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TPM 활동 이론 및 실무 소개

설비상태에 의한 예지보전(CBM)방식의 추진방법

㈜ATPM컨설팅/한국TPM연구소 대표/공학박사·기술사·지도사 권오운

★ 목 차 ★

1. 생산설비의 최적보전방식의 선택과 그 특징

2. 예지보전(CBM)방식의 이해 득실

3. 예지보전의 추진 방법

4. 예지보전에 활용되는 설비진단기술(CDT)

1. 생산설비의 최적보전방식의 선택과 그 특징

1970년대가 되면서부터 종래의 정기보전이나 사후보전 체계에 더하여「설비진단기술(CDT)」을 활용한 예지보전에 대한 수법과 기술이 크게 대두되었다. 생산기술의 급격한 변화에 대응하기 위해서는, 전원참여가 되어 생산보전에 임하는 TPM활동과 설비의 상태를 정량적으로 관측하는 설비진단기술(Machine Condition Diagnosis Technology : CDT) 및 설비의 상태(Machine Condition)에 따라 보전을 하는 예지보전방식(Condition Based Maintenance : CBM)이 필수적으로 고려되게 되었다.

설비진단기술(CDT)은 설비의 안전확보, 고장의 사전검출 및 제거로 보전코스트를 극한까지 절감하기 위해 개발되었다.

설비보전은 보전분류상『보전=예방보전[정기보전(TBM +IR)+CBM] + BM + CM』으로 된다.

이 중에서 예방보전(PM)은 사용시간을 근거로 하여 보전을 실시하는 시간기준예방보전(Time Based Preventive Maintenance: TBM)과 설비를 정기적으로 분해·검사하고 불량인 것은 교환하는 분해·점검형보전(IR, Inspection & Repair)으로 구성된 정기보전과, 설비진단 기술(CDT)에 의해 설비의 상태(Machine Condition)를 관측하여 그 관측치에 따른 보전을 실시하는 상태기준예방보전(Condition Based Preventive Maintenance: CBM)으로 구성된다.

그리고 사후보전(BM)은 경제성을 고려하여 계획적인 정책으로서『고장날 때까지 사용하여 보전한다』라고 하는 계획사후보전(Planned Breakdown Maintenance: PBM)방식과,『예상외의 고장을 긴급 교체 또는 복구』하는 긴급사후보전(Emergency Breakdown Maintenance: EBM)으로 분류할 수 있다. 여기서 사후보전 중 계획사후보전(PBM)은 정책적으로 행하는 보전이므로 있어도 좋지만, 긴급사후보전(EBM)은 적을수록 좋은 것이다.

이 긴급사후보전(EBM)을 제외한 3가지의 보전 방식은 어느 것이 좋고 어느 것이 나쁘다고 말할 수 없고, 설비의 열화특성과 예방보전의 코스트, 돌발고장에 의한 생산손실의 크기에 의해 선택하여야만 하는 것이다.

『예방보전(PM)은 진보된 방식이고 사후보전(BM)은 좋지 않은 방식이라고 정해 버리는 것』은 정말로 위험한 것이다. 즉, 보전방식은 그 플랜트가 처한 경제적 환경과 대상 설비의 중요성 및 열화특성에 의해, 최적인 방법을 선택해야 된다는 것을 명기하지 않으면 안된다.

목차로

2. 예지보전(CBM)방식의 이해 득실

영국 표준(British Standard)에서는 예지보전(CBM)을 다음과 같이 정의하고 있다.

Maintenance carried out in response to a significant deterioration in a machine as indicated

by a change in a monitored parameter of the machine condition.

직역하면 CBM이란『모니터된 파라미터의 변화로서 검출된 기계내부의 주요한 열화에 대응하여 실시되는 예방보전』이 된다. 여기서「열화에 대하여(in response to)」라고 하는 곳이 중요하여,「파라미터의 변화로서 검출된 열화에 대응하여」예방보전이 행해지게 되므로, 역으로『파라미터의 변화(열화)가 없다면 예방보전은 실시해서는 안된다』라는 것을 의미한다.

이것은 CBM의 기본철학의 하나로서 CBM에서는 이것을『Leave the smoothy running machines untouched(양호하게 가동 중인 기계에는 절대로 손대지 마라)』라고 말한다. 즉 이 의미는『CBM에서는 설비진단기술(CDT)에 의해 설비의 상태(Machine Condition)를 관측하여, 그 진단 결과에 따라 모든 보전 액션을 정한다.』가 된다.

단적으로 말하면 CBM은『과학적인 관측결과(사실)에 근거하여 보전을 하라』 라고 주장을 하고 있는 것이다.

<도표1>에 설비의 열화패턴과 최적보전방식의 관계를 나타냈다. 최근의 조사에 의하면『기계설비의 약 89%에 대해서 CBM은 최적보전정책이 될 수 있다.』고 알려져 있다.

<도표1> 설비의 열화패턴과 최적보전방식의 관계

CBM에 있어서의 진단 데이터, 진단 주기, 보전 타이밍 의 관계를 중심으로 <도표2>에 상태기준보전(CBM)의 실시과정을 나타냈다.

CBM에 있어서는, 진단 주기 별로 간이진단에 의한 진동과 온도 등의 기계상태를 잘 반영하는 징후 파라미터를 측정하여 시간에 대해서 타점한다. 이것을 열화경향관리 또는 경향관리(Trend Control)라고 말하고 있다.

측정된 징후 파라미터의 수치가 미리 정하여진「주의 레벨」에 도달했을 때 정밀 진단을 실시하여「위험 레벨」에 도달하는 시간과「이상의 원인」을 진단하여 최적인 예방보전의 방법과 타이밍을 결정한다.

결국 시간기준보전(TBM)에 있어서는 예방보전이 정기적으로 실시되지만 예지 보전(CBM)에 있어서는 진단, 즉 상태측정이 정기적으로 실시된다. 이것이 TBM과 CBM의 본질적으로 다른 점이라 할 수 있는 것이다.

<도표2> 상태기준보전(CBM)의 실시과정

그리고 CBM의 사고방식에 대한 특징을 다음과 같이 요약해서 제시했다.

① 정기적으로 상태관측(진단)을 실시하여, 그 결과에 근거하여 보전의 필요성과 시기를 정한다.

② 따라서, 정기적으로 실시되는 것은 상태 관측(진단)이며, 보전은 진단결과가 그 필요성을 나타냈을 때에 수시로 행해진다.

③ 역으로, 정기적인 상태관측에 의해 열화가 발생하고 있지 않다고 판단된 설비는 운전이 그대로 계속된다.

④ 설비를 통계의 대상으로 하지 않는다. 즉, 설비를 개개로 관측하여 결정론적으로 그 신뢰성을 판단한다.

TBM에서는 설비를 집단으로 보아 통계 원리적으로 통계변동에 기인하는 보전액션을 결정한다. 따라서 원리적으로 통계변동에 기인하는 보전액션 결정상의 오차는 배제할 수 없다.

이에 대해 CBM은 개개의 설비상태의 관측 데이터를 근거로 하여 예방보전의 시기와 방법 및 예비부품의 발주시기 등을 결정한다. 이로 인해 예방보전활동의 신뢰성과 경제성을 크게 개선할 수 있는 것이다.

따라서 CBM이 다른 보전방식보다 뛰어난 점은 다음과 같이 요약할 수 있다.

① 적용 가능한 기계설비의 비율이 크다(약 90%).

② 복잡한 구조의 기계에 대해서 효과가 크다

③ TBM에서는 무력한 랜덤고장형의 기계에 대해서도 적용이 가능하다.

목차로

3. 예지보전의 추진 방법

예지보전은 일련의 계획보전 체제 구축을 위한 도전에 있어서 최종 도달 수준이다. 따라서 다음과 같은 전제조건이 필요하게 된다.

① 자주보전, 개별개선의 진전으로 강제열화가 없어지고 자연열화만이 진행되는 상태일 것

② 돌발고장이 줄고 보전담당자가 설비진단기술을 습득하여 이를 실천할 수 있는 기회(기기, 시간 등)가 있을 것

우선 해당 설비의 중요성과 고장의 빈도 및 열화형태 등 여러 가지 요인을 생각하여 적당한 보전방식을 BM, TBM, CBM 중에서 선택하지 않으면 안된다. 결론적으로 CBM이 가장 경제적이라고 판명되면 그 다음에 그 등급을 결정한다.

예지보전(CBM)시스템의 도입을 위해 보전방식의 종류와 예지보전(CBM)의 등급에 대해 살펴보자. 예지보전(CBM)을 도입하려면 CBM이 사후보전(BM) 또는 시간기준예방보전(TBM) 등의 다른 보전방식과 비교하여 경제적으로 유리한지 어떤지의 검토를 하지 않으면 안된다. 단순히 CBM을 도입한다고 하는 것이 아닌 최적의 보전방식으로서 CBM을 선택한다고 하는 사고방식이 중요하다.

CBM은 그 기능과 도입가격에 의해 고급 CBM시스템(CBM 1), 중급 CBM시스템(CBM 2), 간이 CBM시스템(CBM 3)의 3등급으로 분류할 수 있다.

CBM을 채용하는 경우는 여러 가지 요인을 검토하여 경제적으로 최적인 등급의 CBM을 채용하지 않으면 안된다. CBM의 3등급은 각각 다음과 같은 특징이 있다.

① 간이 CBM시스템(CBM 3) : 五感점검 또는 운반이 가능한 간이진단기기에 의해 설비의 상태를

정기적으로 간이진단하여 보전액션을 결정하는 가장 싼 가격의 CBM시스템

② 중급 CBM시스템(CBM 2) : CBM 3에 추가하여, 정밀진단기기에 의한 설비상태를 정기적으로

정밀진단하여, 보전액션을 결정하는 中 그레이드의 CBM시스템,

즉, 정기적인 간이진단과 정밀진단에 의해 보전액션을 결정하는 가장 잘 알려진 CBM이다.

③ 고급 CBM시스템(CBM 1) : 자동진단 기능을 가진 연속설비감시 모니터를 설치한, 고급그레

이드의 CBM. 상당히 고가의 시스템이므로 최고 중요 설비(Critical Machine)에 한해 사용한다.

그러면 예지보전을 추진하는 순서를 살펴 보기로 하자. 여기서는 예지보전기술 중에서 중요도가 70%정도로 강조되는 진동법에 대해 회전계의 이상진동진단 사례를 가지고 설명한다.

① 목적은 무엇인가 : 고장을 예지하는 것인가, 불량을 예지하는 것인가.

② 유닛 단위인가, 부품 단위인가 : 검사 단위가 유닛 단위인가, 부품 단위로 조사하는가.

③ 이들의 성능열화 상태는 알 수 있는가 : 유닛이나 부품의 마모가 시간과 더불어 점증형이 되고 있는가.

④ 파라미터로서 생각할 수 있는 것은 무엇인가 : 열화의 형태로부터 최적 파라미터를 선정한다. 이상

진동이라면 변위인가, 속도인가, 가속도인가(도표3 참조).

<도표3> 이상 종류별 측정 파라미터

측정파라미터	이상의 종류	사례
변위	변위량 또는 움직임의 크기 그 자체가 문제가 되는 이상	공작 기계의 진동 현상 회전축의 요동
속도	진동 에너지나 피로도가 문제가 되는 이상	회전 기계의 진동
가속도	충격력 등과 같이 힘의 크기가 문제가 되는 이상	베어링의 흠집진동, 기어의 흠집진동

⑤ 그 파라미터의 측정은 어떤 것인가 : 어떤 기기로 무엇을 측정하는가.

예를 들어 이상 진동이라면 주파수를 측정하는 것이 일반적이다. 진동의 주파수와 파라미터의 관계는 <도표4>와 같다.

⑥ 정기적으로 측정한다.

⑦ 파라미터와 기능열화의 상관은 있는가 : 파라미터의 변화와 기능의 열화정도에 상관 관계가 있는가, 측정 결과를 보며 조사한다.

⑧ 잠정기준(경계값, threshold)의 설정 : 열화정도로 추정하여 잠정 한계기준값을 설정한다.

⑨ 현물의 분해 조사 : 잠정기준을 벗어난 것을 분해·조사하고 상태를 체크한다.

⑩ 상관관계를 실증한다 : 데이터를 누적시키면서 파라미터와 성능열화의 상관관계를 입증한다.

⑪ 경향관리 시스템을 만든다 : 장래를 위해 퍼스컴을 사용한 경향관리 시스템 등을 만든다.

<도표4> 주파수 대역별 측정 파라미터

이상의 예지보전을 추진하는 순서를 보전현장에서 구체적으로 실천하는 경우에는 다음 사실에 유의하면서 추진한다.

① 설비진단기술 습득을 위한 교육·훈련 : 스태프가 중심이 되어 진동진단을 중심으로 한 설비 진단기술 교육을 한다.

② 정착화를 위한 각종 시책 추진 : 시기를 보아 사례 발표회, 진단 뉴스의 발행 등, 매너리즘화 방지와 정착화를 목표로 한 활동을 지속적으로 추진한다.

③ 오퍼레이터에 대한 간이진단 교육 : 오퍼레이터에게도 예지보전의 일부를 담당하도록 하기 위해 자주보전의 수준을 보고 간이진단을 할 수 있도록 교육·훈련을 한다.

④ 보전카렌더에의 반영 : 계획보전의 실천으로서 연간·월간의 보전카렌더에 반영시켜 정착화를 꾀한다.

이상의 단계를 착실히 실천하는 것이 예지보전 성공의 열쇠가 되는데, 설비진단은 눈에 띄지 않고 속효성을 기대할 수 없기 때문에 관계자의 물심양면의 지원이 중요하게 된다.

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4. 예지보전에 활용되는 설비진단기술(CDT)

예지보전(CBM)방식을 도입하여 중요성을 늘린 생산설비를 효율높게 유지관리하기 위해서는 대상이 되는 설비의 상태(Machine Condition)를 정량적으로 관측하는 기술이 필요하게 된다.

즉, 예지보전(CBM)을 실행하기 위해서는 설비의 상태 즉 설비 고장의 원인이 되는 모든 스트레스(적용 스트레스와 환경 스트레스), 설비의 열화와 고장, 성능과 운전 상태를 정확하게 파악하기 위한 설비진단이 필수적이다.

예지보전을 위한 설비진단기술에 대해 나타내면 다음 <도표5>와 같은데, 이 중에서 진동법이나 유분석법 등이 실무에서 특히 자주 이용되고 있다. 예지보전을 체계적으로 추진하기 위한 설비진단기술의 활용에 대해서는 이론 및 추진사례용의 별도의 전문서적이 많이 나와 있으므로 이를 참고하여 추진하도록 한다.

<도표5> 예지보전을 위한 설비진단기술(CDT)

No	설비진단기술	진단 내용
1	온도법	온도를 측정함으로써 설비진단을 실시하는 방법으로 온도의 변화를 판독 하여 설비의 이상을 파악하는 방법
2	유분석법	설비에 사용되고 있는 작동유, 윤활유, 절연유 등을 분석함으로써 마모 상태나 열화상태를 파악하여 설비의 진단을 실시하는 방법
3	누설검지법 (Leak Detection)	초음파, 할로겐 가스 등을 사용하여 설비의 결함상태 파악 및 누설량을 측정하여 Sealing부의 결함 상태를 파악하는 방법
4	균열검지법 (Crack Detection)	* 자분탐상검사 : 금속재료를 자화시킨후 자분을 뿌려 결함부위에서의 집결상태로 파악하는 방법 * 형광액침투검사 : 광명단을 금속표면에 도포후 Crack부위의 결함상태를 진단하는 방법
5	진동법	설비 각부위 진등을 측정함으로써 설비진단을 실시하는 방법으로 변위량, 가속도를 검출하여 설비의 결함을 파악하는 방법
6	음향법	회전부 등의 운동 상태를 파악하기 위하여 음의 크기를 진동수와 진폭을 이용하여 Microphone 등으로 측정하여 결함부위와 크기를 측정하는 진단 방법
7	부식진단법	배관내의 금속표면의 부식 및 열화상태를 파악하는 진단방법
8	압력법	압력을 측정함으로써 설비진단을 실시하는 방법으로 압력손실, 토출압 등을 변수로 해서 설비의 이상을 판단하는 방법
9	치수측정법	설비 각 부위 치수를 측정함으로써 설비진단을 실시하는 방법으로 치수 변환에 따라 설비이상을 판단하는 방법
10	전기저항법	전기기기의 전기저항치를 측정하여 기기의 이상을 판단하는 방법
11	절연측정법	전기기기 또는 선로의 절연저항치를 측정하여 기기의 이상을 판단하는 방법
12	전도도측정법	용수가 공급되는 설비의 Scale생성방지를 위하여 전기전도도에 의한 수질 측정 방법
13	pH측정법	용수가 공급되는 설비의 부식발생방지를 위하여 pH(산성도)에 의한 수질 측정 방법
14	회전속도측정법	회전체의 속도를 측정하여 기기의 이상 여부를 판단하는 방법
15	열화상진단법	전기판넬 등의 전기회로 접점부의 국부적 과열 등을 조사하는 방법

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