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산업 제어 시스템을 위한 국제적인 안전 원칙(Safety Principles) 가이드(5)

전 세계적으로 기계 안전과 관련한 법령과 국제표준이 활발하게 이루어지고 있다. 산업 제어 시스템의 제작 및 설치자들은 이제 국제적인 안전 원칙을 제품 설계 및 설치전에 미리 숙지하고 준비해야 추후 발생할 수 있는 안전 규정 및 안전 사고 문제를 사전에 방지할 수 있다.

제어장치 연동

제어장치 연동이 가장 일반적으로 사용하는 연동 방법이다. 연동 스위치를 보호기구에 부착하여 운동을 탐지하고 보호기구가 완전히 닫혀 있지 않을 때는 언제든지 스위치 접점을 연다. 접점은 제어회로를 경유하여 위험 소스 일치 제어 엘리먼트(접촉기)에 접속한다. 제어회로에 대한 고려사항을 고려해야 한다.
제어장치 연동에 적합한 서로 다른 형식의 장치가 그림 37(1월호 64 페이지)에 표시되어 있다.

최초의 주요 차이는 로크식 보호기구가 부착된 장치와 그렇지 않은 장치 사이에 있다.

로크식 보호기구가 없는 연동 스위치
이들 장치는 접근을 제한하지 않으며 보호 문은 어느 때라도 열 수 있으나 그것이 열리면 즉시 스위치가 접촉기 제어 회로를 경유하여 전원을 위험과 격리시킨다. 위험은 즉시 중지되고 운전자는 그것들이 위험 상태를 유지하는 동안에는 부품에 도달할 수 없으며, 그 후에 요건이 충족된다.

위험이 즉시 중지되지 않으면, 그것이 중지하고는 있지만 아직도 위험이 존재하는 상태에서 운전자가 거기에 도달 할 가능성이 있다. 이러한 수용할 수 없는 상황을 피하기 위한 방법에는 3가지가 있다.

1. 보호기구를 로크 시킬 수 있는 연동 장치를 사용하여 위험이 중지되기 전에는 보호기구의 열림을 방지하라. (그림 44 참조)

2. 어떠한 형식의 브레이크장치를 설치하여 신속 정지를 달성하라. (그림 45 참조)
유의사항: 브레이크장치의 본성을 결함 저항성 및 마모 특성의 관점에서 고려할 필요가 있다.

3. 위험과 보호 문 사이의 거리는 운전자가 위험에 도달하는 하는데 걸리는 시간이 위험이 정지하는데 걸리는 시간보다 더 길게 되도록 하라.

정밀한 계산이 필요하면 EN 999에 신체부위의 접근속도에 대한 보호장비의 위치결정 문제가 기술되어 있다. 현재 그것은 연동 보호 문을 특별히 취급하고 있지는 않으나 기계 정지시간과 접근속도를 기반으로 한 여타 안전장치의 위치결정 원칙을 합리적으로 추정하여 보호기구를 로크 하지 않는 연동 보호문의 필요한 계산을 할 수 있다. EN 999의 다음 공식으로 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다.

S = (K x T) + C

여기서:

S= 위험 구역에서 보호기구의 개구 단(開口端)까지의 최소거리 (단위 mm)

K= 1600(제안 값). 이 파라미터는 연구자료를 기초로 한 것으로, 운전자의 초당 접근속도를 1600mm로 가정하는 것은 합리적임을 나타낸다. 실제 용도의 환경을 고려해야 한다. 일반적으로 접근속도는 초 당 1600부터 2500 사이에서 변화한다.

T = 시스템의 전반적 정지 시간, 즉 연동 스위치 접점의 열림부터 위험 중지까지의 총 시간 (초).

C= 위험구역을 향한 가능한 침입을 기초로 한 추가 거리(mm). 이것은 스위치 접점이 열리기 전에 보호기구를 뛰어 넘거나 주위를 돌거나, 또는 통과가 가능한지 여부에 따라 다르다. 예들 들면, 보호기구의 망은 그 보호기구를 통해서 손가락, 손 또는 팔을 뻗을 수 있을 것이다. 규격 EN 294와 EN 811에는 도달 거리에 대한 계산정보가 더 많이 들어 있다.

로크식 보호기구가 없는 연동장치의 다음 내용은 기계적 작동 또는 비 접촉 작동으로서 그들의 호칭에 대한 것이다.

hilscher

기계적 작동장치

이들 장치로 보호 문은 포지티브 모드 작동을 이용하는 제어회로 접점에 기계적으로 링크 된다. 기계적 작동에는 3가지 주요형식이 있다.

(1) Tongue Operated Actuation(텅식 작동)
그림 47과 같은 Guardmaster Cadet 스위치로 보호기구 장착 작동기 “텅(tongue)”인 내부 메커니즘을 통해서 접점을 개폐한다.

특징:
텅 및 메커니즘은 스위치의 용이한 속임을 방지하도록 설계된 것이다. 이들 장치는 신뢰성이 높고 그대로 설치할 수 있다.
이들은 슬라이딩, 힌지 및 올리기 형 보호기구에 사용될 수 있으며 그것들의 다양성으로 가장 일반적으로 사용되는 형식의 연동스위치의 하나가 되었다.

고려사항:
보호기구 장착 텅은 스위치 본체의 입구 측 구멍과 합리적으로 일치되어야 한다. 텅 작용 스위치는 철저하게 세척하기가 어렵다. 이것이 식품/음료수 및 제약산업에서 문제가 된다.

(2) Hinge Operated Actuation (힌지식 작동)
이 장치는 그림 48과 같이 힌지식 보호기구의 힌지 핀 위에 장착되어 있다. 보호기구의 개방은 포지티브 작동 메커니즘을 통해서 제어회로 접점에 전달된다.

특징:
적절히 설치하면, 이들 형식의 스위치는, 힌지 중심선으로 접근하는 경우, 대부분의 힌지식 보호 문에 이상적이다. 이들은 보호기구 운동의 3도 내에서 제어회로를 격리시키고 그 보호기구를 해체하지 않고는 실제로 패배 시킬 수 없다.

고려사항:
오직 3도 만의 개방 운동으로 폭이 매우 넓은 문의 개구 단에는 상당한 크기의 틈이 생기는 것이므로 주의를 기울여야 한다. 무거운 보호 문에 의해서 스위치 작동 축에 과다한 응력이 발생치 않도록 하는 것이 중요하다.

(3) Cam Operated Actuation(캠식 작동)
일반적으로 이 형식의 장치는, 포지티브 모드 제한(또는 위치) 스위치 및 선형 또는 로터리 캠(그림 49 참조)의 형식을 취한다. 이것은 슬라이딩 보호기구에 많이 쓰이며 캠이 열리면 캠이 플런저를 아래로 작동시켜 제어회로 접점을 연다.

특징:
시스템의 단순성으로 스위치는 소형으로 신뢰성이 높다.

고려사항:
들어올리는 보호기구에는 사용할 수 없다.

보호기구가 완전히 닫히는 경우에만 스위치 플런저를 벋칠 수 있다는 것이 매우 중요하다. 이것은 추가정치장치를 설치하여 보호기구의 양방향 운동에 제한을 가해야 함을 뜻한다.

규정된 오차 이내에서 작동하는 적절한 형상의 캠을 만드는 것이 필요하다. 보호기구 장착 캠은 스위치와는 분리될 수 없는데 분리하면 스위치 접점이 닫히기 때문이다. 이 시스템은 특히 조잡한 형상의 캠 또는 마모성 물질의 존재가 한 요인이 되는 경우에는 마모에 의한 장애가 발생하기 쉽다.

그림 50와 같이 2개의 스위치 사용이 바람직한 경우도 있다

Non contact(Nonmechanical) Actuation(비 접촉 작동)

이들 장치로 보호 문은 자석 또는 전자장을 통해서 스위치의 제어회로 접점에 링크 된다. 이들 형식의 장치를 연동 부하에 적합하도록 만들기 위해서는 그들의 만족스러운 작동을 보장하는 증진 책을 채택해야 한다.

그들에게는 진정한 기계적 포지티브 모드 작동 이점이 없기 때문에 비접촉 스위치에는 그들에게서 장애가 발생하여 위험상태에 빠지지 않도록 보장하는 다른 방법을 강구해야 한다. 이것은 “oriented failure mode”원칙이나 이중화와 모니터링을 이용함으로써 달성한다.

Guardmaster Ferrogard에는 oriented failure mode 원칙을 사용한다. 특수한 부품을 사용하기 때문에 발생가능성이 있는 safety-critical fault가, 그림 51과 같이 스위치에 인가(印加) 되는 과다전류로 인하여, 리드(reed) 접점의 용융 밀착이 될 것이다.

이것은 비재설정식 과전류 보호기구로 방지된다. 이 정격의 장치와 리드접점 사이에는 상당히 큰 안전여유가 있다. 그것은 비재설정식이기 때문에, 스위치는 적합한 정격의 외부 퓨즈로 보호해야 한다.

스위치는 의도한 작동기만으로 작동된다는 것은 중요하다. 이것은 철 금속을 감지하는 일반 근접스위치는 적절치 않다는 의미다. 스위치는 “능동형” 작동기로 작동되어야 한다.

보안은 Guardmaster Ferrotek의 것과 같은 코드로 더 증대 시켜야 한다. 이 스위치에는 Ferrogard로서 동일한 oriented failure mode principle을 사용하지만 그 코드 작동기 및 감지기로 인하여 보안성이 더 높다.

특징:
비 접촉 장치는 완전히 밀봉된 버전에서 사용할 수 있음으로 그것에는 포획된 먼지가 없고 압력 세척하므로 식품 및 음료수 용도에 이상적이다. 사용하기가 쉽고 상당한 운전 오차가 있으므로 어느 정도의 마모나 뒤틀림은 수용할 수 있으며 그 상태에서도 적절히 작동한다.

Guardmaster Ferrocode와 같은 정교한 비 접촉 장치의 특징은 전자코드 원칙을 채택하는 것이다. Ferrocode에는 2개의 별도의 다양한 절환 “채널”이 있고 제어장치는 최대 6개의 감지기 세트와 접점 및 배선을 모니터 한다. (그림 52 참조)

고려사항:
좀더 간단한 작동형식의 경우, 보안이 중요한 과제라면, 그림 53과 같이 보호기구가 열려 있는 동안에는 접근할 수 없도록, 그것을 적용해야 한다. 특히 비코드 형식의 경우 그들이 전자/전기장의 무 관계한 간섭을 받지 않는 것이 중요하다.

로크식 보호기구 부착 연동 스위치

이들 장치는 정지특성을 갖춘 기계에 적합하지만. 거의 대부분의 형식의 기계의 보호레벨을 크게 증가시킬 수 있다.

이들로 보호기구 운동과 위험 전원을 연동을 시킬 수 있고, 또 그렇게 하는 것이 안전할 때까지 보호기구의 열림도 방지할 수 있다.

이들 장치는 다시 2가지 형식으로 분류할 수 있다: 무조건적 및 조건부 보호기구 로킹해제.

무조건적 보호기구 로크해제

이들 장치는 수동으로 작동하며 보호기구는 어느 때라도 열 수 있다. 보호기구 로크를 해제하는 핸들이나 놉(knob)으로도 제어회로 접점을 열 수 있다.

Guardmaster Centurion 볼트 스위치와 같은 장치에 시간 지체기능을 부과한다. 보호기구를 제 위치에 로크 시키는 볼트가 접점을 작동시키고 작동 놉을 돌리면 제 위치로 복귀한다. 처음 몇 바퀴는 접점을 열지만 로크 볼트는 놉을 수 바퀴 더 돌리기 전에는 완전히 복귀되지 않는다(최대 20초 소요).

Prosafe트랩 키 시스템(전원 연동 절을 참조)을 사용하여 무조건적 보호기구 로크를 실시할 수 있다.

특징:
이들 장치는 사용이 간편하고 대단히 견고하고 신뢰성이 높다. 시간 지체볼트 스위치는 주로 슬라이딩 보호기구에 적당하다.

고려사항:
위험 정지시간은 예측가능 해야 하고 위험이 중지되기 전에는 볼트가 복귀되면 안 된다. 보호기구가 완전히 닫힌 때에만 볼트를 그 로크 위치로 확대시킬 수 있어야 한다. 이것은 보호 문의 이동을 제한하기 위해서 그림 54와 같이 정지기능 추가가 필요함을 의미한다.

이 목적에 맞는 최선 형식의 연동 장치는 Guardmaster TLS-GD2(그림 55와 같은)나 Atlas 2와 같은 솔레노이드식 로크 스위치다. 접근 빈도가 낮은 용도에는 Prosafe 트랩 키 시스템 (전원연동 절 참조)을 구성 배치하여 이와 같이 작동시킨다.

그림 56에서와 같이 정상 제어상태에서 기계를 OFF 시킴으로써 전원이 격리되자 마자 위험은 중지된다. 접촉자가 OFF로 되기 전에는 보호기구는 열리지 않는다. 보호기구가 열리면 제어회로 접점은 보호기구가 닫히고 로크 되기전에는 접촉기에 다시 여자될 수 없도록 한다.

그림 57과 같은 구성배치로 스위치는 접촉기가 OFF되고 사전설정 시간 간격이 경과하기 전에는 보호기구를 릴리스 하지 않는다. 시간 범위는 0.1초에서부터 40분 사이에 설정할 수 있다. 기계의 가장 긴 정지시간은 예측가능하고 일정해야 한다. 사용함에 따라 열화되는 브레이크방법에 의존하면 안된다.

그림 58의 구성배치와 같이 스위치는 접촉기가 OFF 되고 모든 운동이 정지하기 전에는 보호기구를 릴리스 하지 않는다.

그림 57과 58에 표시된 시스템의 경우 가계는 수동이나 자동으로 그 작동 제어시스템이 정지시킨다. 그러므로 이들 시스템은, 부적절한 보호기구의 열림으로 인한 급정거로 공구 손상 또는 프로그램 손실이 발생될 수 있는 기계에 특히 유용하다.

연동장치 선택에 대한 유용한 질문

다음 질문은 최적 형식의 연동장치의 논리적 선택에 도움이 된다.

1. 전원 격리 후 기계가 정지하는데 시간이 걸리는가?
예 = 시간 지체 로크식 보호기구가 필요할 수 있다

2. 기계 정지시간은 예측할 수 있고 또 일정한가?
아니오 = 운동 감지와 함께 조건부 보호기구 로크가 필요할 수 있다.

3. 전신(全身) 접근이 필요한가?
예= 인간 키(key)와 함께 키 작동 로크식 보호기구가 필요할 수 있다.

4. 급정거로 인해 기계나 제어시스템이 손상을 입는가?
예 = 조건부 보호장치 로크가 필요할 수 있다.

5. 보호기구 마모로 연동장치의 정렬이 정확하지 않는가?
예 = 비 접촉 장치가 필요할 수 있다.

6. 기기를, 예를 들면, 세탁 또는 고습도 환경에서 완전히 밀봉해야 하는가?
예= 비 접촉 장치가 필요할 수 있다.

7. 자주 사용해야 하는가?
예= 제어장치 연동이 가장 접합할 수 있다.

8. 연동장치를 속이려는 시도가 있는가?
예= 보안을 강화시킨 장치가 필요할 수 있다

아이씨엔 매거진 2008년 02월호

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