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AS-Interface at Work를 이용한 안전시스템 애플리케이션(3)

적용: 액티브 광전 보호 디바이스들 (AOPDs)

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.

1. 안전 라이트 커튼 및 싱글- 또는 멀티-빔 보호 광전 센서

문제설명
오늘날, 안전 라이트 커튼과 아울러 IEC 61496-2에 준한 유형 2 및 유형 4의 싱글 또는 멀티 빔 광전 보호센서 등이 위험 구역 보호, 안전 접근 제어 등과 함께 가령, 압력 브레이크 등과 같이 위험 지역에서의 인체 (손가락) 탐지 등의 용도로 산업용 플랜트에서 사용되고 있다. 이들은 펜스, 보호 후드 및 안전 가드 등과 같은 보호 배리어 디바이스들이 접근성 문제나 외형상의 문제로 인해 설치될 수 없는 곳에 사용된다. 이들 액티브 광전 보호 디바이스(AOPD)들은 자재 취급 장비와 자재 공급에 방해를 끼치지 않는 효율적인 운전자 보호가 요구되는 상황에서 사용되는 빈도가 매우 높다. 이러한 경우의 보기로는, 차단 구역으로 팔레트 더미(palette stack) 등과 같은 물체가 드나들며 움직여야 하는 곳에 있는 애플리케이션을 들 수 있다 (예: 포장 로봇).

이 때, AOPD는 제한된 공간과 시간 내에 팔레트 더미들을 이송하기 위한 접근을 허용하는 반면, 인간의 접근은 배제하도록 작동한다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 보호 효과는 때에 따라 조건적으로, 그리고 의도적으로 유보되어야 한다. 우리는 이를“뮤팅”(muting)이라 한다.

결론
AOPD 시스템들은, 안전 센서가 활성화되는 경우, 보호 대상이 되는 기계를 안전 상태로 하여 위험 상황에서 인간을 보호하기 위하여 기계 및 플랜트에 사용된다. AOPD의 위치와 전체 최대 반응 시간은 (예를 들어, 계속해서 움직이는 파트 등) 위험 지역에 인체가 닿음으로 인해 작업인원이 상해를 입기 전에 작동하도록 해야 한다.

솔루션 접근방법
안전 라이트 커튼 내지 싱글- 및 멀티-빔 보호 광전 센서 등은 항상 하나의 트랜스미터와 하나의 리시버 디바이스로 구성된다. 트랜스미터는 하나의 전자 컨트롤러와 하나 이상의 적외선 방사원(emitter source)들로 구성되는데, 이들은 빠른 연속선 상에서 제어되며 코드 입력된 적외선 펄스를 전송한다. 리시버는 하나의 컨트롤과 아울러, 안전 출력 신호 변환 디바이스 (OSSD)가 부속된 평가 유닛은 물론, 트랜스미터 펄스 파형 평가를 위한 적외선 리시버 유닛으로 구성되어 있다. 이는 트랜스미터와 리시버 사이의 이차원 적외선 광선 보호장(protectivefield)을 형성하는 데 사용된다. 방사원의 수에 따라, 이는 싱글- 또는 멀티-빔 광전 센서가 될 수도 있고, 혹은 소위 라이트 커튼(light curtain)이 될 수도 있다. 어떤 이가 보호장을 침범해 들어올 경우, 해당 기계는 리시버 출력 변환 요소를 통하여 안전 상태를 확인하도록 시그널을 발신한다.

AS-Interface Safety at Work을 적용한 솔루션 구현

사용자는 다양한 보호장 높이와 감도를 지닌 디바이스 유형들 중에서 선택할 수 있다. 이들 유닛은 물리적 배리어 디바이스들이 아니라 광전 보호 디바이스들이기에, 게다가 해당 광전 센서 내지 라이트 커튼을 넘어서는 인원의 침입이 기계적으로 방지되는 것이 아니기 때문에, 센서와 위험 구역 간의 필수적인 안전 거리가 반드시 확보되어야 한다. 안전 거리 계산을 위한 정보는 (센서 및 버스 시스템의 반응시간과 기계 시스템 정지 반응 시간 등을 포함하여) 사용 설명서에 관한 해당 정보에서 얻을 수 있다.

안전 거리 계산을 준수하되, 최대 정지 반응 시간의 총합을 반드시 고려하도록 한다. 이는 센서의 반응 시간과 AS-Interface 안전 모니터의 반응시간 (최장40ms), 그리고 해당 기계 시스템의 정지 반응 시간으로 구성된다.

하드웨어
다양한 하드웨어 솔루션들이 제공되고 있다. 내장 AS-Interface 센서들은 보조 전원공급장치가 있는 것과 없는 버전으로 출시되어 있다. 보조 전원 공급장치가 장착되어 있지 않은 센서들에 대해서는, 데이터 통신 및 전원 공급이 황색 ASInterface 리본 케이블을 통해 이루어진다. 뮤팅 센서 및 뮤팅 램프 등이 장착된 멀티-빔 보호 광전자 센서 등과 같이 전력 요구가 비교적 많은 센서들에 대해서는, 흑색 AS-Interface 리본 케이블을 통해 전원이 별도로 공급된다. 내장 ASInterface가 없는 센서들은 반도체 내지 릴레이 출력을 수반한 AOPD 센서 연결을 위해 고안된 AS-Interface 입력 모듈을 통해 해당 시스템에 통합될 수도 있다.

소프트웨어 구성
구성 소프트웨어에는, AOPD용으로 두 개의 모니터링 디바이스들이 통용되고 있다. “2-채널 강제형” 디바이스는 반도체 입력을 수반한 센서용으로 사용된다. 여기서, AS-Interface 슬레이브의 스위칭 시그널은 코드 테이블의 전송 시퀀스의 4 비트 전체에 작용한다. 안전 모니터는 100ms의 대기 전송 시간에 맞춘 접점의 개폐를 점검한다.

“2-채널 의존형” 디바이스에서는, AS-Interface 슬레이브 상의 두 개의 스위칭 시그널이 (가령, 2-채널 출력 변환 요소를 지닌 광전 센서에서) 전송 시퀀스 상의 2 비트에 각각 작용한다. 이 경우, 두 스위칭 시그널은 모두 사용자가 정의한 동기화 시간 내에 들어와야 한다. 양측 디바이스에 대해, ASInterface 표준 슬레이브를 통해 선택사양으로 시동 테스트 및 로컬 승인 등이 선택될 수도 있다. 시동 테스트의 경우, 안전 모니터는 해당 센서의 안전 기능이 검사된 이후에만 준비 상태로 들어간다. 또한 로컬 승인의 경우에는, 가령 플랜트의 대부분의 영역이 감추어진 곳에서 센서가 사용될 때, 이는 해당 센서가 승인된 이후에야 비로소 준비 상태로 진입하게 된다.

이점
내장 AS-Interface가 장착된 안전 라이트 커튼 및 멀티-빔 보호 광전 센서 등은 AS-Interface 네트워크와의 직접적인 연결을 허용한다. 유지보수 내지 고장수리의 경우, 안전 구성을 변경할 필요 없이 안전 모니터 상의 SERVICE 기능을 써서 간단히 디바이스 교체를 할 수 있다. 센서의 상태는 (OSSD ON/OFF, 가령 약한 빔 지시기는 뮤팅 센서 상태를 고려한 파라미터 쿼리 등) 항상 구성 소프트웨어 내지 AS-Interface 마스터를 통한 안전 모니터의 진단 기능을 써서 쿼리(질의) 될 수 있다.

2. 안전 레이저 스캐너

문제 설명
아레나 스캐너(arena scanner)라고도 알려진 안전 레이저 스캐너는 IEC 61496-3 규격에 준한 유형 3의 다양한 반응에 응답하는 액티브 광전 보호 디바이스다.

이는 설정된 보호 구역을 지속적으로 탐색한다. 가령, 사람이 들어오는 등, 보호구역이 침범 당하면, 해당 스캐너는 안전 스위치 출력(OSSD)을 차단함으로써 위험 동작을 정지시킨다. 산업용 플랜트에서, 안전 레이저 스캐너는 위험 구역에서의 정적 모니터링은 물론, 자동 유도 차량 등에 대한 동적 보호용으로도 투입된다. 전자의 경우, 보호 구역의 크기가 고정되거나 변동되는 요건이 해당되는 기계 및 플랜트에서의 위험 구역을 보호하는 데 사용된다. 여기서 주된 과제는 작업 공정에 간섭을 유발하지 않고, 림(limb) 상부 또는 하부의 위험 지점에 이물체가 들어오거나 닿지 않도록 위험 구역을 보호하는 데 있다. 이러한 목적으로, 해당 기계의 판상, 측면 혹은 전면에 센서가 직접 설치될 수 있다.

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무인 운송차량에서는, 센서가 운송 구간을 모니터링 한다. 이 경우, 인체나 물체를 감지하여, 해당 차량을 자동적으로 정차시키는 것이 목적이다.

그 밖의 스캐너 응용 사례로는 운송 차량의 충돌 방지를 들 수 있다. 일반적으로, 이들 차량은 가이딩 라인 내지 트랙을 따라 유도된다. 따라서 운송 경로들은 대부분의 경우 해당 운송 차량보다 그 폭이 약간 넓은 편이다. 이는 운송 차량을 피할 방법이 없기 때문에 인원이 상해를 입을 위험이 커짐을 시사한다.

결론
AOPDDR 시스템은 안전 센서가 활성화될 경우, 보호 대상이 되는 기계를 안전상태로 전환함으로써 위험 상황에서 인간을 보호하도록 기계 및 플랜트에 사용된다. 이는 위험 구역에 인체가 닿거나 상해를 입기 전에 실행된다. 안전 레이저 스캐너의 장점은, 하나 이상의 보호 구역들이 상이한 보호 구역 형상에 적용되도록 구성될 수 있다는 것이다.

솔루션 접근방법

안전 레이저 스캐너 제품들은 – 레이더 시스템과 유사하게 – 표면을 지속적으로 감시하는 광전 디바이스다. 이들은 해당 작업 범위 내에서 불투명한 대상들의 표면에서 발생하는 다양한 반응을 활용한다. 만약 (인간이나 기계 등) 어떤 대상이 작업 구역에서 탐지된다면, 해당 디바이스는 그 거리와 크기 및 위치 등을 참조하여 정확한 조정 값을 계산하며, 이는 반사광이 발생한 시간과 아울러 해당 섹터 영역에서의 진행 방향에 근거하여 산정된다. 이는 또한 감지된 대상이 사전에 지정된 보호 구역의 내부에 위치하는 지, 아니면 외부에 있는 지를 동시에 판별한다. 레이저 다이오드의 라이트 펄스(광파)는 회전 거울을 써서 스캐닝 영역 주변에 편향된다. 또한 펄스 지연 시간을 사용하여 측정이 수행된다. 빛을 반사하는 대상까지의 거리는 해당 전송과 라이트 펄스 수용의 시차를 통해 산정된다.

대상의 발광 계수와는 가능한 한 독립적으로 평가가 이루어지도록 한다. 어떤 대상이 미리 설정된 보호 구역 내에서 탐지되는 경우, 해당 스캐너는 자체의 안전 관련 OSSD 출력을 정지상태로 전환한다. AS-Interface를 경유하여, OSSD들의 상태는 데이터 시퀀스로 해당 AS-Interface 안전 모니터에 주기적으로 전송된다.

안전관련 보호필드 외에도, 비안전 경고 구역이 설정될 수 있다. 이 설정에 위배되는 경우, 해당 기계는 전원이 꺼지는 대신, 경보를 발생한다. 또한 이것은 해당 AS-Interface 마스터에 주기적으로 전송되는 텔레그램의 일부이며, 쿼리(질의)될 수도 있다.

운전 도중, 보호 구역 내지 경고 구역들은 커미셔닝을 실행하면서 구성되며, 이는 로컬 센서 시그널을 통해 변환될 수 있다. 구성에 따라, 해당 스캐너는 가령 전면 커버가 너무 오염되어 있거나, 혹은 부가적으로 설정한 경고 구역이 침범되었을 경우에, 비안전관련 경보를 발생한다.

AS-Interface Safety at Work를 사용한 솔루션 구현

이들 유닛이 물리적 장애물이 아니라, 광전 보호 디바이스들이기 때문에, 또한 스캐너의 지정 보호 구역이나 경고 구역에 인원이나 대상의 침범이 기계적으로 방지되는 것이 아니기에, 안전 구역과 위험 지역 간의 안전거리 확보는 필수적이다. 이 거리는 반드시 산정되어야 한다. 어떤 영역이 보호된 상태라면, 설정된 해당 보호 구역의 크기는 위험 지역까지 계산된 안전거리에 일치하거나 그 보다 커야 한다.

안전거리의 산정은 (센서 반응시간, 버스 시스템 및 기계 시스템 정지 반응시간 등을 포함하여) 사용 설명서 상의 관련 정보에서 찾을 수 있다.

엄수 사항: 안전거리를 산정하기 위해서는, 최대 정지 반응시간 총계를 반드시 고려해야 한다. 이는 센서의 반응 시간, AS-Interface 안전 모니터 반응시간(최대 40ms) 및 기계 시스템 정지 반응시간 등으로 구성된다.

하드웨어
다양한 하드웨어 솔루션들이 제공된다. 내장 AS-Interface를 장착한 센서들이 보조 전원공급 디바이스의 유무에 따라 제품으로 출시되어 있다. 보조 전원 공급이 없는 센서에 대해서는, 데이터 통신 및 전원 공급이 황색 AS-Interface 리본 테이블을 통해 실행된다. 보다 많은 전력이 소요되는 센서에 대해서는, 흑색 ASInterface 리본 케이블을 통하여 전원이 별도로 공급된다. 내장 AS-Interface가 없는 반도체 내지 릴레이 출력을 수반한 AOPD 센서들을 연결하기 위해 고안된 AS-Interface 입력 모듈을 통하여 해당 시스템에 통합될 수도 있다.

어떤 사람이나 대상이 지정된 보호 구역 내에 있을 경우, 안전 지향형 전환(스위칭) 기능이 촉발되며, AS-Interface 및 AS-Interface 안전 모니터를 통해 보호되는 해당 기계는 안전 상태로 전환된다. 이러한 전환 기능은 오직 해당 보호 구역이 해제될 경우에만 재설정 된다.운용 모드에 따라, 이는 자동적으로 실행되거나 혹은 ASInterface 안전 모니터를 통해 승인된 이후에 재설정된다.

주의 – 자동 재시작 기능을 사용할 경우, 이 기능이 해당 애플리케이션 유형에 적합한 지 반드시 확인해야 한다.

소프트웨어 구성
구성 소프트웨어에서는, AOPD 시스템용으로 두 개의 모니터링 디바이스들이 출시되어 있다.

“2-채널 강제형” 디바이스는 반도체 출력부를 지닌 유닛들에 사용된다. 이 때, AS-Interface 슬레이브의 스위칭 시그널은 코드 테이블 전송 시퀀스의 4 비트 전체에 작용한다. 안전 모니터는 100ms의 대기 전송시간에 대한 접점 개폐를 점검한다.

“2-채널 의존형” 디바이스에서는, AS-Interface 슬레이브의 두 가지 스위칭 시그널이 (가령, 2-채널 릴레이 출력 스위칭 요소를 지닌 센서에서) 전송 시퀀스의 2비트에 각각 작용한다. 이 경우, 양자의 스위칭 시그널은 사용자가 정의한 동기화 시간 내에 반드시 들어와야 한다.

두 디바이스들 모두, 시동 테스트 및 로컬 승인은 AS-Interface 표준 슬레이브를 통해 옵션으로 선택될 수 있다. 시동 테스트의 경우, 해당 센서의 안전 기능이 검사된 이후에만 안전 모니터가 준비 상태로 들어간다. 로컬 승인의 경우 (가령, 대체로 은폐된 플랜트 영역에서 센서가 사용될 때), 이는 해당 센서가 승인을 마친 이후에만 준비 상태로 들어간다.

이점
통합 AS-Interface를 내장한 안전 레이저 스캐너 제품들은 AS-Interface 네트워크와의 직접적인 연결을 허용한다. 유지보수 및 고장수리의 경우, 해당 안전 구성을 변경할 필요 없이, 안전 모니터의 SERVICE 기능을 써서 손쉽게 작업이 수행될 수 있다. 센서 상태(OSSD ON/OFF, 가령 경고 표시기 및 보호 구역 선택 등을 질의하는 파라미터)는 구성 소프트웨어 내지 AS-Interface 마스터를 사용하여 안전 모니터의 진단 기능을 통해 항시 쿼리 및 점검될 수 있다.

아이씨엔 매거진 2009년 07~08월호

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