산업 제어 시스템을 위한 국제적인 안전 원칙(Safety Principles) 가이드(7)

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. < 편집자 주>
레이저 스캐너
탐지영역에 첫발을 내 디디면, 위험전원이 트립 된다. 다음 발을 디뎌도 전원 접속이 방해된다. 트립 장치역할도 하는 구역 존재감지 장치와 트립 장치의 경우 안전거리 계산을 해야 한다.
기본적인 2가지 요건은:
(1) 장치가 트립 되지 않은 상태에서 위험으로의 접근이 허용되면 안 된다.
(2) “정지(run down)”에 이르는 시간이 충분하여 안전상태가 확보되기 전에는 위험에 도달할 수 없도록 장치를 멀리 떨어진 곳에 배치해야 한다.
이것은 장치의 감지영역 주변에서 위험 사이의 최단 접근가능 거리가 적어도 안전거리 공식은 충족시켜야 함을 의미한다.
대안으로는, 전적(全的)으로 떼어 놓은 거리에만 의존하지 않는 방법으로 위험으로부터의 보호를 하는 것이다. 일반적으로 여기에는 로크식 보호 문과 연동 시키는 철저한 보호방법이 포함되어 있다. 기계가 안전상태로 진입하기 전에는 보호 문의 로크는 해제될 수 없다.
사람이 보호구역에 들어 간 후 시야에서 사라질 수도 있음을 위험평가를 통해서 알 수 있다.
보호 문은 닫히고 다른 어느 사람이 기계를 작동시킬 수 있다. 이러한 상황을 피하는 한 가지 방법이 폐쇄된 보호구역 내의 모든 장소에서 사람의 존재를 감지하는 것이다. 이 방법을 사용하면 공간을 절약할 수는 있으나 일반적으로 이것은 포크리프트 등의 접근성을 희생해야 한다.
그 목적에 구역 존재감지 장치를 사용한다면, EN 999의 크기 및 위치요건을 충족시켜야 할 필요는 없으나, 장치를 트립 시키지 않고 위험으로의 접근이 가능해서는 안 된다는 기본요건이 존재함을 알아야 한다.
사람이 움직이면 장치가 작동한다. 그 장치는 전 폐쇄구역에서 작동해야 한다. 일반적 장치로는 압력감응 매트, 수평 광 커튼 또는 격자, 및 레이저 스캐너가 있다.
사용장치 선택대상은 장치의 특성을 용도의 특성에 맞추는데 따라 다르다.
어떠한 경우에는 운전자가 위험을 향해서 가는 대신에 위험이 운전자에게 다가가기도 한다. 예를 들면, 동력식 문. 이 경우에는 위험의 선단(先端)에, 사람과의 가벼운 접촉으로 작동하여 상해사고가 발생하기 전에 운동을 정지시킬 수 있는, 감응성 테두리를 부착한다.
이 경우에 초과 운동 즉 “타성(惰性) 운동” 양과 운동정지에 걸리는 시간이 중요하다. 감응성 테두리는 전단(剪斷) 및 끼임과 같은 다양한 문제성 위험형식에 효과적인 보호수단이 될 수 있다.
존재감지 장치 시작 (PSDI)
단일 파괴/이중 파괴 작동모드라고도 알려진, PSDI에는 안전장치뿐 아니라 기계작동 제어장치로서 광 커튼의 사용이 포함되어 있다. PSID는 감지영역의 파괴 회수를 기반으로 기계 사이클을 시동한다. 예를 들면, 운전자가 위험으로 접근하여 공작물을 삽입하면 빔의 파괴로 기계는 즉시 정지하거나 운전자가 그 구역에서 손을 빼기 전에는 기계의 재작동이 억제되는데 손을 빼면 기계는 자동으로 그 다음 사이클을 시작한다.
OSHA 1910.217(h)에는 특별히 기계식 파워프레스에 PSDI 사용제한 및 적용요건이 규정되어 있다.
안전 광 커튼 적용
그 용도에 적합한 광 커튼을 결정하는 경우에, 여러분이 해야 할 것은:
1. 보호대상 장비의 각 개별 위험 확인
2. 기계를 그 작동 행정 또는 사이클 중에 어느 때라도 정지시킬 수 있는지 판단 결정
3. 보호대상이 무엇인가를 결정- 손가락, 손, 사지, 몸통
4. 안전거리 계산
5. 광 커튼 크기 결정- 사람이 광 커튼을 넘어, 또는 그 밑으로, 또는 그 주위를 돌아 위험에 접근할 수 있으면 안 된다.
궁극적으로 선택과정 1-3 단계는 안전원칙에 설명된 위험평가를 통해서 알게 된 사실을 기초로 한 것이다.
안전거리 계산
안전 광 커튼을 설치하는 경우, 위험지점으로부터 광 커튼을 설치할 수 있는 최소 안전거리를 계산해야 한다. 위험과 광 커튼 사이의 거리는 운전자가 위험에 도달하는데 걸리는 시간(신체 일부의 접근속도에 대한)은 기계를 정지시키는데 걸리는 시간보다 더 크도록 해야 한다.
미국에는 안전거리 계산에 사용하는 공식이 2가지가 있다. 첫째는 OSHA 공식으로 안전거리 계산의 최소요건을 규정한 것이다. 두 번째 공식은 로크웰 오토메이션이 권고하는 것으로 ANSI 공식인데, 이것은 안전거리 계산 시에 고려하는 요소를 추가시킨 것이다.
OSHA 안전거리 계산공식
CFR Subpart O 1910.217에 규정된 OSHA 안전거리 계산공식은 다음과 같다.
Ds = 63 x Ts
여기서:
Ds: 안전거리
63: OSHA가 권고하는 손의 속도정수로 초 당 inch로 표시한 것이다.
Ts: 초 단위로 측정한 안전회로에 부착된 모든 장치의 총 정지 시간이다. 이값에는 기계의 위험운동 정지에 관여한 모든 부품의 것을 포함시켜야 한다. 기계식 파워프레스의 경우 그것은 크랭크샤프트 회전의 약 900위치에서 측정한 정지 시간이다.
유의사항: Ts 번호에는 안전 광 커튼, 안전 광 커트 제어기(사용하는 경우), 기계의 제어 회로 및 기계의 위험운동을 정지시키는데 반응하는 여타
장치의 대응시간을 포함하여 모든 장치의 대응시간을 포함시켜야 한다.
ANSI 안전거리 공식
B11,1-1988 및 B11.19-1990에서 사용한 광 커튼의 ANSI 안전거리 계산공식은 다음과 같다.
Ds=K x (Ts + Tc + Tr + Tbm) + Dpf
여기서
Ds: 위험영역에서 광 커튼까지의 최소 안전거리 (in)
K: 63 in/sec (제안 치). ANSI B11.19-1990에 정의된 손의 속도정수는 다음과 같다.
“손의 속도 K는 여러 가지 연구를 통해서 결정된 것으로 이들 연구에서는 63 in./sec에서부터 100 in/sec까지라고 표시하지만, 이것은 결론적인 수치가 아니다. 사용할 K값을 결정할 때는 운전자의 육체적 능력을 포함하여 모든 요소를 고려해야 한다.”
Ts: 측정장치로 결정한 크랭크샤프트 회전의 약 900위치에서 측정한 초 단위의 기계 정지시간.
Tc: 측정장비로 결정한 기계를 정지시키는 회로의 초 단위로 표시한 대응시간.
Tr: 초 단위로 표시한 광 커튼의 대응시간.
Tbm: 브레이크 모니터의 대응시간에 기여한 추가 정지시간. 브레이크모니터를 사용하지 않는 경우에는 마모에 의한 브레이크시스템이 열화를 감안하여 어떠한 백분율 요소를 추가 시킨다. 브레이크장치가 새것인 경우, 20%를 권고하며, 낡은 것에는 10%가 권고 요소다.
Dpf: 깊이 침투요소를 기초로 한 추가 거리(1910,21의 표 10 참조). 광 커튼이 볼 수 있는 최소 물체크기를 알면, 광 커튼이 정지신호를 송출하기 전에 물체가 감지영역을 침투하는 거리를 결정할 수 있다.
예제: ANSI 공식, 광 커튼 대응시간(Tr) 15ms, 기계 정지시간 (Ts+Tc) 180ms, 브레이크 모니터 대응시간(Tbm) 40ms, 3.2 inch 깊이의 침투를 이용하여 계산하면 다음과 같다(OSHA가 권고한 손의 속도정수 K는 63 inch/sec이다.
Ds=K x (Ts+Tc+Tr+Tbm) + Dpf
Ds=63 x (0.180+0.015+0.040)+3.2″
Ds=63 x (0.235)+3.2″
Ds=14.805+3.2″
Ds=18.00″
고로, 안전 광 커튼을 장착해야 하는 위험으로부터의 최소 안전거리는 18inch이다.
EN 999 안전거리 공식
EN 999는 신체부위의 접근속도에 대한 보호장비의 위치결정을 규정한 유럽규격이다. 이것은 유럽에서 사용 또는 판매를 목적으로 하는 기계에 사용하기를 권고한다. ANSI의 그것과 상당히 유사한 EN 999의 공식은 다음과 같다.
S=(K x T) + C
여기서:
S: 위험지역으로부터 광 커튼 감지영역까지의 mm단위로 표시한 최소거리.
K: 1600(제안 치). 이 파라미터는 운전자의 접근속도를 1600mm/sec라고 가정하는 것은 합리적이라고 표시하는 연구자료를 기초로 한 것이다. 실제 적용환경을 고려해야 한다. 일반적으로는, 접근속도는 1600에서 2500mm/sec사이라고 한다.
T: 시스템의 전반적 정지시간. 즉, 정지신호 송신으로부터 위험정지까지 소요된 mm 단위로 표시한 총 시간.
C: 위험구역을 향한 가능 침투 깊이를 기초로 mm단위로 표시한 추가 거리.
이것은 스위치 접점이 열리기 전에 광 커튼을 넘거나, 그 주위를 돌거나 또는 이를 통과하는 것이 가능한지 여부에 따라 결정된다.
EN 811에는 도달거리 계산에 대한 좀더 자세한 사항이 규정되어 있다.
예제: 위의 ANSI와 동일한 측정치(mm로 환산)를 이용하여 EN 999에 의한 값은 다음과 같다.
S=(K x T) + C
S=(1600 x 0,235) + 81.28
S=(376) + 81.28
S=457.28mm
그러므로, 동일한 용도의 최소 안전거리는, EN 999를 기초로 하면, 457.28mm이다.
반사면과 기타 광전자 장치의 간섭
반사면(번쩍이는/연마한 금속, 포일(foil), 광택 나는 페인트 면, 등)이 광 커튼과 같은 광전자 장치에 매우 근접해 있으면, 시스템은 광선의 굴절에 의한 장해에 민감하게 반응한다. 이러한 상황에서는 광 커튼이 감지영역의 사람이나 물체를 탐지할 수 없다.
광 커튼을 설치하는 경우, 간섭가능성을 계산하여 광 커튼을 문제의 반사면으로부터의 최소거리를 결정해야 한다. 일반적으로는, 중심의 불일치가 있음을 고려한 광 커튼의 수신기나 방사기의 빔 각도 이내에는 반사면이 없다. 다음 공식을 사용한다.
D=R/2(tan2a)
여기서:
D: 반사면까지의 거리(최악의 경우)
R: 광 커튼의 방사기와 수신기 사이의 거리
a: 광 커튼 사양으로부터 결정하는 수용가능 불일치(발산 각도)
안전 광 커튼 부근에 있는 여타 광전자 장치도 고려해야 한다. 광 커튼이 상호간섭 즉 “혼선”을 일으킬 가능성은 충분하다.
미국 안전규정
이 절에서는 미국의 산업기계 보호 안전규정의 몇 가지를 소개한다. 이것은 단지 시작일 뿐이다. 독자는 그들 특정용도에 대한 요건을 더 조사하고 적절한 조치를 취하여 그들의 설계, 사용과 정비보수 절차, 및 관행이 그들 자신의 필요성은 물론이고 국가와 지방 코드 및 규정을 충족시키도록 해야 한다.
미국에는 산업안전을 증진시키고자 노력하는 기구가 많이 있다.
이들 중에는:
1. 확립된 요건을 사용할 뿐 아니라 그들 자신의 요건을 수립하는 법인.
2. 직업 안전 위생 관리국 (OSHA)
3. 국제방화규격협회(NFPA), 로봇산업 협회(RIA), 및 제조기술 협회(AMT), 및 로크웰 오토메이션과 같은 안전제품과 해결책 공급자 등과 같은 산업기구.
직업 안전 위생 관리국(Occupational Safety and Health Administration)
미국에 있는 산업안전의 주요 견인차 중의 하나가 직업 안전 위생 관리국(OSHA)이다. OSHA는 미국 상원 법에 따라 1970년에 설립되었다. 이 법의 목적은 안전하고 건강한 작업조건을 제공하고 인간자원을 보존하는 것이다.
OSHA는 연방규정코드 타이틀 29 (29 CFR)의 규정을 공표함으로써 이 업무를 완성한다.
산업기계에 관한 규격은 OSHA가 29 CFR의 Part 1910에 공표한다. 표는 특정 기계에 대한 규격 리스트이다.
가능한 경우, OSHA는 국가 합의 규격을 공표하거나 안전규격으로 연방규격을 제정했다. 참고로 통합시킨, 규격의 강제조항(예들 들면, 그 말은 강제를 의미한다)에는 Part 1910에 기재된 규격과 동일한 효력과 힘이 있다. 예를 들면, 국가 합의 규격 NFPA 70은, 29 CFR, Part 1910, Subpart S-Electrical의 부록에 참고문헌으로 기재되어 있다. NFPA 70은 국제방화규격협회(NFPA)가 개발한 규격이다. NFPA 70은 또는 미국 국가 전기 규정 (NEC)라고도 알려져 있다. 따라서 NEC의 모든 강제 요건은 OSHA가 규정한 강제 요건이다.
안전 광 커튼에 대해서, 규격은 적용규격 또는 구조규격으로 분류되어 있다.
적용규격은 광 커튼을 기계에 어떻게 적용할 것인가를 규정한다.
사례로는 파워프레스의 기계보호에 대한 정보를 제공하는 ANSI B11.1 및 로봇보호에 광 커튼 사용을 기술한 ANSI/RIA R15.06이 있다. 구조규격에는 안전용도의 존재감지 장치(PSD)에 대한 설계와 구조의 상세내용이 기술되어 있다. IEC 61496, “기계-전기감응 보호장비의 안전”은 안전용도에 사용하는 일반적인 광전 감지기 및 광 커튼의 요건에 대한 것이다.
다음은 선택한 OSHA, 그리고 안전 광 커튼 및 기계보호와 관련된 정밀금속성형 협회(PMA)의 해석이다.
OSHA 1910.217(b)(7) – 부분 회전클러치, 제어장치
(7) 부분 회전클러치를 사용한 기계
(i) 외부 클러치 물림 수단을 제거, 기능정지 또는 탈자(脫磁) 시키면, 클러치는 풀리고 브레이크장치는 작동해야 한다.
(ii) 붉은색 정지 제어장치에는 클러치/브레이크 제어시스템을 부착해야 한다.
정지 제어장치의 일시적 작동으로 클러치 기능은 즉시 정지되고 브레이크 장치는 작동해야 한다. 정지 제어는 다른 모든 제어를 무효화 시키며, 클러치를 재작동시키자면, 선택해 놓은 작동(트리핑)수단을 사용해야 한다.
OSHA 1910.217(b)(13) – 제어장치 신뢰성
(13) 제어장치 신뢰성. 본 절의 Paragraph (c)(5)에서 요구하는 경우에는, 시스템 내의 고장으로, 필요 시에 정상 정지작용이 프레스에 작용할 수 없게 되어서는 안 되지만, 고장이 완전히 수리되기 전에는 그 다음 행정(行程)이 시작되지 않도록, 제어시스템을 설계 구성해야 한다. 고장은 간단한 시험으로 탐지되어야 하거나 또는 제어시스템에 이것이 표시되어야 한다. 이 요건은 작동상해 시점에 대한 보호에 어떠한 영향도 미치지 아니하는 제어시스템의 그 요소에는 적용되지 않는다.
OSHA 1910.217(b)(7) – 브레이크 시스템 모니터링
(14) 브레이크시스템 모니터링. 본 절의 Paragraph (c)(5)에서 요구하는 경우에는, 브레이크 모니터는 다음 요건을 충족시켜야 한다:
(i) 사용한 안전거리가 본 절의 Paragraph (c)(3)(iii)나 (c)(3)(vi)에 규정되어 있는 요건을 충족시키지 못하는 정도로, 정지시간이나 브레이크 거리가 열화되면, 그 다음 행정이 자동적으로 시작될 수 없도록, 설계 구성되어야 한다.
형식 B 게이트나 이동식 방해장치와 함께 사용하는 브레이크 모니터는, 고용주가 합리적으로 책정해 놓은 정상한계를 초과하는 슬라이드 톱-정지 과회전(過回轉)을 탐지할 수 있도록, 설치해야 한다.
(ii) 본 절의 Paragraph (b)(14)(i)에 기술되어 있는 정도로 브레이크 시스템의 성능이 열화 되면 이를 표시하는 프레스에 설치해야 한다.
(iii) 각 행정의 브레이크 시스템 성능을 모니터 할 수 있도록 설계 구조 및 설치해야 한다.
< 문의: 로크웰오토메이션 김상수 부장, michaelsskim@ra.rockwell.com>
아이씨엔 매거진 2008년 04월호