Ⅳ. 예지 보전을 위한 지멘스의 Condition Monitoring System-정성문 부장

정성문 부장이 예지 보전을 위한 지멘스의 Condition Monitoring System을 주제로 발표를 하고 있다.

Condition Monitoring System(컨디션모니터링시스템, CMS)은 공장에서 시스템이 갑작스럽게 정지됨으로써 발생되는 비용이나 여러 가지 상황 발생을 최소화하기 위한 것이다, 이를 위해서는 시스템의 운전상태에 대한 모니터링이 필요하고, 장비의 기계적 마모에 대한 상황 파악도 필요하며, 이를 통해 투자된 설비에 대한 보호를 강화할 수 있다.

지멘스의CMS 를 활용하면 설비운전상태예측방식을 최적화하고, 기계와 공장의 가용성을 극대화할 수 있다. 조기에 기계 및 장비의 손상을 쉽게 감지하고, 유지보수 계획의 목표를 설정하며, 예지보전 및 근본원인 분석을 가능하게 한다.

컨디션 모니터링은 유지보수를 최적화하기 위한 솔루션이다. 지멘스의 CMS는 진동을 분석하여 진동의 원인을 파악하고, 진동의 발생 이전 또는 초기에 대응할 수 있도록 하는 시스템이다.

CMS는 진동을 분석하여 진동의 원인을 파악하고, 진동의 발생 이전 또는 초기에 대응할 수 있도록 하는 시스템

CMS X-Tools(시엠에스엑스툴)은 진동을 분석하기 위한 효율적이고 유연한 분석 시스템이다. X-Tools은 지멘스의 컨디션 모니터링을 분석하기 위한 전용 소프트웨어로, 프로젝트 컨피규레이터와 사전에 정의된 라이브러리를 이용하여, 빠른 구성을 할 수 있도록 지원한다.

<그림1> MindConnect Edge Analytics –CMS X-Tools 

유연한 소프트웨어 구조로 소형장비에서 대형 플랜트까지 분석대상을 손쉽게 할 수 있다. 자유롭게 수정이 가능한 분석기능이 기본적으로 포함되어 있고, 다양한 소프트웨어 및 하드웨어 장치와 연계가 가능하며, 다양한 프로젝트에서 10년 이상 사용되어 검증이 된 효율적이고 유연한 분석 시스템이다.

X-Tools과 연계 가능한 장비는 매우 다양하다. S7-300, 400, 1200, 1500 등 모든 지멘스의 PLC와 인터페이스가 가능하고, 수치제어를 위한 SIMOTION과 진동감지를 위한 CMS 장비로 특화된 CMS 2000/4000/1281, 그리고 WinCC/PCS7 등 소프트웨어 노드로 운전상황 등에 필요한 정보를 입수하기 위한 인터페이스를 할 수도 있다. 또한 지멘스 제품이 아닌 다양한 서드파티 제품과도 OPC UA 인터페이스를 통해 연계가 가능하다. 디바이스 디벨롭먼트 기술을 제공하고 있어, 여러 가지 방식의 장비와 유연하게 연계가 가능하다.

<그림2> CMMS X-Tools 구성 예시

<그림2>는 진동정보를 다양한 디바이스를 통해 수집할 수 있다는 것을 보여준다. 하드웨어 노드와 소프트웨어 노드로 구분할 수 있으며, 기존에 S7 PLC나 SIMOTION, QDC와 같은 소프트웨어 노드를 통해 수집할 수도 있다. 그러나 보다 전문적인 분석을 위해서는 구속 진동분석 센서가 부착된 하드웨어 노드를 추천하며, 이 경우에는 CMS1281, CMS2000, CMS4000과 같은 하드웨어 노드를 사용할 수 있다. 이렇게 수집된 진동정보는 로컬에 설치된 X-Tools 서버 및 클라이언트로 분석하여 활용될 수 있으며, 마인드스피어(MindSphere)로 원격으로 활용할 수 있는 가능성도 보장하고 있다. 특히 외부 연계 디바이스인 마인드 커넥트 나노의 경우 단방향 통신의 물리적 보안을 제공하고 있어, 세계 여러 곳에 분산 설치되어 있는 장치의 진동정보 수집도 사이버보안의 위협 없이 손쉽게 연계할 수 있는 디바이스다.

<그림3> X-Tools CMS 하드웨어

CMS X-Tools의 진동센서를 담당하는 하드웨어 노드로 활용되는 것이 CMS1200 PLC 기반의 CMMS1281이고 <그림3>의 가운데 아래 보이는 CCMS 2000은 자체 웹서버를 제공하여 단독으로도 운영이 가능하다. 그리고 왼쪽의 CCMS4000의 경우는 192키로헤르츠에 달하는 고주파수 진동을 분석할 수 있으며, 보다 전문적인 운영이 가능한 디바이스다. 이 경우 고속으로 데이터를 형성하므로, 고속통신 인터페이스의 IEEE 1394 통신을 이용하여 정보를 주고받는다.

지멘스 컨디션 모니터링 시스템은 단일회전 모터와 같은 단일구성요소부터 고도로 정교한 플랜트의 모니터링까지 확장 가능한 시스템으로, 기존 및 신규 산업플랜트를 대상으로 통합이 용이하다. 최대 192키로헤르츠의 샘플링 속도를 가지고 있어, 정교한 플랜트 전반을 대상으로 다양한 형태의 분석이 가능한 유연한 시스템이다.

CMS X-Tools은 분석, 진단, 시각화 및 보관을 위한 소프트웨어로서, 분석기능과 그래픽을 상호연결해서 활용이 가능하다. 적용대상으로서는 모터, 기어박스, 팬, 압축기, 드라이브나 프레스 머신의 진동모니터링이 가능하며, 일정한 속도뿐만 아니라, 가변속도의 공정에서도 분석이 가능하고, 롤베어링, 마찰베어링 및 기타 회전체에 대한 분석도 가능하다. 신호의 취득 분석, 진단뿐만 아니라 시각화 데이터 저장 및 문제발생 시 처리를 위한 알람기능도 지원한다.

CMS X-Tools을 활용하여 마인드스피어의 데이터를 업로드할 수 있다. 모든 크기의 데이터를 Block 전송이 가능하며, 최대192Khz로 수집된 데이터의 진동 분석을 위한 기본 데이터. 압축데이터, FFT, RMS로 처리된 데이터와 Spectra 및 Orbit로 표현된 복잡한 유형의 데이터를 업로드하여 원격에서 원거리 통신 통합분석할 수 있다.

또한 마인드스피어에 업로드된 데이터를 X-Tools 프로핏이라는 소프트웨어에 로딩하여 장기적인 분석활동도 지원한다. 이러한 기능을 활용하여 지멘스 본사의 전문가가 지속적으로 모니터링하며, 문제발생 이전에 고객에게 통보해주는 섭스크리션 기반의 프리에이티브 서비스도 제공하고 있다.

<그림4> CMS X-Tools을 활용하여 마인드스피어에 데이터를 업로드할 수 있다.

X-Tools의 알람관리는 알람 오버뷰(Alarm overview)로 관리할 수 있다.

CMS X-Tools Alarm Configurator는 Plant Overview에서 정의된 모든 상태모니터링 측정작업을 보여준다. 플랜트 개요 또는 알람목록 메뉴를 통해 알람을 확인하거나 알람 한계치를 편집하여 X-Tools에서 해당 모니터링보기(Monitoring View)로 직접 전환할 수 있다.

알람 구성 모니터링의 경우 특정시간 간격 동안 이미 계산된 스펙트럼, 평균 스펙트럼, 최대 스펙트럼, 위반 스펙트럼 및 평균위반 스펙트럼을 로딩하여 그래픽으로 생생하게 표현할 수 있다. 이렇게 구성된 알람화면으로 공정의 문제점을 보다 손쉽고 신속하게 파악할 수 있도록 한다.

이러한 컨디션 모니터링 시스템은 풍력발전, 시멘트 공장의 밀(Mill), 크레인, 오일&가스, 컨베이어 등 다양한 산업분야에 다양한 장비를 대상으로 적용할 수 있다.

컨테이너 항만의 포털 크레인에 실제 적용된 케이스가 소개됐다. 24시간 휴일 없이 운영되는 시스템으로, 장비의 특성상 모바일로 운영되어야 한다. 그리고 이동되는 장비의 특성상 모터에 대한 상태확인이 쉽지 않고, 안정적인 항만물류 운영을 위해서는 문제발생 이전에 사전감지해야 하는 공정이다. 모터의 기둥이 지속적으로 운전되지 않으므로, 8초의 짧은 시간의 기동에 대해서도 감지 분석할 수 있는 시스템으로 구성되어 있다.

CCMS4000 하드웨어 디바이스와 운전정보에 대한 소프트웨어 노드로 구성하여 X-Tool로 분석하는 시스템의 실제 예다.

<그림5> 컨테이너 항만의 포털 크레인에 실제 적용된 CMS 사례

특이한 케이스도 소개가 됐다. 공항 수하물 카트 관리에 활용된 케이스인데, 적용 대상이 된 공항에는 약 4000개의 카트가 있고, 이 카트의 경우에는 전기를 통할 수 없기 때문에, 센서나 모터와 같은 장비가 부착되어 있지 않다. 여객이 사용하는 개별 카트의 바퀴 상태를 하나하나 확인하는 것은 대단히 어렵다. 따라서 카트를 검사하는 체크 포인트를 두고 이곳에 카트를 밀어넣으면 자동으로 바퀴를 회전시키며, 두 개의 진동센서로 바퀴 이상을 파악하는 구성방식이다. 여기에는 CMS4000 하드웨어 노드와 X Tools로 구성하고, 이 정보를 마인드스피어에 전송하여 원격에서 통합관리하는 방식이다. 큰 비용을 들이지 않고도 전체 카트를 정지시키지 않고, 문제가 있는 카트를 사전에 발견하여 여객의 편의를 돕는 시스템으로 구성됐다.

<그림6> 공항 수하물 시스템 고장예측에 CMS가 적용된 사례

이번에는 실제로 자동차 공장의 프레스 머신에 활용된 사례다. 자동차 공장의 프레스 라인의 진동을 분석하는 내용이다.

일반적으로 모터나 베어링의 파손과 고장으로 인해 예상치 못한 생산중단이 발생하면, 그 원인을 파악하고 수리하는 데 막대한 시간와 비용이 소요된다. 특히 단순히 진동분석뿐만 아니라, 매우 민감한 공정인 윤활유 압력, 공압 사용량, 펀치 각도 등의 정보를 기존 컨트롤러부터 인터페이스하여 좀 더 정확한 예방보전을 지원한 케이스다. 프레스 장비에 특화된 모니터링 소프트웨어 라이브러리도 CMS X-Tools에서 제공을 하고 있다.