Industry 4.0 공장에서 안전 및 가용성 향상

Industry 4.0 생산 라인을 설계할 때는 안전이 필수입니다. 예를 들어 모터, 드라이브와 같은 서브 시스템은 종종 국제 전자기술 위원회(IEC) 62061 안전 무결성 레벨(SIL) 2 및 국제표준화기구(ISO) 13849-1 성능 레벨(PL) c를 충족해야 합니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 일반적으로 접촉기를 사용하여 모터를 안전하게 연결하고 분해할 수 있습니다. 정격 55kW 미만의 소형 모터의 경우 표준 접촉기는 간단하고 비용 효율적으로 접근할 수 있습니다.

많은 사람들이 인지하게 된 바와 같이 높은 전력 레벨에서 모터에 대한 IEC 및 ISO 안전 요구 사항을 충족하면 모터와 표준 접촉기 사이의 장치를 연결해야 하기 때문에 더 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 다행히 정격 55kW ~ 250 kW 모터에 직접 연결할 수 있는 고장 시 안전 기능이 내장되도록 개선된 접촉기가 있으므로 시스템 비용과 부품 수를 줄이고 신뢰성을 높일 수 있습니다.

예로 Siemens의 혁신적인 안전 등급 접촉기를 사용하여 정격 55kW ~ 250kW 모터용 고장 시 안전 접촉기를 사용하는 간소화된 아키텍처를 간단히 살펴보겠습니다. 그런 다음 VDMA(Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau)와 안전 등급 접촉기의 성능을 정량화하기 위해 독일 기계 및 플랜트 건설 협회 표준을 사용하는 것과 관련된 몇 가지 문제에 대한 검토로 마무리하겠습니다.

안전 등급 접촉기를 사용한 간소화

최대 약 55kW의 전력 수준을 위한 접촉기는 안전 등급 응용 분야 요구 사항을 충족하기 위해 고장 시 안전 컨트롤러 및 안전 계전기 출력에 직접 연결할 수 있습니다. 이러한 고장 시 안전 컨트롤러와 안전 계전기의 출력은 일반적으로 5A 또는 최소 24VDC에서 제한됩니다. 고전력 접촉기를 제어하는 데 필요한 펀치를 포장하지 않으므로 드라이브 전력을 높이기 위해 컨트롤러 또는 안전 계전기와 표준 접촉기 사이에 커플링 장치가 필요합니다. 이러한 커플링 장치를 설치하려면 필요한 비용과 공간이 증가하고, 복잡성이 증대되는 문제가 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 Siemens는 표준 드라이브 코일 외에 고장 시 안전 제어 입력으로 접촉기를 사용하는 혁신적인 접근 방식을 개발했습니다. 고장 시 안전 제어 입력은 기존 접촉기에 필요한 24VDC에서 5A 이상과 비교하여 24VDC에서 작동 전류 약 5mA로 작동하도록 설계되었습니다. 즉 안전 계전기와 고장 시 안전 컨트롤러에서 직접 접촉기를 구동할 수 있습니다.

고장 시 안전 제어 입력이 고장 시 안전 접촉기를 제어하더라도 접촉기 코일은 안정적인 작동을 위해 공급 전압에 영구적으로 연결됩니다(그림 1).

그림 1: 기존 접촉기(왼쪽)는 고장 시 안전 접촉기(오른쪽)를 사용할 때는 필요하지 않은 커플링 장치(상단 오른쪽의 파란색 박스 2개)가 필요합니다. (이미지 출처: Siemens)

고장 시 안전 작동

Siemens는 기존 AC/DC 및 통합 고장 시 안전 제어 작동이 있는 접촉기를 포함하여 광범위하고 혁신적인 Sirius 모듈식 제어 옵션을 제공합니다. 고장 시 안전 작동 메커니즘은 접점 마모 상태를 나타내는 남은 수명(RLT) 신호를 선택적으로 장착할 수 있습니다. 이를 통해 예방 유지보수가 가능하며 시스템 신뢰성과 가용성을 향상할 수 있습니다. RLT 회로는 3개의 주요 접점 각각에 대한 접점 마모 정보를 저장합니다. 접점 마모는 LED로 표시되며 가장 마모도가 높은 접점의 RLT가 20%로 떨어지면 추가 계전기 출력이 생성됩니다.

이러한 접촉기는 고장 시 안전 컨트롤러의 출력에 연결할 수 있으므로 F-PLC-IN 접촉기라고 하며 고장 시 안전 제어 입력의 노란색 표시 단자 또는 코일 덮개를 통해 물리적으로 식별할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 3RT2037-1SF30(왼쪽) 및 3RT1056-6SF36(오른쪽)과 같은 F-PLC-IN 접촉기에는 노란색 단자 또는 코일 덮개가 사용되어 시각적인 식별이 가능합니다. (이미지 출처: Siemens)

숫자로 표시한 안전

VDMA 표준 시트 66413은 안전 평가에 사용할 수 있는 4개의 장치 유형을 인식합니다.

• 유형 1 장치는 안전 계전기와 고장 시 안전 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)와 같은 안전 기능에 사용하기 위해 개발되었으며 특정 SIL 또는 PL 요구 사항을 충족합니다.
• 유형 2 장치는 반드시 특정 안전 요구 사항을 충족하기 위해 개발된 것은 아니며 안전한 작동을 평가하려면 응용 분야 데이터가 필요합니다.
• 유형 3 장치에는 전기 기계 접촉기와 같은 마모되기 쉬운 부품이 포함됩니다. 반드시 특정 안전 요구 사항을 충족하기 위해 개발된 것은 아니며 광범위한 안전 평가가 필요할 수 있습니다.
• 유형 4 장치는 안전 기능에 사용하기 위해 개발되었으며 무작위 장애가 발생하지 않습니다.

Sirius F-PLC-IN 접촉기는 통합 전자 제품이 있고 순수 전기 기계 부품이 아니므로 유형 3 장치에 해당하지 않습니다. 대신 유형 1 장치이며 특정 SIL 및 PLC 요구 사항을 충족하고 포괄적인 안전 관련 사양을 제공합니다. 이를 통해 표준 접촉기에 비해 안전 무결성 계산 작업이 간소화됩니다(표 1).

표 1: Sirius F-PLC-IN 접촉기는 VDMA 유형 1 장치이며 자세한 안전 관련 데이터와 함께 제공됩니다. (이미지 출처: Siemens)

결론

접촉기는 설계자가 IEC 62021 SIL 2 및 ISO 13849-1 PL c 안전 및 신뢰성 요구 사항을 충족하는 동시에 비용을 절감해야 하는 Industry 4.0 자동 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 앞서 살펴본 바와 같이 Siemens의 혁신적인 Sirius F-PLC-IN 접촉기는 부품 수가 적고 복잡성이 낮으모르 이러한 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다.

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