제1편 AS-interface 통신기술, 자동화 부문의 안전

본 원고에 기술된 애플리케이션들은 단지 AS-Interface Safety at Work을 사용한 특정 안전 과제 솔루션에 대한 사례에 불과하다. 기계 또는 플랜트를 위해 설정된 안전 목표들은 특정 애플리케이션 및 개별 상황에 의해 좌우되는 것으로, 해당 사례들이 모든 것을 망라하는 것은 아니다. 유럽경제공동체의 기계류 지침서인 Machinery Directive 98/37/EC에 따르면, 기계 내지 플랜트 설계자는 위험분석을 수행하고 해당 위험을 감소시킬 조치를 취하는 일이 요구된다. 이를 목적으로, 그는 관련된 주요 국내 및 국제 안전규격들을 적용할 것이다. 일반적으로, 표준은 현재의 최신 상태를 반영한다. 무엇보다도, 앞으로 예정된 EN ISO 13849 및 IEC 62061에 준한 주요 변경사항이 있을 것이라는 점은 여기서 언급되어야 하겠다. 그러므로, 본 애플리케이션들은 단지 안전 조치들과 관련된 고려사항들을 지원하는 참고서로 보아야 할 것이다. 위험이 감소될 것이라는, 그 어떤 법적 구속력이 있는 보장도 없다.

1. 시스템 개념

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 문제 없이 가능하다.
그 간결성과 비용효율성 덕분에, AS-Interface Safety at Work는 하위 현장 네트워크 레벨에서 국제적인 시장 선도주자가 되었다. 설치된 많은 AS-Interface Safety at Work 애플리케이션들은 제반 산업 섹터들에서의 전세계적인 시스템 수용을 당당히 기록하고 있다.

AS-Interface 및 AS-Interface Safety at Work

왜 AS-Interface인가?

액추에이터-센서 인터페이스 (AS-Interface)는 재래식 배선 기술에 대한 핫 플러그 가능형 대안으로, 그 사용이 편리하고, 확장도 용이하다. 스피드, 설치·플랜트 및 유지보수 비용의 절감, 그리고 고도의 가용성 등은 이 제조사 독립적인 인터페이스 시스템이 지닌 특징이다. AS-Interface는 열악한 산업 환경에서 소량의 데이터를 안정적으로 전송하는데 이상적으로 적합한 것이다. 이는 그 자체로 검증된 것이며, 무엇보다 경제적 이유로 많은 응용 분야들에서의 센서 및 액터들의 네트워킹을 위한 표준으로 수용되었다.

데이터와 에너지 전송을 위한 2심 케이블, 클램핑 기술을 사용한 결선, I/O 컴포넌트 어셈블리로서 PLC 상의 매핑, 그리고 광범위한 진단 가능성 등은 프로젝트 계획, 설치, 문서화, 유지보수 및 고장시 다운타임 등에서 상당한 비용절감 효과를 낳았다. 원래 11개 업체로 구성된 컨소시엄은 1992년 AS-Interface를 구상해낸 모태가 되었다. 그간, 전세계적으로 300여 개에 달하는 회원사들이 참여하여, 이 기술을 하나의 공고화된 기술로 변모시켰다.

데이터 무결성

데이터 전송상의 간섭 차단은 산업환경에서 사용되는 센서 및 액추에이터 네트워킹이 갖추어야 할 중요한 요소. 특수 코딩 유형인 APM (alternating pulse modulation) 및 신호 품질에 대한 지속적인 모니터링에 힘입어, AS-Interface는 여타의 필드버스 시스템들과 동일한 데이터 무결성을 달성한다. 실제 텔레그램 자체는 불과 1 비트의 추가 정보로써 보호된다. 이는 전송 효율을 증가시키는 한편, 주기 시간을 단축한다. 이러한 노력은 전송 회선을 쉴딩처리되지 않은(unshielded) 상태로 남겨 둔다고 해서 부정적인 영향을 받지는 않는다.

네트워크 계층

AS-Interface는 자동화 계층 상의 최하위 수준을 겨냥하여 고안된 것으로, 여기서 이것은 손쉽고 안정적이면서도 빠른 전송을 최적의 가격대 성능비율로 제공한다. PROFIBUS-DP, Interbus, EtherNet TCP/IP, Modbus, MODbus+, CC-Link, DeviceNet, 혹은 CANopen 등의 상위 수준의 시스템들은 게이트웨이를 통해 연결된다. 분산 솔루션들은 제어 시스템의 부하를 덜어준다. 설정 정도에 따라, 이는 하나의 AS-Interface 분기선에 대해 전형적으로 2 ms의 주기 시간을 허용한다. 시스템은 유연하게 확장될 수 있으며, 국부 영역에 한정하여 시공될 수 있을 뿐 아니라, 보다 상위 수준의 필드 버스들에서의 통신량을 경감시키고, 아울러 자율적인 하위 영역을 통해 고장에 대한 내구성을 증대시킨다.

AS-Interface 시스템 컴포넌트

AS-Interface 투영 로고는 해당 디바이스들이 독립적인 AS-Interface 테스트 센터에서 인증 받은 사실을 명시한다. 이는 하나의 AS-Interface 분기선 상에서 상이한 제조사에서 나온 디바이스들이 동시에 문제 없이 운용되도록 허용한다.

마스터와 게이트웨이, 전원공급장치 및 중계기

AS-Interface 마스터 내지 개별 진단 기능을 수반한 AS-Interface 게이트웨이는 시스템의 심장부에 해당한다. 현 PLC 혹은 PC 소프트웨어 솔루션들은 가령, 다운로드 방향의 I/O 카드와 같은 AS-Interface 기능을 수행하는 데 계속 사용될 수 있다. 해당 디바이스들은 마스터-슬레이브 원칙에 준하여 모듈 및 AS-Interface 센서/액터 등과의 데이터 교환을 제어 내지 감시한다. 주(primary) 필드버스에서 볼 때, 게이트웨이는 최대 248 비트의 입력 및 186 비트의 출력 데이터를 지닌(V2.1) 슬레이브 참여자 역할을 담당한다. 전력은 데이터 디커플링 기능이 딸린 AS-Interface 전원공급장치들 통해 공급된다. 중계기는 100 m 이상 라인을 확장할 수 있도록 해준다. 이러한 목적으로, 중계기는 단락이 발생할 경우 향상된 안전성을 달성하도록 일차 및 이차 사이드를 전기적으로 분리한다. 스타 구조로 중계기를 거의 무제한 확장하여 운용할 수 있지만, 두 개 이상을 나란히 이어서 쓸 수는 없다. 중계기와 더불어, 추가되는 AS-Interface 회로에 대해서는 반드시 AS-Interface 전원공급장치가 부가되어야 한다.

슬레이브

슬레이브들은 필드상에서 사용하기 위해, 배전반 내지 터미널 박스 형태로, 또한 이진 센서나 아날로그 센서로 다양하게 디자인 되어 출시되어 있다. 또한 폭발(EX) 영역에 대비하여, ATEX 승인을 필한 솔루션들이 1 내지 2 구역(zone)에 해당하는 가스 상태의 매체용으로 통용되며, 22구역에 대한 분진 폭발(EX) 보호용으로도 출시되어 있다.

휴대 디바이스 및 소프트웨어 도구

수동식 주소 프로그래밍 디바이스들을 사용하여, 개별 모듈들은 데스크 상에서나 현장에서 직접 손쉽게 주소를 부여하거나 구성될 수 있다. 그러나 해당 마스터가 비활성 상태로 전환된 경우라면, AS-Interface 분기선 전체는 또한 ASInterface 회선을 통해서도 주소를 부여하는 것이 가능하다.

AS-Interface Safety at Work을 안전관련 애플리케이션 용도로

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.

글_ 오상원 객원기자 news@icnweb.co.kr