Safety PLC(안전 PLC)의 용량 계산 및 회로 구성 – 전장설계 기초 교육 CFG5

1. Safety PLC(안전 PLC)의 용량 계산 및 회로 구성

출처: eltra-trade홈페이지

Safety 회로는 다른 회로들과 다르게 인체를 보호하는 목적으로 설계 된 회로 입니다.

결론부터 말씀 드리자면, Safety 회로(Controller, PLC)는 인체에 위험한 상황이라고 판단 될 때 자동 또는 수동으로 “공급원 차단” 목적을 가지고 있습니다.

• 공급원 차단은 정지가 아닌 전원 Off 의 개념이다.

Safety 기기가 아닌 PLC와 같은 기기로 Safety 기기와 흡사하게 구성할 수 있지만, 가장 큰 문제점은 “신뢰성”이 떨어진다는 것입니다. 예를들어 몇년동안 사고가 나지 않았다가 사람이 위험 할 수 있는 환경에서 안전스위치가 동작하지 않는다면, 그 잠깐의 오류로 인해 동작이 되지 않아 인체에 해가 될 수 있는 상황이 올 수 있습니다. 그러므로, 인증받은 독립된 장치(제어적으로)를 사용하여 회로를 구성합니다.

이번 글에서는 Safety PLC 회로 구성을 Omron社의 “G9SP-N20S” 라는 모델을 가지고 설명 드리려고 합니다.

제가 작성한 글보다 이번 글이 조금 어려울 수도 있으나, 최대한 풀어서 설명 드리겠습니다.

• Safety 회로는 공급원 차단을 통해, 인체를 보호하는 회로이다.
• Safety 회로는 제어적으로 독립된 장치를 사용하여 회로를 구성한다.
• Safety 회로는 “ISO 13849 1” 와 “IEC 62061(61508)” 인증을 받은 제어기기, Switch 등을 통해 구성된 회로여야 한다.

1.1. Safety PLC(안전 PLC)의 용량 계산

출처: Omron 홈페이지

Omron社의 “G9SP-N20S” 제품의 Spec 은 다음과 같습니다.

출처: Omron홈페이지

용량 계산은 위와 같이 “G9SP-N20S”기준으로 500mA로 표기되어 있어 딱 500mA만 소비전력이라고 생각 하실 수 있겠으나, Safety PLC 를 제외한, 입력신호인 Safety Switch류 와 출력신호인 Safety Relay, Magnetic Contactor(전자접촉기) 등의 출력 신호까지 계산해 본다면 최소 24V 72W 3A SMPS 이상은 사용해야 합니다. (입력 부분은, 소비되는 전류가 mA 단위로 거의 소비되지 않아 용량 계산 시, 제외합니다.)

출력부분을 계산 해보도록 하겠습니다. 아래 그림은 Magnetic Contactor(전자접촉기)의 코일용량 계산법입니다. 간단하게 설명드리면 22AF 전자 접촉기(MC9~22b)는 순간적으로 들어가는 최대 VA가 25이고, 그걸 유지하는 동안에는 9.5VA 가 소비됩니다. (동시 투입 및 여러가지 환경 적인 요소들로 인해, 저는 25VA X 1.5배 로 계산합니다.)

• Safety 회로의 용량은 Safety PLC 입력 전원과, 출력기기의를 합산하여 계산한다.
• 동시 투입 및 여러가지 환경 적인 요소들로 인해, 조작용 변압기 용량에서 제일 큰값(VA) X 1.5배 로 계산 한다.

예를 들어보겠습니다. G9SP-N20S + EMO Switch X 1EA + MC22b/DC 24V/1a1b X 2EA를 사용하는 Safety회로가 있다고 가정하겠습니다.
G9SP-N20S = 0.5A, + EMO Switch X 1EA = 0A, + MC22b/DC 24V/1a1b X 2EA = 25 X 2 X 1.5 = 75VA이므로 75/24 = 3.125A 즉, 3.725A 가 계산 되므로 24V 120W 5A SMPS 를 선정 합니다.
(전자 접촉기가 AC type 이라면, 복권형 변압기[변압기 설명 글]를 통한 별도의 전원을 사용 하므로, 따로 추가하실 필요는 없습니다만, Safety Relay Coil의 전류는 계산 하셔야 합니다.)

• 대표적으로 쓰이는 Omron社 Safety Relay(G7SA Series)는 개당 0.36A의 전류를 소비한다.

1.2. Safety PLC(안전 PLC)의 회로 구성

출처: Nalayang

Safety PLC 회로 구성은 전원, Test pulse, 입력회로, 그리고 출력 회로로 구성됩니다.

전원 공급: DC24V 이며 V1(+), G1(-)은 입력측, V2(+), G2(-)은 출력측 으로 구성되어 있습니다. 다만 여기에서 특이한 사항은, 출력측 전원공급인 V2 만 Off Delay Timer(순간정전 방지 목적)의 a접을 통하여 GPS(동력전원)이 공급이 될 경우에만 V2 전원을 구성해 준다는 점 입니다. 이렇게 하는 이유는 Semi F47, 각 고객사 사양서 기준등 에서 1초 이내의 순간정전이 발생하면 재 기동 할 수 있게 회로 구성을 해야하며, 그렇지 않는다면 모든 동력 전원을 차단 하는 목적에 있습니다.

• 각 제어 기기 들은 1초이내의 순간정전 방지 대첵을 가진 제품을 사용해야 한다.
• Off Delay Timer를 사용 하는 이유는 공급전원이 무단으로 차단된 후 재 공급 될 경우에 회로를 보호하기 위함이다.
  (확인 하지 않고 갑작스럽게 전원이 공급 될 경우, 예기지 못한 사고 방지 목적)

Test Pulse: DC24V의 + 극성을 가지고 있으며, 각 Pulse 당 다른 주기를 가지고 있습니다.

출처: Nalayang

Test pulse는 위와 같은 그림으로 DC 24V + 극에 일정한 시간 간격으로 Pulse를 주어 입력신호를 받게 합니다. 배선이 잘 연결되어 있으면, 특정 펄스가 출력을 통해 입력으로 받게 됩니다.
Test pulse의 목적은 접점들의 교차되어 있는 단락을 알 수 있습니다. 입력 신호 Si0,1 에 Test pulse T0, T1를 설정하고, 배선을 연결을 하면 정상적으로 각 접점에 Pulse신호가 들어오지만, T0, T1가 단락이 된다면 입력접점이 항시 24V 를 공급받게 되어 Error 가 발생되게 됩니다.

• Test pulse 목적은 접점간의 단락여부 확인이다.
• 하나의 기기(Swtich)당 2개의 b접으로 구성되고, 각각의 접점은 다른 Test Pulse 를 사용해야, 접점간의 단락여부를 확인 할 수 있다.
  

출처: Nalayang

Safety PLC를 제외한 회로는 위 그림과 같이 1~3번 그림입니다. 1번과 3번 그림은 입력회로이고 2번 그림은 출력회로 입니다.

EMO: 비상정지 스위치로 대부분 2개의 b접(NC) 와 1개의 a접(NO) 을 가지고 있습니다. 비상정지 스위치가 동작하면, Si0,1에 신호가 끊어지면서 So00,1에 출력이 끊어집니다.

Reset Switch: EMO Switch와 Feed back가 정상적으로 복구가 되고 Reset switch를 동작 시키면, So01,2에 출력이 나갑니다.

2번 그림의 출력회로는 Safety PLC 출력접점 So00,1로 Safety Relay 를 동작시켜 그 접점으로 MC(전자 접촉기)의 코일을 동작시키는 원리 입니다.

마지막으로 3번그림의 Feed back 회로 입니다. Feed back 회로는 출력신호에 연결되어있는 Safety relay, MC의 b접점을 모두다 하나로 연결합니다. 연결된 신호는 Safety PLC 에서 출력이 나가지 않는다면, b접이기 때문에 신호가 들어옵니다. 하지만 동작 시키고 Feed back 신호는 끊지지만, 일정시간동안 Feed back 신호가 끊기지 않는다면 Error 로 간주합니다.
즉, 출력 신호와 반대로 실제로 이 접점이 동작을 하는지 확인하는 용도입니다.

• Safety PLC는 PLC, 스위치류, 출력부, Feed back 으로 구성되어 있다.
• 기본적으로 2중화를 기본으로 하며 이 조건은, “ISO 13849-1 PL,d 등급” 이상 회로이다. [ISO 13849-1 설명 자료(Pilz 홈페이지)]
• Safety 회로는 그 어떠한 회로보다 중요한 회로이며, 신뢰성 확보를 위해 Safety 회로의 SMPS는 따로 사용한다.[SMPS 용량 및 회로 구성 글]

인증관련및 Safety PLC 프로그램 까지 설명을 하게되면 너무 방대한 내용이라, 추후에 나누어서 설명 드리도록 하겠습니다.