작업의 안전 개념(The Safety at Work)과 AS-Interface(4)

많은 회사들의 공동 작업으로 개발된 ‘AS-Interface Safety at Work’ 컨셉은 안전 관련 컴포넌트를 AS-Interface 시스템으로 완벽히 통합시킨 개념이다. 표준 작업과 안전 작업은 동일한 하나의 AS-Interface 케이블 상에서 아무런 제한없이 처리된다. < 편집자 주>
이번 호에서는 포장기계를 샘플로 하여, AS-Interface Safety at Work 컴포넌트들을 사용하는 애플리케이션 사례들을 알아보기로 한다.
1. 비상정지, 인간과 기계의 안전 보장
문제 설명
비상 정지(emergency-stop) 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 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.
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
결론
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.
2. AS-Interface Safety at Work를 수반한 바운싱(bouncing) 스위치 접점 모니터링
문제 설명
스위치 접점들의 유연한 기계적 특성과 이로 인해 유발되는 전체 진동의 영향으로, 비상 정지 버튼, 안전 위치 스위치, 릴레이 등에서 사용되는 것과 같은 스위칭 요소들의 전기기계적 스위치 접점들은 활성화된 동안 튀어 오르는 현상이 발생할 수 있다. 접점 바운싱(bouncing)은 스위치 접점이 개폐 작동으로 인해 순간적으로 불안정한 상태에 처하는 것을 의미한다.
이렇듯 정의되지 않은 상태가 지속되는 것을 일컬어 컨택트 바운싱 타임이라 한다. 이는 접점이 안정 상태로 다시 도달하기까지 약간의 밀리세컨드 (백분초) 동안의 시간에 해당한다.
결론
고도의 안전 테크놀로지 요건과 AS-Interface 안전 모니터의 빠른 반응 시간으로 인해, 접점 바운싱은 고장으로 해석되거나, 혹은 안전 위치 스위치들의 2 채널 독립 모니터링 기능을 지닌 해당 애플리케이션들의 안전 가드가 개방된 것으로 볼 수 있다.
솔루션 접근 방법
조정 가능한 동기화 시간 및 바운스 타임은 안전 가드가 닫힐 때 안전 모니터가 고장 나는 것을 방지한다. 이는 접점 바운스의 지속시간을 측정한다. 그 시간이 지나고 나면, 도어록이 모니터링 된다.
신형 AS-Interface Safety at Work 구성 소프트웨어 (버전 2.0 이상)은 ‘디바운싱 기능에 딸린 2 채널’ 기능을 통합하고 있다.
안전 슬레이브 코드 테이블 읽기
연결된 AS-Interface 안전 모니터에 구성 정보 전송작업을 마친 후, 모니터링 대상인 슬레이브의 코드 테이블이 판독되어야 한다. 그 전에, AS-Interface 버스는 모든 안전 슬레이브들을 포함하여, 전원이 켜진 (ON) 상태여야 한다.
구성 소프트웨어에서 코드 테이블을 읽기 시작하기 위해서는, 모니터 메뉴 상에서 ‘코드 테이블 학습’ (Teach code tables …) 명령을 클릭한다. 모니터링 대상이 되는 모든 안전 슬레이브들의 코드 테이블이 일단 무난히 판독되고 나면, 사전 구성 로그는 구성 소프트웨어로 전송된다.
이점
이렇듯 수정 가능 시간을 명세 규정하는 것은, 안전 문제가 개입되지 않는 한 운전자 생산 공정이 중단되지 않고 지속되기 때문에 기계 운전자에게 이점을 제공한다.
3. 안전 라이트 커튼 및 멀티빔 보호 광전 센서
문제 설명
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 팔레트더미(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 접근 방법
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(protective field)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.
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 AS-Interface 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.
< 제공: AS-Interface Association>
아이씨엔 매거진 2007년 01월호