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‘인더스트리 4.0’의 필수 요소인 예방적 유지보수

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글/Giovanni Campanella, Systems Engineer, Factory Automation, Texas Instruments

비용, 안전성, 가용성, 신뢰성 측면에서 점점 더 많은 기업들이 예방적 유지보수를 도입하고 있다. 예방적 유지보수를 도입함으로써 작동 중인 장비에 대해서 진동, 온도, 압력, 전류 같은 것들을 측정해서 장비 상태를 모니터링할 수 있다. 이러한 모니터링을 하기 위해서는 고속 신호 체인, 강력한 프로세싱, 유선 또는 무선 커넥티비티를 갖춘 스마트 센서를 필요로 한다.
현재의 추세는 무선 커넥티비티 쪽으로 기울어지고 있다. 무선은 원격지를 연결하기가 용이하고 추가적인 배선 비용이 들지 않기 때문이다. 무선 커넥티비티를 추가함으로써 기존 장비를 스마트 장비로 변모시킬 수 있다(그러므로 교체할 필요 없음). 그럼으로써 사용자가 실제로 필요한 때에 유지보수를 할 수 있으며 생산성과 효율을 높일 수 있다. 이것이 ‘산업 4.0’의 궁극적인 목적이다.

예방적 유지보수가 왜 중요한가?

미국의 NRC(국가 재난 대응 센터)에 따르면, 이미 발생된 고장을 수리하려면 문제를 사전에 감지하고 해결했을 때와 비교해서 비용이 50퍼센트나 더 든다고 한다. 또한 공장에서 모터 같은 장치가 예기치 않게 고장이 나면 그것을 사용하는 작업자를 다치게 하는 사고가 발생될 수 있으며, 그러면 벌금을 물거나 조사를 받을 수 있다.
뿐만 아니라 장비를 사용할 수 없으므로 조업이 지체되거나 생산 라인을 아예 중단해야 할 수 있으므로, 기업에 막대한 손해를 초래하고 심지어는 고객을 잃을 수도 있다.
그러므로 비용, 안전성, 가용성, 신뢰성 측면에서 ‘산업 4.0’에는 예방적 유지보수가 필수적이다. ‘산업 4.0’의 취지는 공장의 생산성, 효율, 유연성을 높이기 위한 것이다. 예방적 유지보수를 위한 핵심적인 솔루션이 상태 모니터링이다.
장비 상태를 모니터링하고 결함을 사전에 감지함으로써 고장이 실제로 발생하기 전에 장비를 교체하거나 수리할 수 있다. 이러한 예방적 접근법으로 중단 시간을 피하고 MTBF(평균 고장 시간 간격)를 향상시킬 수 있다. 그럼으로써 생산성과 효율을 높일 수 있다. 그림 1은 다양한 제조 셀의 예를 보여준다.

[그림 1] 다양한 제조 셀

예방적 유지보수란 무엇인가?

효과적인 모니터링 시스템을 개발하기 위해서는 하드웨어와 소프트웨어로서 상태 모니터링 센서, 게이트웨이, 데이터 프로세싱과 전송 처리를 위한 모듈, 데이터 저장과 데이터 분석을 위한 보안적인 클라우드 서버를 필요로 한다.
센서는 이러한 전체 시스템에서 가장 기본적이면서 중요한 요소이다. 진동, 온도, 압력, 전류는 장비 상태를 나타내는 파라미터들 중에서 일부에 불과한 것이다. 신뢰할 수 있는 데이터를 획득하기 위해서는 상태 모니터링 센서로 높은 분해능과 높은 속도가 가능하고 저전력으로 소형화된 솔루션이 필요하다. 이러한 센서 데이터를 처리해서 기계 상태를 파악할 수 있다.
프로세싱 부분은 잠재적인 장비 결함을 예측하기 위해서 효율적인 고속 퓨리에 변환(FFT) 연산을 수반하는 것으로서, 센서 차원에서 하거나 외부적으로 게이트웨이, 모듈, 클라우드 상에서 할 수도 있다. 필드에서 바로 이루어지는 에지 프로세싱은 시스템 전력과 필요한 네트워크 대역폭을 낮출 수 있다. 그러기 위해서는 일부 프로세싱 능력을 통제실이나 작업자 차원(‘코어’)에서 필드 차원(‘에지’)으로 옮겨야 한다.
센서로부터의 데이터는 기존 네트워크를 활용한 4~20mA, HART(Highway Addressable Remote Transducer), IO-Link, 산업용 이더넷 같은 표준적 인터페이스나 압전 측정 방식 가속도계 용으로 IEPE(Integrated Electronics Piezo-Electric) 같은 여타 인터페이스를 사용해서 게이트웨이나 모듈로 전송할 수 있다.
상태 모니터링 게이트웨이는 다중의 유선 또는 무선 센서 노드에서 중앙의 상태 모니터링 시스템으로 데이터 통신을 가능하게 하는 것이고, 상태 모니터링 모듈은 게이트웨이와 같은 기능이면서 추가적으로 프로세싱 능력을 포함하는 것을 말한다.
장비가 원격지에 설치되어 있거나 기존 유선 네트워크를 사용하기가 불가능하거나 불편한 경우에는 데이터 전송을 위해서 무선 메쉬 네트워크(Wireless HART), 무선 점-대-점 네트워크(IO-Link 무선), 성형 네트워크(서브 1GHz) 같은 무선 네트워크가 적합하다.
메쉬 네트워크는 한 노드에서 다른 노드로 메시지를 전달할 수 있으므로 무선 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다. 예를 들어서 어느 한 노드에서 다른 노드로 메시지를 직접 전송할 수 없으면, 메쉬 네트워크가 하나 이상의 중간 노드를 통해서 메시지를 전달할 수 있다.
또 구성 용으로 와이파이나 블루투스 같은 다른 프로토콜을 사용할 수도 있다. 그러면 작업자가 표준적인 터치 패널을 통해서가 아니라 무선으로 장비와 상호작용할 수 있다.
게이트웨이에서는 데이터를 상태 모니터링 모듈이나, 공장 제어 시스템 데이터 모니터링 시스템이나, 보안적인 클라우드 서버로 전송할 수 있다. 그런 다음에 모니터링된 데이터를 토대로 장비를 수리할지 말지를 판단할 수 있다. 그러기 위해서는 딥 러닝 알고리즘을 사용해서 데이터를 정확하게 해석하고 소통할 수 있어야 한다. 딥 러닝을 적용한 상태 모니터링 솔루션은 사람의 오류를 줄이고 예방적 유지보수 솔루션을 더 지능적이고 효과적이게 만들 수 있다.

어떻게 구현할 것인가?

Texas Instruments(TI)는 직접 자사 공장 한 곳에 예방적 유지보수를 구현하고 있다. 자사에서 개발한 레퍼런스 디자인으로서 센서 노드를 탑재한 다수의 진공 펌프를 설치한 것이다. 그럼으로써 그림 2에서 보듯이, 이 펌프로부터 온도, 모터 전류, 질소 유량, 물 유량 같은 데이터를 측정 및 수집하고 이 데이터를 게이트웨이를 통해서 인터넷으로 전송할 수 있다.

[그림 2] 무선 메쉬 네트워크를 사용한 예방적 유지보수

그러면 인터넷에서 이 데이터를 손쉽게 액세스하고 지속적인 모니터링 및 분석을 할 수 있다. 그러므로 작업자가 펌프의 작동 상태를 즉시 파악할 수 있다. 그러므로 일정한 유지보수 일정과 별개로, 가동 중단을 일으킬 수도 있는 장비 결함을 사전에 감지하고 큰 손해를 일으키기 전에 문제를 해결할 수 있다.
TI는 실제 사례로서 이처럼 자사 공장을 스마트 팩토리로 업그레이드하게 되었으며, 그럼으로써 작동 중인 장비에 대해서 상태를 모니터링하고 예방적 유지보수를 할 수 있게 되었다.
예방적 유지보수는 ‘4차 산업혁명’을 가속화하기 위한 필수적인 요소이다. 공장의 효율과 생산성을 높이고, 예기치 않은 가동 중단을 줄이고, 신뢰성을 높이고, 유지보수 비용을 절감할 수 있다.