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AS-Interface at Work를 이용한 안전시스템 애플리케이션(1)

AS-Interface Safety at Work는 기존 AS-Interface 시스템의 확장된 안전 테크놀로지다. 이제 사용자는, 가령 비상 정지 버튼, 안전 라이트 배리어, 가드 도어 인터록 등과 같은 모든 이진 형식의 안전지향 스위칭 컴포넌트들을 연결할 수 있다. 하나의 시스템에서 표준 컴포넌트와 함께 안전관련 컴포넌트들을 공통적으로 사용하는 것은 크나 큰 장점이다. 마스터, 전원공급장치 및 슬레이브 등과 같이 친숙한 컴포넌트들로 이루어진 기존 AS-Interface 네트워크의 최상위에서, 오직 하나의 AS-Interface 안전 모니터와 안전 AS-Interface 슬레이브가 추가될 뿐이다. 따라서, 안전 및 비(非)안전 AS-Interface 슬레이브들이 모두 혼재하는 것이 전혀 문제없이 가능하다.

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동일한 테크놀로지와 같은 프로토콜에 기반하여, 또한 비상 정지 디바이스, 광전 보호 디바이스 및 안전보호 잠금 디바이스 등과 같은 안전 지향성 컴포넌트들 역시 통합될 수 있다. 이는 단지 하나의 안전 모니터와 몇 가지 안전 슬레이브들을 해당 분기선에 설치하는 일을 요구할 따름이다. 안전 슬레이브와 비안전 슬레이브 양자의 혼합 운용도 무난하게 할 수 있다. 안전 모니터는 AS-Interface 회선 상의 데이터 통신을 감시한다. 안전 슬레이브들과 관련하여, 각 슬레이브에 저장된 다이내믹 코드 시퀀스 (8×4 비트 시퀀스)가 전송된다.

이들 슬레이브는 커미셔닝을 거치는 동안 안전 모니터에 의해 “학습”된다. 운용 중, 해당 안전 모니터는 각 주기상의 실제 시퀀스를 기대치와 비교하며, 가령 통신 장애 등과 같은 디바이스 고장이 발생하는 등 어떤 편차가 있는 경우, 40 ms 이내에 안전 종료(셧다운) 작업을 수행한다. 안전 필드 및 배전반 모듈 등은, AS-Interface 칩이 내장된 지능형 안전 센서와 안전 명령 디바이스를 포함, 슬레이브들로 출시•통용되고 있다. 버스 통신 및 데이터 프로토콜 등은 BGIA에 의해 안전한 것으로 평가되었으며, 해당 기술은 독일의 TUV Nord에서 실시한 인증을 받았다.

해당 시스템은 EN 954-1 규격 기준 카테고리 4, 또는 IEC 61508에 준하여 최대 SIL 3까지의 제어시스템에 사용될 수 있으며, EN 60204-1 규격에 따른 정지 카테고리 0 및 1에 사용될 수도 있다.

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1. 인간과 기계의 안전을 보장하는 비상정지(Emergency Stop)

문제 설명

비상 정지 장비는 다른 모든 기능들에 앞서 우선권을 지녀야 한다. 위험 상태를 야기할 수 있는 기계 드라이브로의 전원 공급은 위험이 심화되지 않도록 최대한 신속하게 차단되어야 한다. 드라이브들의 리셋으로 인해 반드시 재시동할 필요는 없다.

비상 조치는 감전사 내지 전기로 인한 여타의 위험이 발생할 가능성이 있는 경우, 설비의 전체 또는 일부에 대해 전원 공급을 차단하도록 고안된 것이다 (EN 60204-1 부속서 D 참조)

비상 상황에서 전원차단은 아래와 같은 경우 실행되어야 한다.

a) 일정 거리 내지 차단벽을 두어야 직접적인 접촉을 예방할 때

b) 전력으로 인한 기타 위험 또는 손상 가능성이 있을 때

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비상 정지는 카테고리 0 내지 카테고리 1의 정지 상태로 작동해야 한다(EN 60204-1 참조). 이들 정지 카테고리는 다음과 같이 기술될 수 있다:

정지 카테고리 0:
기계 드라이브 컴포넌트 전원을 즉시 차단함으로써 별도의 제어방법을 쓰지 않는 운전정지.

정지 카테고리 1:
제어방식 운전정지; 일단 정지상태에 도달하면 전원 공급이 차단된다.

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결 론

이는 위험 분석 결과, 사고 위험이 있는 곳에는 반드시 비상 정지 스위치가 설치되어야 함을 의미하며, 따라서 즉각적이고도 포괄적인 전원 차단을 요구한다.

* 솔루션 접근방식
AS-Interface 내의 비상 정지 신호를 위해서는, 하나 또는 두 개의 스위칭 요소를 갖춘 디바이스들이 사용되어야 한다. 스위칭 요소의 수는, 무엇보다 위험 분석으로 판명된 제어 시스템 카테고리에 따라 좌우된다.

보기에서는, 비상 정지 스위치는 플랜트 전체의 운전을 정지시키기 위해 설치되었다. 이를 구현하는 데서, 비상 정지 스위치는 사전 정의된 안전 회로에 비상 정지 요소로 통합되었다. 두 가지 안전 회로들, 즉 “cage” 및 “linkage” 방식의 회로는 해당 기계에서 정의되었다. 이들은 다양한 영역의 기계 운전을 정지시키는 데 사용될 수 있다. 비상 정지 스위치가 활성화되면, 기계에 장착된 기존의 모든 드라이브들이 정지된다 (컨베이어용 모터, 공급 및 제거 컨베이어 간의 크로스 벨트 등). 연결형 (linkage) 안전 스위치가 활성화되면, 다른 드라이브들이 가동을 지속하는 동안에는 카드보드 공급 컨베이어 운전을 정지하는 일이 거의 없다.

위의 보기에서 보는 바와 같이, 상이한 영역들은 각 플랜트에서 개별적으로 스위치오프 된다. 가령, 생산활동이 완전히 멈추기 이전에 다른 파트가 일부 버퍼를 비우는 동안, 단지 하나의 파트만 스위치오프 하는 것으로 충분할 경우도 흔히 있다. 몇 개의 안전 회로로 분할해 두면, 해당 플랜트의 다운타임을 줄일 수 있다.

* AS-Interface Safety at Work를 사용한 솔루션 구현
AS-Interface 시스템에 비상 정지 버튼을 넣기 위해서는, 하드웨어 및 소프트웨어 양자가 모두 통합되어야 한다.

하드웨어

광범위한 안전 제품군 중에는, 고도의 보호 등급 IP 65에 해당하는 솔루션으로, 스위치 캐비닛 도어 내부에 설치하기 위한 비상 정지 버튼이 있다. 또한 예를 들어, 시작 및 리셋 버튼용으로 비상 정지 스위치와 표준 버튼들을 결합한 제품도 있다.

소프트웨어 구성

위험 분석에 따라, 적합한 모니터링 디바이스/아이콘 등은 구성 소프트웨어에서 선택될 수 있다. 각 디바이스에는 (사용자가 임의로 정한) 이름이 부여되고, 고유한 AS-Interface 주소가 할당된다. 선택적으로, (시동 테스트 및 로컬 승인 등) 두 가지 부가 기능들이 비상 정지에 할당될 수 있다. 시동 테스트는 매회 재시동을 할 때마다 비상 정지 버튼 테스트를 요구한다. 로컬 승인은 비상 정지 버튼이 활성화된 이후, 해당 버튼의 릴리즈를 요구한다. 최종“학습”(teach) 이벤트와 함께, 비상 정지 버튼은 시스템에 통합되며, 핵심 요소인 안전 모니터에 의해 감시 된다.

시스템 커미셔닝 도중, 코드 테이블을 안전 모니터에 학습시키는 동안에 비상 정지 기능이 활성화되지 않도록 주의해야 한다.

이점

널리 알려진 클램핑(clamping) 테크놀로지를 통하여 비상 정지 버튼을 손쉽게 통합함으로써, AS-Interface에 안전 테크놀로지를 통합하는 데서 오는 혜택은 분명하다. AS-Interface 케이블을 사용함에 따라, 추가적인 병렬 결선작업은 이제 불필요하게 되었다. 또한 메시지 신호도 교신되어야 하는 경우, 이들은 이미 안전 슬레이브에 내장되어 있으므로, 메시지 신호를 위한 별도의 추가 배선이 더 이상 필요 없다. 뿐만 아니라, 안전 슬레이브의 취급방식은 네트워크 상의 표준 슬레이브를 다루는 방식과 전혀 다르지 않다.

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2. Gutersloh의 주 Miele 설비에서의 “Safety at Work”

가전 제품 제조업체인 Miele은 “지속적인 향상” 이라는 회사의 좌우명 아래, 실제의 제품과 생산 시스템 그리고 물류 센터를 첨단 기술에 맞춰 끊임없이 업데이트 한다. 그 일환으로 Miele은 Gutersloh의 설비에서 자재 분배를 위한 호이스팅 기어를 개장하면서 AS-Interface “Safety at Work”을 도입했다.

우유 원심 분리기에서 첨단 세탁기까지 Miele은 성공 가도를 달려 왔다. 품질, 긴 수명, 브랜드 신뢰도를 바탕으로 Miele은 1세기가 넘도록 가전 제품 분야의 전설적인 존재로 자리매김 해왔다. Gutersloh의 주 설비에서는 혁신적인 기술을 사용하여 전문적인 용도의 장비와 고품질의 가전 제품을 생산한다. 주 생산품으로는 전 세계적으로 판매되는 세탁기와 건조기가 있다.

그림 5.6: 호이스트는“Safety at Work”을 사용하여 최소한의 노력으로 표준 필드버스 AS-Interface 상에서 안전 기능성을 갖췄다.

효율적인 대량 생산을 위해서는 설비 내의 원활한 자재 이송이 필수적이다. 생산을 위한 자재 이송과 분배는 설비 전체를 종횡무진하는 각종 전기 트롤리 컨베이어들에 의해 이루어진다. 3대의 호이스트 장치들이 1.3톤의 적하물을 실은 트롤리를 7m에 이르는 층간 거리에 걸쳐 수직 이송한다. 분당 60m의 속도가 가능하다. 이 3대의 호이스트의 생산일 당 동작 횟수는 2000번이 넘는다.

빠르고 유연하다, 무엇보다 안전하다

기계와 전기적인 리노베이션 기회가 왔을 때 Miele은 AS-Interface “Safety at Work”을 이용해 전기 장비를 현대화하기로 결정하였다. 액추에이터-센서 레벨에서 이 네트워킹 시스템을 선택한 것은 무엇보다도 설치 및 배선에 드는 노력이 감소되는 측면을 고려한 결정이었다. 간단한 배선 체계는 가능한 오류 원인을 상당 수 제거함으로써 시동 속도가 빨라질 뿐만 아니라 시동 시의 문제점도 없애는 결과를 가져온다. AS-Interface 설치에 따른 추가적인 혜택으로는 후속 확장을 가능하게 하는 유연성과 높은 가용성을 들 수 있다. 그러나 이 애플리케이션의 결정적인 장점은 표준 데이터와 안전 관련 데이터를 별도의 장치 없이 하나의 동일한 버스 시스템 상에서 전송함으로써 “Safety at Work” 기능성을 사용할 수 있다는 점이다.

전기 장비에 대한 개요

전 층 높이에 걸쳐 AS-Interface에 전력과 데이터를 배분하기 위해 총 6개의 콜렉터 전선이 사용된다. 전력 배분용 4 개의 콜렉터 전선과 AS-Interface 신호 전송을 위한 2 개의 전선이다. AS-Interface 프로토콜은 시스템 전체에서 노이즈를 완벽히 제거할 수 있고 콜렉터 전선을 통해 신호를 증폭시킬 필요가 없도록 구조화되어 있다. 호이스트는 주파수 제어 드라이브를 사용해 위치 결정된다. Bero 근접 스위치를 사용해 각각의 위치가 모니터링된다. 드라이브는 원하는 위치에 도달하기 전에 제동되고 최종 위치까지 천천히 이동한다.

Siemens S5-135U가 호스트 시스템 컨트롤러로서 사용되고, DP/DP 커플러를 통해 Simatic S7-315-2DP와 통신한다. Simatic S7-315-2DP는 AS-Interface 마스터로서 3개의 호이스트를 제어하는 역할을 한다. 액추에이터-센서 레벨은, 시스템의 높은 가용성을 보장하는 독립적인 AS-Interface 스트링인 3개의 DP/AS-Interface 링크를 통해 PROFIBUS에 결합된다.

호이스트 자체에는 M12 접속점과 정격 IP 65/67을 가진 Siemens K45 콤팩트 모듈 그리고 보호 등급 IP 20인 제어 캐비닛 모듈이 장착되어 있다. 제어 캐비닛 모듈은 릴레이 기술을 사용해 고스위칭 출력을 최대한 이용한다. 호이스트의 움직이는 부분에 장착된 2개의 슬림 라인 모듈은 턴록(turnlock) 드라이브를 제어하고 연속 연결된 Sirius 3RT 모터 접촉기를 폴링한다. 또한 보호 접촉기는 이송되는 차량을 위한 파워 레일에 230V 이동 명령을 스위치하도록 트리거된다.

안전을 보장하는“Safety at Work”

제어를 목적으로 AS-Interface를 설치함으로써 복잡한 케이블을 추가적으로 설치할 없이 필요한 안전 기능을 통합시킬 수 있었다. 안전 관련 애플리케이션은 분류 2(EN 954-1)에 맞도록 설계된다. 양방향 안전 이동 제한 신호는 Siguard 3SE 리미트 스위치에 의해 K45F 안전 모듈을 통해 안전 모니터로 전송된다. 호이스트의 움직이는 부분에 장착된 리미트 스위치는 드라이브 벨트를 모니터링한다.

드라이브 상의 플런저 장치의 퀘링 역시 Siguard 리미트 스위치에 의해 수행된다. AS-Interface “Safety at Work”을 위한 안전은 안전한 컴팩트 모듈과 안전 모니터 사이의 추가적인 신호 전송에 의해 실현된다. 안전 모니터는 매 사이클 마다 각 컴팩트 모듈로부터 특정한 텔레그램을 예측하며, 이 텔레그램은 사전 정의된 알고리듬에 따라 지속적으로 변경된다. 만약 리미트 스위치가 트립되거나 오류가 발생하여 예측된 텔레그램이 도달하지 않으면 안전 모니터는 최대 40 밀리세컨드 후에 릴리스 회로를 스위치하여 즉시 드라이브를 정지시킨다. 그 후 드라이브는 키 스위치로 잠금 해제 된 후 그 위치에서 다른 곳으로 옮겨진다.

따라서 AS-Interface는 설치의 용이성, 높은 가용성, 확장과 관련된 유연성이 결합된 경제적이고 안전한 시스템이라 할 수 있다. “Safety at Work”에 의한 시스템 확장, 즉 표준 AS-Interface 구성에 안전 모니터와 안전 슬레이브를 추가하는 것은 표준 데이터와 안전 관련 데이터를 하나의 공통 AS-Interface 버스 라인에서 전송 가능하게 함으로써, Miele의 기존 호이스트에 필요했던 복잡한 케이블 라우팅을 과거의 것으로 만들었다.

아이씨엔 매거진 2009년 03월호

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