空壓設備 故障原因 分析에 관한 硏究

A Study on the Fault Analysis Of the Pneumatics Equipment Maintainability

이판국*, 함효준**

Pan-Kook Lee, Hyo-Joon Hahm

Abstract

In this paper, we suggested the new fault pursuit method focused on the Pneumatics that is importantly regarded as the part of life cost for the improvement of maintenance cost and maintainability make it possible to find the faults rapidly. Also, we developed the fault pursuit model for the hardware part of Pneumatics to improve the maintenance of Pneumatics system. By applying this model, we proposed the task analysis model that is presented by sequence expression, graphic expression, circuit expression, system circuit, recommendation circuit using VDI 3226 which are the major six functions of Pneumatics system. Consequently, we developed and applied the fault pursuit process to implement the (1) comprehension method by sequence method, and (2) method by Pneumatics parts analysis.

1. 서 론

*  아주대학교 산업공학과

** 아주대학교 산업정보시스템공학부 교수

기업환경 변화에 의한 제조현장의 급격한 변화는 설비의 요구조건에 대한 변화를 강요하고 있다. 다양한 제조환경 변화에 대처 할 수 있는 설비, 고장이 안 나는 설비, 엄격한 조건하에서 운전 가능한 설비, 또는 설비에 의한 불량율 0화 등은 설비의 요구조건에 대한 좋은 예들이다. 특히 자동화 설비이면서 보전도가 우수한 설비 구축은 격화되고 있는 가격경쟁 하에서 기업 생존에 결정적인 역할을 수행하고 있다.

그러므로 본 연구는 자동화 설비의 핵심부품 이면서 동시에 자동화 설비인 공압설비의 보전도를 향상시키기 위하여 공압설비 결함 추적을 위한 모형을 개발함으로써 공압설비의 운전 생산성을 향상시키기 위한 것이다. 이 공압설비는 CIM(Computer Integrated Manufacturing)으로의 발전에 가장 중요한 하드웨어 중 하나로써 자동화 설비 중에서도 70%이상을 차지하고 있다.

이와 같은 연구는 공압 설비의 중요성에 비하여 극히 제한되어 왔다. 이것은 공압설비의 복잡성과 역학적 한계성에 의하여 보전도 측면이 극히 무시되어 왔기 때문이다. 다른 복잡한 설비와 마찬가지로 공압설비의 생애비용(life cycle cost)에 대한 무관심은 설비 가동률의 저하를 가져오고 이것은 제조 생산성 및 기업 이익의 저하를 초래하게 된다.

특히 수많은 특정 요소로 구성되어 있는 이 설비에 대한 체계적 결함(고장)분석 방법이 개발되고 있지 않은 시점에서 이에 대한 연구는 제조환경의 변화에 능동적으로 대처 할 수 있는 중요한 과제라 할 수 있다.

그러므로 본 연구는 공압설비의 운전 생산성 향상에 큰 일익을 담당 할 것이다.

2. 연구 내용 및 방법

공압에너지는 생산과 저장에 상당한 경비를 요하는 값비싼 에너지이며 공압기술 자체도 경험적인 요소가 많아 부품 선정이나 회로 설계를 하는데 있어서 자신의 지식이나 경험에 의존하고, 기존의 제조업체들이 제공하는 관련 정보만을 이용하므로 체계적이고 일관된 설계기법이 정착되고 있지 않다[3]. 또한 종래의 공압시스템 설계 목표는 공압부품의 작업성과 안정성 및 신뢰성에 지나치게 집중되었다.

이와 같은 이유로 설계된 공압시스템은 작업기능의 충족이 주요 운전과제로써, 생애수명(life cycle) 동안의 전체적인 효율대 비용 향상에는 많은 관심을 보이고 있지 않다. 즉, 보다 체계적인 고장 추적, 발견, 확인 및 조처들에 대한 보전도 향상에 대해서는 초보적인 수준에 머물고 있다. 이와 유사한 유압 및 전기에너지에 비해 공압의 경우 <표 1>과 같이 작업 대 비용비율이 2.5∼10배나 되어 고장에 의한 설비 생산성 손실 절감은 공압설비 가동의 가장 중요한 요소로 등장한다.

<표 1> Ratio of work costs

작업용 매체	전기 에너지	유압 에너지	공압 에너지
작업 비용 비율	1	4	10

본 연구의 목적은 그 동안 연구가 극히 미비하였던 공압시스템이나 공압요소가 취부되는 시스템의 효율적인 보전도 향상[32][39]을 위한 결함추적 모형을 개발하여 구축하는 것이다. 그리고 본 연구의 연구범위는 공압시스템의 하드웨어부에 국한하였다.

일반적으로 복잡한 하드웨어 시스템의 보전도 연구가 최근까지 큰 진전을 보이고 있지 못한 것처럼 공압시스템에서도 이 분야의 연구는 보이지 않는 실정이다. 본 연구에서 개발된 모형은 공압기기가 포함되는 시스템에 대하여 부여되는 일반화된 작업 요구 조건을 만족하면서 에너지 비용을 최소화할 수 있는 결함추적 모형이다.

3. 공압시스템의 고찰

공압은 전동기나 내연기관으로 압축기를 구동해서 기계적 에너지를 공기의 압력에너지로 변환시키고, 이 압력을 제어하여 공압작동요소에 공급하여 각종 기계적 작업을 하는 곳에 사용된다. 이러한 작업에 관계되는 일련의 요소를 공압기기라고 부르며 공압요소의 결합체를 공압시스템이라 한다. 공압시스템은 실제로 작업을 담당하는 구동요소와 그 구동요소를 제어해 주는 밸브들, 그리고 외부의 조건을 감지하는 신호입력요소로 구성되어 있다. 공압시스템을 설계할 때 제일 먼저 고려해야 할 요소는 구동요소로서 이 요소가 선정되어야만 그에 따른 제어밸브, 속도 및 압력 조절을 위한 유량제어밸브와 압력제어밸브, 그리고 기타 액세서리들이 정해지게 된다. 공압시스템의 기본 구성은 공압 발생 장치, 신호 입력요소, 신호 처리요소, 작업요소로 구성된다.

공압을 이용하면 다양한 작업을 할 수 있다. 산업현장에서는 주로 실린더를 이용한 선형작업을 많이 하고 있지만 작업내용에 따라서는 회전 실린더를 이용한 회전작업이나 흡착컵을 이용한 작업도 많이 응용되고 있다.

공압 시스템의 기능은 <그림 3-1>과 같이 선형, 회전 및 진공작업 시스템이 있다.

<그림 3-1> 공압 시스템의 구성 제어 Chain[30]

4. 결함추적 방법

결함추적이란 고장발생의 현상과 원인 및 스트레스의 관계를 해명하여 유효한 방법을 강구하는 것이다. 이 장에서는 공압시스템에서 결함을 추적하기 위하여 두 가지의 관점에서 결함을 추적하기로 한다. 첫 번째 관점은 시퀀스 분석방법에 의한 회로도 독해의 방법이며, 그리고 공압 부품 분석에 의한 방법으로 그 절차는 <그림 4-1>과 같다.

4.1 시퀀스 분석방법에 의한 회로도 독해의 결함추적

일반적으로 운전지침서(operational manual)는 시스템의 시퀀스를 한눈에 파악할 수 있는 자료로는 부적합하다. 결함추적을 위하여 운전지침서를 읽는데도 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 체계적으로 시퀀스를 파악하는데도 무리가 따른다. 따라서 기능 시퀀스를 표현하는 여러 가지 방법이 필요하며 이를 통해서 운전지침서의 기본윤곽을 파악한 다

<그림 4-1> 결함추적의 Process

음에 운전지침서를 읽으면 시스템의 시퀀스를 쉽고 체계적으로 파악할 수가 있다.

본 장에서는 기능에 의한 시퀀스를 표현하는 여러 가지 방법과 이 방법을 통한 회로도의 기본 구성 구축을 제시한다. 특히 공압의 가장 기본이 되는 6가지 기능을 중심으로 이들을 표현한다.

4.1.1 벤딩 및 펀칭 기능의 시퀸스 및 회로도       구성

벤딩 및 펀칭 작업은 다음과 같다.

① 홀더에 얇은 철판이 수동으로 삽입된        후 실린더에 의해서 클램핑 된다.

② 두 개의 다른 벤딩 실린더가 철판을 구

부려 놓으면 펀칭실린더가 구멍을 낸다.

이와 같은 작업에 대한 시퀀스는 다음과 같이 여러 가지 방법으로 표현할 수 있다.

<그림 4-2> 벤딩 및 펀칭 기능 장비 위치도

<표4-1> 넘버링 표시법에 의한 시퀀스 챠트

단계	작동밸브	작동방법	전환밸브	압축공기라인	액튜에이터 밸브 전환	작업요소		비고
						전진완료	후진완료
1 2 3 4 5 6 7 8	1.2 1.4 2.2 3.2 3.3 4.2 4.3 2.3 1.3	수동 1.0 1.0 2.0 3.0 3.0 4.0 4.0 2.0	0.2(Y) - - 0.1(Z) - 0.2(Z) 0.1(Y) - -	1 1 1 2 2 3 3 3	1.1(Z) 2.1(Z) 3.1(Z) 3.1(Y) 4.1(Z) 4.1(Y) 2.1(Y) 1.1(Y)	1.0 2.0 3.0 - 4.0 - - -	- - - 3.0 - 4.0 2.0 1.0	- - - - - - - -

(가) 시퀀스의 표현기법

1) 기술식 표현은 다음과 같다.

① 실린더1 철판의 클램프

② 실린더2 1차 벤딩

③ 실린더3 2차 벤딩

④ 실린더3 후진 완료

⑤ 실린더4 4□ 홀 펀치

⑥ 실린더4 후진 완료

⑦ 실린더2 후진 완료

⑧ 실린더1 클램프 해제

2) 테이블 표현은 <표4-2>과 같다.

<표 4-2> 동작챠트

작업단계	실린더1	실린더2	실린더3	실린더4
1 2 3 4 5 6 7 8	전진 - - - - - - 후진	- 전진 - - - - 후진 -	- - 전진 후진 - - - -	- - - - 전진 후진 - -

3) 벡터 표현은 다음과 같다.

<그림 4-3> 기능도표

① 실린더1 □

② 실린더2 □          □ 전진

③ 실린더3 □          □ 후진

④ 실린더3 □

⑤ 실린더4 □

⑥ 실린더4 □

⑦ 실린더2 □

⑧ 실린더1 □

4) 시퀀스 챠트

시퀸스 차트에서의 기기별 넘버링 표시법 은 ISO5599 기준을 따랐으며 <표4-2>와 같이 작성한다.

5) 기능도표는 <그림4-3>과 같이 작성한다.

6) 약호 표현은 다음과 같다.

실린더1   +

실린더2   +          + : 전진

실린더3   +          - : 후진

실린더3   -

실린더4   +

실린더4   -

실린더2   -

실린더1   -

(나) 그래프식 표현

1) 모션 다이아그램

각 단계에서의 작업요소의 운동을 나타낸 그림으로서 두 개의 축으로 이루어진다. 한축은 작업요소의 변위를 다른 축은 단계를 표시한다. 변위-단계 선도라고도 하며, 변위단계 선도에서 단계를 나타내는 축에 시간개념을 도입하면 변위-시간 선도가 된다.

다음의 예는 앞장에서 언급한 벤딩 및 펀칭 지그를 나타낸 것이다.

<그림 4-4>  변위-단계선도

<그림 4-5>  변위-시간선도

이러한 그림들은 기계의 동작을 쉽게 이해하도록 도와준다. 작동 시퀀스도 역시 다음의 형태로 표현될 수 있다.

<그림 4-6> 변위 단계 도표

2) 제어 다이어그램

신호요소의 스위칭 상태를 표시한 그림이 제어 다이어그램인데 스위칭시간은 무시하기로 한다. 이는 스위치의 접점상태만이 중요하기 때문이다.

<그림 4-7> 제어 다이어그램

위의 예에서 2번째 단계에서 리미트 스위치는 열리고(작동되고) 5번째 단계에서는 닫힌다. 제어 다이어그램에서는 한라인에 리미트 스위치의 상태를 표시하기도 한다.

<그림 4-8> 제어 다이어그램(리미트 스위치)

모션 다이어그램과 제어 다이어그램은 기능 시퀀스를 표현하기 위하여 종종 같이 다루어지는 경우가 많은데 이 둘을 합쳐서 기능선도(function diagram)라고 한다.

앞의 예제에 대한 기능선도를 그리면 다음과 같다.

<그림 4-9> 기능선도

(다) 회로도 표현

앞의 사례에 대한 회도로는 ISO 5599에 의하여 다음과 같이 표현될 수 있다.

1) 회로도의 각 공압요소의 표현

<그림 4-10> 공압요소의 회로도

작업요소에는 번호 1.0, 2.0 ‥‥을 붙인다. 그 작업요소를 제어해 주는 제어요소에는 각각 1.1, 2.1‥‥등을 붙인다.

<그림 4-11> ISO 5599에 의한 작업요소 및 제어요소

신호 입력요소는 두 가지로 구분되는데 작업요소를 전진운동 시키는데 기여하면 짝수를 붙이고(예를 들어 1.2, 1.4, 2.2, 3.2‥‥) 후진운동을 시키는데 사용되면 홀수를 붙인다(예를 들어 1.3, 2.3, 3.3‥‥)

<그림 4-12> ISO 5599에 의한 입력신호

(그림 4-11)의 0.1, 0.2, 0.3‥‥은 공압공급요소를 나타낸다(서비스유니트, 차단밸브 등) 그리고  0.02, 1.03, 2.02‥‥는 보조요소를 나타낸다(일방향 유량제어밸브, 교축요소, 급속배기밸브 등).

회로도의 또 다른 표현방법은 VDI 3226항에서 추천하는 방법인데 여러 요소에 일련번호를 붙이는 방법이다. 이 방법대로 번호를 붙이면 다음과 같다.

<그림 4-13>  VDI 3226항의 추천번호 부여방법

2) 알파벳을 사용한 표현(ISO 1219)

이 표현방법은 좀더 복잡한 회로도에 사용된다. 작업요소는 대문자를 사용하고 신호요소에는 소문자가 사용된다.

<그림 4-14> ISO 1219에 의한 작업요소

A, B, C ‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 작업요소

a□, b□, c□‥‥ 전진위치의 신호요소

a0 , b0 , c0  ‥‥‥‥후진위치의 신호요소

전기공압에서처럼 숫자와 문자를 조합하여 사용할 수도 있다.

① 요소의 표현

회로도의 모든 공압요소는 초기위치(initial position)상태로 표현된다.

② 제어위치의 정의

- 정상위치(normal position) : 밸브에 어떤 외부의 힘도 작용하고 있지 않을 때의 제어위치(스프링에 의해 리셋되어 있는 위치)

- 초기위치(initial position) : 공압시스템에 장착되어 작업이 시작되기 직전의 밸브위치

정상상태 열림의 밸브가 회로도에서 동작된 상태로 있을 때의 표현을 예로 들면 다음 그림과 같다.

<그림 4-15> 정상상태의 열림 밸브 회로도

방향성 롤러레버밸브는 오직 한 방향에서만 동작되는데 동작방향을 회로도에서 표시해 준다.

<그림 4-16> 방향성 롤러레버밸브

<그림 4-17> 전, 후진 완료위치도

전, 후진 완료위치의 표현은 선을 짧게 그어서 표현하는데 예를 들어 신호요소 1.3은 전진완료 위치에서 동작되고 후진이 되기 시작되면 풀린다. 신호요소 2.2는 화살표 방향으로 동작될 때만 방향성 롤러레버가 동작된다.

3) 배관에 대한 표시

배관에 대한 표시는 회로도와 조립설치도에 나타내 주는 것이 바람직하다. 각 배관에 코드표를 달아 각 요소와의 연결상태를 파악할 수 있도록 한다.

예를 들어 1.2P로 표시하면 공압요소 1.2의 압력라인을 표시하는 것이고, 1.2A를 표시하면 공압요소 1.2의 작업라인을 표시하는 것이다.

신호요소 1.2의 배관구 A로             부터 신호요소 1.1의 배관구 Z로

연결됨.

신호요소 1.1의 배관구 Z로             부터 신호요소 1.2의 배관구 A로

연결됨.

<그림 4-18> 배관에 대한 표시

(라) 시스템 회로도

완성된 벤딩 및 펀칭지그 회로도(그림 4-19)은 다음과 같다.

<그림 4-19> 벤딩 및 펀칭지그 회로도

(바) 위치 회로도

<그림 4-20>에서는 실린더와 신호입력요소가 공압시스템에 장착되어 있는 위치대로 표현하여 그린 회로도이다.

서비스 엔지니어에게는 매우 유익한 회로도이지만 회로도를 독해하기가 어렵고 배관할 때 오류를 범하기 쉽다.

<그림 4-20> 위치 회로도

4.2 공압 부품분석에 의한 결함 추적

<그림4-21> 공압장치 고장원인 분석법(특성요인도)

결함이 발견된 부품은 각 기기를 분해하여 구조와 명칭을 부여한뒤 기기별 고장원인과 대책을 강구하는데 본 연구에서는 여러 부품중 고장 빈도가 가장 많은 공압필터와 압력조절기로 쓰이는 공기압조정 유니트(service unit)와 엑튜레이터(actuator)인 복동실린더 제어 밸브인 솔레노이드 벨브(solenoid valve)로 국한하였다.

공압장치에서의 원인을 찾는 방법에는 경험과 직관에 의한 방법도 유효한 경우가 많으나 과학적으로 원인을 분석하는 방법을 몸에 익혀 두는 것이 합리적이다. 문제점의 원인을 요인별로 정리한 특성요인도를 사용하면 체계적으로 원인에 접근하고 분석할 수 있다. 정상적인 회로에서 실린더가 작동하지 않는 경우는 다음 그림에 나타내었다.

4.2.1 공압필터 및 압력조절기

<그림 4-22a> 필터와 압력조절기

P1의 배관으로부터 필터로 압축공기가 흘러 들어온다. 소용돌이 플레이트 (18)는 공기를 소용돌이치게 하고 먼지 큰 입상의 물은 아래로 떨어지게 된다. (원심력) 공기는 필터용기(27) 아래쪽 공간을 지나 필터(20)를 통하여 깨끗해  진 후 압력조절기로 들어간다.

응축수는 배수밸브(29)를 통하여 제거된다. 조절나사(1)를 통하여 격판(10)의 초기셋팅이 이루어지고 실링콘(15)이 출구 P2로 흘러나가는 공기의 양을 조절한다. 만약 P1의 압력이 크게 되면 격판(10)이 위로 밀어 올려져서 압축공기가 커버(6)에 나있는 작은 구명을 통하여 빠져나가고 압력은 초기에 설정해 초기에 설정해 높은 값을 유지하게 된다.

<그림 4-22b> 내부 명칭

번 호	품 명
1 2 4 5 6 7 8 *9 *10 11 12 *13 14 15 16 17 18 19 *20 *21 22 *23 24 25 26 27 *28 29 30	조절용 나사 육각 너트 마운팅 앵글 육각 너트 커 버 압력 플레이트 압축 스프링 섬유 실 격 판 스크류 플러그 하우징 O-링 압력 게이지 실링 콘 압축 스프링 나사 부 소용돌이 플레이트 콘 필 터 고무 실 유지링 O-링 배플 플레이트 로 드 유지 너트 용 기 O-링 배수 밸브 스크류

● 고장의 원인과 대책

● 주 의

□필터 카트리지는 일정시간 사용후 반드     시 청소해 준다.

□응축수의 수위를 관찰한다.

□표준 시방의 압력조절기에서는 16bar 이     상의 조정 압력은 조절되지 않는다.

마 모 부 품

9  섬유 실

10  격판

13  O-링

20  필터

21  고무 실

23  O-링

28  O-링

<그림 4-22c> 마모부품

5. 검토 및 결론

본 연구는 공압장비의 보수유지를 위하여 결함추적 방법을 시퀀스 분석에 의한 회로 독해의 결함 추적 방법, 공압부품 분석에 의한 추적 방법을 중심으로 자동화시스템의 중요 구성요소이며 설비보전 기술로서 날로 그 중요성이 증가되고 있는 공압시스템의 보수유지 측면에 근거하여 결함을 발견하고 그에 대한 대처 방안을 제공해 주는 모형을 개발하였다. 그리고 사례 연구를 통해 결함추적 모형의 합리성을 제시하고 있다.

공압장비의 결함추적 방법과 관련된 모든 영역 즉, 선형작업시스템, 회전작업시스템, 진공작업시스템, 서비스유니트 선정작업 등에 대하여 보수유지 방법을 지원할 수 있다. 결함추적 방법은 공압회로 설계기술을 이용하여 구현되었으며 추론기법으로는 회로도에 의한 독해방법과 보수유지의 Flow Chart를 통하여 우선순위를 설정하였다.

또한 결함추적과 관련하여 사용된 모형은 기능별로 6가지 작업분석 모형을 개발 사용하였다. 사용된 모형은 첫째로 벤딩 및 펀칭기능의 작업분석 둘째로 홈커팅 기능 셋째로 리벳팅 기능 넷째로 부싱 가공 기능 다섯째로 스템핑 기능 마지막으로, 신호단락 이다. 또한 이 기능들을 설정하여 이들의 모형을 각각 기술식 표현, 테이블 표현, 벡터 표현, 시퀀스 차트, 기능도표, 약호 표현과 아울러 그래프식 표현에 의한 모션 다이아그램과 제너다이아그램 등을 사용하여 기능별 분석을 시도하였다. 그리고 각각의 회로도 분석에 사용된 약호 표현은 넘버링(numbering)과 알파벳(alphabet) 기호를 사용하였다. 이로 인하여 공압 장치에서 널리 사용되어 지는 기능별 분석 모형을 통하여 결함 추적 방법을 체계화시킬 수 있는 결과를 얻었다.

결함추적 방법에 사용된 사례로는 밀링기계로서 장치산업의 중요한 문제인 대형화, 복잡화, 고급화, 컴퓨터화, 자동화, 연속운전화, 신뢰성의 기술적 측면을 고려하여 각각의 영역을 별도로 구성하였는데 그 이유는 각 영역간에는 서로 영향을 미치지 않기 때문이다. 또한 각 공정내에서는 간섭이 서로 생기지 않도록 결함추적 방법을 기능별로 모듈화 하였다. 그리고 각각의 시스템이 필요로 하는 많은 부품들간의 간섭을 치환하여 볼 수 있도록 하였다.

아울러 공압회로도와 공압작업요소의 기능을 알기 쉽게 하기 위하여 각종 공압기호와 공압작업요소를 별도의 자료로 구축하였다. 효과적인 결함추적을 위해서 모든 심벌은 ISO 기준을 적용하였으며 각 부품의 심벌에 알맞은 넘버링(numbering) 시스템을 적용하였다. 또한 고장을 빨리 발견하고 조치를 위해주려면 회로도가 알기 쉬운 형태로 설계되어져야 하겠기에 케스케이드(cascade) 방식과 스태퍼(stepper) 방식을 공히 활용하였다.

결함추적 방식을 체계화함으로서 우선적으로 공압시스템 사용자가 효과적으로 장비를 활용할 수 있고 공압부품 제조사도 자기회사 환경에 맞게 지식의 추가와 공압부품 데이터의 수정을 통하여 공압시스템을 설계하거나 판매할 때 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 시스템은 현장의 오퍼레이터(operator) 교육 등으로도 사용될 수 있을 것이다.

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[20] Deppert, W., Stoll, K., "Pneumatic

Application", Vogel Verlag, pp.38∼39,       1999.

[21] Deppert, W., Stoll, K., "Cutting Costs

with Pneumatics", Vogel Verlag,            pp.85∼87, 1988.

[22] Edited by Luis M. Camarinha-Matos,

Hamideh Afsarmanesh, Vladimir            Marik, Kluwer Academic Publishers,        "Intelligent systems for  manufacturing:

multi-agent systems adndvirtual            organizations : proceedings of the

BASYS '98 - 3rd IEEEIFIInternational      Conference on Information Technology

for Balanced Automation Systems in        Manufacturing, Prague, Czech Republic,      pp.95, August 1998".