공장 자동화 시스템에서는 수많은 센서가 사용됩니다.
앞선 산업용 센서 실무 #27에서는 공장 자동화에서 여러 종류의 센서가 함께 사용되는 이유를 살펴보았습니다. 광센서는 제품의 위치를 감지하고, 근접센서는 부품의 접근을 확인하며, 온도센서와 습도센서는 주변 환경을 측정합니다. 또한 진동센서는 회전기계의 상태를 확인하고, 수위센서는 탱크 내부의 액체 상태를 감지합니다.
각 센서는 서로 다른 정보를 제공하지만 결국 하나의 자동화 시스템 안에서 연결되어 작동합니다.
그렇다면 여기서 중요한 문제가 하나 발생합니다.
이렇게 여러 센서가 연결된 자동화 시스템에서 센서 하나가 고장 나면 어떻게 될까요?
단순히 해당 센서의 측정값 하나만 잘못되는 경우도 있지만, 센서의 역할에 따라서는 생산라인 전체가 정지하거나 제품 품질에 문제가 발생할 수도 있습니다.
특히 자동화 설비에서는 센서가 제어장치에 정보를 전달하는 중요한 역할을 하기 때문에 센서 고장을 조기에 발견하고 적절하게 대응하는 것이 매우 중요합니다.
이번 글에서는 산업용 센서 고장이 자동화 시스템에 어떤 영향을 미치는지, 센서 오작동이 발생하는 원인은 무엇인지, 그리고 센서 고장을 예방하기 위해 무엇을 확인해야 하는지 알아보겠습니다.
1. 자동화 시스템에서 센서는 어떤 역할을 할까?
자동화 시스템은 사람이 모든 작업을 직접 확인하지 않아도 기계가 정해진 순서에 따라 작업하도록 만들어진 시스템입니다.
하지만 기계가 스스로 판단하기 위해서는 현재 상황에 대한 정보가 필요합니다.
예를 들어 컨베이어에서 제품이 이동하고 있다고 생각해 보겠습니다.
제어장치는 제품이 어느 위치에 있는지 알아야 다음 작업을 진행할 수 있습니다.
이때 광센서나 근접센서가 제품의 위치를 감지하고 신호를 전달합니다.
센서에서 신호를 받은 PLC는 해당 정보를 바탕으로 모터를 정지시키거나 실린더를 작동시키는 등의 동작을 수행합니다.
즉, 자동화 시스템에서 센서는 현장의 상태를 감지하여 제어장치에 알려주는 역할을 합니다.
센서가 정확한 정보를 전달해야 제어장치 역시 올바른 판단을 할 수 있습니다.
2. 센서 하나가 고장 나면 왜 문제가 될까?
센서 하나의 고장이 반드시 전체 시스템의 고장으로 이어지는 것은 아닙니다.
다만 어떤 센서인지, 어떤 역할을 담당하고 있는지에 따라 문제의 크기가 달라집니다.
예를 들어 단순히 제품의 존재 여부를 표시하는 보조 센서가 고장 났다면 생산에는 큰 영향을 주지 않을 수도 있습니다.
하지만 제품의 위치를 확인하고 다음 공정의 시작 조건을 결정하는 핵심 센서가 고장 난다면 이야기가 달라집니다.
PLC가 제품이 도착했다는 신호를 받지 못하면 다음 공정을 시작하지 않을 수 있습니다.
반대로 센서가 실제로 제품이 없는데도 제품이 있다고 잘못 판단하면 기계가 예상하지 못한 동작을 할 수도 있습니다.
따라서 센서 고장의 영향은 센서 자체의 중요도와 자동화 시스템에서 담당하는 역할에 따라 달라집니다.
3. 센서 고장의 두가지 형태는?
산업용 센서의 고장을 이해할 때 중요한 부분이 있습니다.
센서 고장이 항상 “아무런 신호가 나오지 않는 것”을 의미하지는 않는다는 것입니다.
대표적으로 신호가 완전히 사라지는 고장과 잘못된 신호를 계속 출력하는 고장으로 생각할 수 있습니다.
첫 번째 경우에는 센서가 고장 났다는 사실을 비교적 쉽게 발견할 수 있습니다.
예를 들어 제품이 센서 앞을 지나가도 출력 신호가 전혀 변하지 않는다면 센서 이상을 의심할 수 있습니다.
문제는 두 번째 경우입니다.
센서가 고장 났지만 계속해서 정상적인 것처럼 신호를 출력할 수도 있습니다.
이 경우 제어장치는 센서의 신호를 정상적인 정보라고 판단할 수 있기 때문에 문제를 발견하기가 더 어려워집니다.
따라서 자동화 시스템에서는 센서의 신호가 존재하는지뿐만 아니라 그 신호가 실제 현장 상태와 일치하는지도 확인하는 것이 중요합니다.
4. 센서 고장 – 생산라인의 정지
센서 하나의 고장으로 가장 쉽게 발생할 수 있는 문제 중 하나가 생산라인 정지입니다.
예를 들어 컨베이어에서 제품이 특정 위치에 도착하면 다음 공정이 시작되는 시스템이 있다고 가정해 보겠습니다.
제품의 위치를 감지하는 센서가 고장 나면 PLC는 제품이 도착했다는 신호를 받지 못할 수 있습니다.
그러면 다음 공정의 조건이 충족되지 않았다고 판단하여 설비를 정지시킬 수 있습니다.
이러한 안전 정지는 자동화 설비에서 필요한 기능이기도 합니다.
센서가 정상적으로 작동하지 않는 상태에서 기계를 계속 움직이는 것보다 문제가 발생했을 때 설비를 정지시키는 것이 더 안전할 수 있기 때문입니다.
하지만 생산라인이 멈추면 작업 지연과 생산량 감소로 이어질 수 있습니다.
따라서 센서 고장을 빠르게 발견하고 복구하는 것이 중요합니다.
5. 센서 고장 – 제품 품질의 영향
센서 고장이 항상 생산라인을 멈추게 만드는 것은 아닙니다.
오히려 더 주의해야 하는 경우가 센서가 잘못된 정보를 전달하면서 생산이 계속되는 상황입니다.
예를 들어 온도센서가 실제보다 낮은 온도를 측정하고 있다고 생각해 보겠습니다.
제어 시스템은 현재 온도가 정상 범위라고 판단할 수 있습니다.
하지만 실제 공정 온도가 기준을 벗어나 있다면 제품의 품질에 영향을 줄 수 있습니다.
수위센서 역시 마찬가지입니다.
탱크의 실제 수위가 낮은데 센서가 정상적인 수위라고 판단하면 펌프의 작동 조건이 잘못될 수 있습니다.
이처럼 센서 오작동은 생산라인을 멈추게 하는 문제뿐만 아니라 불량품 발생이나 품질 편차로 이어질 가능성도 있습니다.
6. 센서 고장 – 설비의 손상
센서는 단순히 생산품을 확인하는 용도로만 사용되는 것이 아닙니다.
설비를 보호하기 위한 센서도 있습니다.
예를 들어 모터의 온도를 감시하는 온도센서나 회전기계의 상태를 확인하는 진동센서가 있습니다.
앞선 산업용 센서 실무 #22에서 살펴본 것처럼 진동센서는 기계의 이상 상태를 파악하는 데 활용할 수 있습니다.
만약 이러한 센서가 제대로 작동하지 않는다면 설비의 이상 징후를 놓칠 가능성이 있습니다.
처음에는 작은 이상이었지만 이를 발견하지 못하면 시간이 지나면서 설비 손상으로 이어질 수도 있습니다.
따라서 센서의 역할이 단순 측정인지, 설비 보호와 관련된 중요한 역할인지 구분하는 것이 중요합니다.
7. 센서 고장이 발생하는 대표적인 원인은 무엇일까?
산업용 센서 고장의 원인은 매우 다양합니다.
첫 번째는 센서 자체의 노후화입니다.
센서는 장기간 사용하면서 내부 부품이나 감지 소자의 특성이 변화할 수 있습니다.
두 번째는 오염입니다.
공장에서는 먼지, 오일, 수분, 화학물질 등이 센서 표면이나 감지부에 영향을 줄 수 있습니다.
세 번째는 기계적인 충격입니다.
센서가 설비의 진동이나 충격에 지속적으로 노출되면 설치 상태가 변하거나 내부 부품에 문제가 발생할 수 있습니다.
네 번째는 배선과 연결부 문제입니다.
센서 자체는 정상이어도 케이블 단선이나 접촉 불량, 커넥터 문제 등으로 인해 신호가 제대로 전달되지 않을 수 있습니다.
다섯 번째는 전원 및 전기적 문제입니다.
센서에 필요한 전압이 정상적으로 공급되지 않거나 주변의 전기적 노이즈가 신호에 영향을 줄 수도 있습니다.
따라서 센서 고장을 점검할 때는 센서만 확인해서는 안 됩니다.
8. 센서 오작동과 실제 고장의 구분
현장에서 센서의 측정값이 이상하다고 해서 반드시 센서 자체가 고장 난 것은 아닙니다.
이 부분은 센서 유지보수에서 매우 중요합니다.
예를 들어 수위센서의 값이 실제와 다르게 표시된다면 센서의 고장을 의심할 수 있습니다.
하지만 탱크 내부에 거품이 많이 발생했거나 액체의 흐름이 급격하게 변했을 수도 있습니다.
초음파 수위센서라면 센서와 액체 사이의 신호 전달에 영향을 주는 장애물이 생겼을 가능성도 있습니다.
습도센서 역시 측정값이 이상하다고 해서 바로 센서 고장으로 판단하기보다는 주변 온도와 습도 조건, 센서 오염 여부 등을 확인해야 합니다.
즉, 이상한 측정값 = 센서 고장이라고 단정해서는 안 됩니다.
측정 환경과 설치 상태를 함께 확인해야 정확한 원인을 찾을 수 있습니다.
9. 센서 고장을 예방하기 위한 정기점검
센서 고장을 완전히 예방하는 것은 어렵지만 정기적인 점검을 통해 고장 가능성을 줄일 수 있습니다.
먼저 센서의 외관을 확인합니다.
센서가 흔들리거나 위치가 변경되지 않았는지, 충격이나 손상의 흔적이 없는지 살펴봅니다.
다음으로 센서 표면과 감지부의 오염 상태를 확인합니다.
먼지나 오일이 많이 쌓여 있다면 센서의 측정 특성에 영향을 줄 수 있습니다.
배선과 커넥터도 확인해야 합니다.
케이블이 손상되거나 연결부가 느슨해지면 센서 신호가 불안정해질 수 있습니다.
마지막으로 실제 측정값과 기준값을 비교하여 센서의 상태를 확인할 수 있습니다.
이러한 점검을 정기적으로 실시하면 센서가 완전히 고장 난 뒤 교체하는 것보다 이상 징후를 조금 더 일찍 발견할 수 있습니다.
10. 센서는 어떻게 관리를 해야할까?
공장에 설치된 모든 센서를 똑같이 관리할 필요는 없습니다.
자동화 시스템에서 어떤 센서가 더 중요한지를 먼저 파악하는 것이 좋습니다.
예를 들어 생산라인의 안전과 직접적으로 관련된 센서라면 높은 수준의 관리가 필요합니다.
또한 생산품의 품질을 결정하는 핵심 공정에 사용되는 센서 역시 중요하게 관리해야 합니다.
반면 단순한 표시나 보조 기능을 수행하는 센서는 상대적으로 관리 우선순위가 낮을 수 있습니다.
이러한 방식으로 센서의 중요도를 구분하면 제한된 인력과 시간으로도 효율적인 센서 유지보수를 수행할 수 있습니다.
11. 센서 고장을 빠르게 발견하려면 어떻게 해야 할까?
센서 고장을 빠르게 발견하기 위해서는 단순히 문제가 발생했을 때 점검하는 방식보다 상태를 지속적으로 모니터링하는 방법이 효과적일 수 있습니다.
예를 들어 센서의 출력값이 평소와 다르게 급격하게 변하는지 확인할 수 있습니다.
또한 일정 시간 동안 변화가 전혀 없는 센서도 확인 대상이 될 수 있습니다.
실제 생산 상황에서는 제품이 계속 이동하고 있는데 위치센서의 신호가 장시간 동일하게 유지된다면 센서 또는 시스템의 이상을 의심할 수 있습니다.
온도센서나 압력센서도 실제 공정 상황과 비교하여 지나치게 비정상적인 값이 나타나는지 확인할 수 있습니다.
이처럼 센서 데이터의 변화 패턴을 지속적으로 확인하는 것은 센서 이상을 조기에 발견하는 데 도움이 될 수 있습니다.
12. 센서의 고장을 대비한 시스템 설계의 중요성
센서 고장을 완전히 막을 수 없다면 고장이 발생했을 때 피해를 줄이는 방법도 필요합니다.
자동화 시스템에서는 중요한 기능에 센서를 하나만 사용하는 대신 필요에 따라 이중화하거나 다른 센서의 정보를 함께 활용할 수 있습니다.
예를 들어 하나의 센서만으로 중요한 안전 조건을 판단하는 대신 서로 다른 센서의 상태를 함께 확인하도록 시스템을 구성할 수 있습니다.
또한 센서 신호가 비정상적인 경우 자동으로 설비를 안전한 상태로 전환하도록 제어 로직을 구성할 수도 있습니다.
물론 모든 시스템에 이중화가 필요한 것은 아닙니다.
설비의 중요도와 비용, 안전 요구사항 등을 고려하여 적절한 수준으로 설계하는 것이 중요합니다.
13. 센서 고장은 단순한 부품 교체 문제가 아니다
센서에 문제가 발생하면 많은 경우 가장 먼저 센서를 교체하려고 합니다.
하지만 산업 자동화 시스템에서는 센서를 교체하는 것만으로 문제가 해결되지 않을 수 있습니다.
새로운 센서를 설치한 후에는 설치 위치와 배선, 출력 신호, PLC의 입력 상태 등을 확인해야 합니다.
또한 센서의 측정 범위와 출력 방식이 기존 제품과 동일한지도 확인해야 합니다.
필요한 경우 교정이나 설정 작업도 진행해야 합니다.
특히 중요한 것은 센서를 교체한 후 실제 현장에서 정상적으로 동작하는지 확인하는 것입니다.
센서의 표시값이 정상이라고 해서 자동화 시스템 전체가 정상적으로 작동한다고 바로 판단해서는 안 됩니다.
센서 신호가 PLC에 정상적으로 전달되고, PLC가 올바른 제어 동작을 수행하는지까지 확인해야 합니다.
14. 마무리
공장 자동화 시스템에서 센서는 단순한 측정 장치가 아닙니다.
센서는 생산설비의 현재 상태를 제어 시스템에 전달하는 중요한 역할을 담당합니다.
따라서 센서 하나의 고장도 자동화 시스템 전체에 영향을 줄 수 있습니다.
특히 생산라인의 핵심 위치센서나 안전 관련 센서, 품질에 직접 영향을 주는 온도·압력·수위센서 등이 고장 나면 생산 중단이나 품질 문제, 설비 손상 등으로 이어질 가능성이 있습니다.
센서 고장의 원인 역시 다양합니다.
센서 자체의 노후화뿐만 아니라 오염, 충격, 진동, 배선 문제, 전원 문제, 설치 환경 변화 등 여러 가지 원인이 있을 수 있습니다.
또한 센서의 측정값이 이상하다고 해서 반드시 센서 자체의 고장이라고 단정해서도 안 됩니다.
센서 상태 → 설치 상태 → 배선과 전원 → 측정 환경 → PLC 및 제어 시스템을 순서대로 확인하는 것이 문제의 원인을 찾는 데 도움이 됩니다.
결국 안정적인 자동화 시스템을 만들기 위해서는 좋은 센서를 선택하는 것만큼이나 센서의 중요도를 파악하고 정기적으로 점검하며, 이상 신호를 조기에 발견할 수 있는 관리 체계를 갖추는 것이 중요합니다.
지금까지 살펴본 것처럼 센서는 자동화 시스템의 눈과 귀 역할을 합니다.
그리고 센서가 많아질수록 중요한 것은 단순히 센서를 설치하는 것이 아니라 각각의 센서가 어떤 역할을 담당하고 있으며, 고장이 발생했을 때 시스템에 어떤 영향을 미치는지 파악하는 것입니다.
다음 글에서는 센서를 처음 선택하는 사람이라면 반드시 알아야 할 핵심내용을 정리해 보겠습니다.