원프학개론: 설비진단의 완전함을 리드하는 원프레딕트의 원천 기술 PHM (Prognostics and Health Management: 건전성 예측 및 관리) 강의 시리즈 이전 편을 읽고 오시면 이번 편을 더 즐기실 수 있습니다.
Intro
이전 편에서 공학은 ‘효용성’을 목적으로 하며, 기술은 사용자의 삶에 변화를 줄 수 있어야함을 상기하였습니다. 그리고 PHM은 가장 공학적이고 또 가장 잠재력 있는 산업 분야라고 말씀드렸는데요.
PHM의 ‘효용성’은 어떻게 평가받을 수 있을까요?
산업에서 계속 빛을 발하기 위해서는 어떻게 사용자에게 이득 혹은 이윤을 창출할 수 있는지 끊임없이 고민되어야 하며, 이 과정을 ‘사업성 발굴’이라고 부를 수 있습니다.
그렇다면, PHM의 ‘사업적 가치’는 어떻게 평가될 수 있을까요?
이번 포스팅에서는 산업에서 발생하는 산업 설비 건전성과 관련된 비용을 알아보고, 비용을 최소화 하기 위한 기존 접근 방식을 알아보도록 하겠습니다. PHM이 비용을 최소화하기 위해 어떻게 기여할 수 있는지 알아보고, 실제 사례를 통해 PHM의 사업적 가치를 확인하며 마무리하고자 합니다.
Costs that PHM aims
PHM이 대상으로 하는 ‘산업 설비의 상태 건전성’과 관련된 비용은?
이를 쉽게 확인하기 위해 어떤 상황을 가정해 보도록 하겠습니다.
우리는 주말을 맞아 가족과 함께 동해로 여행을 떠나는 길입니다. 신나는 음악을 틀고 열심히 고속도로를 달리던 중 쿵! 자동차가 고장 났습니다.
이때 어떤 일이 발생할까요?
자동차는 오랜 시간 동안 PHM의 좋은 예시 기술들을 많이 축적해왔습니다. 물론 이런 상황을 현실에서 마주해서는 안되겠지요.
사회적 비용이란?
차량에 발생한 고장이 와이퍼가 움직이지 않는 것처럼 작은 고장일지도 모릅니다. 하지만 타이어가 펑크나거나 브레이크가 말을 듣지 않는 것과 같은 고장이라면 어떨까요? 달리는 중에 발생하는 고장은 안전상 문제를 발생시켜 인명피해와 같이 치명적인 결과를 야기할 수 있습니다. 이러한 피해를 사회적 비용이라고 합니다.
사회적 비용인 인명 피해, 브랜드 이미지의 타격과 같이 쉽게 정량화되지 않지만, 2차적으로 파생되어 그 무엇보다도 큰 손실을 야기할 수 있는 비용을 말합니다. 일반적으로 사회적 비용의 발생은 기업에 명운을 좌우할 정도로 치명적일 수 있기 때문에 많은 산업에서 사회적 비용을 최소화하기 위한 다양한 안전장치를 2중, 3중으로 준비하고 있습니다.
다운타임 비용이란?
다시 자동차 고장으로 돌아가서, 다행히도 차량의 고장이 인명피해로 이어지지 않았다고 가정해 봅시다. 다만, 타이어가 펑크나서 더이상 주행하기 어려운 상황입니다. 대부분의 운전자들은 이런 경우를 대비해 보험에 가입되어 있으며 견인 차량을 부르고 수리 센터로 옮겨 수리를 진행하게 됩니다.
하지만, 견인 차량이 도로에 준비된 게 아니기 때문에 수리 센터에 옮겨져 수리를 완료하기까지는 상당한 시간이 발생할 수 있습니다.
우리는 여행 기간 중 많은 부분을 수리 센터에서 보내야 합니다. 이러한 비용을 다운타임 비용이라고 합니다. 다운타임 비용은 설비가 멈춤으로 인해서 정상적으로 가동됐을 때 대비 입게 되는 손해를 말합니다. 설상가상으로 수리 시간 동안 고속도로에 차량이 증가해 정체가 발생한다면 어떻게 될까요? 단순한 차량 수리 시간뿐만 아니라 이동 시간 자체도 증가해 버렸습니다. 이처럼 다운타임 비용은 시간과의 싸움이기 때문에 얼마나 빠르게 수리할 수 있는지가 관건입니다.
유지보수 비용이란?
이제 차량 수리가 마무리되었습니다. 시간이 늦어지긴 했지만 지금이라도 출발한다면 강릉에서 제철 활어회를 먹을 수 있습니다. 수리센터에 결제하고 출발하려 하는데 이럴수가! 천문학적인 수리 비용이 나왔습니다. 타이어 하나 펑크 났을 뿐인데 수리 비용에 견인차 비용까지 더해지니 금액이 만만치 않습니다. 아무래도 오늘 저녁 활어회는 취소해야겠네요.
이렇게 설비 수리 비용을 유지보수 비용(Maintenance Cost)이라고 합니다. 만약 발생한 고장이 타이어가 아니라 엔진이었다면 어땠을까요? 아마 유지보수 비용이 치솟았을겁니다. 이렇게 유지보수 비용은 고장의 발생 위치와 종류, 그리고 수준에 의존적입니다.
PHM의 비용은 대부분 손실에서 비롯됩니다. 투자와 다르게 손실로 인한 비용의 발생은 그 누구에게도 유쾌하지 않습니다.
산업 현장에서 각각 어떤 양상으로 발생하는지 살펴보도록 하겠습니다.
대형 발전소를 떠올려 봅시다. 대형 발전소는 발전량을 꾸준히 유지하는 것이 몹시 중요합니다.
만약 이런 발전소의 한 주요 설비에 고장이 발생했다면 어떻게 될까요?
발전소에 이상이 발생해 전력 생산이 중단될 경우 전기를 사용하는 수십 / 수백만 명의 사람들이 피해를 볼 수 있습니다. 그뿐만 아니라 전기를 이용해 제품을 생산하는 제조업까지 연쇄적으로 손실을 볼 수 있죠. 이처럼 발전소는 시스템 전체의 다운타임 비용이 천문학적으로 크기 때문에 대부분의 발전소의 경우 주요 설비에 여분 호기를 두어 한 호기에서 고장이 발생하더라도 빠르게 호기를 대체할 준비가 되어있습니다. 이렇게 대형 발전소에서는 여분 호기로 대체하여 다운타임 비용을 최소화할 수 있었습니다.
이제 고장난 설비를 고칠 차례입니다.
문제는 발전소를 구성하는 단위 설비들이 매우 크고 복잡하기 때문에 수리를 위해 고장을 정확히 파악하는데도 많은 비용이 발생한다는 점입니다. 또, 대부분의 터빈은 주문 제작으로 발주가 이뤄지기 때문에 수리 과정에서도 큰 비용이 발생합니다. 즉 발전소에서 발생한 고장은 고장에 대한 유지보수 비용이(Maintenance Cost) 굉장히 높다고 볼 수 있습니다.
발전소에서 발생한 고장이 단순 부품 고장이 아니라 폭발이나 화재를 야기한다면 어떻게 될까요?
작업자들의 안전에 큰 타격을 입을 수 있고, 발전소의 이미지에 심각한 타격을 입을 수 있습니다.
또 고객들로부터 전기를 안정적으로 공급해 줄 수 없다는 신뢰의 문제까지 야기할 수 있습니다. 이런 비용을 사회적 비용이라고 볼 수 있습니다.
PHM의 비용은 대부분 손실에서 비롯됩니다. 투자와 다르게 손실로 인한 비용의 발생은 그 누구에게도 유쾌하지 않습니다.
Maintenance(유지보수)
이처럼 산업 설비의 고장은 막대한 비용을 발생시킬 수 있기 때문에 산업 현장에서는 이에 대응하기 위한 ‘유지보수’를 시행하고 있습니다. 유지보수는 산업 현장의 특성에 따라 또 고장 유형 중 어떤 비용이 크게 작용하는지에 따라 다양한 방법으로 진행될 수 있는데요, 이번에는 산업현장에 어떤 유지보수 방법들이 존재하는지 알아보도록 하겠습니다.
ONEPREDICT CEO 윤병동 교수의 수업자료 발췌
산업 설비의 수명에 따라 어느 시점에 유지보수 작업을 수행하는지에 따라 다양한 유지보수 방법이 존재합니다.
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Corrective Maintenance (CM)는 설비에 결함이 발생한 이후 후행적으로 설비를 유지보수하는 사후 대응적 유지보수 방법입니다.
CM은 설비 상태 모니터링을 위한 투자 비용을 최소화할 수 있고 기술적인 난이도가 낮기 때문에 전통적으로 가장 많이 수행되는 방식입니다. 하지만, 설비 결함 발생 후에 유지보수가 수행되기 때문에 다운타임 비용이 크게 발생할 수 있고 예기치 못한 사회적 비용을 발생시킬 수 있습니다.
대표적인 예로 형광등이 나갔을 때 이를 교체하거나, 무선 전자기기의 배터리가 모두 소모되었을 때 배터리를 교체하는 등이 모두 CM에 해당합니다. 그 외에도 산업 현장에서 설비에 예기치 못한 결함이 발생했을 때 수리하는 행위도 CM에 해당됩니다.
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Preventive Maintenance (PM)는 설비의 결함을 사전에 방지하기 위해 계획된 지침이나 스케줄에 따라 수시로 유지보수 작업을 선행하는 것으로, 예방적이고 보수적인 유지보수 방법입니다.
특히 결함이 발생할 경우 설비의 복원까지 오래 걸리거나 결함으로 인한 다운타임 비용 및 사회적 비용이 클 경우 PM이 주로 사용됩니다. 하지만 PM은 아직 수명이 남은 설비를 교체하거나 불필요한 유지보수 작업을 중복적으로 수행할 수 있기 때문에 비용의 낭비가 존재합니다.
대표적인 예로는 전력 시스템을 들 수 있는데요, 한국전력(KEPCO)에서는 대부분의 대형 전력 설비를 정기적으로 유지보수 / 교체하여 갑작스러운 정전을 방지하고 있습니다. 또 다른 예시로는 발전사를 살펴볼 수 있는데요, 발전기의 터빈과 같은 초대형 설비는 결함이 발생할 경우 다운타임 비용이 몹시 크기 때문에 정기적으로 설비를 점검하고 있습니다.
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Condition Based Maintenance (CBM)는 설비의 상태를 모니터링하며 결함이 발생하기 전에 설비를 유지보수하는 방식으로 사전 예방적 유지보수 방법에 해당합니다.
CBM은 설비에서 발생한 결함이 큰 사회적 / 유지보수 비용을 발생시킬 때 주로 사용되며, 특히 설비의 가격 및 잔여 수명에 대한 비용이 높아 여분을 확보해두기 어렵거나 PM을 통한 설비의 유지보수를 적용하기 어려운 경우 많이 적용됩니다. 따라서 CBM 설비의 중복을 발생시키지 않아 설비에 대한 비용이 감소하고 예기치 않은 장애를 해결할 수 있다는 장점이 있으나, 상태를 모니터링하기 위한 투자비용이 크고 때론 설비에 대한 깊은 물리적 지식 및 정보가 필요합니다.
CBM은 주로 대형 회전 설비 및 산업용 로봇, 자동화 설비에 주로 활용됩니다.
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Predictive Maintenance (PdM)는 설비에 발생하는 결함의 발생 시점과 내용을 예측하여 설비를 유지보수하는 사전 예방적 유지보수 방법으로 유지보수 준비 및 시행에 상대적으로 오랜 시간이 걸리거나 다운타임으로 인한 비용 손실이 큰 장비에 주로 사용됩니다.
PdM은 유지보수 스케줄링 및 관리에 유리하기 때문에 결함 발생에 능동적으로 대응할 수 있다는 장점이 있으나 반드시 고도화된 유지보수 솔루션을 활용해야 하므로 높은 투자 비용이 발생하고, 또 유지보수 솔루션에 대한 높은 신뢰도 및 레퍼런스가 제공되어야 합니다.
대표적으로 해상 풍력 발전, 전력 변압기, 터빈을 유지보수할 때 PdM이 사용됩니다.
ONEPREDICT CEO 윤병동 교수의 수업자료 발췌
어떤 유지보수가 필요할까요? 결국 유지보수의 방법은 산업 설비의 고장이 고객에게 주는 “비용”에 따라 결정됩니다.
마지막으로 그렇다면 어떤 유지보수 방법이 가장 효과적이고 최첨단의 방식일까요? 고장을 사전에 방지할 수 있는 PdM이 가장 최첨단의 유지보수 방법일까요?
시시하게도 정답은 “유지보수 방법 간의 우열은 없다” 입니다.
모든 유지보수 방법은 각각의 고유한 장점과 단점이 존재합니다. 만약 고장 발생이 큰 사회적 비용을 야기할 수 있다면, 고장 자체를 방지하는 PdM 방법이 적합합니다. 한편으로 고장 자체보다는 다운타임 비용이 많이 드는 산업이라면 CM이 가장 효율적인 방법일 수 있습니다. 따라서 유지보수 방법을 선택할 때는 설비의 비용, 고장에 따른 위험성과 손실, 설비의 가용성 등 다양한 요소를 고려해서 산업의 요구 사항에 가장 적합한 접근 방식을 선택하는 것이 중요합니다.
PHM: Prognostics and Health Management
지금까지 우리는 PHM과 관련된 비용에 무엇이 있는지, 또 비용을 절감하기 위해 산업에서는 어떤 유지보수 방법이 도입되고 있는지 살펴보았습니다.
유지보수를 위해서는 산업 설비에 대한 많은 정보가 필요합니다. 예를 들어 CBM이 가능하기 위해서는 산업 설비의 현재 건전성 상태를 파악해야만 합니다. CM을 빠르게 수행하기 위해서는 산업 설비 중 고장난 부품을 빠르게 알 수 있어야 하죠.
PdM이 가능하려면 언제 고장이 발생할 지 예측할 수 있어야 합니다. 다시 말해, 이러한 유지보수를 위해서는 결국 산업 설비의 고장에 대한 역학적 이해와 이로 인한 경제적 효과 분석이 선행되어야 하고, 최종적으로 필요한 유지보수 행동을 안내해주는 ‘건전성 관리 솔루션(Health Management Solution)’이 필요합니다.
PHM 기술은 이러한 솔루션의 근간을 구성하는 핵심 기술입니다. PHM 기술은 산업 설비로부터 다양한 산업 데이터를 획득하고, 계속해서 모니터링하면서 설비의 상태가 어떤지, 어떤 부분에 이상이 발생했는지 분석합니다. 한편으로는 아직 발생하지 않은 고장이 언제쯤 발생할지 예측하기도 하며, 고장으로 인해 설비가 어떤 상태에 놓이게 될지 말해줄 수 있습니다.
더 나아가 PHM 기술은 산업 설비 건전성에 대한 분석 결과를 바탕으로 고객에게 유지보수 방법을 제안하여 고객이 상황에 따라 적절한 유지보수를 수행할 수 있도록 합니다.
PHM 기술을 위해서는 다양한 물리적 지식뿐만 아니라 인공지능, 빅데이터와 같은 수많은 최첨단 기술이 집약되어야만 합니다. 이런 점에서 PHM 기술은 최첨단 공학 기술의 집약체라고도 볼 수 있습니다. 그렇기 때문에 굉장히 난이도가 높지만, 또 막대한 고객 효용을 창출해낼 수 있지요!
Conclusion
이번 포스팅에서는 PHM과 관련된 비용과 산업에서 수행되는 유지보수 방법들을 알아보았습니다. 그리고 유지보수를 돕기 위한 건전성 관리 솔루션의 개념과 솔루션을 구성하는 PHM 기술의 효용을 살펴보았습니다.
정리하면, 고객은 고장과 관련된 비용을 최소화해야 할 강력한 니즈를 가지고 있고, 비용을 최소화하기 위해 유지보수 행위를 수행해야 하며, 올바른 유지보수를 위해 ‘건전성 관리 솔루션’을 필요로 합니다. 그리고 PHM은 이 건전성 관리 솔루션을 구성하는 핵심 기술입니다. 그렇기 때문에 PHM 기술을 개발함에 있어서 철저한 고객 중심적 사고가 필요합니다.
PHM 기술 수준은 고객의 설비와 고장 발생 시 처리 비용, 필요한 유지보수 방식에 의해 정의될 수 있습니다. 따라서 PHM 기술의 설계/개발 이전에는 반드시 고객과 충분한 대화를 통해 사업성과 ROI를 분석하고, 고객에게 필요한 기술을 개발하는 것이 중요합니다.
다음 포스팅에서는 본격적으로 PHM 기술을 구성하는 4가지 요소들을 하나하나 살펴보도록 하겠습니다. 많은 기대 부탁드립니다
본 포스트는 ONEPREDICT CEO 윤병동 교수의 수업자료를 바탕으로 ONEPREDICT 경험에 빗대어 재구성된 자료입니다.
이 글을 쓴 사람
김 수 호 | PdX팀
행동보다 말이 앞서는 INTP Project Lead 입니다
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