기능 안전(Functional Safety)! 무엇이며, 왜 필요하고, 어떻게 구현하는가?
기능 안전(Functional Safety)은 제조, 식음료, 자동차 산업 등 다양한 산업에서 필수가 되어가고 있다. 이는 자동화 및 AI 기술의 증가, 그리고 기존 및 새로운 규제의 도입에 의해 주도되는 추세이다.
기능 안전 표준이 법적으로 요구되지 않는 국가의 기업이라 하더라도, 고객 중 일부는 해당 표준을 준수하는 장비를 요구할 가능성이 높다. 직원 보호, 기업 이미지 유지, 생산성 향상 및 수익성 증대 등 다양한 이유로 인해 기업들은 기능 안전이 적용된 장비를 요구하고 있다. 따라서 모든 산업의 신규 장비를 설계하는 엔지니어들은 기능 안전을 최우선으로 고려 해야 한다. 하지만 모든 응용 사례가 동일하지 않으며, 범용적인 솔루션이 존재하는 것도 아니다. 그렇기 때문에 OEM 및 설계자는 제품과 산업 환경의 고유한 위험을 신중히 평가하고 맞춤형 기능 안전 접근 방식을 취해야 한다.
기능 안전을 위해 구체적으로 고려해야 할 사항은 무엇인가? 설계자는 어떻게 이러한 요소들을 탐색하고 해결할 것인가? 그리고 기능적 안전 원칙에 덜 익숙한 사람들은 어떻게 빠르게 학습할 수 있는가? 등에 대해 질문하고 자세히 숙고해 봐야 하는 것이다.
기능 안전이란 무엇인가?
산업 기술의 역사에서 기능 안전 표준이 공식적으로 등장한 것은 비교적 최근의 일이다. 1990년대에 IEC(국제전기기술위원회)가 IEC 61508 표준을 개발하면서 처음으로 ‘기능 안전(Functional Safety)’ 이라는 개념이 정의됐다. IEC 61508에서 정의한 공식적인 의미는 다음과 같다.
그 이후로, 산업 및 애플리케이션별 특성을 반영한 여러 기능 안전 표준이 만들어졌다. 기본적으로 기능 안전은 시스템(장비, 차량 등)의 일부가 입력에 반응하여 예측 가능 하고 안전한 방식으로 작동하는 것을 의미한다. 즉, 전자 장치 및 관련 소프트웨어는 위험을 허용 가능한 수준으로 줄이는 내장 안전 메커니즘을 갖추어야 한다. 이러한 기능 안전은 단순히 인명 피해를 예방하는 것을 넘어서, 고장 감지 및 진단, 장비 및 주변 재산 보호에도 중요한 역할을 한다. 특히, 기계 및 기타 장비의 설계에서 필요한 여러 가지 기능 안전 기능이 있을 수 있다.
기능적 안전의 중요성
기능 안전 기능은 생산성 향상과 수익성 증대에 기여할 수 있다. 예를 들어, 장비를 완전히 정지시키지 않고 안전한 속도로 동작하도록 설정하면 유지보수나 세척 중에도 생산을 지속할 수 있다. 반면, 즉각적인 정지 기능이 없는 경우에는 심각한 장비 고장, 막대한 수리 비용, 장기 가동 중단 등의 문제를 초래할 수 있다. 따라서 대부분의 대형 또는 글로벌 고객들은 장비가 최소한 기본적인 기능 안전 표준을 준수할 것을 요구하기 시작했다.
산업에 따라 고객들은 특정 필수 기능을 더욱 중요하게 여길 수 있으며, 예를 들어 식품 가공에서는 ‘안전 속도 제한 (Safe Limited Speed)’이, 제조업에서는 ‘안전 토크 차단 (Safe Torque Off)’ 기능이 필수적으로 요구될 수 있다.
기능 안전 설계를 위한 과제
기능 안전을 설계할 때 가장 먼저 해야 할 일은 설계에 내재된 위험을 이해하는 것이다. 이 위험이 어떤 기능 안전 기능이 필요한지를 결정하기 때문이다. 이후에는 전문적인 모션 제어 솔루션을 갖춘 파트너와 협력하여 안전 기능이 내장된 시스템을 구축하고, 설정에 대한 안내를 받을수 있다.
예를 들어, ‘Kollmorgen Automation Suite(KAS)’는 기능 안전이 적용된 모션 솔루션을 제공한다. KAS는 드라이 브, 모터, 기능 안전 컨트롤러, 소프트웨어 및 피드백 장치가 포함된 플러그 앤 플레이 시스템으로, 사용이 쉬운 그래픽 기반 옵션(PLCopen 또는 Pipe Network 프로그램 환경)을 통해 기능 안전을 구현할 수 있다. 또한, AKD2G 서보 드라이브를 사용하면 EtherCAT FSoE 연결을 통해 외부 컨트롤러를 이용한 기능 안전 제어가 가능하며, 드라 이브 자체에서 기능을 직접 프로그래밍할 수도 있다.
적용 사례
기능 안전은 사람이 작업 과정에서 어떠한 형태로든 필수적인 역할을 하는 모든 응용 분야에서 필요하다. 구체적으로 살펴보면 협동 로봇(Cobot), 자재 취급(Material Handling), 식품 가공 (Food Processing), 금속 성형(Metal Forming) 등 다양한 분야에서 적용된다.
예를 들어, X-Z 갠트리 로봇이 폐쇄된 위험 구역에서 자재를 취급하며 작동하고 있다고 가정해 보자. 가끔씩 작업자가 Z축 암 끝에 위치한 매니퓰레이터에 접근하여 도구를 교체하거나 유지보수 및 세척을 수행해야 하는 상황이 발생할 수 있다. 이때, Z축 암이 갑자기 움직이거나 고장으로 인해 작업자가 충격을 받거나 끼이는 사고가 발생하지 않도록 보호 조치가 필요한 것이다.
이를 위해서는 ‘이중 안전 유지 브레이크(Redundant Safe Holding Brakes)’가 필요하며, ‘안전 브레이크 제어(Safe Brake Control, SBC)’를 통해 제어되어야 한다. 이는 안전 토크 차단 (STO)이 활성화되었거나 전원 공급이 차단된 경우에도 Z축을 안전하게 유지할 수 있도록 한다. 만약 유지보수 중에도 드라이브를 활성 상태로 유지해야 한다면, ‘안전 운전 정지(Safe Operating Stop, SOS)’ 기능이 필수적이다. 이 구성에서는 Z축이 예기치 않게 움직이기 시작하면 SOS가 STO를 트리거하며, 이후 STO가 활성화되면서 SBC가 작동하게 된다.
이 예시에서 ‘홀딩 브레이크(holding brakes)’는 기계 안전의 핵심 요소이다. 그러나 사용 빈도에 따라 시간이 지나면서 필요한 토크를 유지하는 성능이 저하될 수 있으며, 이로 인해 정기적인 브레이크 테스트가 필요할 수 있다. 이러한 경우, ‘안전 브레이크 테스트(Safe Brake Test, SBT)’ 기능이 유용하게 활용될 수 있다.
통합 기능 안전 지원
Kollmorgen은 여러 드라이브에 내장형 ‘SafeMotion’ 기능을 탑재하여 기능 안전을 보다 쉽게 구현할 수 있도록 지원한다. ‘SafeMotion’은 위험한 모션이 발생할 수 있는 환경을 위한 16 가지의 다양한 안전 기능을 제공한다. 모든 기능이 100% 드라이브 내부에서 실행되므로, 컨트롤러, 안전 PLC 및 드라이브 간의 복잡한 통합이 필요한 외부 솔루션이 필요하지 않다. 또한, 기존 시스템을 활용하려는 OEM을 위해 Kollmorgen 드라이브는 Hiperface DSL 피드백을 지원하는 서드파티 모터와도 유연하게 통합할 수 있도록 다양한 기능을 제공한다.
자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)
