예지보전의 뜻과 필요성을 정리합니다. 페인트 공장의 교반 설비가 어떻게 고장 나는지, 어떤 센서로 어떤 고장을 확인하는지도 살펴봅니다. 고장은 「며칠~몇 달에 걸쳐 진행되는 기계 고장」과 「몇 초~몇 분 만에 오는 공정 쪽 고장」 두 부류로 나뉩니다. KANG 시스템이 받는 1분 간격 네 채널은 주로 뒤의 부류를 감지합니다.
무엇을 · 왜#
설비 보전에는 세 가지 방식이 있습니다.
| 방식 | 언제 손보나 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|
| 사후 보전 | 고장 난 뒤 | 계획이 필요 없음 | 생산이 갑자기 멈추고, 2차 손상(축 휨·씰 누설)이 커짐 |
| 예방 보전 | 정해진 주기마다(예: 3개월마다 베어링 교체) | 단순함 | 멀쩡한 부품도 바꾸고, 주기 사이에 오는 고장은 못 막음 |
| 예지 보전(PdM) | 상태가 나빠지는 징후가 보일 때 | 필요한 때만 손보고, 계획 정지에 맞출 수 있음 | 센서·데이터·판단 기준이 필요함 |
예지보전의 핵심은 고장이 시작된 뒤 실제로 멈추기까지의 시간(P-F 간격이라고 부릅니다)을 얼마나 일찍 확보하느냐입니다. 같은 고장이라도 어떤 센서로 보느냐에 따라 이 시간이 몇 달이 되기도 하고 몇 분이 되기도 합니다. 그래서 「무슨 모델을 쓸까」보다 「이 설비는 어떻게 고장 나고, 그 고장은 어떤 신호에 먼저 보이나」를 먼저 정해야 합니다.
페인트 공장의 교반 설비#
페인트 공장에는 교반 설비가 한 종류만 있지 않습니다. 보통 네 가지 설비가 연결되어 작동합니다.
| 설비 | 하는 일 | 특징 |
|---|---|---|
| 고속 분산기(디졸버) | 안료를 적시고 덩어리를 부숩니다 | 톱니 디스크가 빠르게 돌고, 걸쭉한 배치에서 모터 부하가 큼 |
| 비드밀·바스켓밀 | 안료를 더 곱게 갑니다 | 챔버 안의 작은 구슬(비드)과 분리 스크린 |
| 레트다운·저장 교반기 | 수지·용제를 섞고 보관합니다 | 저속, 긴 축과 큰 임펠러, 액위가 수시로 바뀜 |
| 이송 펌프 | 설비 사이로 제품을 옮깁니다 | 기어·나사 같은 용적식, 원심, 공기 구동 다이어프램(AODD) |
출처: Hockmeyer, Viking Pump, Wilden
고장은 두 부류로 나뉜다#
| 부류 | 예 | 진행 속도 | 먼저 보이는 신호 |
|---|---|---|---|
| 서서히 오는 기계 고장 | 베어링·감속기 마모, 임펠러 안료 부착 불균형, 축 휨, 씰 마모, 분산기 톱니 마모 | 며칠~몇 달 | 수 kHz 진동의 베어링 결함 주파수, 회전 1배 진동, 배치당 분산 시간·전력량 |
| 빠르게 오는 공정 쪽 고장 | 이송 펌프 이물 걸림, 비드밀 스크린 막힘, 고점도 과부하, 흡입 막힘 | 몇 초~몇 분(막힘은 몇 시간) | 압력, 모터 전류, 온도 |
알아 두면 좋은 점은 다음과 같습니다.
- 비드밀 스크린 막힘은 빠릅니다. 한 시험에서 막힘이 시작되자 챔버 압력이 약 5분 만에 0.4 bar에서 1.3 bar로 올랐습니다(US5474237A).
- 펌프에 무언가 끼면 펌프 종류에 따라 신호가 반대로 움직입니다. 기어·나사 같은 용적식 펌프는 걸리는 순간 토출 압력과 전류가 치솟습니다(Pumps & Systems). 원심 펌프는 임펠러가 막히면 오히려 전류가 떨어지고 축 방향 진동이 커집니다(Jahangiri & Roknizadeh 2018). 그래서 어떤 펌프인지 먼저 확인해야 판정 기준을 정할 수 있습니다.
- 교반기 씰 누설은 원인이라기보다 결과에 가깝습니다. 축이 흔들리는 폭(런아웃)이 커지면 씰이 빨리 닳습니다(Dickey & Fasano 2004).
- 고장이 아닌데 고장처럼 보이는 일도 많습니다. 정상 교반기에서도 모터 전류는 평균에서 ±5~15% 흔들립니다(Weetman & Gigas 2002). 걸쭉한 레시피로 바뀌면 전류가 계단처럼 오르고, 안료를 투입할 때는 진동이 잠깐 튑니다. 탐지 모델이 레시피·배치 단계를 모르면 이런 변화로 헛알람이 발생합니다.
센서는 무엇을 보나#
| 신호 | 잘 보는 고장 | 못 보거나 늦게 보는 고장 |
|---|---|---|
| 수 kHz 진동 파형(베어링 결함 주파수) | 베어링 외륜·내륜, 감속기 | 펌프 막힘, 과부하 |
1분 진동 RMS(KANG vibration_rms) |
이미 커진 진동 | 초기 베어링 결함, 원인 구분 |
모터 전류(KANG current) |
과부하, 용적식 펌프 걸림(급등), 원심 펌프 막힘(하락) | 초기 베어링·기어 결함 |
압력(KANG pressure) |
펌프 걸림·막힘, 비드밀 스크린 막힘 | 회전체 기계 고장 |
온도(KANG temperature) |
과부하 발열, 윤활 부족 | 초기 결함(늦게 오름) |
| 레시피·배치 단계·회전수·액위 | 고장을 직접 보지는 않음 | 대신 헛알람을 거르는 데 가장 쓸모가 큼 |
| 정비·트립 기록 | — | 고장 라벨이 됨(4장) |
베어링 결함을 1분 RMS로 보면 얼마나 늦을까요? 공개 데이터(NASA IMS 베어링 시험)에서 수 kHz 진동의 베어링 결함 주파수 규칙은 고장 약 74시간 전에 첫 경보를 냈습니다. 반면 RMS 규칙은 46.5시간 전에 냈습니다(설비 예지보전 PBL 2장). 반대로 펌프 막힘은 진동만으로는 거의 보이지 않고 압력·전류에 바로 드러납니다. 어떤 센서를 다느냐가 잡을 수 있는 고장을 정합니다.
공개된 사례#
페인트 회사가 자사 교반기에 예지보전을 적용하고 설비·고장·결과를 공개한 사례는 국내외에서 찾지 못했습니다. 아래는 업종이 가장 비슷한 사례입니다.
| 사례 | 무엇을 | 결과 |
|---|---|---|
| Statoil 반응기 교반기(노르웨이) | 모터·감속기·축 상단 베어링에 가속도계 상설, 스펙트럼을 정상 마스크와 비교 | RMS는 그대로인데 고주파 지표로 외륜 손상을 찾음. 상설 감시 뒤 예상 못 한 교반기 고장 없음(B&K BO0163) |
| 자동차 도장 송풍기 21대(인도) | 진동·음향 센서 | 페인트가 임펠러에 붙어 생긴 불균형으로 4개월 동안 고장 8건 탐지(업체 발표, Nanoprecise) |
| KAMP 교반구동장치 데이터셋(국내) | 식품 용해탱크 교반 구동부에 무선 진동센서, 정상/고장 라벨 | 표준 패턴과의 차이로 이상 판정(KAMP) |
| 중공업 현장 연구 | 비지도 이상 탐지 위에 작업자의 경보 확인·기각 기록으로 학습한 보정 모델 | 헛경보 75.95% 감소, 보정 모델까지 쓰면 90.25% 감소(Hermansa et al. 2021) |
이 사례들은 공통으로 모델보다 운영이 중요하다는 점을 보여 줍니다. 고장 기록이 적으므로 정상만 배우는 이상 탐지로 시작하고, 운전 상태(기동·정지·레시피)를 먼저 거르고, 사람이 경보를 확인한 기록을 쌓아 라벨로 키웁니다. KANG 시스템도 같은 순서를 따릅니다. 3장까지는 정상만 배우고, 4장에서 고장 기록을 넣습니다.
국내 현장 데이터는 어떤 모양일까#
중소 혼합 공정의 공개 데이터는 대개 PLC에서 1초~1분 간격으로 남긴 온도·교반 속도·무게·전류 같은 값입니다. 한 화장품 혼합탱크 데이터는 공정 데이터가 59,233행인데 품질 검사 기록은 22행뿐이었습니다(KAMP 화장품 혼합탱크). 진동은 PLC 데이터에 거의 없고, 교반기 예지보전용 데이터셋조차 무선 진동센서를 따로 달았습니다. KANG의 RTU 네 채널(전류·진동 RMS·온도·압력, 1분)은 이런 현장 데이터의 형태를 본뜬 것입니다.
확인 문제#
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이송 펌프에 이물이 걸렸습니다. 용적식 펌프와 원심 펌프에서 모터 전류는 각각 어떻게 움직일까요?
정답
용적식(기어·나사)은 걸리는 순간 압력과 전류가 치솟습니다. 원심 펌프는 임펠러가 막히면 전류가 떨어지고 축 방향 진동이 커집니다. 같은 「걸림」이라도 판정 규칙을 반대로 세워야 하므로, 펌프 종류부터 확인합니다.
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1분 간격 진동 RMS만 있는 설비에서 베어링 초기 결함을 늦게 보는 까닭은 무엇일까요?
정답
초기 베어링 결함이 생기면 수 kHz 대역의 베어링 결함 주파수 성분이 먼저 커집니다. 전체 진동 에너지(RMS)는 결함이 꽤 진행된 뒤에야 커집니다. 1분 RMS 하나에는 주파수 정보가 없어 원인도 구분하기 어렵습니다.
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레시피·배치 단계 같은 태그는 고장을 직접 보지 못하는데도 왜 중요할까요?
정답
걸쭉한 레시피의 전류 상승이나 원료 투입 때의 진동 튐은 고장처럼 보이지만 정상적인 변화입니다. 레시피·단계를 알면 기준선을 나누거나 그 구간을 걸러 헛알람을 줄일 수 있습니다. 5장에서 실제로 확인합니다.