. 환경 비용과 비즈니스 비용의 균형 측면에서 PdM은 사후 유지보수와 예방 유지보수의 중간에 있습니다(그림 1). 이 세 가지 접근 방식 중 선택할 때 중요한 한 가지 요인은 환경 비용과 비즈니스 비용에 두는 상대적 중요성입니다.

그림 1: PdM은 사후 유지보수와 예방 유지보수 접근 방식의 중간에 있으며 비즈니스와 환경적 고려 사항 간의 균형을 제공합니다(이미지 출처: Omron).

사후 유지보수는 고장이 발생한 후에야 이를 처리하므로 환경 비용과 비즈니스 비용이 모두 증가합니다. 예방 유지보수는 정기적인 수동 검사를 사용하여 임박한 고장을 식별함으로써 환경 비용의 최소화를 우선시하지만, 과도한 장비 다운타임 및 높은 비즈니스 비용을 발생시킵니다. 이는 사후 유지보수의 또 다른 형태로 간주되며, 그 동인은 명백한 장비 고장이 아니라 미리 정해진, 다소 임의적인 일정입니다.

고급 센서의 가용성과 AI 및 ML 도구의 등장으로 환경 비용과 비즈니스 비용 간의 균형을 유지하는 기술을 배포하는 PdM이 개발되었습니다.

확장 가능성 및 유연성

PdM은 '모든 상황에 적용되는 만능' 옵션이 아닙니다. PdM은 확장 가능하고 유연하며 단일 엔터프라이즈-크리티컬 장비, 여러 대의 장비, 중앙 집중식 모니터링을 사용하는 전체 시설에 걸쳐 배포할 수 있습니다. 따라서 조직은 소규모로 시작한 후 시간 경과에 따라 PdM의 배포를 확장하여 기존 시설을 개조할 때 중단을 최소화할 수 있습니다.

확장 가능한 솔루션은 필요에 따라 추가할 수 있는 센서, 모니터링 장치, 컨트롤러와 같이 호환이 가능한 다양한 부품으로 지원됩니다. Ethernet/IP 및 Modbus TCP와 같은 산업용 통신 프로토콜을 사용하면 기존 시스템과의 통합을 간소화하고 여러 대의 장치에 대한 원격 동시 모니터링과 같은 개선된 기능을 지원할 수 있습니다.

확장 가능한 소프트웨어 솔루션은 중앙 집중식 사무소 제어 센터 또는 시설의 다양한 위치에서 데이터를 분석하고 장치를 관리하는 데 사용할 수 있습니다.

이러한 솔루션은 중대한 점검 없이 기존 장비와 통합할 수 있어 유연성이 향상됩니다. 또한 식음료, 자동차, 의료 장치 제조, 반도체 및 전자 부품, 군사 및 항공 우주, 물류 및 창고 등 거의 모든 산업에 대해 최적화할 수 있습니다.

이러한 유연성은 전원 공급 장치, 모터 상태(전류, 진동, 온도, 절연 저항), 열 상태의 모니터링을 위한 솔루션을 비롯한 다양한 PdM 장치에서 지원됩니다. 또한 데이터 획득, 통신, 데이터 처리 및 분석, 경보 설정 및 알림 전송, 데이터 기록 및 보고는 물론, 맞춤형 AI 및 ML 기반 PdM 분석을 구현하기 위해 표준 소프트웨어 기능 블록(FB)을 사용할 수 있습니다.

단순 센서를 대체하는 상태 모니터

PdM과 다른 접근 방식의 주요 차이점은 단순한 센서 대신 상태 모니터를 사용하여 장비 성능을 추적하고 사전 유지보수를 실현하는 것입니다. 센서와 마찬가지로 상태 모니터도 모니터링되는 장비와 함께 배치됩니다.

그러나, 센서는 비교적 간단한 프로토콜(예: IO-Link)로 배포할 수 있지만, 상태 모니터에는 보다 정교한 연결(EtherNet/IP 또는 Modbus TCP)이 필요합니다. 상태 모니터는 로컬 데이터 처리를 수행할 수 있으며, 일반적으로 센서와는 관련이 없는 상태 디스플레이가 포함되는 경우도 있습니다.

상태 모니터는 하나 이상의 통신 허브를 통해 인간 기계 간 인터페이스(HMI)와 같이 데이터 시각화를 위한 중앙 집중식 위치를 제공할 수 있는 고수준 장치와 AI 및 ML을 비롯한 더욱 포괄적인 데이터 분석 도구를 갖춘 중앙 집중식 모니터링 시스템에 연결할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: Omron의 PdM 솔루션 제품군은 주요 자산을 모니터링하기 위해 개별적으로 배포하는 방식으로 소규모로 시작한 후, 전체 제조 또는 물류 현장을 포괄하는 종합적 솔루션으로 점진적으로 확대할 수 있습니다(이미지 출처: Omron).

심화 탐구

Omron은 선별된 PdM 장치 및 소프트웨어를 제공합니다. 예를 들어, S8VK-X 이더넷 연결 스마트 전원 공급 장치는 성능의 다양한 측면을 측정합니다(예: 에너지 소비 모니터링을 위한 Vout 및 Iout, 잠재적 과부하 상태를 식별하기 위한 I_PEAK).

이 전원 공급 장치는 실제 작동 시간을 측정합니다. 또한, 아레니우스식을 사용하여 전해 커패시터의 남은 수명을 추정합니다. 이 식에 따르면 온도가 10°C 증가할 때마다 커패시터의 수명은 약 1/2로 감소하며, 실제 작동 온도가 반영된 결과는 남은 수명의 연수 또는 백분율로 표시됩니다.

S8VK-X 전원 공급 장치는 30W ~ 480W 정격과 5V_DC, 12V_DC, 24V_DC의 출력 전압으로 제공됩니다. 또한, 모니터 디스플레이가 통합된 모델(예: 24V_DC 및 480W에 대해 정격화된 S8VK-X48024A-EIP)과 디스플레이가 통합되지 않은 모델(예: 5V_DC 및 30W에 대해 정격화된 S8VK-X03005-EIP)로도 제공됩니다.

전기 모터 상태 모니터링은 PdM의 중요 측면이며 Omron의 K6CM 모터 유지보수 모니터는 모든 유형의 양수기뿐만 아니라 냉난방 및 환기(HVAC)의 모터, 농업, 에스컬레이터, 기타 대부분의 전기 모터 응용 분야에 적합합니다.

모터 유지보수 모니터는 진동 및 온도 모니터링, 절연 저항 모니터링, 모터 전류 모니터링에 사용할 수 있습니다. 100 ~ 240 3상 V_AC 또는 24V_AC/V_DC 입력 전력용 모델이 제공됩니다.

진동 및 온도는 24V_AC/V_DC에서 작동하는 K6CM-VBMD-EIP를 사용하여 모니터링할 수 있습니다. 모든 온도 모니터는 모터에 위치한 센서 헤드와, 센서와 모니터를 연결하는 전치 증폭기로 구성된 K6CM-VBS1 진동 및 온도 센서와 함께 작동합니다.

절연 저항 상태는 K6CM-ISZBI52 제로 전류 변압기(ZCT)와 절연 저항 전환(IRT) 센서와 함께, 24V_AC/V_DC에서 작동하는 K6CM-ISMD-EIP를 사용하여 모니터링할 수 있습니다. ZCT 기능은 3상 모터 회로의 누설 전류를 측정하고, IRT 기능은 모터 권선과 접지 사이의 절연 저항을 측정합니다.

또한 100V_AC ~ 240V_AC에서 작동하는 K6CM-CIMA-EIP와 함께, 400A에 대해 정격화된 K6CM-CICB400 전류 센서를 사용하여 3상 유도성 모터의 모터 상태를 모니터링할 수도 있습니다. 기타 5A ~ 600A의 전류 센서 모델도 제공됩니다.

이 모니터는 Omron의 완벽한 전류 진단 기술을 사용하며 이상적인 사인파와 측정된 전류 파형 사이의 편차를 수량화하여 캐비테이션이나 공기 오염과 같은 이상 현상을 감지할 수 있습니다. 오정렬, 부하 불균형 또는 이물질 부착과 같은 상태는 측정된 전류 파형의 주파수 성분을 분석하여 수량화됩니다.

K6PM 열 상태 모니터 시스템은 고전압 제어 패널, 변압기, 유압 장비, 데이터 센터, 베어링, 기어박스 등의 다양한 산업용 장비에 PdM을 구현하는 데 사용할 수 있습니다. 여기에는 K6PM-THS3232 열 영상 컨트롤러와 0°C ~ +200°C의 온도를 모니터링할 수 있는 K6PM-THMD-EIP 열 영상 적외선(IR) 센서가 포함되어 있습니다.

단일 K6PM 열 상태 컨트롤러는 최대 31 IR 센서를 모니터링할 수 있습니다. 무료로 제공되는 PC 모니터링 소프트웨어는 비정상적 온도 감지 알고리즘과 3레벨 온도 경보를 제공합니다. 이 소프트웨어는 또한 사용자 정의 경보 임계값을 지원합니다.

그림 3: Omron의 PdM 제품군의 핵심 기능에는 스마트 전원 공급 장치, 모터 및 열 상태 모니터, 관련된 센서가 포함됩니다(이미지 출처: Omron).

에지에 PdM AI 추가

Omron의 AI PdM 라이브러리는 NX/NY 계열 인공 지능 머신 자동화 컨트롤러(AI 컨트롤러)의 AI 기능을 사용하기 위한 Sysmac Library 소프트웨어 기능 컴포넌트 중 하나입니다. AI PdM 라이브러리에는 각각의 메커니즘(실린더, 볼 나사, 벨트 풀리와 같은 장치 및 부품)에 대한 FB가 포함되어 있습니다.

사용자는 재사용 가능한 코드 블록 형태로 맞춤형 FB를 생성 및 통합하여 맞춤화된 PdM 기능을 구현할 수 있습니다. 맞춤형 FB의 용도에는 다음이 포함됩니다.

• 응용 분야별 알고리즘 개발
• 데이터 획득을 위해 더 광범위한 센서 또는 다른 장비와의 인터페이스
• 특정 PdM 구현 전략에 부합하는 맞춤화된 데이터 처리

FB는 NX/NY 컨트롤러의 AI 엔진에 대한 입력으로 사용되는 변수를 생성합니다. AI 엔진은 시계열 데이터베이스에 수집된 데이터를 기반으로 장비의 비정상적 패턴 또는 행동을 분석합니다. 완전한 AI 엔진은 AI 컨트롤러 내에서 자율적으로 작동하도록 설계되었습니다.

PdM을 위한 AI 컨트롤러

Omron의 NX/NY 계열 AI 컨트롤러에는 클라우드에 연결하지 않고도 PdM AI를 구현할 수 있는 NX701-Z700이 포함되어 있습니다. NX701은 단일 프로그램에서 최대 256개 모션 축을 제어하여, 설치 비용을 낮추고 프로그램 설계, 검증, 수정 제어를 간소화할 수 있습니다.

여기에는 통합 Ethernet/IP 및 EtherCAT 통신 포트가 포함되어 있습니다. 이를 통해 산업용 제어 네트워크 설계자는 패킷 데이터 크기가 큰 경우 EtherNet/IP를, 결정론적 모션을 지원하기 위한 보장된 패킷 전달에는 EtherCAT를 사용할 수 있습니다. 80MB 프로그램 메모리는 수많은 FB와 Omron의 AI PdM 라이브러리를 지원할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: NX701-Z700은 클라우드에 연결하지 않고도 PdM AI를 구현할 수 있으며, 단일 프로그램에서 최대 256개의 모션 축을 제어할 수 있습니다(이미지 출처 Omron).

NX701-Z700 AI 컨트롤러의 추가적인 특징에는 다음이 포함됩니다.

• 120+ NX 입력/출력(I/O) 장치와의 플러그 앤 플레이 통합
• Sysmac Studio, Omron Vision, Omron Motion, Omron Robotics, Omron Safety Components를 포함한 포괄적인 소프트웨어 환경
• EtherNet/IP, EtherCAT, Fail Safe Over EtherCAT, IO-Link, Factory Scale Motion을 포함한 여러 산업용 통신 프로토콜 지원
• 0.125ms ~ 0.250ms(0.125ms 증분) 및 0.250ms ~ 8ms(0.250ms 증분)의 EtherCAT 주기 시간 보장

결론

PdM은 인더스트리 4.0 공장 및 물류 운영에서 환경적 고려 사항과 비즈니스 고려 사항 사이의 균형을 최적화하는 새로운 패러다임으로, 에지 AI에 고급 센서, 시계열 데이터베이스, PLC를 활용하여 장비의 성능 및 상태를 연속적으로 모니터링하고, 잠재적 실패를 예상하며, 사전에 유지보수를 예약합니다.

PdM 통찰력을 기반으로 하는 정기적인 모니터링 및 유지보수는 잠재적 문제를 조기에 식별 및 해결하여 조기의 마모를 방지하고 자산의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. PdM은 장비의 업타임을 최대화하고, 폐기물을 줄이며, 운영 효율을 향상시키도록 지원합니다. 마지막으로, PdM은 유연성과 확장성이 뛰어나므로, 조직은 필요에 따라 PdM을 시설 전반에 신속하게 또는 점진적으로 도입하면서도 상당한 성능 향상과 비용 절감 효과를 실현할 수 있습니다.

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