공장에서 모터나 펌프, 팬, 압축기와 같은 회전기계가 갑자기 멈추면 생산라인 전체가 영향을 받을 수 있습니다. 특히 하나의 핵심 설비가 정지하면서 생산이 중단되면 단순히 부품 하나를 교체하는 것보다 훨씬 큰 손실이 발생할 수 있습니다.
그래서 산업 현장에서는 기계가 완전히 고장 난 이후에 수리하는 것보다 고장이 발생하기 전에 이상 징후를 발견하는 것이 중요합니다.
이때 활용되는 대표적인 센서가 바로 진동센서(Vibration Sensor)입니다.
앞선 산업용 센서 실무 #21에서는 광센서가 빛을 이용해 물체의 유무를 판단하는 원리를 살펴보았습니다. 광센서가 자동화 설비에서 제품의 위치와 유무를 감지한다면, 진동센서는 기계가 정상적으로 작동하고 있는지, 평소와 다른 이상이 발생하고 있는지를 감지하는 역할을 합니다.
그렇다면 진동센서는 기계의 고장을 어떻게 미리 알아낼 수 있을까요?
1. 기계에서는 왜 진동이 발생할까?
먼저 진동이 무엇인지 이해할 필요가 있습니다.
모터나 펌프처럼 회전하는 기계는 작동하는 동안 어느 정도의 진동이 발생합니다. 회전축이 회전하고 베어링이 움직이며 기어가 맞물리는 과정에서 미세한 진동이 발생하기 때문입니다.
정상적인 기계라면 일정한 범위 안에서 비교적 안정적인 진동 특성을 보여줍니다.
하지만 부품이 마모되거나 축의 정렬이 틀어지거나 회전체의 균형이 깨지면 진동의 크기나 주파수 특성이 달라질 수 있습니다.
예를 들어 회전축의 균형이 맞지 않는 불평형(Unbalance)이 발생하면 특정 회전 주파수에서 진동이 증가할 수 있습니다.
축과 연결된 장비의 중심이 제대로 맞지 않는 정렬 불량(Misalignment)이 발생해도 평소와 다른 진동이 나타날 수 있습니다.
베어링이 손상되거나 기어에 문제가 생기는 경우에도 특정 주파수 성분이 증가할 수 있습니다.
즉, 기계의 고장은 갑자기 아무런 신호 없이 발생하는 것이 아니라 진동이라는 형태로 이상 징후가 먼저 나타나는 경우가 많습니다.
진동센서는 바로 이러한 변화를 찾아내는 역할을 합니다.
2. 진동센서는 무엇을 측정할까?
진동센서는 기계의 흔들림이나 진동을 전기적인 신호로 변환하여 측정합니다.
진동을 표현하는 대표적인 값에는 가속도(Acceleration), 속도(Velocity), 변위(Displacement)가 있습니다.
진동 가속도는 기계의 움직임이 얼마나 빠르게 변화하는지를 나타냅니다.
진동 속도는 기계가 얼마나 빠른 속도로 진동하고 있는지를 나타내며, 설비의 전반적인 진동 상태를 판단할 때 활용되는 경우가 많습니다.
진동 변위는 진동에 의해 물체가 기준 위치에서 얼마나 이동하는지를 나타냅니다.
어떤 값을 사용하는 것이 가장 적합한지는 측정 대상과 회전 속도, 분석 목적에 따라 달라질 수 있습니다.
따라서 진동센서를 선택할 때 단순히 “진동을 측정하는 센서”라는 이유만으로 제품을 결정하기보다는 무엇을 측정하고 어떤 고장을 확인하려는지를 먼저 정하는 것이 중요합니다.
3. 진동센서는 어떤 원리로 진동을 측정할까?
산업 현장에서 널리 사용되는 진동센서 중 하나가 가속도 센서(Accelerometer)입니다.
가속도 센서는 내부의 질량과 구조물이 진동에 따라 움직이는 특성을 이용하여 기계의 가속도를 측정하는데, 그 중 대표적으로 압전식(Piezoelectric) 가속도 센서가 있습니다.
압전식 센서는 압전 효과를 이용합니다. 센서 내부의 압전 재료에 힘이나 변형이 발생하면 전기적인 신호가 발생하는 특성을 이용하는 것입니다.
기계가 진동하면 센서 내부의 구조에도 힘이 전달되고, 이에 따라 전기 신호가 발생합니다.
이 신호를 분석하면 기계가 얼마나 진동하고 있는지 확인할 수 있습니다.
최근에는 MEMS 기술을 이용한 가속도 센서도 많이 사용됩니다. MEMS 센서는 작은 구조물을 반도체 기술로 제작하여 미세한 움직임을 전기적인 신호로 변환합니다.
센서의 크기가 작고 다양한 시스템에 적용하기 쉽다는 장점이 있어 산업 장비뿐만 아니라 자동차, 전자기기 등 여러 분야에서 활용됩니다.
4. 진동의 크기만 보면 기계 고장을 알 수 있을까?
여기서 중요한 부분이 있습니다.
진동센서를 설치했다고 해서 단순히 진동값이 높으면 고장이고 낮으면 정상이라고 판단할 수 있을까요?
답은 아니오 입니다. 왜냐하면 각 기계마다 정상적인 진동 수준이 다르기 때문입니다.
예를 들어 동일한 크기의 진동이라도 작은 모터에서는 이상 상태일 수 있지만 대형 회전설비에서는 정상적인 범위일 수도 있습니다.
따라서 진동 상태를 판단할 때는 절대적인 값 하나만 보는 것보다 평소 정상 상태에서 측정되는 값과 비교하는 방법이 중요합니다.
예를 들어 특정 모터가 평소 일정한 진동 수준을 유지하고 있었다고 가정해 보겠습니다.
시간이 지나면서 진동값이 조금씩 증가한다면 단순한 순간적인 변화가 아니라 설비 상태에 변화가 발생하고 있는 것은 아닌지 확인할 필요가 있습니다.
이처럼 진동센서는 현재의 상태를 측정하는 것뿐만 아니라 시간에 따른 변화 추세(Trend)를 확인하는 데에도 중요한 역할을 합니다.
5. 진동센서로 어떤 기계 고장을 발견할 수 있을까?
진동 분석을 이용하면 여러 종류의 설비 이상을 파악하는 데 도움을 받을 수 있습니다.
5-1. 회전체 불평형
회전하는 부품의 무게 중심이 회전축과 일치하지 않으면 회전할 때 원심력에 의해 진동이 발생할 수 있습니다.
팬이나 모터의 회전체에 먼지가 한쪽에 쌓이거나 부품이 손상되는 경우에도 불평형이 발생할 수 있습니다.
5-2. 축 정렬 불량
모터와 펌프처럼 서로 연결된 장비의 중심이 정확하게 맞지 않으면 진동이 증가할 수 있습니다.
특히 커플링을 사용하는 회전설비에서는 축 정렬 상태가 중요합니다.
5-3. 베어링 이상
베어링은 회전기계에서 매우 중요한 부품입니다.
베어링이 마모되거나 손상되면 정상적인 상태와 다른 진동 특성이 나타날 수 있습니다.
초기에는 진동 변화가 크지 않을 수도 있지만 상태가 점점 악화되면서 특정 주파수 영역의 신호가 증가할 수 있습니다.
5-4. 기어 이상
기어가 마모되거나 치형에 문제가 발생하면 기어가 맞물리는 과정에서 평소와 다른 진동이 발생할 수 있습니다.
따라서 기어박스나 감속기의 상태를 진단할 때 진동 분석이 활용되기도 합니다.
6. 진동센서가 예방정비에 중요한 이유는 무엇일까?
과거의 설비 관리 방식에서는 기계가 고장 나면 수리하는 사후정비가 일반적이었습니다.
하지만 생산설비가 복잡해지고 자동화 수준이 높아지면서 이러한 방식만으로는 생산 중단을 효과적으로 예방하기 어려워졌습니다.
그래서 산업 현장에서는 설비의 상태를 지속적으로 확인하고 이상 징후가 발견되면 미리 점검하는 예방정비 또는 상태기반정비가 중요해지고 있습니다.
진동센서는 이러한 설비 상태 감시에서 중요한 역할을 합니다.
예를 들어 모터의 진동이 평소보다 조금씩 증가하고 있다면 베어링이나 축 정렬 상태 등을 점검할 수 있습니다.
아직 기계가 정상적으로 작동하고 있더라도 이상 징후를 미리 발견하면 계획된 정비 시간에 부품을 교체할 수 있습니다.
결과적으로 갑작스러운 설비 정지를 줄이고 생산 중단에 따른 손실을 최소화하는 데 도움이 됩니다.
7. 진동센서는 어디에 설치해야 할까?
진동센서의 성능만큼 중요한 것이 설치 위치입니다.
센서가 기계의 진동을 제대로 전달받지 못하면 실제 상태와 다른 결과가 나타날 수 있습니다.
일반적으로 모터나 펌프의 베어링 하우징처럼 진동이 발생하는 부분에 센서를 설치하여 상태를 확인합니다.
센서의 설치 방향도 측정 목적에 따라 고려해야 합니다.
또한 센서와 측정 대상 사이에 불필요한 진동 전달 경로가 생기거나 설치가 느슨하면 측정 신뢰성이 떨어질 수 있습니다.
따라서 진동센서를 설치할 때는 단순히 기계에 붙이는 것이 아니라 어느 위치에서 어떤 방향의 진동을 측정할 것인지를 먼저 결정해야 합니다.
이러한 부분은 앞서 산업용 센서 실무에서 살펴본 센서 설치 위치의 중요성과도 연결됩니다.
센서는 종류가 무엇이든 설치 조건이 잘못되면 좋은 성능을 제대로 발휘하기 어렵습니다.
8. 진동센서 측정값이 갑자기 높아졌다면?
현장에서 진동센서의 측정값이 갑자기 증가했다고 해서 바로 기계 고장이라고 판단해서는 안 됩니다.
먼저 센서가 정상적으로 설치되어 있는지 확인해야 합니다.
센서가 느슨하게 고정되었거나 케이블에 문제가 발생한 경우에도 이상한 신호가 발생할 수 있습니다.
또한 기계의 운전 속도가 변경되었는지도 확인해야 합니다.
회전속도가 달라지면 진동 특성도 달라질 수 있기 때문입니다.
그다음 실제 기계에서 이상 소음이나 과도한 열 발생, 베어링 상태 변화 등이 함께 나타나는지 확인하는 것이 좋습니다.
즉, 진동센서의 값 하나만 보고 결론을 내리기보다는 진동값의 변화 추세와 설비 운전 조건, 다른 이상 징후를 함께 확인하는 것이 중요합니다.
9. 진동센서를 활용한 설비 관리의 핵심은 무엇일까?
진동센서의 가장 큰 장점은 기계가 완전히 고장 난 이후가 아니라 고장으로 이어질 가능성이 있는 초기 변화를 확인하여 예방정비를 행할 수 있다는 것입니다.
특히 모터, 펌프, 팬, 압축기, 기어박스 등 회전하는 설비에서는 진동 정보가 기계의 상태를 판단하는 중요한 자료가 될 수 있습니다.
다만 진동센서가 모든 고장을 자동으로 정확하게 알려주는 것은 아닙니다.
센서의 종류, 설치 위치, 측정 방향, 측정 주기, 기계의 정상 상태에 대한 기준값 등이 함께 고려되어야 합니다.
또한 단순한 진동 크기뿐만 아니라 주파수 분석이나 시간에 따른 변화 추세 등을 함께 분석하면 설비 이상을 보다 구체적으로 파악하는 데 도움이 됩니다.
10. 마무리
진동센서는 단순히 기계가 얼마나 흔들리는지를 측정하는 장치가 아닙니다.
기계에서 발생하는 진동을 전기적인 신호로 변환하고, 그 신호의 크기와 변화 추세, 주파수 특성 등을 분석함으로써 설비의 이상 상태를 조기에 발견하는 데 활용되는 중요한 산업용 센서입니다.
모터의 불평형, 축 정렬 불량, 베어링 손상, 기어 이상 등 다양한 기계적인 문제는 진동 특성의 변화로 나타날 수 있습니다.
따라서 진동센서는 갑작스러운 설비 고장을 줄이고 계획적인 유지보수를 가능하게 하는 중요한 도구라고 할 수 있습니다.
앞서 살펴본 광센서가 자동화 설비에서 물체의 존재를 감지하는 눈과 같은 역할을 한다면, 진동센서는 기계 내부에서 발생하는 이상 신호를 감지하는 귀와 같은 역할을 한다고 생각할 수 있습니다.
다음 글에서는 또 다른 환경 측정용 센서인 습도센서에 대해 알아보겠습니다. 습도센서는 단순히 공기 중의 수분을 측정하는 것처럼 보이지만, 실제 측정값에는 온도와 센서의 특성, 설치 환경 등이 영향을 줄 수 있습니다.
다음 글에서는 습도센서가 공기 중의 수분을 어떻게 측정하는지, 그리고 같은 장소에서도 습도 측정값이 달라질 수 있는 이유를 자세히 살펴보겠습니다.