기계 모니터링과 ESA 기술로 플랜트의 신뢰성을 업그레이드하는 방법

작성자: 윌리엄 크루거, ALL-TEST 프로

전 세계적으로 3억 개 이상의 전기 모터가 인프라, 대형 건물, 산업 분야에서 사용되고 있습니다. 이러한 모터는 산업용 전력 소비의 약 2/3를 차지합니다. 제품을 생산하는 장비를 작동하거나 공장의 장비가 수행하도록 설계된 서비스를 제공하는 원동력을 제공하기 위해 공장의 거의 모든 영역에서 전기가 필요합니다. 전기는 지속적인 흐름이 필요하고, 편리하게 보관할 수 없으며, 일반적으로 사용 전 검사를 하지 않는다는 점에서 독특한 제품입니다. 대부분의 사람들은 전기의 신뢰성은 스위치를 돌리거나 버튼을 눌렀을 때 전등이 켜지거나 모터가 작동하면 전기가 안정적으로 공급되는 것으로 끝나는 것으로 생각합니다. 그러나 많은 경우 모터 시스템에 공급되는 전력의 품질이 고장이나 고장의 원인이 될 수 있습니다. 열악한 ‘전력 품질’의 결과는 일반적으로 장기간에 걸쳐 발생하며 문제의 원인 또는 원인으로 간과되는 경우가 많습니다. 가동 시간을 유지하고 비용을 절감하려면 모든 시설에서 모터의 기계적 및 전기적 상태와 함께 들어오는 전력의 품질을 파악하는 것이 중요합니다. 이를 위해 플랜트에서는 테스트, 상태 모니터링 또는 예측 유지보수 프로그램인 PdM을 구현했습니다. 모터 상태에 대한 답변이 아닌 경고 및 경고를 제공하는 측정, 그래프 및 보고서를 제공하는 많은 테스트 기기를 사용할 수 있습니다. ESA 기술은 장비가 작동하는 동안 빠르고 신뢰할 수 있는 답변을 제공하여 모터, 드라이브 및 전기의 상태와 관련된 답변을 제공합니다.

모터 회로 분석 MCA는 전원이 차단된 상태에서 모터 권선 및 접지 벽 절연 시스템의 안정적인 상태를 제공합니다. 일부 머신은 계속 실행됩니다. 이를 평가하기 위해 업계에서는 플랜트에서 예측 유지보수 프로그램을 구현하여 고가의 장비 가동 중단이나 치명적인 고장으로 이어지기 전에 장비 결함을 파악하고 있습니다. 따라서 장비가 작동하는 동안 테스트할 수 있는 기술이 필요합니다. 기계 진동 분석(MVA), 열화상, 초음파 등의 PdM 기술은 모두 장비가 작동하는 동안 플랜트 배전 또는 회전 장비의 특정 결함을 식별하는 데 유용한 정보를 제공해 왔습니다.

그러나 모든 PdM 프로그램이 동일한 것은 아니며 가장 효과적인 프로그램은 여러 기술의 필요성을 인식하고 있습니다. 가장 효과적인 예측 유지 관리 프로그램은 다음 세 단계로 구성됩니다. 1) 감지, 2) 분석 및 3) 수정.

예측 유지 관리 감지 단계:

1) 가능한 한 많은 머신을 빠르게 스캔합니다.

2) 가능한 한 많은 잠재적 문제를 식별합니다.

3) 가능한 한 많은 진단을 제공합니다.

감지 단계에 이은 분석 단계에서는 상태 저하가 발생한 장비를 식별합니다. 이 단계에서는 동일한 기술 또는 경우에 따라 다른 기술을 사용하여 기계 내의 어떤 조건이 변경되었는지 또는 어떤 오류가 발생했는지 확인하기 위해 추가적으로 더 자세한 테스트가 필요할 수 있습니다. 일부 기술에서는 초기 탐지 프로세스를 통해 이상 현상의 원인을 어느 정도 파악할 수 있습니다. 따라서 최적의 PdM 기술인 감지와 분석 사이에는 항상 미세한 경계가 존재합니다.

수정 단계에서는 확인된 결함에 대한 조치 계획을 수립합니다. 예를 들어, 밸런스가 맞지 않는 경우 현장에서 바로잡을 수 있는지, 아니면 매장에서 밸런스를 맞춰야 하는지 등입니다. 베어링 결함이 감지되면 고장 비용과 생산 손실 등 여러 요인에 따라 기계가 경제적으로 가동을 중단할 수 있을 때까지 모니터링 주기를 줄이거나 즉시 가동을 중단하는 조치를 취할 수 있습니다.

일반적인 예측 유지 관리 도구.

기계 진동 분석 – 진동은 회전하는 장비에서 가장 일반적으로 사용되는 기술 중 하나입니다. 정의에 따르면 진동은 한 지점을 중심으로 주기적으로 앞뒤 또는 위아래로 움직이는 것을 말합니다. 진동은 다양한 기계 및 프로세스 결함을 감지하고 식별할 수 있습니다.

MVA에서 식별한 일반적인 결함:

기계적 불균형

잘못된 정렬-연약한 발 포함

편심 로터

구부러진 샤프트

금이 간 샤프트 느슨함

회전하지 않는 구성 요소 사이

회전하는 구성 요소와 회전하지 않는 구성 요소 사이

느슨하게 회전하는 구성 요소

블레이드 및 베인 통과 문제

기어 박스 문제

롤링 요소 베어링 결함

로터 문지름

프로세스 문제:

캐비테이션

흐름 또는 공기 역학 문제

AC 인덕션 모터 문제:

로터 문제: 파손된 로터 바, 편심 로터(동적 편심도), 열에 민감한 로터

고정자 문제: 불균등한 에어 갭(정적 편심), 소프트 풋, 느슨한 권선 또는 고정자 아이언

모터 컨트롤러 문제:

VFD 컨트롤러의 일부 제한된 결함

DC 모터 컨트롤러의 일부 제한적 결함

장점, 비침습적 측정, 테스트 데이터 획득 용이, 널리 사용 및 수용. 단점, 전력 품질 상태 또는 기타 전기적 문제를 표시하지 않으며, 초기 고장을 표시하기 위해 뉴턴의 법칙 F=mA에 의존합니다. 즉, 결함을 감지하는 능력은 기계의 질량에 따라 달라지며, 기계가 클수록 더 많은 힘이 필요하며, 특히 초기 단계에서 결함을 완전히 놓치는 경우가 많습니다. 따라서 측정값을 기반으로 한 결함의 심각도는 질량으로 인해 반드시 비교할 수 있는 것은 아닙니다. 예를 들어, 작은 기계에서 불균형으로 인해 발생하는 동일한 힘을 더 큰 기계에 가하면 결과적으로 진동은 더 낮아지지만 베어링에 가해지는 힘은 동일합니다.

MVA를 사용할 때 추가로 고려해야 할 사항은 진동은 방향성이 있고 진동 센서는 단방향성이므로 방향 방향으로만 동작을 측정한다는 점입니다. 또한 이러한 센서는 해당 위치 또는 장착 지점에서의 움직임만 측정합니다. 모든 모션 방향의 모션을 평가하려면 일반적으로 각 지점에서 세 번의 측정이 필요합니다. 또한 모든 센서가 동일한 동작을 측정하는 것은 아니며, 일부 센서는 상대 동작을 측정하는 반면 다른 센서는 절대 동작을 측정하고, 센서마다 주파수 범위가 다르기 때문에 잘못된 센서나 측정값을 사용하면 기계 상태를 부정확하게 평가할 수 있습니다.

적외선 – 진동과 마찬가지로 열은 시스템 내에서 문제가 발생하고 있음을 나타내는 좋은 지표이며, 열화상 기술은 전기 분야에서 연결 문제를 파악하는 데 매우 유용한 것으로 입증되었습니다. 이 기술을 사용하여 전류 불균형, 장비의 다양한 영역에서 핫스팟과 같은 다른 문제도 식별할 수 있지만 일반적으로 충분한 열이 발생하면 일반적으로 고장이 잘 발생하고 있으며 경우에 따라 고장이 진행됨에 따라 온도가 실제로 감소할 수 있습니다. 서모그래피의 장점은 비침습적이고 측정이 간편하다는 점입니다. 단점; 아마도 가장 큰 단점은 가시거리일 것입니다. 결함을 식별하려면 카메라가 해당 영역을 볼 수 있어야 하는데, 종종 결함이 패널 뒤, 커플링 커버 아래, 캐비닛 또는 도관 내부에 숨겨져 있을 수 있습니다. 또한 서모그래피는 진단 기능이 매우 제한적입니다. 온도 상승이 발생하면 잠재적으로 많은 원인이 있을 수 있으며, 원인을 파악하거나 확인하기 위해 추가 테스트, 기술 및 검사가 필요할 수 있습니다.

초음파 – 매우 유용한 PdM 기술로 인정받고 있습니다. 초음파 기기는 사람의 귀에는 들리지 않는 공기 중 및 구조물 내 초음파를 감지하여 가청 범위로 전자적으로 변경합니다. 이렇게 변경된 신호는 헤드폰을 사용하여 모니터링하거나 디스플레이에서 시간 파형 디스플레이 또는 FFT로 볼 수 있습니다. 이를 통해 숙련된 기술자는 회전 장비의 구름 베어링 결함, 공기 시스템의 공기 누출, 고전압 도체의 코로나 방전 또는 전기 시스템의 추적 등의 초기 단계를 식별할 수 있습니다. 초음파의 장점은 비침습적이며 장비가 작동하는 동안 수행되며 비교적 쉽게 수행할 수 있다는 것입니다. 단점, 제한된 문제 감지, 울트라 소닉은 몇 가지 결함만 식별할 수 있으며 결과는 일반적으로 매우 주관적이고 기술자의 경험에 따라 달라집니다.

일반적으로 사용되는 이러한 기술 중 어느 것도 유입되는 전력부터 공정 자체에 이르는 전체 모터 시스템을 표시하지 않습니다. 경우에 따라 모터 시스템의 상태가 나빠지고 있다는 유일한 징후는 모터가 뜨거워지거나 트립될 가능성이 있다는 것입니다.

플랜트에서는 전기적 서명 분석을 PdM 프로그램의 핵심 요소로 사용하는 것의 이점을 빠르게 인식하고 있습니다. 그들은 ESA가 모호하거나 매우 드물거나 식별하기 어려운 전기적 이상을 식별하는 데 사용되는 특수 측정 기술이 아니라 가장 유용하고 포괄적인 PdM 기술이라는 것을 이해하기 시작했습니다.

PdM 기술로 ESA를 구현하는 것은 계측기에서 시작됩니다. 휴대용 ATPOL II(그림 1)는 모터 컨트롤러에서 50초 동안 데이터 캡처를 수행하여 전체 모터 시스템의 상태를 측정합니다. 이 휴대용 경량 계측기는 전력 품질 분석을 위해 전압 및 전류의 3상 동시 캡처를 수행하고 저장하며, 이러한 매우 중요한 정보를 시각적으로 검사하기 위해 전압 및 전류의 3상 시간 파형을 50msec 동안 실시간으로 캡처합니다.

그림 1 ATPOL II

그림 2 50 msec 3상 실시간 전류 파형

그림 2;. 또한 ESA는 내부적으로 전기 장비의 전압 및 전류 시간 파형을 아날로그에서 디지털로 변환하여 호스트 컴퓨터에 업로드할 수 있도록 저장합니다. 전기적 특성 분석(ESA)은 모터로 공급되는 전력 품질과 모터 및 드라이브의 상태를 검증하는 현장에서 입증된 간단하고 효과적인 기술입니다.

캡처 및 저장된 모든 데이터는 무선 블루투스 연결, 2G바이트 SD 카드 또는 직렬 케이블을 사용하여 호스트 컴퓨터에 업로드할 수 있습니다. 제공되는 전력 시스템 관리자(PSM) 및 ESA 소프트웨어 프로그램은 전체 모터 시스템을 매우 철저하게 분석하는 데 필요한 그래프, 표, 분석 및 보고서를 제공하는 매우 강력한 PdM 도구를 제공합니다.

모터 전류는 진동 센서와 관련된 제한이 없는 매우 효율적이고 효과적인 변환기 역할을 합니다. 모터 시스템 내에서 주기적인 힘이나 장애가 발생하면 모터 전류가 그 힘이나 장애의 주파수에 따라 변조됩니다. 모터 전류에서 발생하는 이상은 모터 컨트롤러의 다운스트림에서 발생하는 반면 전압의 이상은 들어오는 전원에서 발생합니다. 전압 및 전류 데이터의 차이를 식별하여 오류의 원인을 유입되는 전원(컨트롤러의 업스트림) 또는 모터, 구동 기계 또는 프로세스(컨트롤러의 다운스트림)와 관련된 것으로 구분할 수 있습니다. ESA는 기계 진동을 사용하여 베어링 하나의 진동을 측정하는 데 필요한 시간보다 짧은 시간 내에 기계가 모든 부하에서 작동하는 동안 전체 모터 시스템의 상태를 평가합니다.

강력한 ESA 분석 소프트웨어는 업로드된 디지털화된 파형에 대해 FFT를 수행하고 이 데이터를 전체 모터 시스템의 심층 분석에 필요한 도구, 그래프 및 디스플레이로 변환합니다. 이 분석은 전기 장비, 구동 기계 및 프로세스 자체를 통해 들어오는 전원(전압 데이터)부터 시작하여 결함, 교란 또는 이상을 식별합니다. 이렇게 번역된 데이터에 독점 알고리즘을 적용하여 오류를 식별합니다. 이전에는 감지하기 어려웠던 많은 결함을 자동 분석 기능을 사용하여 쉽게 식별할 수 있습니다. 모터 명판에서 쉽게 액세스할 수 있는 특정 기계 세부 정보를 입력하면 ESA가 전체 모터 시스템에 대한 완전한 평가를 생성합니다. 모터 속도, 전압, 최대 부하 전류 및 정격 전력과 같은 정보를 소프트웨어에 입력하면 이해하기 쉬운 분석 보고서가 생성됩니다. 로터 바 및 고정자 슬롯 수를 포함한 추가 정보를 통해 모터의 내부 상태, 정적 및 동적 편심과 같은 결함을 결함 관련 마커를 사용하여 신속하게 확인하는 등 보다 자세한 분석을 위한 추가 진단을 제공합니다(그림 3).

그림 3 결함 마커

베어링 번호, 벨트 둘레, 풀리 크기, 임펠러의 베인 또는 블레이드 수, 기어의 톱니 수 등의 추가 기계 정보를 ESA 분석 소프트웨어에 입력하기만 하면 기계적 결함을 자동으로 감지할 수 있으며, 이러한 결함이 발생할 때 발생하는 힘을 계산하여 롤링 요소 베어링 결함, 기어 맞물림, 팬 블레이드, 펌프 날개 통과 또는 벨트 문제로 인해 발생하는 힘을 쉽게 식별할 수 있습니다. 인식하기 쉬운 마커가 디스플레이에 삽입되어 이러한 힘을 식별하는 스펙트럼 피크를 강조 표시하여 구동 기계를 빠르고 정확하게 분석할 수 있습니다. MVA가 감지하는 모든 결함은 ESA를 사용하여 감지할 수도 있습니다.

ESA는 공급 전압 또는 모터 전류 대비 전류 또는 전압 중단 비율을 사용하여 고장을 식별하는데, 이 힘에 대한 응답은 기계의 질량에 영향을 받지 않거나 진동 센서와 관련된 주파수 응답 문제에 의해 제한되기 때문에 ESA를 사용하면 고장을 더 일찍 감지할 수 있습니다.

결함 및 이상을 식별하는 것 외에도 표준 전기 공식을 적용하여 이러한 결함으로 인해 발생하는 에너지에 대한 악영향을 신속하게 평가할 수 있습니다.

사례 연구: ESA의 성능을 강조하기 위해 수처리 공장에서 수직 펌프를 구동하는 700마력 3상 AC 모터에 대해 수행한 분석을 간략히 검토해 보았습니다. 모터는 만졌을 때 뜨거웠고 최근에 수행한 기계 진동 테스트 결과 전반적인 진동 수준이 매우 낮았으며 원활하게 작동하는 것으로 간주되어 진동 분석 결과 모터 시스템에 “유지보수 필요 없음”이라는 권장 사항이 제공되었습니다. 이후 몇 달 동안 몇 가지 추가 테스트가 수행되었지만 문제의 원인에 대한 의문은 여전히 남아있었습니다. 그런 다음 대상 모터의 ESA를 수행하기로 결정하고 기계 진동 테스트와 동시에 2 – 50초 ESA 테스트를 수행했습니다.

그림 4 자동 분석 보고서

전체 ESA 분석은 그림 4를 참조하고 진동 데이터가 수집되는 동안 보고서를 작성했습니다. 2주가 지난 후에도 진동 보고서에는 수직 펌프에 유지보수 조치가 필요하지 않은 것으로 나타났습니다. 현장에서 자동으로 생성된 ESA 보고서에서 손상된 로터 바가 여러 개 확인되었습니다(그림 5). 자동 등급 시스템은 심각도 C(7점 만점에 7점)를 표시하고 즉시 수리를 권장했습니다. 과부하 상태에서 작동하는 모터 전류입니다.

그림 5 로터 바 상태 보고서

모터 전류의 시간 추적을 보면 모터 전류가 775에서 825암페어까지 50암페어를 변조하고 있음을 알 수 있습니다(그림 6). 모터 속도도 명판보다 15RPM 낮게 작동하고 있었습니다. 결함 아래에서 줄 법칙을 적용하면 모터가 55마력을 변조하고 있었습니다(그림 6). FFT는 변조의 주파수가 극 통과 주파수에 있음을 보여 주었으며, 이는 주요 표시기 로터 바 문제입니다.

그림 6 수리 전 RMS 전류 추적

전력 3상의 줄 법칙(와트 단위). 전력 = 전압(V) x 전류(I) P=V x I x 1.73

검사 결과 로터 바의 30% 이상이 손상된 것으로 확인되어 모터를 제조업체에 보내 로터를 재건하고 로터 바를 교체하도록 했습니다. 수리 후 모터 전류는 정상 범위 내에서 변조 없이 800암페어에서 757로 떨어졌습니다. 모터 속도는 예상 범위까지 올라갔고 모터는 정상 작동 온도에서 작동 중이었습니다(그림 7).

이전 진동 데이터에 따르면 수리 전에는 모터의 상태가 양호했지만, 수리 후에는 전반적인 진동 수준이 50% 이상 감소했습니다.

그림 7 수리 후 RMS 전류 추적

그림 8 전력 품질 표

결론: ESA는 모터의 전압과 전류를 변환기로 사용하여 전기 장비의 전기적 및 기계적 결함을 파악하기 때문에 모든 유형의 전기 장비가 있는 장비의 예측 유지 보수에 필요한 전기적 및 기계적 결함 모두에 대한 이상적인 감지 도구로 빠르게 인식되고 있습니다. 즉, 모터, 발전기 또는 변압기를 테스트할 수 있습니다. 또한 ESA는 배전 시스템 내의 복잡한 결함이나 이상 징후를 분석할 수 있는 기능을 제공합니다. 이 강력한 도구는 전체 전기 시스템의 전체 상태를 나타내는 지표로 모든 종류의 AC 모터뿐만 아니라 모든 전기 장비에 사용할 수 있습니다. 모터 시스템의 전체 평가를 컴파일하는 데 필요한 모든 정보를 1분 이내에 수집하여 들어오는 전력, 모터 부하 및 모터 효율의 상태를 정의하는 완전한 전력 품질 표(그림 8)를 제공합니다. 파형 캡처를 통해 분석가는 전기 시스템의 어느 곳에서나 절연 파괴 또는 느슨한 연결을 식별할 수 있습니다. 회전 장비의 전기적 및 기계적 결함을 정확하게 분석하기 위한 주요 핵심 요소인 ESA를 사용하면 일반적으로 캡처된 데이터에서 1RPM으로 실제 모터 속도를 계산할 수 있습니다. 다른 모든 PdM 기술과 마찬가지로 새로운 기술을 구현하는 사용자가 늘어날수록 추가적인 용도와 기술, 기능이 발견됩니다. 비교적 새로운 기술이기 때문에 새로운 기능이 개발되고 있습니다.