안전 회로에 대한 기본적인 이해

본 기사에서는 자동화 기계의 안전 회로에 대한 기본 사항을 검토합니다. 필수 기능, 일반적인 설정, 결함을 해소하고 변조를 예방하는 메커니즘, 안전 회로 설치에 흔히 사용되는 부품의 기능을 명시하는 표준을 소개합니다.

안전 회로의 역사 및 기능

산업 시대 초기에는 기계가 매우 위험했습니다. 공장 노동자와 농부 모두 움직이는 기계에 끼어 손가락, 팔, 다리, 심지어는 생명을 잃는 것이 드문 일은 아니었습니다. 이에 따라 보호 시스템과 기타 안전 장치가 개발되었습니다.

2개 이상의 기계 기능을 상호의존적으로 만드는 인터로크는 오늘날 안전 시스템 기능의 핵심입니다. 인터로크를 사용하면 기계로 인한 운전자 부상 또는 부품 손상을 방지할 수 있습니다. 예를 들어, 가드가 열려 있으면 기계에 시동이 걸리지 않고 작동 중에 가드가 열리면 작동을 멈출 수 있습니다.

간단한 인터로크 시스템 대부분은 순수한 기계입니다. 예를 들어, 일부 기계 설계에서는 가드가 인터로크 캠이 부착된 축을 중심으로 돌아갑니다. 가드가 열리면 캠이 기계 구동축의 해당 캠에 연결되어 축이 작동하지 않도록 합니다. 즉, 가드가 닫혀 있을 때만 기계가 작동할 수 있습니다.

대부분의 최신 기계는 전자 안전 회로 또는 마이크로 프로세서 제어를 사용하여 인터로크 안전 시스템을 실행합니다. 전자 부품은 기계적인 솔루션에 비해 가드 배치의 유연성과 안전 절차가 뛰어납니다.

전형적인 전자 안전 회로를 사용하면 회로가 닫힌 상태에서만 기계가 작동하는데, 이러한 구조를 상시 폐쇄(NC) 작동이라고 합니다. 안전 부품을 직렬로 연결하여 효과를 극대화하고 복잡성과 비용을 최소화합니다.

가드 부분이 닫혀 있을 때 NC인 다수의 위치 스위치가 장착된 일반적인 안전 장치를 생각해 보십시오. 이러한 위치 스위치는 장치에 직렬로 연결되어 있어 가드의 어떤 구간이라도 제대로 닫혀있지 않으면 회로 전체가 열려 기계가 작동하지 않습니다. 실제로, 안전 회로 제어 시 안전 부품 권선에서 연결이 느슨해지거나 갑자기 끊기는 경우(절단 등) 안전을 확보하기 위해 직렬 연결을 적용해야 합니다.

안전 회로의 직렬 연결과 관련해 한 가지 주의 사항은 회로에 4개 이상의 안전 스위치가 장착되어 있거나 빈번히 사용되는 스위치 또는 게이트가 있는 경우 설계의 성능 수준(PL_r — 다음 기사 섹션 참조)이 저하될 뿐 아니라 결함 마스킹의 위험이 증가한다는 점입니다. 결함 마스킹이란 하나의 개방 스위치 또는 고장의 발생과 해결로 인해 다른 스위치가 개방되거나 다른 결함이 발생하면 인지하기 어려운 현상을 의미합니다. 결함 마스킹은 스위치 연결 이외에 다른 전력 연결이 없는 계전기와 같이 접점에 전압이 인가되지 않는 장치에 주로 발생합니다. 이러한 위험성이 허용치를 벗어나게 되면 더욱 정교한 권선 시스템과 방법론이 필요할 수 있습니다.

그림 1: 3개의 안전 계전기 모듈에 해당하는 성능을 위해 설계된 Banner Engineering SC10 계열 안전 컨트롤러 (이미지 출처: Banner Engineering)

기계를 작동하기 전에 모든 가드를 닫힌 상태로 고정하기 위해 트랩 키 인터로크가 흔히 사용됩니다. 이러한 시스템에서는 각 안전 덮개의 잠금장치에 키가 있어 가드가 닫힌 상태로 고정된 경우에만 키를 제거할 수 있습니다. 그런 다음 키를 제어 또는 전력 장치로 가져가 기계를 작동시키는 데 사용할 수 있습니다. 이와 마찬가지로 기계가 작동하는 동안 키를 꽂아놓고 있다가 기계가 작동을 멈춘 후에만 전력 장치에서 제거할 수 있습니다. 그러고 나서 키를 사용하여 가드를 다시 열 수 있습니다.

위험성 평가 및 제어 표준 요구 사항

ISO 14119는 가드가 연결된 인터로크 장치가 있는 기계의 안전에 관한 내용으로, 기계 안전을 확보하기 위한 설계 및 선정 원칙을 다룹니다. 이는 기계 설계의 위험성 평가 및 위험성 최소화에 관한 일반 원칙에 대해 다른 표준을 참조합니다.

인터로크 가드의 기본적인 기능은 가드가 닫힐 때까지 위험한 작동의 실행을 방지하는 것입니다. 따라서 작동 중에 어떤 이유로 가드가 열리는 경우 가드가 수반되는 작동은 중단됩니다. 가드 고정 장치를 장착하여 기계 작동 중에 가드가 열리지 않도록 하는 경우도 있습니다.

가드가 닫히면 기계가 작동할 수 있지만 가드가 닫힘으로 인해 작동이 위험해지는 것은 아닙니다. 대신 별도의 시동 명령이 필요합니다. 단, 가드가 닫혀도 별도의 시동 명령 없이 위험한 작동을 시작할 수 있는 특별한 유형의 인터로크 유형인 제어 가드는 예외입니다.

ISO 14119에서는 안전 시스템 방해의 개념도 다룹니다. 방해는 기계의 인터로크를 우회하는 동작입니다. 예를 들어 가드가 열린 상태에서 위치 스위치 위에 운전자가 실수로 또는 고의로 무거운 물체를 올려두면 작업 공간에 접근하게 되어 기계가 작동하면 위험해집니다. 안전 시스템이 제대로 설계된 경우에는 합리적으로 예측 가능한 선에서 손으로 또는 주변에 있는 물체를 사용해서도 인터로크를 방해할 수 없습니다. 여기에는 스크루 드라이버, 육각 공구, 접착 테이프 또는 전선 등 기계 작동에 사용되거나 이미 가지고 있던 공구를 사용하여 스위치 또는 액추에이터를 제거하는 행위가 포함됩니다. 즉, 트랩 키 시스템의 경우 스페어 키에 접근할 수 없어야 합니다.

ISO 14119에서는 인터로크 장치를 다음의 4가지 카테고리로 분류합니다.

• 유형 1 인터로크 장치에는 회전 캠, 선형 캠 또는 힌지 등 코딩되지 않은 액추에이터를 통해 기계적으로 작동되는 위치 스위치가 있습니다. 스위치 위에 물체를 올려두거나 다른 방식으로 고정되면 비교적 방해가 쉽습니다.
• 유형 2 인터로크 장치에는 특정 형태의 액추에이터(텅) 또는 트랩 키 등의 코딩된 액추에이터를 통해 기계적으로 작동되는 위치 스위치가 있습니다. 이 유형은 방해가 훨씬 어렵습니다.
• 유형 3 인터로크 장치에는 근접 스위치 등의 코딩되지 않은 액추에이터가 장착된 무접점 위치 스위치가 있습니다. 유형 3 인터로크의 경우 작동 원칙에 따라 방해의 어려운 정도가 다릅니다. 정전 용량 방식 초음파 광학 액추에이터는 다양한 물체로 방해받을 수 있습니다. 유도 액추에이터는 철이 포함된 금속 물체로 인해 방해받을 수 있습니다. 자기 액추에이터에는 이러한 액추에이터를 방해하기 위한 자석이 필요합니다.
• 유형 4 인터로크 장치에는 RFID 태그, 코딩된 자석 또는 코딩된 광학 태그 등의 코딩된 액추에이터가 있는 무접점 위치 스위치가 있습니다. 코딩된 액추에이터를 제거할 수 없도록 제대로 구성된 경우 방해가 매우 어렵습니다.

안전 회로 설계 시 방해 가능성을 최소화하기 위해 인터로크 장치를 선택해야 합니다. 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다.

• 전체 시스템 정지 성능: 정지 명령이 발생한 후 기계가 안전한 상태가 되기까지 소요되는 시간
• 접근 시간: 정지 명령이 발생한 후 사람이 위험에 도달하기까지 소요되는 시간

전체 시스템 정지 성능이 접근 시간보다 훨씬 빨라야 합니다. 가드에 외부에서 수동으로 개방할 수 있는 비상 해제 기능이 필요한지 또는 내부에서 수동으로 해제할 수 있는 탈출 해제 기능이 필요한지도 고려해야 합니다.

ISO 13849는 제어 시스템(SRP/CS)의 안전 관련 부분 설계 및 검증 원칙을 다루는 2부로 구성되며, ISO 14119에 참조되었습니다. 이 표준에 따르면 SRP/CS는 다음 기준에 따라 분류할 수 있습니다.

• 결함에 대한 저항
• 결함 발생 시 동작

안전 기능이 적용된 기계에 대한 모든 설계 작업은 유해성을 파악하고 위험 요소를 예측할 때 ISO 12100에 따른 위험성 평가로 시작해야 합니다. 그런 다음 위험성을 낮추는 프로세스에서는 기본적으로 안전한 설계, 안전 조치, 사용할 정보를 차례대로 적용합니다. 그러고 나서 특별 반복 프로세스를 사용하여 제어 시스템에 따라 보안 조치를 평가해야 합니다. 이는 각 안전 기능에 필요한 성능 수준(PL_r)과 평균 무고장 시간(MTTF_D)을 파악하여 SRP/CS의 신뢰도를 결정하는 작업입니다. 각 부분에는 a부터 e까지의 성능 수준이 부여되며, 여기에서 PL_a는 위험한 결함의 발생 가능성이 가장 높고 PL_e는 가능성이 가장 낮습니다. 결함이 발생할 수 있는 구체적인 방식은 위의 ISO 14119에 명시된 고려사항을 참고하십시오.

안전 회로의 종류 및 배치 예시

게이트 로봇 셀과 같은 대규모 인클로저의 안전 장치 배치는 약간 다릅니다. 운전자가 가동 중인 작업 공간 내에 있을 때 가드가 닫히는 경우가 많기 때문입니다. 따라서 많은 경우, 게이트를 닫을 때 운전자가 작업 공간 외부에 있는지 확인한 후 로봇이 최고 속도로 가동할 수 있도록 트랩 키 시스템을 사용합니다.

물론 기존의 로봇은 일반적으로 운전자가 셀 안에 있으면 저속 티치 모드로 가동할 수 있지만 최고 속도로 가동 중에는 (협업 로봇과 달리) 사람 근처에 있어서는 안 됩니다. 티치 모드에서도 로봇에 포스 피드백 시스템이 장착되지 않은 경우에는 운전자에 충돌할 위험이 있습니다. 따라서 보통 운전자가 작업할 수 없게 되면 핸드헬드 제어 장치에는 로봇 가동을 중단하는 데드맨 스위치가 장착됩니다.

그림 2: 로봇 공학과 관련된 안전 회로가 특징입니다. 특히 협업 로봇뿐만 아니라 티치 펜던트(사진)를 사용하는 로봇에 적합합니다.

특수 안전 기능이 필요한 또 다른 자동화 환경으로 유인 컨베이어 시스템이 있습니다. 이 경우 비교적 빠르게 작동하는 컨베이어를 따라 사람들이 작업해야 합니다. 컨베이어에 끼어 심각한 부상이 발생할 수 있기 때문에 이러한 상황을 최대한 예방해야 합니다. 하지만 Amazon Fulfillment Center와 같이 생산 시 작업 공간이 꼭 필요한 경우에는 풀 코드와 정지 스트립 형태의 분배된 정지 스위치가 설치되어야 합니다. 그래야 작업자가 컨베이어 전체를 안정적으로 정지할 수 있습니다. 이러한 정지 스위치는 비상시 운전자가 찾아다닐 필요 없이 쉽게 잡거나 누를 수 있도록 배치되어야 합니다.

안전 장치는 부상을 입거나 의식을 잃은 사람이 컨베이어로 넘어지거나 당겨지면 자동으로 정지되도록 배치되어야 합니다. 여러 정지 장치와 중복 회로가 필요할 수 있으며, 양쪽에서 컨베이어에 접근할 수 있는 경우에는 이러한 안전 장치가 양쪽에 있어야 합니다.

공통적인 안전 회로 부품

기계식 스위치에는 게이트 및 보호 위치를 감지하는 데 사용되는 위치 스위치와 비상 정지 버튼과 풀 코드 등 수동으로 활성화하는 정지 스위치가 있습니다. 광센서 및 유도 센서와 같은 무접점 스위치도 이와 같이 사용할 수 있습니다. 이러한 유형의 인터로크 부품은 물리적 가드 및 게이트와 함께 사용되는 경우가 많습니다. 이는 위에 언급된 표준에 명시되어 있습니다. 안전 회로 내부에 사용할 수 있는 다른 유형의 안전 부품으로는 광 커튼, 레이저 스캐너, 안전 매트 등이 있습니다.

안전 매트는 고무 플랫폼에 내장된 압력 센서를 사용하여 보호 구역에 사람이 들어가면 이를 손쉽게 감지할 수 있습니다. 최근 수년간 안전 매트는 광 커튼과 레이저 스캐너와 같은 광학 시스템으로 교체되고 있습니다.

광 커튼은 커튼 빔에 결함이 있으면 기계 축을 정지하는 가상 가드를 생성하여 물리적인 보호 장치를 사용할 필요가 없습니다. 광 커튼은 송신기와 수신기 두 부분으로 구성됩니다. 송신기는 평행 광 빔 어레이를 투사합니다. 수신기는 이러한 빔을 감지하여 결함이 있으면 기계를 중지합니다. 광 커튼은 작업 구역이 명확히 보이고, 보호 구역으로 자유롭게 접근할 수 있으며, 신속히 이동할 수 있다는 장점이 있습니다.

레이저 스캐너는 광 커튼과 유사한 방식으로 작동합니다. 하지만 별도의 송신기와 수신기로 장벽을 유지할 필요 없이, 레이저 스캐너로 게이트웨이뿐 아니라 하나의 하드웨어의 포털 구역을 모니터링할 수 있습니다. 즉, 광 커튼은 주변 보호를 제공하는 반면, 레이저 스캐너는 레이저 포털부터 컨베이어와 로봇 셀 등의 구역까지 보호합니다. 모든 안전 부품과 마찬가지로, 레이저 스캐너를 사용하려면 최단 안전거리를 계산해야 합니다. 이 값은 전체 시스템 정지 성능과 접근 시간에 따라 달라집니다. 하지만 레이저 스캐너의 전체 시스템 정지 성능에는 프로세스가 더 많이 필요하기 때문에 광 커튼에 비해 훨씬 오래 걸립니다.

그림 3: Banner Engineering SX 계열 안전 레이저 스캐너는 산업 응용 분야에서 액세스 포인트와 액세스 구역을 보호할 수 있습니다. 이 장치는 275° 범위를 지속적으로 스캔하고, 무료 구성 소프트웨어를 통해 경고 및 맞춤화된 안전 구역을 제공하여 작업자와 기계를 보호합니다. 이 소프트웨어에서는 음소거 기능도 구성할 수 있기 때문에 SX 계열 스캐너에 네트워크로 연결된 음소거 센서와 함께 사용하면 모듈 또는 컨트롤러가 추가로 필요하지 않습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

오늘날 전자 안전 회로와 안전 부품 덕분에 공장과 OEM 설계 엔지니어는 작업자와 장비 보호를 위해 선택할 수 있는 옵션이 다양합니다. 소프트웨어와 기타 제조업체 리소스를 사용하면 기존 인터로크 방식, 트랩 키 설계로 보호되는 작업 공간뿐만 아니라 공장 작업자 또는 기계 운전자가 컨베이어, 로봇 및 기타 산업 자동화와 관련된 이동 장비에 가까이 근접하여 작업해야 하는 유연 구역을 위한 안전 시스템에 대한 사양을 간소화하는 데 도움이 될 수 있습니다.