시스템의 안전과 사람의 안전, 그리고 세이프티 네트워크

제조시스템의 규모가 비대해지고, 시스템이 분산화되는 추세가 이어지고 있는 가운데, 각종 안전장치를 위한 센서 등이 복잡하게 얽히면서 회로구성이나 센서의 연결을 위하여 대량의 배선이 요구되고 있다. 기존에는 릴레이로 안전 회로를 구성해 왔지만, 이는 안전장치의 추가 구성이나 통합 모니터링에서 불편을 초래하고 있다. 이에 세이프티 네트워크가 제시되고 있다.

최근들어 이중화 시스템과 같은 제조 설비에서의 안전이 일반화되고 있으며, 제조 시스템의 운전 과정에서 사람을 안전하게 보호하는 기술적인 장비들, 그리고 국제적인 환경 보호 규정에 기반한 최신의 안전 시스템 기술들이 체계화되고 있다. 분산 시스템에서의 효율적인 구축과 운용을 위해 세이프티 네트워크 시스템이 부각된다. 필드버스 기반의 세이프티 네트워크 시스템을 통해 배선을 획기적으로 절감하고 설비 환경의 변화에도 적극 대응해 나가는 것이 가능하기 때문이다. 또한 국제적인 안전 규정을 모두 충족하는 기계 장비 및 시스템으로 손쉽게 전환할 수 있다.

따라서 많은 기계 제작 OEM 업체들은 안전 시스템을 어떻게 구성하여, 국제 안전 규정을 만족할 수 있을 것인가에 이목을 집중하고 있다.

IEC61508 SIL 3 레벨의 준수와 EN954-1 카데고리4를 만족하여 국제 시장에서의 안전규정을 해결하고자 노력하고 있는 것이다. 최근에는 이러한 국제 규정이 더욱 강화되고 있다. ISO13849-1 2006년 규정도 발표됐다. 아직까지 2006년 규정이 국제적인 강제 규정으로 채택되어 사용되고 있지는 않다. 그럼에도 향후에는 더욱 강화된 이 규정도 염두에 둘 필요가 있기에, 이를 만족하기 위한 유연한 세이프티 네트워크 시스템에 이목을 집중하고 있는 중이다.

특히 세이프티 네트워크는 비상 정지의 오동작 원인이 되는 통신 장애를 검출하는 기능을 갖추고 있어 통신 장애 검출시에는 한층 더 신속하게 기계 장치를 안전 상태로 이행하는 fail-safe 기능을 가지고 있다. 또 라이트 커튼이나 안전 스위치 등의 안전 기기의 안전 네트워크 대응에 의해 배선 수 및 배선길이를 줄여줌으로써 코스트 삭감 효과도 기대할 수 있다. 이 때문에 안전 네트워크는 종류와 대응 기기 수가 점점 다양화되고 있다.

세이프티 네트워크를 검토하자

이들 안전 시스템 및 장비에 대한 정보 및 통합 제어 시스템을 위한 네트워크가 큰 힘을 발휘할 단계에 들어섰다. 이에 PLC 및 DCS 이중화 시스템 기술, Profisafe, CIP Safety, AS-Interface Safety, CC-Link safety 등이 전반적으로 크게 부각되고 있다. 기존의 제조 및 공정 시스템에 안전 시스템을 추가적으로 설치하기 위한 다양한 통합 네트워크 기반의 장비와 기술들에 대한 비중이 날로 증가하고 있는 것이다.

독일 지멘스가 주도하고 있는 Profinet은 사람과 기계, 그리고 환경을 고려한 완전한 안전 개념을 요구하는 제반 조건들을 충족한다. 고장 방지 통신용 표준 프로파일인 PROFIsafe를 채택한 까닭에, PROFINET은 평시의 표준 애플리케이션은 물론, 긴급시의 고장 방지용 애플리케이션에 모두 응용이 가능하다. 임의 변동이 가능한 프로그래밍 보안 논리구조는 시스템 가동 및 프로그래밍을 단순화하도록 표준 도구들을 사용한다.

국제 AS-Interface 협회는 센서-액추에이터 레벨에서의 안전을 위해 AS-Interface Safety를 발표했다. 이 시스템은 EN 954-1 규격 기준 카데고리 4 및 IEC 61508에 준하여 SIL3까지의 제어시스템에 사용될 수 있다. 또한 EN 60204-1 규격에 따른 정지 카데고리0 및 1에 사용될 수 있다.

일본 미쓰비시전기가 이끌고 있는 CC-Link 협회에서는 세계에 널리 보급되어 있는 개방형 필드 네트워크인 CC-Link 프로토콜의 상위층에 각종의 전송 잘못을 검출하는 안전 기능층을 실현하는 것으로 기계 안전 용도에 사용할 수 있는 높은 전송 신뢰성을 갖춘 안전 네트워크인 ‘CC-Link Safety’를 발표했다. CC-Link Safety는 IEC 61508 표준에 따른 SIL3 및 ISO 13849-1 카데고리 4를 만족하는 안전시스템 구축이 가능하며, CC-Link와의 호환성을 유지하여 기존 시스템을 그대로 유지한 가운데 안전시스템 구축이 가능하다.

ODVA가 발표한 CIP Safety는 안전 장치와 표준 장치를 동일한 네트워크나 와이어에 혼합할 수 있어 통신정보의 끊김없는 통합이 가능하고 유연성이 향상된다. CIP Safety도 안전 응용분야에서 IEC 61508 표준에 따른 안전 무결성 수준(SIL) 3레벨까지 안전 I/O 차단 같은 노드간 고장 대비 안전 통신, 안전 인터록 스위치, 안전 광막, 안전 PLC를 제공한다.

단일 네트워크에 안전과 제어를 동시 실현

CC-Link Safety는 개방형 네트워크인 CC-Link 프로토콜의 상위 층에 각종의 전송 잘못을 검출하는 안전 기능 층을 실현함으로써 기계 안전 용도에 사용할 수 있는 높은 전송 신뢰성을 갖춘 안전 네트워크이다.

안전 기능 층에 의해 검출할 수 없는 통신 에러율을 극히 낮게 억제하여 IEC 61508 SIL3 및 ISO 13849-1 Category4에 적합한 안전 시스템을 구축할 수가 있다. 또 안전기능 층이 CC-Link 프로토콜의 상위 층에 실현되었으므로 CC-Link Safety는 CC-Link와의 호환성을 유지해 케이블 등의 현재 자산의 활용, CC-Link 대응 제품의 접속, 종래의 엔지니어링에 유용 가능할 뿐만이 아니라 안전 통신에 대해서도 CC-Link와 같은 고속 통신이나 고속 응답성을 실현하고 있다. 또한 안전 시스템의 부정 변경이나 설정 미스를 검출하는 구성 관리 기능, 트러블 원인을 신속히 분석할 수 있는 RAS 기능을 갖추어 안전 네트워크로서의 편리성이 뛰어나다.

CIP Safety는 다른 안전 네트워크 기술들과 달리 안전 기능이 엔드 노드(end node)에 있다. 따라서 CIP Safety를 사용하면 단일 CIP 네트워크에 표준 및 안전 장치를 설치할 수 있으며, 다양한 안전 네트워크 아키텍처를 활용할 수 있다. 안전은 오늘날의 제조 시설 자동화에서 매우 중요한 사항이다. 제조업체들은 작업자들을 부상으로부터 보호하기 위해 필요한 모든 조치를 취해야 하며, 동시에 생산성과 투자 회수율을 향상시켜야 한다.

CIP Safety 는 CIP 네트워크의 적용 범위를 안전 분야까지 확장시키며, 따라서 사용자들은 안전 시스템을 통합된 CIP 네트워크 아키텍처에 도입하여 공장의 생산성과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있게 된다.

이와 동시에 모든 CIP 네트워크는 공동 조작이 가능하고 브리징 및 라우팅이 일관되게 이루어지기 때문에 사용자들이 표준 CIP 네트워크 인 EtherNet/IP, ControlNet, DeviceNet을 CIP Safety 네트워크와 함께 설치할 수 있다. 또한 표준 CIP 네트워크를 여러 CIP Safety 서브 넷의 백본으로 사용할 수도 있다. 미디어 독립형 ODVA Publishes CIP Safety Specification 플랫폼에 구축된 CIP는 공장에서 경영까지 일관된 통신이 이루어지게 하며, 또한 사용자들이 다수의 네트워크에 걸쳐서 안전, 제어, 동기화, 동작, 정보, 구성 기능을 모두 활용할 수 있도록 한다. 현재 CIP Safety는 DeviceNet Safety라는 이름으로 로크웰오토메이션, 오므론 등이 제품을 출시했다.

표준 DeviceNet 미디어 및 토폴로지를 안전 시스템 내에서 사용할 경우 별도로 시스템을 변경할 필요가 없다. 그러므로 DeviceNet 네트워크의 사용자는 이미 갖추고 있는 네트워크에 단순히 DeviceNet Safety 기기를 추가하는 방식으로 배선 작업을 계속 사용하면서 안전 시스템을 설치할 수 있다. 또한 최종 사용자는 하나의 네트워크 상에서 안전 제어 및 표준 제어를 통합할 수가 있다.

국제적인 안전 규격 인증

IEC 61508은 PLC와 같은 제어시스템 내의 기능 관련 안전에 관한 표준으로 안전 네트워크의 기능을 관리하고 있다. 7개의 부분으로 되어 있는 이 표준은 안전 시스템에 대한 필요 조건을 제시하여 올바른 안전 통합 레벨(Safety Itegrity Lvel, SIL)이 유지될 수 있도록 한다.

IEC 61508은 안전 시스템 평가 방식을 미리 정해진 규정에 따른 방식에서 결과 또는 목표를 평가하는 방식으로 다시 규정하고 있다. 이러한 변경은 고급 안전 시스템이 개발될 수 있게 하였으며, 특히 전선으로 연결되어 있는 회로를 대신한 안전 네트워크의 사용에 기여를 하게 되었다.

IEC 61508 이전의 경우 안전 시스템 업체는 제품 또는 시스템이 표준 평가기관이 만들어 놓은 블록도에 적합하게 설계되어 있다는 것을 항상 증명해야 했다. 그러나 지금은 사용자와 공급 업체가 위험성 평가를 실시하여 발생할 가능성이 있는 고장을 감지할 수 있고, 고장 발생 확률 및 고장 발생에 의해 발생하게 되는 문제점 등을 문서로 작성할 수 있게 되었다.

이 분석을 통해 보호 시스템에 의해 얻어지게 되는 SIL 단계를 결정할 있게 되었으며, 이 SIL 단계를 통해 필요시 최대 고장 발생 확률을 확인할 수 있다. SIL 단계에서 가장 높은 단계인 SIL4는 항공기 또는 원자력 발전소 등과 같은 곳에서 사용하는 중요한 기기에 적용되고 있다. 또한 SIL 3은 일반적인 제조 공장 및 공정 어플리케이션에 있어 가장 높은 단계로 사용되고 있다.

아이씨엔 매거진 2008년 02월호