[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 혁신적인 모션 제어 기술의 선도적인 제조업체인 엘모모션컨트롤(Elmo Motion Control, 이하 엘모)이 새로운 제조 시대에는 ‘Functional safety’(기능 안전)이 중요하다고 강조했다. 엘모는 ‘Functional safety’ 기능이 수행하는 핵심 역할을 이해하고, 새로운 세대의 서보 드라이브를 설계할 때 ‘Smart safety’에 중점을 뒀다고 설명했다. 그 결과 35mm x 30mm x 14.4mm의 초소형 크기에서 5.5kW의 전력을 공급할 수 있는 Platinum Twitter를 포함해 Functional safety 인증을 받은 Platinum 시리즈 서보 드라이브가 탄생했다.

Platinum 드라이브는 32MB 플래시메모리, LPDDR 주 메모리 및 400MHz 프로세서를 탑재하고 있으며, △STO △SS1 △SOS △SS2 △SBC △SLP △SLS △SLT 안전 기능을 내장하고 있다. 드라이브는 피드백 및 I/O 연결을 위한 3개의 포트와 안전 이중화에 필요한 이중 앱솔루트 엔코더 연결 기능이 포함돼 있다. 아울러 플래티넘 드라이브의 모든 안전 관련 항목은 IEC 61800-5-2 SIL-3, Cat4 PL-e 인증을 받았다.

작지만 충분히 강력한 Platinum 드라이브는 기계나 장비 내부에 깊숙이, 또는 로봇 관절 내에 장착할 수 있다. 분산 네트워크 내에서 안전 노드의 역할을 하도록 설계돼 있어서 사용자는 FSoE 기능이 있는 EtherCAT 네트워크에 연결하거나 독립 실행 중에서 작동 방식을 선택할 수 있다. 내장된 안전 기능은 드라이브 셋업 및 시험용 사용자 소프트웨어인 Elmo Application Studio를 사용해 구성할 수 있다. 엘모는 부품 수, 전력 소비 및 기계 비용 및 복잡성을 최소화하면서 완전한 안전 기능을 제공하는 시스템을 구현했다.

제조혁명의 중심이 된 ‘Functional safety’

과거 기계 안전이란 작업자가 장비 작동 구역에 들어가거나 압력 매트를 밟았을 때와 같이 안전 조건이 위반될 때마다 항상 전원을 차단하도록 릴레이들을 작동시키는 것을 의미했다. 그리고 작업자를 장비로부터 보호하는데 중점을 두고 있었다. 다만 이러한 접근 방식은 작업자를 안전하게 보호했지만, 종종 유지관리 및 청소작업 시 과도한 지연이 발생하게 만들었고, 반복적인 비상 정지는 장비에 과도한 부담을 준 것도 사실이다. 최악의 경우 제조라인이 변경될 경우 안전 솔루션을 완전히 개조해야 했다.

제조업이 진화하면서 생산단위는 더욱 세밀해졌고, 전환 이슈도 늘었다. 공정조건은 터치패널 등의 HMI 입력에 의해 변경된다. 발맞춰 기계 안전 역시 진화했다. 스마트 드라이브로 구동되는 Functional safety는 작업자와 장비를 보호하는 동시에, 유연하고 효율적이며 무엇보다 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다. 운영 장비 효율성(OEE)까지 크게 향상시킨다.

Functional safety에서 안전 등급 구성요소들은 작동 파라미터를 통해 장비를 제어한다. Functional safety 시스템은 상태가 안전 조건을 벗어날 때마다 구동축의 출력을 즉시 차단하는 대신 축의 동작을 제한한다. 시스템은 미리 정의된 안전 수준을 유지하면서 오류를 처리하고 자가 진단 및 자동 경고를 통해 사용자에게 알린다. Functional safety는 이전의 하드웨어에 의한 안전 동작을 소프트웨어로 대체한다. 출력 부품들을 교체해 소프트웨어 로직에 의한 동작이 가능토록 했다. 이러한 방식은 장비의 가동 시간을 늘리고 생산성을 높이며 낭비를 줄일 수 있게 한다.

안전한 상태를 유지하면서 비상 정지 횟수를 최소화함으로써 Functional safety는 모터 및 드라이브와 같은 구성요소가 더 오래 작동할 수 있게 도움을 준다. 예를 들어 안전 제한 속도(SLS)를 사용해 청소를 보다 효율적으로 하거나 안전 제한 토크(SLT)로 SCARA 로봇이 협동 로봇 시스템의 일부로 기능할 수 있도록 하는 것이다. 현재 제조 혁명이 진행 중이며 기능 안전이 중심에 있다.

‘Functional safety’ 구성요소 및 구조

Functional safety 구현은 시스템의 요구사항, 사용 중인 구성요소, 시스템 통합자의 능력 및 예산에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다. 다만 안전 시스템은 △엔코더·압력 마운트 등 센서 △안전 등급 PLC △모션 컨트롤러 △드라이브 네 가지 기본 구성요소부터 시작한다.

기본적인 작동원리는 다음과 같다. 시스템이 작동 중일 때 PLC는 전체 기계 동작에 관여한다. 모션 컨트롤러는 경로를 계산하고 드라이브에 명령을 보내며 드라이브는 부하의 위치를 제어할 수 있도록 모터의 출력을 조정한다. 이와 동시에 안전 등급 PLC는 안전 센서의 입력을 처리한다. 만약 제한 위치 도달 등 제한 범위를 벗어난 조건을 감지하면 안전 PLC는 모터에 대한 ‘정지’ 명령 등 올바른 응답을 결정하게 된다.

모터 정지는 단순 드라이브의 경우 모션 컨트롤러의 명령을 의해, 안전 등급 드라이브의 경우는 내장된 안전 기능 호출에 의해 수행된다. 최근에는 스마트 부품 사용에 의해 메모리 및 온보드 처리 기능이 크게 확장돼, PLC는 기계 제어와 동시에 잠재적으로 안전 기능도 처리할 수 있게 됐다. 안전 등급 드라이브는 복잡한 프로그래밍 대신 내장된 자체 기능으로 안전 기능을 구현해 시스템을 간소화할 수 있게 한다. 더 단순한 기계에서는 스마트 안전 등급 드라이브가 추가 컨트롤러 없이 동작을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 안전 작업도 관리할 수 있다. 단순한 아키텍처 하나만으로 부품 수, 케이블링, 비용 및 복잡성을 줄일 수 있게 되는 것이다.

안전 등급 드라이브를 구현하려면 단순한 프로그래밍 이상이 필요하다. 안전 시스템은 이중화 구조를 중요한 특징으로 가지고 있다. 따라서 안전 드라이브에는 일반적으로 이중 프로세서와 이중 메모리 장치가 있으며, 이중의 앱솔루트 엔코더 입력을 기반으로 작동한다. 다만 백업 부품 자체만으로는 충분하지 않다. 두 개의 프로세서는 칩 설계, 제조 및 펌웨어 단계에서의 오류를 방지하기 위해 서로 다른 제조업체에서 제작해야 한다.

또한 종합적인 자가 진단 기능에 의해 드라이브가 문제를 즉시 감지할 수 있어야 한다. 만일 이상이 감지되면 드라이브는 알려진 안전 상태로 전환되도록 프로그래밍돼 있다. 안전 네트워크로 구성된 기계는 구성요소 간에 고속 통신이 필요하다. Functional safety를 위해서는 네트워크가 FSoE(Functional Safety over EtherCAT)와 같은 안전 인증 프로토콜을 기반으로 해야 한다. 이러한 프로토콜에는 종합적인 자가 진단 기능이 포함된다. 프로세서와 마찬가지로 시스템이 손상된 데이터나 통신 결함을 감지할 때마다 구동축은 정의된 안전 시나리오대로 감속 및 정지하거나 출력이 차단되게 된다.

주요 안전 기능과 적용 사례

Functional safety는 일련의 국제 표준에 의해 정의된다. 가장 중요한 것은 다음과 같다. △IEC EN 61508은 기본 Functional safety 표준과 Safety Integrity Level(SIL) 프레임워크를 정의한다. △IEC-61800-5-2는 서보 드라이브 안전을 말하고, △IEC 62061은 안전 관련 전기, 전자 및 프로그래밍 가능한 전자 제어 시스템을 위한 기계 기반 기능 안전 표준. 다양한 응용 분야 및 기계 설계에 대한 IEC 61508 구현에 대해 설명한다.

△ISO EN 13849-1은 Functional safety 표준의 ISO 버전이다. 안전 성능 수준(PL)을 정의한다. △ETG-6100, ETG-5100, ETG-5101, IEC-61784은 통신 표준(EtherCAT 및 안전 통신)이고, △ETG-7100, ETG-7010은 안전 통신 적합성 테스트를 정의한다.

최종 사용자는 장비 제작사 및 시스템 통합사와 협력해 애플리케이션의 SIL 또는 PL 수준을 결정하게 된다. 안전 시스템 설계에는 필요한 보호 수준을 제공할 수 있는 구성요소를 선택하는 것이 포함된다. 표준은 안전하지 않은 특정 조건을 해결하기 위해 적용할 수 있는 다양한 안전 기능을 정의한다.

안전 기능의 작동 사례를 살펴보면, 세이프 모션 기능(SLP, SLS 및 SLT)을 실행할 때 드라이브는 센서 출력을 모니터링해 사전 정의된 임계값과 비교한다. 출력이 임계값을 초과하면 드라이브는 해당 메시지를 출력하고 사전에 정의된 오류 대처 방식대로 작동된다(예, SS1/STO 또는 SS2/SOS 에 의한 오류). 세이프 모션 기능(SLP, SLS 및 SLT)을 실행할 때 드라이브는 센서 출력을 모니터링해 사전 정의된 임계값과 비교한다. 출력이 임계값을 초과하면 드라이브는 모니터링 오류를 반환하고 사전에 프로그램된 응답 방식을 따른다(예, SS1/STO 또는 SS2/SOS 실패).

실제 적용 사례를 설명하기 위해 이전의 예제에서 협동로봇의 구동축에 SLT를 적용하는 방식을 살펴보면, 일반적으로 서보 모터의 토크는 구동 전류에 비례하므로 안전 등급 드라이브는 모터에 공급되는 드라이브 전류를 제한해 출력 토크를 제한하도록 구성할 수 있다. 오류로 인해 드라이브 전류가 제한 값을 초과하는 경우 드라이브 또는 컨트롤러는 SS1 및 STO를 호출해 SIL 규격을 준수하도록 신속하게 모터를 안전 상태로 전환한다. 축은 비상 정지 동작을 거치지 않으며, 기계적인 충격이나 갑작스런 드라이버 전원 차단에 의한 전기적인 충격도 피할 수 있다. 안전 상태에서 시스템을 더 빨리 복구할 수 있다는 뜻이다.

다만 안전 네트워크로 구성된 기계는 구성요소 간에 고속 통신이 필요하다. Functional safety를 위해서는 네트워크가 FSoE(Functional Safety over EtherCAT)와 같은 안전 인증 프로토콜을 기반으로 해야 한다. 프로토콜에는 종합적인 자가 진단 기능이 포함된다. 프로세서와 마찬가지로 시스템이 손상된 데이터나 통신 결함을 감지할 때마다 구동축은 정의된 안전 시나리오대로 감속 및 정지하거나 출력을 차단하게 된다.

엘모의 ‘Smart safety’, 안전·생산성 둘다 잡는다

그간 엘모는 STO 기능을 갖춘 초소형, 고성능, 초고출력 밀도의 드라이브들을 생산해 왔다. 사실 많은 고객 및 사용자들은 STO 기능만으로도 충분히 만족하고 있다. 하지만 Elmo는 여기에서 멈추지 않고 Industry 4.0 및 스마트 생산을 통한 제조 혁신을 지원하기 위한 노력을 아끼지 않고 있다.

최신 모션 시스템은 작업자를 보호하고 OEE를 극대화하기 위해서 안전 기능 적용을 늘려가고 있다. Functional safety 드라이브는 더 적은 수의 부품, 더 단순한 구조 및 작은 전력소비로부터 더 많은 것을 달성할 수 있도록 돕는다.

엘모는 “Platinum 시리즈 드라이버는 특유의 높은 출력 밀도 및 효율성 그리고 사용자 편의성을 갖춘 전용 소프트웨어와 통합된 Functional safety 기능을 제공한다”면서, “결과적으로 사용자는 엘모 솔루션을 통해 제품을 더 빨리 시장에 출시할 수 있으며, 그들의 최종 고객에게 수익성을 극대화하고 새로운 제조 세대로 이동할 수 있는 기회를 제공하게 될 것”이라고 강조했다.

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