* 본 구축사례(Case Study)는 지난 해 12월 6일 개최된 '스마트 공장 지능화 베스트 프랙티스 컨퍼런스 2017' 중 퓨처메인 이선휘 대표의 발표 내용을 다듬은 것이다.

보다 지능적이고 자동화된 시스템을 구축하는 것이 미래 스마트공장으로 가기 위한 방법이다. 이를 통해 얻고자 하는 것은 예측이다. 예측을 통해 설비 운영을 안정화 할 수 있고, 비용을 절감할 수 있으며, 생산 품질을 높일 수 있는 것이다.

1. 설비 보전 기술이란?

스마트공장 설비 보전 기술은 설비에서 어떤 현상이 일어나는지 찾고, 이상이 있으면 가장 최적화된 방법으로 해결하는 것을 목적으로 한다. 그리고 여기에 전문적이고, 지능화 및 자동화 된 과정이 필요하다.

설비 보전 관리는 크게 4가지로 구분한다. 먼저 설비 고장 분석, 상태 기반 관리, 계획 보전 관리, 설비 설계 변경이다.

한 예로, 펌프를 보면 구성이 모터, 기어박스, 파운데이션 등이다. 펌프의 결함을 보통 모터의 축이 휘는 것, 베어링 문제, 모터 햄머링 등이 발생한다. 이 결함들이 만약 동시에 오면 가동이 중지되는데, 이 경우 최고 하루 10억 원의 손실이 발생할 수도 있다. 그래서 이런 결함들을 빠르게 찾고 보전하는 게 핵심이다.

2. 설비 보전 관리 방법

스마트공장에서의 설비 보전 관리는 네 가지가 있다. 먼저 사후 보전으로, 설비가 고장날 때까지 사용하고 고장이 난 다음에야 처리하는 것이다. 과거의 방법이다. 다음으로 예방 보전이다. 이는 주기적으로 점검하는 것인데, 문제는 설비의 고장 유무를 떠나 항상 점검하기 때문에 효율성이 떨어진다.

세 번째 상태기반 보전은 예방 보전에서 보완한 단계로, 이상 있을 때만 보전하는 것이다. 즉, 어떤 이상값만 넘어가면 작동하고 이상 위치를 찾아 보수하거나 교체하는 것이다. 지금의 설비 보전 수준이다. 네 번째 예지 보전은 가장 이상적인 보전 관리다. 이 관리법은  설비가 정상일때부터 비주기적으로 체크한다. 이를 기반으로 잔여 수명을 계산하며, 필요한 시간에 일정을 정하고 보수를 한다. 미리 조치를 하기 때문에 정비 시간과 설비 정지 시간이 줄어든다.

3. 설비 예지 보전 시스템 구성

설비 예지 보전 시스템은 먼저 설비와 센서부를 구성한다. 컴프레셔를 예로 들면 센서부는 진동 센서, 온도, 전류, 유량, 압력 센서 등이다. 특히 진동 센서를 통해 설비 중요 데이터를 수립할 수 있다. 그리고 데이터 수집 시스템이 구성되는데, 여기까지는 하드웨어 요소다.

소프트웨어 부분은 통합관리 서버에 데이터를 취합하고 분석 솔루션을 통해 분석하는 것이다. 이를 통해 결함에 대한 예측, 수명 예측이 가능하다. 예지 보전 시스템을 구축하는 데 가장 중요한 것은 설비의 데이터 수집만이 아니라 설비 데이터의 정확한 분석이다. 전압, 전류, 온도 등의 정량적인 값 뿐만 아니라 정성적 값 즉, 자계·진동 주파수의 정밀 분석을 통해 설비의 결함까지 정확히 진단해낼 수 있어야 차별화된 설비 최적관리 및 예지보전 솔루션인 것이다.

4. 구축 사례 - 유한킴벌리 대전 공장

퓨처메인은 유한킴벌리 대전 공장에 설비 예지 보전 시스템을 구축하였다. 유한킴벌리 대전 공장은 기저귀, 유아 및 아동 스킨케어 등을 생산하고 있다. 이 공장은 제품 품질의 고급화와 고객의 요구에 빠른 대처를 위해 스마트공장을 추진하고 있으며, 우선적으로 부직포 공정의 SB Calender를 대상으로 시험 설치하고, 이를 시작으로 전 공정에 확산하여 스마트 공장을 완성할 예정이다. 

부직포 공정의 SB Calender 설비를 선정한 이유는 설비에 이상이 발생하여 정지하는 경우 생산 손실의 어느 공정보다 크며, 제품 품질에 직접적인 영향을 미치는 설비이고, 구조상 설비의 결함 검출이 어렵고, 결함 발생 시 이를 빠르게 검출해야 하기 때문이다.

진행 단계1) 설비에 대한 사전 점검

대상 설비에 대한 점검을 통해 분석하고 이 설비의 문제가 무엇인지를 파악한다. SB Calender 설비에서는 구동 전동기 및 기어 박스를 점검하고 이 설비에 대한 분석 프로그램을 구성했다.

진행 단계2) 설치 전 설비 데이터 분석

먼저 설비 진동량을 평가했다. 이때는 ISO 10816-3 진동 규제 값에 따라 평가를 했다. 다음으로 설비 진동 경향 분석했다. 이를 위해 점검 포인트마다 데이터를 취득했다.

세 번째로, 구동 전동기·기어박스 진동 주파수 분석한다. 일반적으로는 데이터를 취득한 다음 분석을 하게 되는데, 퓨처메인 솔루션의 경우 데이터 취득과 동시 진단이 가능하다. 여기까지 과정을 진행시킨 결과 SB Calender 설비의 경우 탑 부분의 진동이 높았는데, 이는 기어박스와 롤을 연결하는 유니버셜 조인트에서 각도성 축 정렬 불량이 발생하여 기어 맞물림 성분이 증가했기 때문이다. 기어박스에 대한 진동 감소 방안이 필요하고, 예지보전 시스템 구축을 통해 주기적 감시와 점검이 필요하다는 결론이 나왔다.

진행 단계3) 예지 보전 시스템 구축

먼저 구동 전동기 및 기어 박스 설비에 진동 센서 및 정션박스를 설치한다. 모니터링 UI를 통해 SB Calender 설비를 그래픽 형태로 살펴볼 수 있다. 그리고 설비 상태를 색깔별(녹색, 연녹색, 빨간색)으로 구분하여 장기적인 운전, 빠른 시일 내 보수, 바로 보수 조건을 입력하였다.

두 번째, 각 설비(기어박스, 베어링 등)마다 계산을 하고 DB화 한다. 특히 베어링의 경우 30만개를 입력하였다. 이 작업을 하는 이유는 비전문가가 전문가와 똑같이 하도록 하기 위함이다.

세 번재, 데이터 관리다. 사실 연속적으로 들어오는 데이터는 관리하기 어렵다. 따라서 정상적인 데이터가 들어오면 쳐내고 이상 데이터가 들어올 때는 10초마다 데이터를 받는 조건으로 변경하여 필요한 데이터를 수집했다. 여기서 모인 데이터는 바로 분석데이터와 결합해 최적의 예지 보전 값을 제시해준다.

5. 예지 보전 시스템 구축 후 효과 

지금까지 보전 방식은 결함 포착되면 알람이 울리고 내/외부 전문가가 투입되어 해결하는 방식이었다. 문제는 이를 해결하는 과정에서 잘못된 판단이 나올 수 있고, 해결하는 데 2~3주간의 시간이 걸린다는 것이다.

유한킴벌리 공장에 적용된 솔루션의 경우 결함이 포착되면 원인, 결함 유형, 대책까지 나오므로 복구 시간이 빠르다. 무엇보다 외부 컨설팅 비용을 절감할 수 있다