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[기술기고] 가동시간 향상을 위한 안전 시스템 설계

통합 안전은 '복구를 위한 설계' 전략의 핵심

[기술기고] 가동시간 향상을 위한 안전 시스템 설계
[산업일보]
설계 단계에서 통합 안전 기술을 포함시키면, 장비의 가용성과 생산성을 향상시키고 평균 고장수리시간(MTTR)을 절감할 수 있다.

제조 환경에서는 안전과 생산성이 서로 상반되는 개념이라는 생각이 수십 년간 지속되어 왔다. 안전은 규제 준수, 그리고 생산성은 경쟁력과 연관 지어져서 각자의 목표를 위해 때로 경쟁해야 하는 별개의 경로로 인식된 탓이다.

그러나 최고의 성과를 내는 제조기업들은 안전에 대한 현대적인 접근방식으로 이러한 구시대적인 사고방식을 떨쳐 버리고 있다. 이러한 기업들은 통합 안전 솔루션과 새로운 국제 표준을 함께 사용해 장비의 가동시간과 공장의 생산성을 최적화하고 있다. 간단히 말해서, 안전은 이제 더 이상 안전만의 문제가 아니다. 또한 안전은 생산성 향상에 방해가 되는 안전 관련 다운타임을 극소화하기도 한다.

중요한 점은 이러한 다운타임을 최소화할 수 있는 안전 기술을 활용하고 누군가를 위험에 빠뜨리는 안전사고를 예측하는 것이다. 이는 설계 단계에서 시작된다. 나중에 추가되는 솔루션으로써가 아니라 처음부터 구조적인 관점에서 장비에 안전을 설계해 넣으면, 신속한 복구를 위해 최적화될 수 있는 보다 총체적인 시스템을 구축할 수 있다.

다양한 장비 설계와 애플리케이션에 적용되는 표준들을 이해하고 언제 최신 안전 기술을 고려해야 하는지를 아는 것 또한 매우 중요하다. 최근에 컨트롤 디자인(Control Design) 매거진이 수행한 한 설문조사에서 장비 제조업체들은 어떤 표준과 규제를 적용할지 결정하는 것이 안전 설계의 가장 큰 골칫거리(52%)라고 대답했다.

또한 에버딘(Aberdeen) 보고서에 따르면, "규제와 안전 표준 준수"가 거의 3분의 2에 해당하는 제조업체들이 안전 관행을 향상시키는데 가장 큰 동인으로 작용하는 것으로 나타났다.

이 백서를 통해 장비의 가동시간 향상과 안전 극대화라는 목표를 가진 핵심적인 현대 안전 기술과 표준, 그리고 적용사례들을 살펴보겠다.

안전과 생산성 : 새로운 표준
안전과 표준 제어 시스템을 연결 또는 결합해주는 통합 안전의 등장으로 생산성 향상을 위한 새로운 기회가 열렸다.

통합 안전은 장비의 가용성 향상, 평균 고장수리시간(MTTR) 감소, 유지보수 간소화를 통해 안전 시스템이 생산성에 미치는 영향을 감소시킬 수 있게 해준다.

통합 안전은 '복구를 위한 설계' 전략의 핵심이다. 이러한 전략을 위해서는 안전 이벤트를 정상적인 것으로 간주해 이벤트 발생에 대비하고 최대한 신속하게 가동을 재개할 수 있도록 장비를 설계해야 한다.

신속한 복구로 인한 다운타임 감소는 곧 생산시간 증가로 해석될 수 있다. 이러한 시간들이 모여 상당한 수익 개선 효과를 제공한다. 일반적인 록아웃/태그아웃(잠금 및 경고표지, LOTO)을 위한 다운타임 이벤트의 경우를 예로 들 수 있겠다.

복구를 위해 설계된 안전 시스템은 LOTO 과정을 가속화해주며, 일부 단계를 제거할 수도 있다. 일례로, 평균 12분이 소요되는 LOTO 과정을 1분 정도 감소시킬 수 있다고 가정해보겠다. 이는 현재 MTTR의 약 8%에 해당되지만 시간이 지나면 절감 효과가 커진다. 연간 생산일을 350일이고 1분 당 생산 가치가 1천 달러인 상황에서 다운타임이 하루 평균 8회 발생한다면 $280만 달러의 수익 증가에 해당된다.

[기술기고] 가동시간 향상을 위한 안전 시스템 설계

이러한 절감 효과를 어떻게 확보할 수 있을까?
여기에는 4가지 핵심 요소를 들 수 있다.
◎ 록아웃/태그아웃(LOTO): 사소한 정비 예외
◎ 안전 속도
◎ 영역 제어
◎ 진단


록아웃/태그아웃(LOTO): 사소한 정비 예외
미국과 캐나다의 표준 모두, 장비의 정비 작업이 수행되는 동안 작업자의 부상을 야기할 수 있는 예기치 않은 가동, 전기 공급 또는 잔류 에너지 방출을 방지하기 위해 록아웃/태그아웃을 수행해야 한다고 규정하고 있다.

이는 정기적인 세정 및 유지보수, 장비 조정, 걸림 제거 등의 유지보수 작업을 하기 위해 완전한 LOTO 과정을 하루에 몇 번씩 수행해야 한다는 것을 의미한다. 그러나 사소한 툴 변경과 조정, 기타 사소한 정비 활동의 경우에는 예외다.

ANSI/ASSE Z244.1 및 CSA Z460 표준은 이러한 대체 수단을 위한 안전 시스템의 개발에 대한 지침을 제공한다. 미국의 경우, 사소한 정비 예외 조항은 대체 수단이 록아웃/태그아웃과 동등한 보호를 제공하고 장비 정비 활동이 정기적이고 반복적이며 반드시 필요한 경우에만 적용된다.

이러한 활동은 일반적으로 다음과 같은 특징을 지닌다.
◎ 짧은 지속기간
◎ 사소함
◎ 자주 발생,
◎ 작업자나 유지보수 담당자가 수행
◎ 최소한의 조립 작업 필요
◎ 사전에 정해진 주기적 활동
◎ 생산에 미치는 영향이 미미
◎ 최적의 운영 수준에서도 발생
◎ 작업별 작업자 교육 필요


사소한 정비 예외 조항은 안전을 희생해 생산성을 향상시키기 위한 안전 우회 방법으로 사용돼서는 안 된다. 위험 평가를 계획하고, 대체 조치의 동등한 안전성과 안정성을 문서화하며, 규제를 준수할 수 있도록 직원들에게 교육을 제공해야 한다.

표준이 의도하는 바 그대로 정확하게 사용하면, LOTO의 예시에서 볼 수 있듯이 대체 수단은 획기적으로 생산성을 향상시켜 줄 수 있다. 대체 수단에는 다음 섹션에서 다뤄질 안전 기술들이 포함된다.

<주요 표준>
◎ ANSI/ASSE Z244.1 – 위험 에너지 제어 – 록아웃/태그아웃 및 대체 방법
◎ CSA Z460 – 위험 에너지 제어 – 록아웃/태그아웃 및 다른 방법


안전 속도
세정과 같은 정비 작업을 장비 가동 중에 수행하는 것은 위험한 일이지만 장비를 중단시키려면 시간이 많이 든다. 그래서 공장 현장의 작업자는 시간을 아끼려고 장비의 보호 기능을 우회해 장비가 가동 중인 상태에서 작업을 수행하는 경우가 많다. 이는 재난으로 직결되는 행위이다.

안전 모션 제어 시스템의 일부로 제공되는 안전 속도 모니터링 서비스는 장비를 안전한 속도로 가동하여 장비를 완전하게 중단하지 않고 작업자나 유지보수 기술자가 작업을 수행할 수 있도록 해준다.

예를 들어, 영국에 위치한 토요타 자동차 제조 공장은 공장의 프레스용 무인 운반차 시스템을 레일 가이드 트롤리로 교체하고, 안전 속도 기능이 포함된 컨트롤러(PAC)로 업그레이드했다. 이는 작업자가 보호 스크린이 설치된 생산 영역에 진입하면, 트롤리가 정해진 안전 속도로 이동하도록 만든다.

또한 안전 속도 모니터링은 장비가 록아웃/태그아웃 주기를 몇 차례 거쳐야 해서 시간이 많이 소요되는 정기 세정 등의 작업을 가속화하는데 도움을 준다.

안전 속도 기술은 전용 속도 모니터링 릴레이를 통해 구현되거나 드라이브와 컨트롤 모듈에 내장될 수 있다. 추가적인 배선이 필요하지 않기 때문에 간단하게 구현이 가능하다. 이 기술은 또한 진단과 문제 해결에 보편적인 설정 툴을 사용한다.

<적용사례>
예시 1. 인쇄업계를 예로 들어본다
안전 속도 모니터링은 롤의 방향을 조정하고 속도를 감소시켜 작업자가 신속하고 안전하게 프레스의 롤을 세정할 수 있도록 해준다. 롤이 돌아가는 중에 지속적으로 세정할 수 있어서 전체 작업 시간을 줄이는데 도움이 된다. 롤이 느린 속도로, 안쪽이 아니라 장비에서 먼 바깥쪽으로 작동되기 때문에 안전 또한 향상된다.

예시 2. 식품업계를 예로 들어보자
생산 문제가 발생하는 경우, 안전 속도 모니터링은 줄어든 속도로 생산이 유지되는 동안 작업자나 유지보수 기술자가 안전 도어를 개방해 배분 노즐 시정 등의 조정 작업을 할 수 있도록 해준다. 작업자나 유지보수 기술자는 조정된 사항들을 즉각적으로 모니터링 할 수 있기 때문에 문제가 해결됐는지 확인하기 위해 조정할 때마다 계속해서 장비를 중단했다가 다시 시작해야 하는 번거로움이 없어진다.

<주요 표준>
◎ IEC 61800 5-2 – 가변 속도 전원 인버터 시스템 : 안전 요건 – 기능
◎ NFPA 79 – 산업용 기계에 대한 전기 규격
◎ IEC 60204-1 – 기계 안전 – 기계의 전기 장비


영역 제어
안전 속도와 유사하게 영역(zone) 제어는 작업자의 안전을 유지해주며 장비의 다운타임을 감소시켜 생산성을 극대화할 수 있도록 해준다. 영역 제어를 사용해 생산 공정의 특정 영역을 중단 또는 감속시키고 다른 영역들은 지속적으로 정상 속도로 가동하도록 할 수 있다.

이는 나머지 영역들에서 생산 공정이 정상적으로 지속되는 동안 작업자나 유지보수 담당자가 안전하게 특정 영역에 진입해 걸림을 제거하고, 장비를 조정하거나 다른 필요한 작업을 수행할 수 있도록 해준다.

안전 제어 시스템은 여러 다른 영역에서 작업자 보호를 제공하고 영역들을 연결해준다. 2~3개 영역으로 구성된 환경은 간단하고 비용 효율적인 안전 릴레이 아키텍처로 충분하다. 좀 더 규모가 크고 안전 시스템과 제어시스템 간의 밀접한 조율이 요구되는 환경에서는 손쉬운 구현과 복구를 위해 안전 PAC를 사용해야 한다.

<적용사례>
예시 1. 포장 영역을 살펴보자
포장 영역은 공장 현장을 누비고 다니는 중장비의 규모와 속도를 고려할 때 상당한 안전 위험을 제기할 수 있다. 영역 제어를 사용하면, 특정 영역을 작업자 또는 로봇 펠렛타이저가 들어가 작업할 수 있는 영역을 지정해 작업자가 영역에 들어가면 로봇 펠렛타이저와 다른 장비들이 가동을 중단 또는 감속하도록 만들 수 있다.

<주요 적용 표준>
◎ ANSI B11.20 – 통합 제조 시스템을 위한 안전 요건
◎ ISO 11161 – 기계 안전 - 통합 제조 시스템 - 기본 요건


진단
장비의 여느 부분과 마찬가지로, 안전 시스템도 유지보수가 필요한 배선 폴트, 게이트 개방 또는 다른 기계 이벤트가 발생할 수 있으며, 이는 다운타임으로 연결될 수 있다. 이러한 이벤트가 발생하면, 장비를 수리할 수 있도록 서둘러 작업자와 유지보수 기술자를 파견한다. 그리고 작업은 문제의 원인을 파악하는 것으로 시작된다.

진단은 복구를 위한 설계 전략에서 핵심적인 역할을 한다. 안전 컨트롤러로 제어되는 분산된 안전 I/O 모듈은 센서와 액추에이터 가까이에 있는 장비에 위치할 수 있다. 이러한 모듈은 안전 기능이 올바르게 작동되도록 보장해주는 것 외에도 안전 시스템의 중단 원인을 파악하고 기술자가 보다 신속하고 효과적으로 재시작할 수 있도록 안내를 제공한다.

예시 1. 진단은 액추에이터 측에서도 중요하다(예: 접촉기 및 드라이브)
접촉기는 고전류 스위칭을 수행하며 가장 장애가 많이 발생하는 곳으로 알려져 있다. 이외에도, 액추에이터 수가 늘어나면 문제 진단에 시간이 더 걸리기 때문에 폴트 복구가 한층 더 어려워진다.

액추에이터를 직렬 설계 방식으로 모니터링 하는 경우, 하나의 안전 릴레이에 의존해 다수의 접촉기를 모니터링 한다. 접촉기에 폴트가 발생해 장비가 작동하지 않으면, 직렬로 연결된 접촉기들 중 어떤 접촉기에 폴트가 발생했는지 알 수가 없기 때문에, 문제를 해결하는데 시간이 더 걸린다.

이보다 더 나은 접근방식은 각 접촉기를 하나의 안전 I/O 블록에 연결하는 것이다. 각 접촉기가 별도로 모니터링 되기 때문에, 안전 컨트롤러는 어떤 접촉기에 폴트가 발생했는지 알 수 있다. 이러한 정보는 터미널에 즉시 표시돼 유지보수 기술자가 문제 진단 과정을 건너뛰고 장치의 보수나 교체에만 집중할 수 있다.

보다 안전한 미래
제조가 이동하는 방향, 특히 사람과 기계가 협업을 하는 미래에서, 통합 안전은 점점 더 중요해질 것이다. 통합 안전은 또한 자동차업계에서 초기 수용 단계에 있는 간소화 로봇의 핵심적인 원동력이기도 하다. 이 차세대 기술의 안전 요건에 대한 지침을 제공하기 위해 ANSI/RIA R15.06과 ISO 10218과 같은 새로운 표준도 등장했다. 궁극적으로, 미래를 위해 로봇을 구현하고 있든, 아니면 다운타임 감소를 위해 현재 노력을 하고 있는 중이든, 현대적인 안전 기술을 사용해 최대한 빠르게 복구 가능하도록 장비를 설계하면 생산성과 수익성을 향상할 수 있을 것이다.

글 / 크리스 브로글리(Chris Brogli) [로크웰오토메이션 안전 비즈니스 개발 관리자]

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