상태 모니터링은 매우 복잡하고 대규모 투자가 필요한 작업으로 여겨지곤 합니다. 하지만 발루프의 IO-Link와 함께 라면 그렇지 않습니다. 오늘의 주제는 IO-Link를 통해 기계 제어 시스템으로부터 독립적인 모니터링 네트워크를 손쉽게 설정하는 방법입니다. 이를 통해 상태 모니터링에 관한 기초적인 내용들을 이해할 수 있습니다.
상태 모니터링이란?
기본적인 상태 모니터링 시스템을 구축하는 방법에 대해 이야기하기 전에 상태 모니터링이 무엇인지, 어떤 방식으로 작동하는지에 관해 설명하여 드립니다.
정의
쉽게 이해할 수 있는 상태 모니터링(condition monitoring)의 일반적 정의는 독일어로 된 온라인 용어 사전인 전자공학 개론(Elektronik Kompendium)에서 찾아볼 수 있습니다.
“상태 모니터링은 공정의 상태를 지속적으로 관찰하는 것 또는 상태 지향적 유지보수를 의미합니다. 그 목표는 기계와 공정의 현황을 지속적으로 기록, 전송, 평가하는 것입니다. 데이터는 지속적으로 생성, 처리, 전송된다. 대규모 상태 모니터링 시스템(CMS)에서 데이터는 반드시 포괄적으로 전송, 통합되어야 하며, 이에 대응하는 대역폭(bandwidth)이 필요합니다.”
플랜트 메인테넌스(Plant Maintenance)에서는 영문 자료를 제공하고 있습니다.
대량의 데이터를 전송하는 일은 혁신적인 해결책을 필요로 하는 과제입니다. 이와 관련하여 독일에서 향후 수 년에 걸쳐 (특히) 산업용 사물 인터넷(Industrial Internet of Things, IIOT)을 위해 구축될 예정인 새로운 5G 네트워크는 매우 큰 잠재력을 지니고 있으며, 이 사업의 진행상황을 관심있게 지켜보고 있습니다. 하지만 지금은 일단 오늘의 주제에 집중하도록 하겠습니다.
상태 모니터링과 기존 방식의 차이점은?
기존의 기계 및 공장 점검(inspection)은 일정 간격을 두고 이루어집니다. 즉, (아직) 필요하지 않을 때에도 점검이 이루어질 수 있다는 것을 의미합니다. 반대로 점검이 필요하지만 공장의 상태에 관한 지식의 부족으로 인해 점검이 이루어지지 않는 경우도 있습니다. 이러한 방식으로는 장기적인 변화 또는 단기적이거나 일시적인 사건을 기록할 수 없습니다.
반면 상태 모니터링은 상태 정보를 지속적, 실시간으로 포착합니다. 이로써 장기적인 변화는 물론 갑작스럽거나 일시적인 상태 변화까지 완전하게 기록, 문서화가 가능합니다. 또한 발생할 수 있는 고장을 조기에 포착함으로써 장기적인 시스템 고장과 대비해 비용을 절감할 수 있습니다.
상태 모니터링의 기본적인 파라미터는 온도, 진동, 위치, 높이, 습도, 빈도입니다.
상태 모니터링은 공장의 상태를 상시로 관찰함으로써 공장이 운영되는 동안 유지보수를 가능하게 합니다. 또한 가동 중단 시간을 최소화하고 보다 집중적으로 인력을 배치해 비용을 현저히 절감할 수 있습니다.
오픈소스 대 독점 소프트웨어
CMS(Condition Monitoring System)를 구축하는 방법은 여러가지입니다. CMS 솔루션은 크게 시스템 또는 제조사와 연결된 독점 솔루션과 오픈소스 솔루션으로 구분해 볼 수 있습니다. 오픈소스를 이용하면 다양한 공급업체의 하드웨어와 소프트웨어를 조합할 수 있습니다. 오픈소스 솔루션의 장점은 확장 가능성, 다양한 제조사와 부품 선택, 적은 라이센스 비용입니다. IO-Link의 통신 표준은 오픈 소스 솔루션을 지원합니다. IO-Link를 이용하면 다양한 공정 데이터를 센서 수준에서 제어 시스템 수준으로 전송할 수 있습니다.
센서에서 시각화로- 기본적인 상태 모니터링 시스템의 구성 요소
다음과 같은 구성요소들을 보면 산업용 CMS를 구축하는 것이 얼마나 쉬운지 이해할 수 있습니다. 핵심적인 구성요소는 기계 제어 계통으로부터 독립적인 모니터링 네트워크를 설정하는 데 사용되는IO-Link 마스터입니다. IO-Link는 현장에서 사용자가 선택하는 게이트웨이로 데이터를 전달해 안정적인 상태 모니터링을 가능하게 해줍니다. 추가로 지능형 센서를 사용한다면 연속 진단을 통해 보다 상세한 결과를 얻을 수 있습니다.
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전원 공급장치
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센서
- 플로우 센서 : BFF0001열 흐름 제어장치와 같은 센서는 펌프 성능 저하 또는 필터 막힘 등의 상태를 감지합니다. 이로써 특정 필터를 찾아 청소하거나 일정 한계를 넘은 경우 교체할 수 있습니다.
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- 압력 센서: 파이프의 누출 여부를 감지해 유체 손실을 찾아내고 구체적인 부위별 유지보수를 가능하게 합니다.
- 온도 센서 : 모터 등의 온도를 지속적으로 측정합니다. 측정된 온도가 작동 온도 범위에서 벗어나는 경우 기계의 가동 중단을 방지하기 위한 조치를 취할 수 있습니다.
- 자체 진단 기능을 갖춘 센서 기술 : BOS 21M ADCAP 다기능 광전자 센서는 작동 상태를 기록하고 정보를 수집, 처리하며 IO-Link를 통해 단순한 스위칭 신호보다 훨씬 많은 데이터를 전송할 수 있습니다. 자체 진단 기능이 내장되어 오염 또는 비정상적인 빈도 등과 같은 이상 요소들을 조기에 찾아낼 수 있습니다.
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필드버스 모듈
- 발루프 IO-Link 마스터 및 Profinet, Eternet/IP 등의 네트워크 모듈은 현장 수준의 신호를 수집합니다. 네트워크에 연결된 모든 컴퓨터가 발루프 마스터의 통합 웹 서버를 통해 데이터를 교환할 수 있습니다.
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게이트웨이-하드웨어
- 라즈베리파이(Raspberry Pi) 또는 유사 장치 : 시중에서 구입할 수 있는 라즈베리파이는 평가 장치에서 데이터를 수신해 추가로 처리를 진행합니다. 수신된 데이터는 컴퓨터에서 소프트웨어를 이용해 시각화 및 보관이 가능합니다. 또한 센서와 동작을 제어하고 파라미터를 설정할 수 있습니다.
- 윈도우 PC : 윈도우 운영체제를 사용하는 개인용 컴퓨터 연결도 가능합니다. 이로써 익숙한 마이크로소프트의 환경에서 MS 엑셀과 같은 프로그램을 이용할 수 있다는 이점이 있습니다.
- 서버 (가상 머신) : 기존 서버를 게이트웨이로 이용해 네트워크 전체의 접근이 가능하게 할 수 있습니다.
- 발루프 IO-Link 마스터 및 Profinet, Eternet/IP 등의 네트워크 모듈은 현장 수준의 신호를 수집합니다. 네트워크에 연결된 모든 컴퓨터가 발루프 마스터의 통합 웹 서버를 통해 데이터를 교환할 수 있습니다.
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데이터 획득 및 시각화
- NodeRed (소프트웨어) : 데이터 처리와 시각화가 가능한 웹 기반 프로그래밍 도구입니다. 클라우드 서버, 데이터베이스, 하드웨어, OPCUA, 기타 API로 이어지는 다양한 인터페이스를 지원한다는 이점이 있습니다. 그래픽 개발 도구를 이용해 모듈 원칙에 따라 개별 대시보드 구축이 가능합니다. 또한 NodeRed는 라이센스 비용이 발생하지 않는 오픈소스 소프트웨어입니다. NodeRed 서버는 라즈베리파이 등에서 사용할 수 있습니다.
- 마이크로소프트 엑셀/마이크로소프트 파워 BI (소프트웨어) : 가장 잘 알려진 계산 프로그램인 엑셀을 이용해 간단한 대시보드를 만들 수 있습니다. 또한 파워 쿼리(Power Query)를 이용해 IO-Link 마스터에서 데이터를 수신/요청할 수 있습니다. 파워 BI는 전문적인 대시보드 디자인에 사용합니다.
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스택 라이트 (하드웨어)
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- 발루프 SmartLight 스택 라이트는 IO-Link를 통해 파라미터 설정이 가능하며, 공정 상태를 시각화하는 다양한 모드를 제공합니다.
생산 프로세스 시각화
소형 데모케이스 안의 상태 모니터링
- 발루프 SmartLight 스택 라이트는 IO-Link를 통해 파라미터 설정이 가능하며, 공정 상태를 시각화하는 다양한 모드를 제공합니다.
자체 상태 모니터링 애플리케이션 구축
발루프는 상태 모니터링을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 도와주는 비디오도 제공합니다. 영상은 IO-Link 구성요소와 윈도우 기반 컴퓨터의 엑셀을 이용해 매우 간단하게 연속 상태 모니터링 설정을 할 수 있다는 점을 보여줍니다. 프로그래밍 지식은 필요하지 않습니다.
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