다중 센서 자산 모니터링이 인더스트리 4.0 공장 및 물류와 데이터 센터의 성능을 개선하는 방법

기계에서 진동 및 온도와 같은 파라미터를 모니터링하면 기계 성능 및 상태에 대한 실시간 데이터를 제공하고, 제조업체에게 사전 예방적 유지보수를 예약하고 가동 중단 시간을 줄이며 생산성을 개선하는 데 필요한 데이터를 전달할 수 있습니다.

물류 시설 또는 운송 동안 습도 및 온도를 모니터링하면 작동 성능을 향상시키고 백신이나 신선한 농산물 같은 상품을 보존할 수 있습니다. 유선 및 무선 연결이 지원되는 환경 모니터링 시스템은 엔터프라이즈 및 클라우드 데이터 센터를 포함한 다양한 응용 분야에 맞게 사용할 수 있습니다.

진동을 모니터링하면 잠재적 기계 문제를 미리 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다. ISO(국제표준화기구) 10816은 중요한 참고 문헌입니다. ISO 10816은 10Hz ~ 1000Hz 주파수 범위에서 작동하는 펌프, 팬, 압축기, 기어박스, 송풍기, 건조기, 프레스 및 이와 유사한 기계에 사용되는 모터의 진동 심각도를 평가하기 위한 지침을 제공합니다.

이 기사에서는 모니터 시스템의 유선 및 무선 연결을 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 주요 사항과 유선 및 무선 네트워크 사용이 선택의 대상이 아닌 이유를 설명합니다. 그런 다음 ISO 10816에 정의된 네 가지 진동 심각도 등급을 검토하며, 마지막으로 진동, 온도, 습도 및 대표적인 응용 제품 모니터링을 위한 여러 센서 사용을 포함하여 유선 및 무선 상태 모니터링 시스템을 구현하기 위한 다양한 옵션에 대해 논의합니다.

Banner Engineering은 EHM 네트워크 데이터에 쉽게 액세스할 수 있는 선택적 장비 상태 모니터링(EHM) 게이트웨이를 제공합니다. 산업용 EHM 설계자는 센서 판독값을 위한 로컬 디스플레이 또는 클라우드 대시보드(옵션)를 갖춘 SNAP ID 유선 게이트웨이 솔루션과 클라우드 대시보드와 직접 연결하도록 설계된 CLOUD ID 무선 게이트웨이 중에서 선택할 수 있습니다(그림 1). 이러한 두 가지 옵션의 특징은 다음과 같습니다.

• EHM 작동을 최적화하기 위해 다양한 센서 중 선택할 수 있음
• 추가 프로그래밍 없이도 연결된 센서를 자동으로 인지하여 신속하게 배치할 수 있음
• 다운타임을 최소화하고 생산성을 최대화하기 위해 장비를 조정하고 필요한 유지보수 일정을 잡는 데 센서 데이터를 손쉽게 이용할 수 있음
• 두 시스템 모두에서 클라우드 연결이 지원됨
• 최적의 데이터 시각화를 위해 사전 구성된 대시보드 사용 가능 및 구성 가능

그림 1: Banner의 SNAP ID 유선(왼쪽) 및 CLOUD ID 무선(오른쪽) EHM 게이트웨이는 여러 공통적 특징을 가집니다. (이미지 출처: DigiKey)

유선 또는 무선 EHM 게이트웨이?

두 EHM 게이트웨이 모두 공통적 특징을 가지지만 유선과 무선 사이에는 본질적 차이가 있습니다. AMG-SNAP-ID 자산 모니터링 게이트웨이(AMG)는 최대 20개 센서 및 컨버터에 대한 커미셔닝, 모니터링, 알람을 지원합니다. Modbus 및 Banner의 SNAP SIGNAL 연결을 지원하고 개별 센서 또는 컨버터를 스캔하여 모델 정보를 자동으로 감지합니다. 사용자는 Modbus 서버 ID 번호를 변경 및 할당하여 맞춤형 EHM 솔루션을 구축하고 커미셔닝할 수 있습니다. 연결된 장치를 그룹화할 수 있으며 알람에 개별적으로 임계값을 할당할 수 있습니다. 알람 상태는 터치 스크린에서 확인할 수 있으며 인클로저의 상단에 조명 색으로 표시됩니다.

클라우드로의 직접 연결이 필요한 경우 EHM 시스템 설계자는 DXM1200-X2 IIoT 게이트웨이로 전환하여 Banner 및 타사의 최대 200개 장치를 연결하여 성능 및 기계 상태 데이터를 제공할 수 있습니다. 센서 노드를 자동으로 감지 및 연결하여 Banner 클라우드 소프트웨어에 데이터를 제공할 수 있습니다. 개발자는 간단한 또는 복잡한 프로그래밍 도구 중 선택할 수 있습니다. IIoT 게이트웨이는 직관적 클라우드 대시보드를 통해 전 세계 어디서나 모니터링할 수 있도록 에지 상에서 정보를 처리한 후 이더넷 또는 셀룰러 네트워크를 통해 전송할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 무선(왼쪽) 및 유선(오른쪽) IIoT 센서 네트워크 게이트웨이는 여러 공통적 특징을 가집니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

유선 및 무선 EHM 아키텍처

유선 및 무선 EHM 아키텍처는 상호 배타적이지 않습니다. 유선 시스템에는 무선 소자가 있을 수 있으며 무선 아키텍처에는 유선 연결이 포함되는 경우가 많습니다.

예를 들어, 기본 유선 EHM 아키텍처는 4포트 R50-4M125-M125Q-P 및 8포트 R95-8M125-M125Q-P와 같은 여러 센서에 연결된 여러 개의 접속 배선함을 포함할 수 있습니다. 900MHz R70SR9MQ 및 2.4GHz R70SR2MQ와 같은 Banner의 Sure Cross R70SR 계열 데이터 무선 장치는 추가적인 케이블링 없이 네트워크 범위를 확장할 수 있습니다. 이러한 무선 장치의 특징은 다음과 같습니다(그림 3).

• RS-485 직렬 인터페이스
• 스타 및 트리 네트워크 토폴로지 지원
• 다중 홉을 가진 자기 회복, 자동 라우팅 무선 주파수 네트워크를 지원하여 네트워크 범위를 더욱 확장할 수 있음
• 신뢰할 수 있는 데이터 전달 위한 주파수 호핑 확산 스펙트럼(FHSS) 기술

그림 3: 유선으로 연결된 원격 센서 클러스터의 예(오른쪽)를 포함한 기본 유선 자산 모니터링 토폴로지(왼쪽). (이미지 출처: DigiKey)

대부분의 시설에서는 넓은 범위에 걸쳐 다음과 같은 많은 시스템이 배치되어 있을 수 있습니다.

• 공기 압축기
• 펌프 시스템
• 컨베이어 시스템
• 여러 전기 모터 및 기계
• 기어 박스
• 공기 여과 시스템
• 저장 탱크 내 레벨 측정 및 모니터링 장치

이 경우, EHM 시스템 성능은 유선 및 무선 기술을 통합함으로써 향상시킬 수 있습니다. 위에서 설명한 DXM1200-X2 무선 IIoT 게이트웨이에는 Modbus 유선 연결이 포함되어 있습니다. 이더넷이 필요한 경우 설계자는 DXMR90-X1을 사용할 수 있습니다. DXMR90-4K는 IO-Link 마스터/컨트롤러 기능을 구현할 수 있습니다. Modbus, 이더넷, IO-Link 옵션 이외에 설계자는 R709 직렬 데이터 무선 장치를 사용하여 물리적으로 분산된 자산에 대한 무선 연결을 제공합니다(그림 4).

그림 4: IIoT 무선 게이트웨이(왼쪽 아래)는 Modbus, 이더넷, IO-Link 연결로 제공됩니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

ISO 10816 진동 심각도

ISO 10816은 EHM 시스템에 대한 중요한 표준입니다. 이 표준은 전기 모터, 펌프, 발전기와 같은 기계에 대한 진동 심각도를 수량화합니다. 또한 가속도, 변위, 진동 속도의 제곱 평균(rms) 값을 사용합니다. ISO 10816은 또한 피크 투 피크 값에 대한 고려 사항을 포함합니다. 진동 심각도는 두 개 이상의 파라미터를 측정할 때 가장 높은 rms 값을 가집니다. 이 표준은 진동 심각도를 다음과 같은 4가지 수준으로 분류합니다.

• 양호 - 일반적으로 새로 커미셔닝된 기계류를 나타냅니다.
• 충족 - 제한적이지 않은 작동 영역임을 나타냅니다.
• 미충족 - 제한적 작동 및 예방적 유지보수가 필요함을 나타냅니다.
• 허용 불가 - 기계가 손상될 가능성이 있음을 나타냅니다.

그림 5: IEC 10816에는 4가지 범주의 진동 심각성을 포함합니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

진동 및 머신 러닝

'동일한' 기계조차도 똑같지는 않습니다. 이것이 바로 머신 러닝(ML)이 필요한 이유입니다. Banner Engineering은 머신 러닝(ML)을 사용하여 각 기계의 진동에 대한 고유한 기준 작동 값을 설정하는 진동 모니터링 소프트웨어 패키지인 VIBE-IQ를 제공합니다. ML 소프트웨어는 경고 및 알람 임계값을 자동으로 설정합니다. 또한 복잡한 EHM 계산 및 분석을 자동화할 수 있습니다. VIBE-IQ의 특징에는 다음이 포함됩니다.

• 10Hz ~ 1,000Hz의 rms 속도, 1,000Hz ~ 4,000Hz의 고주파 가속도, 온도에 대한 연속적 모니터링
• 작동 중인 모터만 모니터링
• 데이터 사용을 통해 동향 분석 및 실시간 모니터링을 수행하여 다음과 같은 상태를 식별할 수 있습니다.
  • 오정렬되거나 불균형한 시스템
  • 마모되거나 불량인 부품
  • 과도한 베어링 마모
  • 잘못 실장되거나 구동된 모터
  • 과온 상태
• 호스트 컨트롤러 또는 클라우드에 선제적으로 경고 전송

진동 및 온도

진동만이 기계에 예방적 유지보수가 필요할 수 있음을 나타내는 유일한 단서는 아닙니다. 온도 상승 추세는 특히 온도 상승이 진동 증가와 상관 관계가 있는 경우 EHM 시스템에 잠재적인 문제를 경고할 수도 있습니다.

이 두 파라미터를 통합하면 장비 상태에 대한 보다 완전한 그림을 완성할 수 있습니다. 이를 통해, 작동자에게 다양한 조건에 대한 경고와 여러 가지 이점을 제공할 수 있습니다:

• 진동은 오정렬, 불균형, 베어링 마모 등과 같은 기계적 문제를 식별할 수 있습니다.
• 온도 상승은 과열 와인딩 또는 윤활 문제와 같은 전기적 문제를 식별할 수 있습니다.
• 비정상적 작동을 감지할 경우 대역 외 진동과 온도의 상관 관계를 파악하면 가능한 원인을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 진동 패턴은 근복 원인을 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
• 온도와 진동을 모두 모니터링함으로써 예방적 유지보수를 계획하는 작업을 지원할 수 있습니다. 완만한 온도 상승은 더 즉각적인 수정을 요구할 수 있는 진동 상승만큼 큰 문제는 아닙니다.
• 센서 데이터를 사용하여 장기적인 자산 선택 및 활용도를 개선하고 문제가 발생하기 전에 잠재적인 작동 한계를 파악하는 방법을 알아보세요.

온도 및 진동을 모니터링해야 하는 경우 EHM 시스템 설계자는 Banner Engineering에서 제공하는 알루미늄 하우징의 QM30VT2 센서와 스테인리스 강 하우징의 QM30VT2-SS-QP를 시도해볼 수 있습니다. 두 센서 모두 RS-485를 통해 Modbus 무선 장치 또는 Modbus 네트워크에 슬레이브 장치로서 연결할 수 있습니다. 이러한 센서는 작은 폼 팩터 덕분에 좁은 장소에도 장착할 수 있습니다(그림 6). 기타 특징은 다음과 같습니다.

• 높은 정확도의 온도 및 진동 측정
• -40°C ~ +105°C의 온도 측정 범위, 1°C 분해능 및 ±3°C 정확도
• 최대 4kHz 대역폭의 이중축 진동 감지, ±10% 정확도(25°C, 20kHz의 기본 샘플링 주파수 기준)
• 진동 파형에서 사전 처리된 rms 속도, rms 고주파 가속도, 피크 속도 및 기타 파라미터에 대한 출력

그림 6: 2축 진동 및 온도 센서는 모터 하우징에 직접 실장할 수 있습니다(오른쪽). (이미지 출처: Banner Engineering)

진동 스펙트럼 대역은 고급 기능입니다. 이를 통해 사용자는 광대역 고속 푸리에 변환(FFT)을 분할하여 10Hz ~ 1,000Hz 및 1,000Hz ~ 4,000Hz 스칼라 데이터 외에도 더 좁은 주파수 대역에 대한 rms 속도 또는 가속도 데이터를 얻을 수 있습니다. 사용자의 필요성에 따라 대역 주파수는 수동으로 입력하거나, 동적 또는 정적 속도 입력을 기반으로 자동으로 생성할 수 있습니다. 스펙트럼 대역 분석은 회전하는 기계의 문제를 더 구체적으로 진단하는 데 도움이 될 수 있습니다.

온도 및 습도

온도 및 습도 모니터링은 데이터 센터, 창고, 클린룸, 냉장고 또는 냉동고에서 중요할 수 있습니다. DX80N9Q45THA와 같은 온도 및 습도 센서는 다음과 같은 도움을 제공할 수 있습니다.

• 온도와 습도를 파악하는 것이 장기 생존과 변질 방지에 필수적인 신선한 농산물이나 백신과 같은 제품을 보존합니다.
• 과도한 온도나 습도가 정상적인 작동을 방해하거나 고장을 일으킬 수 있는 데이터 센터의 서버 및 저장 장치와 같은 장비를 보호합니다.
• 높은 습도로 인해 작업자가 고온에서 시원함을 유지하기 어려워 소모성 열사병으로 이어질 수 있는 창고 및 기타 시설에서 작업자의 건강과 안전을 개선합니다.

온도 측정 범위는 -40°C ~ +85°C이며 분해능은 0.1°C, 정확도는 -40°C ~ 0°C에서 ±0.6°C, 0°C ~ +60°C에서 ±0.4°C, +60°C ~ +85°C에서 ±1.2°C입니다. 습도 센서는 ±2%(+25°C 기준), ±3%(0°C ~ +70°C 및 10% ~ 90% RH 기준), ±7%(0°C ~ +70°C 및 0% ~ 10% 또는 90% ~ 100% RH 기준)의 정확도로 0%에서 100% RH까지 측정할 수 있습니다.

장치를 켜면 고속 샘플 모드로 작동하며 2초마다 데이터를 전송합니다. 5분 후, 노드는 기본 모드로 전환되어 5분 간격으로 데이터를 전송합니다. 사용자는 15분 또는 64초의 샘플 레이트를 선택할 수 있습니다.

900MHz 무선 장치를 갖춘 모델은 1W(30dBm) 또는 250mW(24dB 사용자 선택 가능)를 송신합니다. 250mW 모드는 범위를 감소시키지만 단거리 응용 제품에서 배터리 수명을 향상시킵니다. 2.4GHz 모델의 경우 송신 전력은 65mW(18dBm)로 고정됩니다. 저장 모드에서 작동할 경우 무선 장치는 배터리 수명을 보존하기 위해 차단됩니다.

결론

인더스트리 4.0 공장의 효과적인 EHM 시스템은 진동과 온도를 모니터링하여 높은 수준의 가동 시간을 보장합니다. 습도 및 온도 센서는 데이터 센터의 운영 성능을 개선하고 창고 및 물류 운영에서 백신이나 신선한 농산물과 같은 상품을 보존할 수도 있습니다. 이러한 시스템은 유선 및 무선 연결을 사용하여 여러 파라미터를 모니터링할 수 있습니다.