적절한 안전 컨트롤러 선택의 복잡성 해결

산업 시스템의 안전은 매우 중요하고 복잡한 주제이므로 주어진 응용 분야에 가장 적합한 안전 컨트롤러를 지정하는 데 어려움이 있습니다. 국제 전자기술 위원회(IEC) 60947-5-1, 61508-1/2/3, 61810-3, 62061, 국제 표준화 기구(ISO) 13849-1 등 안전 컨트롤러와 관련된 다양한 국제 표준의 적용 가능성을 고려해야 합니다.

제어와 안전 기능을 결합한 Safety over EtherCAT(FailSafe over EtherCAT, FSoE라고도 함)과 같은 다양한 통신 프로토콜 중에서도 선택할 수 있습니다. Ethernet/IP, PROFIsafe 및 Modbus/TCP 산업용 이더넷 통신 프로토콜이나 독립형 솔루션 또는 통합 솔루션을 선택할 수도 있습니다. 안전 등급 출력과 비안전 등급 출력을 다양하게 조합하여 제공하는 플랫폼, 고정 기능을 제공하는 플랫폼, 그리고 재구성 및 확장 가능한 플랫폼도 있습니다.

이 기사에서는 국제 안전 표준과 그 적용 가능성에 관해 간단히 살펴봅니다. 또한 다양한 통신 프로토콜의 용도를 살펴본 후 고정 기능, 재구성 가능한 모델, 확장 가능한 모델과 같은 안전 컨트롤러 유형에 대해 테이블톱 조립 스테이션부터 전체 공장에 이르기까지 다양한 사용 사례를 자세히 알아봅니다. 그리고 Banner Engineering, Phoenix Contact, Schneider Electric 및 Omron Automation 제품을 사용하여 구체적인 예시를 소개합니다.

표준

IEC 61508은 전기/전자/프로그래밍 가능 전자 안전 관련 시스템(E/E/PE 또는 E/E/PES)에 대해 모든 산업에 적용되는 기본 기능적 안전 표준을 제공합니다. 여기에는 안전 관련 시스템이라고 하는 자동 보호 시스템의 적용, 설계, 배포 및 유지보수가 포함됩니다. 이 표준의 기본 개념은 모든 안전 관련 시스템의 오류가 본질적으로 안전하고 예측 가능한 방식으로 발생해야 한다는 것입니다. 기능적 안전 설계의 효율성을 측정하기 위해 이 표준에서는 안전 무결성 수준(SIL)을 1에서 4까지 정의하는데, SIL4의 위험 감소 수준이 가장 높고 SIL1의 위험 감소 수준이 가장 낮습니다. SIL 개념은 다른 안전 표준에도 적용되지만, SIL 번호와 관련 정의는 작동 환경의 요구 사항에 따라 달라질 수 있습니다.

IEC 61508을 기반으로 하는 많은 안전 표준이 있습니다. 다음은 안전 컨트롤러와 관련한 몇 가지 표준입니다.

IEC 60947-5-1:2016(저전압 개폐기 및 컨트롤 기어) 제5-1부(제어 회로 소자 및 스위칭 소자 - 전기 기계적 제어 회로 소자)은 다음을 포함한 특정 유형의 장치에 적용됩니다.

• 수동 제어 스위치(예: 푸시 버튼, 풋 스위치, 회전식 스위치 등)
• 전자기 작동 제어 스위치(예: 시간 지연이 있거나 순간적인 계전기 또는 접촉기)
• 기계에 포함되는 위치 스위치
• 파일럿 스위치(예: 온도 또는 압력 감지 스위치)

IEC 62061:2021(기계 안전 - 안전 관련 제어 시스템의 기능적 안전)은 IEC 61508의 기계 관련 버전입니다. 이 표준은 안전 관련 제어 시스템의 설계, 통합 및 검증 요구 사항을 지정하며, 기계 안전 기능을 구현하기 위해 개별적으로 또는 함께 사용되는 기계 관련 안전 제어 시스템, 서브 시스템 및 안전 관련 장치의 시스템 수준 설계에 적용됩니다.

IEC 61810-3:2015(강제 유도(기계적 연결) 접점이 있는 계전기)는 안전 컨트롤러를 위한 또 다른 중요한 표준이며, 강제 유도 접점(기계적 연결 접점이라고도 함)이 있는 기본 계전기에 대한 특수 요구 사항 및 테스트를 기술합니다. 이러한 특수 요구 사항은 IEC 61810-1의 일반 요구 사항에 추가로 적용됩니다. 강제 유도 계전기는 많은 안전 계전기 모듈의 기본 부품입니다. 클래스 A 안전 계전기의 모든 접점은 강제적으로 유도됩니다. 이 표준에 따르면 상시 개방(NO) 접점이 용접된 경우 코일에 전력이 인가되지 않을 때 최소 0.5mm 개방을 유지해야 합니다(그림 1).

그림 1: NO(또는 NC) 접점이 용접된 경우 코일에 전력이 인가되지 않을 때 모든 NO(또는 NC) 접점은 최소 0.5mm 거리를 유지해야 합니다. (이미지 출처: Omron Automation)

ISO 13849-1:2023(기계 안전 - 제어 시스템의 안전 관련 부품)에는 기계적 조치(예: 가드 또는 인터로킹 기능) 및 관련 소프트웨어를 비롯하여 제어 시스템(SRP/CS)과 서브 시스템의 안전 관련 부품을 설계하고 통합하기 위한 지침이 포함되어 있습니다. 이 표준은 수요가 많은 연속 작동 모드에 사용되는 전기, 유압, 공압 및 기계식 SRP/CS에 적용됩니다.

다시 IEC 61508로 돌아가서 이 표준은 안전 관련 통신을 위한 '블랙 채널'도 정의합니다.

블랙 채널 및 통신 프로토콜

IEC 61508에서는 블랙 채널의 일반적인 정의만 제공하며 IEC 61784-3(필드 버스 응용 분야용), IEC 62280(철도 신호용)과 같은 표준을 참조합니다. 블랙 채널 통신의 개념은 '블랙박스'라는 용어에서 비롯되었습니다. 블랙 채널 통신에서 네트워크는 블랙박스로서 전송 매체로만 사용되고, 채널은 보안되지 않으며, 안전은 응용 소프트웨어의 전용 안전 계층을 통해 관리됩니다.

블랙 채널은 PROFIsafe 또는 무선랜(WLAN) 기술과 같은 다양한 이더넷 구현을 비롯하여 모든 표준 네트워크에서 구현될 수 있습니다. 블랙 채널 응용 분야에서는 기본 통신 채널이 안전 관련 통신용으로 충분히 안전하지 않다고 간주하고, 통신 오류를 식별하여 제거하기 위해 다른 안전 계층을 추가합니다(그림 2).

그림 2: PROFIsafe를 사용하여 블랙 채널 통신을 위한 안전 계층을 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

PROFIsafe 이외에 CIP safety(Common Industrial Protocol safety), FSoE와 같은 다른 프로토콜과 함께 블랙 채널을 구현할 수도 있습니다. 이러한 프로토콜은 적시성, 진위성, 가장 및 데이터 무결성 오류를 개선할 수 있으며 IEC 61784-3:2021을 준수합니다.

테이블톱 안전성

안전 문제는 크고 강력한 기계에만 국한되지 않으므로 테이블톱 조립 스테이션에도 안전 시스템이 필요할 수 있습니다. 전자 부품을 만드는 데 반자동 테이블톱 조립 스테이션을 사용하는 경우가 있습니다. 각 스테이션에는 무접점 안전 스위치가 있는 고강도 안전문, 부품 공급부의 광전자식 안전 커튼, 그리고 반자동 장비로부터 오퍼레이터를 보호하기 위한 비상 정지 버튼이 있습니다. 이 테이블톱 조립 스테이션과 같은 소형 기계에서 단일 기능 안전 계전기 컨트롤러를 사용하여 안전 장치와 기계를 연결함으로써 안전한 시작 기능과 정지 기능을 제공할 수 있습니다.

이 경우에는 Banner Engineering의 SC10 계열 안전 컨트롤러 중 SC10-2ROE 모델을 각 테이블톱 조립 스테이션의 캐비닛에 설치했습니다(그림 3). 이 안전 컨트롤러는 여러 안전 계전기 모듈의 기능을 단일 장치에 결합하여 배선을 간소화하고 설치에 필요한 공간을 줄입니다. 이러한 컨트롤러는 소형 기계의 안전성을 확보할 뿐만 아니라 혼잡한 제어 캐비닛에서도 효과적으로 활용할 수 있습니다. SC10 계열과 같은 소형 안전 컨트롤러도 다음과 같은 다양한 기능을 제공합니다.

• ISD(In-Series Diagnostics)는 최대 70개의 안전 장치를 연결할 수 있습니다. ISD는 인간 기계 간 인터페이스(HMI), PLC 또는 이와 유사한 장치로 액세스할 수 있는 각 안전 장치의 자세한 상태 및 성능 데이터를 제공하여 사용자가 기계 안전 시스템 문제를 해결하고, 결함을 예방하고, 다운타임을 줄일 수 있도록 지원합니다.
• 아이콘 기반 드래그 앤 드롭 프로그래밍이 PC에서 실행되어 설정 및 장치 관리를 간소화합니다.
• 외부 메모리 카드를 사용하여 PC에 연결하지 않고도 장치를 구성할 수 있으므로 구성 변경 시간이 단축됩니다.
• 10개의 입력(비안전 등급의 출력으로 설정할 수 있는 입력 4개 포함)을 지원합니다. 자동 단자 최적화(ATO) 기능을 사용하여 총 입력 수를 14개로 늘릴 수 있습니다.
• 독립적으로 제어되는 3개의 NO 접점 세트와 함께, 2개의 6A 안전 계전기 출력을 사용할 수 있습니다.
• 다음 두 가지 유형의 기능적 정지를 수행할 수 있습니다.
  • 카테고리 0은 전력을 즉시 차단하는 제어되지 않는 정지입니다.
  • 카테고리 1은 전력을 차단하기 전에 지연 시간이 있는 제어되는 정지입니다. 지연 정지는 기계에서 제동 메커니즘을 위한 전력이 필요한 경우에 유용할 수 있습니다.
• Ethernet/IP, PROFINET 및 Modbus/TCP 통신 프로토콜을 지원합니다.

그림 3: 이 테이블톱 조립 스테이션에는 SC10-2ROE 안전 컨트롤러 모델(조립 스테이션 아래의 노란색 장치)이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

생산 라인 전반에서 확장 가능한 안전성

테이블톱 조립품에 다양한 복잡성 문제가 있지만, 공장 전반의 조립 라인에서 통합 안전을 구현할 수 있습니다. 예를 들어 Omron Automation의 Sysmac NX102 컨트롤러는 EtherNET I/P, EtherCAT, IO-Link, CIP Safety와 같은 여러 개방형 산업 프로토콜을 통합합니다. NX102-1020 자동화 컨트롤러 모델은 3개의 통신 포트를 갖추고 있으며, 빠른 주기 시간이 필요한 라인에서 고속 안전을 기계 제어에 통합할 수 있습니다. 또한 Omron의 NX 통합 안전 컨트롤러는 SIL3 인증을 받았으며 FSoE 연결을 포함합니다. NX-SL5500 모델과 같은 NX-SL5 컨트롤러는 FSoE over EtherCAT 및 CIP Safety on Ethernet/IP와 동시에 통신할 수 있으므로, 고속 동기식 동작, 사물 지능 통신 제어 또는 CIP Safety를 활용한 원격 장치와의 통신 관련 응용 분야를 지원합니다(그림 4).

그림 4: Omron의 NX 통합 안전 컨트롤러는 FSoE 및 CIP safety와 동시에 통신하여 조립 라인 전반에서 통합된 안전 기능을 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron Automation)

구성 및 확장 가능

구성 및 확장 가능한 안전 솔루션이 필요한 경우 Phoenix Contact에서 제공하는 PSRmodular 안전 시스템을 고려할 수 있습니다. 이 시스템은 세 가지 안전 기능만 있는 소형 응용 분야와 최대 160개의 I/O를 포함하는 대규모 시스템에 맞게 구성될 수 있습니다. 이 시스템에는 0mA ~ 20mA 또는 0V ~ 10V 신호를 모니터링하기 위한 아날로그 모듈, 근접 스위치의 동작을 모니터링하기 위한 모듈, 여러 유형의 동작 인코더 등 다양한 안전 기능이 포함되어 있습니다. 안전 계전기 모듈에 설치되는 계전기에는 강제 유도 접점이 있습니다(그림 5). 이 시스템에서는 다음과 같은 다양한 안전 기능을 구현할 수 있습니다.

• 전기 감지 보호 장비
• 비상 정지
• 이동식 가드(예: 안전문) 모니터링
• 양손 제어 장치
• 제로 속도 모니터링 및 속도 모니터링

그림 5: PSRmodular 시스템 안전 계전기 모듈에는 강제 유도 접점이 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

PSRmodular 안전 시스템은 1104981 모델과 같이 핵심 기능을 갖춘 여러 기본 모듈과 1104884 모델과 같이 향상된 I/O 및 보호 기능을 위한 확장 모듈로 구성됩니다. 모듈은 소프트웨어로 구성 가능하며, PSR-TBUS DIN 레일 연결을 사용하여 시스템을 확장할 수 있습니다.

중간 이하의 복잡성을 가진 기계의 안전성

Schneider Electric의 Harmony 안전 모듈은 식음료 가공, 리프팅, 자재 관리, 포장 등에 사용되는 중간 이하의 복잡성을 가진 기계에 적합하게 설계되었습니다. 이 모듈은 두 가지 계열로 제공됩니다(그림 6).

• Harmony XPS Basic은 하드와이어 안전 모듈을 사용하는 응용 분야에 최적화된 솔루션을 제공합니다.
• Harmony XPS Universal은 간단한 하드와이어 안전 모듈 응용 제품을 일반적으로 구현을 위해 필드 버스 기술이 필요한 다양한 메시지와 결합합니다.

그림 6: Harmony XPS Basic 및 Universal 안전 계전기는 단일 안전 기능을 쉽게 관리하는 데 적합합니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

XPSBAT12A1AP와 같은 XPSBAT Basic 안전 모듈은 비상 정지 회로를 모니터링하는 데 사용되며 카테고리 0 및 카테고리 1 제어 옵션을 제공합니다. 카테고리 0은 즉시 정지를 구현하고 카테고리 1은 지연 정지를 구현하며, 0분 ~ 15분(900초)에서 지연 시간을 조정할 수 있습니다.

또한 XPSUAK12AP 모델과 같은 XPSUAK Universal 안전 모듈은 카테고리 0 및 카테고리 1 전력 차단을 구현할 수 있습니다. 이러한 안전 모듈은 다음과 같은 다양한 안전 장치와 연결될 수 있습니다.

• 비상 정지 회로
• 보호 장치에 의해 작동되는 스위치(예: 기계식 가드 스위치 및 RFID 안전 스위치)
• 광 커튼
• 4선 감지 매트

결론

산업 시스템에 적합한 안전 스위치를 선택할 때 다양한 국제 표준과 블랙 채널 통신을 비롯한 통신 프로토콜을 고려해야 합니다. 하지만 이는 시작에 불과합니다. 테이블톱 조립 작업과 같은 소규모 시스템, 식음료 가공 및 자재 관리에 사용되는 하드와이어 설치, 구성 가능하거나 확장 가능한 솔루션이 필요한 시스템에 최적화된 안전 스위치부터 공장 전체에서 확장 가능한 솔루션을 지원하도록 최적화된 장치까지 수많은 선택지가 있습니다.