[실무] 세이프티 릴레이와 일반 릴레이 차이와 상용제품의 편리함

일반 릴레이와 세이프티 릴레이는 모두 입력 신호에 따라 출력 접점을 전환합니다.

정상 상태에서 비상정지 버튼을 눌러 마그네트를 차단하는 동작만 보면 일반 릴레이로도 충분해 보일 수 있습니다.

하지만 안전회로는 정상 상태에서 한 번 멈추는지만 확인해서는 안 됩니다.

접점 용착, 배선 단선, 채널 간 단락과 같은 고장이 발생한 상태에서도 위험한 동작을 차단하고, 고장이 해소되기 전까지 재기동을 제한할 수 있어야 합니다.

일반 릴레이와 세이프티 릴레이의 기본 차이

일반 릴레이는 PLC 출력 신호를 전달하거나 부하를 구동하고, 서로 다른 전압의 회로를 절연하는 데 사용합니다.

대표적인 적용처는 다음과 같습니다.

솔레노이드 밸브 구동
마그네트 코일 제어
램프와 부저 출력
PLC 출력 접점 확장
신호 분배
서로 다른 전압 회로 간 절연

세이프티 릴레이는 비상정지 버튼, 안전문 스위치, 라이트커튼과 같은 안전장치의 신호를 감시하고 위험한 출력을 차단하는 데 사용합니다.

제품과 결선 방식에 따라 다음 항목을 감시할 수 있습니다.

2채널 안전입력 상태
두 입력 채널의 동작 불일치
채널 간 교차단락
수동 리셋 조건
외부 접촉기의 복귀 상태
안전출력의 정상 복귀 여부

구분	일반 릴레이	세이프티 릴레이
주된 목적	신호 전달과 일반 부하 제어	안전입력 감시와 위험 출력 차단
고장 감시	별도 감시회로가 필요함	제품과 결선에 따라 입력, 리셋, 출력 상태 감시
안전 관련 데이터	일반적으로 제공되지 않음	인증 범위와 안전 관련 파라미터 제공
주요 적용	일반 제어회로	비상정지, 안전문, 라이트커튼

일반 릴레이는 입력이 꺼지면 접점이 떨어지는 구조입니다.

세이프티 릴레이는 여기에 고장 감시와 재기동 제한 기능을 더해, 이상이 남아 있는 상태에서 위험한 출력이 다시 켜지는 것을 방지하도록 사용합니다.

차이는 고장이 발생했을 때 나타난다

릴레이와 배선이 모두 정상이라면 일반 릴레이와 세이프티 릴레이 모두 비상정지 신호에 따라 마그네트를 차단할 수 있습니다.

차이는 접점 용착이나 배선 이상이 발생했을 때 나타납니다.

예를 들어 일반 릴레이의 출력 접점이 용착된 상태라면 비상정지 버튼을 눌러 코일 전원을 차단해도 접점이 떨어지지 않을 수 있습니다.

작업자는 비상정지 버튼을 눌렀기 때문에 설비가 멈췄다고 판단하지만, 실제로는 접촉기 코일이나 밸브에 전원이 남아 있을 수 있습니다.

보조접점의 상태만 확인하는 방식에도 한계가 있습니다.

일반 릴레이는 주접점과 보조접점의 동작 관계가 안전 감시용으로 보장되지 않는 제품이 많습니다. 보조접점은 복귀했지만 주접점은 용착된 상태가 될 가능성을 안전회로 설계에서 배제하기 어렵습니다.

세이프티 릴레이를 사용하는 이유는 정지 속도를 빠르게 만들기 위해서가 아닙니다.

고장을 감지하고, 이상 상태가 해소되기 전까지 다음 운전을 허용하지 않기 위해서입니다.

현장에서 흔한 점퍼 오류

세이프티 릴레이 출력이 나오지 않을 때 입력 단자나 리셋 단자를 점퍼하면 출력이 살아나는 경우가 있습니다.

이때 릴레이가 정상으로 돌아왔다고 판단하기 쉽지만, 실제로는 고장 감시 기능을 우회한 것일 수 있습니다.

예를 들어 안전문 스위치의 2채널 입력 중 한쪽 배선이 단선되면 세이프티 릴레이는 두 채널의 상태가 일치하지 않는 것으로 판단해 출력을 허용하지 않습니다.

이 상태에서 두 입력을 점퍼로 묶으면 겉으로는 두 채널이 모두 정상으로 보입니다.

그러나 이렇게 구성하면 다음 고장을 독립적으로 감시하기 어렵습니다.

한쪽 입력 배선 단선
안전스위치 한쪽 접점 고장
두 채널 사이의 단락
단자대 결선 오류

점퍼를 연결해 출력이 살아났다는 것은 원인이 해결됐다는 의미가 아닙니다.

어느 입력 조건이 만족되지 않았는지 확인해야 합니다.

두 안전입력 채널의 전압을 각각 측정합니다.
비상정지나 안전문 스위치를 동작시켜 두 채널이 각각 변하는지 확인합니다.
외부 접촉기 피드백 회로가 닫혀 있는지 확인합니다.
리셋 입력이 제품에서 요구하는 방식으로 동작하는지 확인합니다.
임시 점퍼를 제거한 상태에서 다시 시험합니다.

출력 LED만 확인해서는 안 됩니다.

모터, 서보, 공압, 유압 등 실제 위험 에너지가 차단되는지까지 확인해야 합니다.

일반 릴레이로 안전회로를 만들 수 있는가

일반 릴레이와 별도의 감시회로를 조합하면 2채널 입력, 이중 출력, 외부 접촉기 피드백과 같은 구조를 직접 구성할 수 있습니다.

기술적으로 불가능한 것은 아닙니다.

문제는 해당 회로가 요구되는 안전성능을 만족한다는 것을 설계자가 입증해야 한다는 점입니다.

일반 릴레이는 접점 간 강제 유도 관계가 보장되지 않는 경우가 많습니다. 따라서 내부 접점 용착을 신뢰성 있게 검출할 수 있는지는 사용 부품과 회로 구조를 기준으로 별도로 검토해야 합니다.

정상적으로 작동한다는 것만으로는 안전회로가 검증됐다고 볼 수 없습니다.

단선, 단락, 접점 용착, 전원 이상과 같은 예상 가능한 고장 상태에서도 의도한 안전상태로 전환되는지 확인해야 합니다.

안전회로 설계에 적용되는 주요 규격

기계의 안전 관련 제어시스템을 설계할 때는 대표적으로 ISO 13849 계열과 IEC 62061을 적용합니다.

ISO 13849-1

기계 제어시스템의 안전 관련 부분을 설계하고 통합하는 원칙을 다룹니다.

위험성 평가를 통해 요구 성능수준인 PLr을 결정하고 다음 요소를 바탕으로 달성 가능한 PL을 평가합니다.

회로 카테고리
부품 신뢰성
MTTFd
진단범위인 DC
공통원인고장 대책인 CCF

ISO 13849-2

설계된 안전기능을 분석과 시험으로 검증하는 절차를 다룹니다.

정상 상태의 동작시험뿐 아니라 예상 가능한 고장 조건에서도 의도한 안전상태가 유지되는지 검증해야 합니다.

IEC 62061

기계에 사용되는 안전 관련 전기·전자·프로그램식 제어시스템의 기능안전 요구사항을 다룹니다.

안전무결성수준인 SIL을 기준으로 안전기능을 설계하고 평가할 때 적용합니다.

직접 설계할 때 검토해야 하는 항목

일반 릴레이와 별도 감시회로로 안전기능을 직접 구성하면 다음 내용을 설계자가 검토해야 합니다.

사용 부품의 위험 고장률
릴레이 접점의 신뢰성
회로의 카테고리 구조
MTTFd와 DC
공통원인고장 대책
입력 배선 단선 시 동작
채널 간 단락 시 동작
출력 접점 용착 시 동작
전원 저하와 정전 후 복전 시 동작
고장 상태에서 재기동 가능 여부
고장 조건별 시험 결과
계산과 시험에 대한 문서화

직접 설계한 회로가 항상 별도의 제3자 인증 대상이 되는 것은 아닙니다.

그러나 제작사는 요구 성능을 충족한다는 계산 결과와 시험자료, 부품 선정 근거를 제시할 수 있어야 합니다.

발주 조건이나 수출 지역에 따라 제3자 검토나 별도의 인증자료가 요구될 수도 있습니다.

일반 릴레이의 부품 가격만 보면 비용을 줄일 수 있습니다.

하지만 설계, 고장 분석, 계산, 시험, 문서화와 심사 대응까지 포함하면 상용 세이프티 제품을 사용하는 것보다 총비용이 커질 수 있습니다.

상용 세이프티 릴레이를 사용하는 이유

상용 세이프티 릴레이를 사용하는 이유는 제품 이름에 세이프티가 붙어 있기 때문이 아닙니다.

해당 제품의 인증 범위와 안전 관련 데이터가 제공되기 때문입니다.

설계자는 제조사가 제공하는 다음 자료를 이용해 전체 안전기능을 계산하고 검증할 수 있습니다.

적용 가능한 안전 카테고리
달성 가능한 PL 또는 SIL 범위
PFHd 또는 관련 고장률 데이터
사용 가능한 입력 방식
안전출력 구성
리셋과 EDM 결선 조건
사용 제한과 부하 정격

상용 제품을 사용하더라도 전체 안전기능의 적합성이 자동으로 보장되는 것은 아닙니다.

다만 직접 만든 논리회로보다 설계와 검증에 필요한 근거 자료를 확보하기 쉽습니다.

강제 유도 접점의 역할

전기기계식 안전출력을 사용하는 제품에는 강제 유도 접점 구조가 적용되는 경우가 있습니다.

강제 유도 접점은 NO 접점과 NC 접점이 기계적으로 연동되는 구조입니다.

한쪽 접점이 용착되어 정상 위치로 돌아가지 못하면, 연동된 다른 접점도 정상 복귀한 것처럼 동작하지 않도록 구성됩니다.

이 구조를 감시회로에 이용하면 출력 접점이 정상 위치로 복귀했는지 확인할 수 있습니다.

접점 용착이 감지되면 다음 리셋과 재기동을 제한할 수 있습니다.

일반 릴레이는 이러한 접점 간 동작 관계가 안전 감시용으로 보장되지 않는 경우가 많습니다.

따라서 일반 보조접점 하나만으로 주접점의 정상 복귀 상태를 판단하는 것은 적절하지 않을 수 있습니다.

외부 접촉기 피드백과 EDM

세이프티 릴레이의 내부 출력이 정상적으로 꺼져도 외부 접촉기의 주접점이 용착되면 위험 에너지가 계속 공급될 수 있습니다.

이 상태를 감시하기 위해 접촉기의 미러 접점이나 제조사가 감시용으로 지정한 보조접점을 세이프티 릴레이의 피드백 회로에 연결합니다.

접촉기가 정상적으로 복귀하면 피드백 접점이 리셋 조건을 만족합니다.

접촉기가 용착되어 복귀하지 않으면 피드백 회로가 정상 상태가 되지 않으므로 세이프티 릴레이는 다음 출력을 허용하지 않습니다.

이 기능을 외부 장치 감시인 EDM이라고 합니다.

EDM은 용착된 접점을 물리적으로 분리하는 기능이 아닙니다.

외부 장치가 정상적으로 복귀하지 않았다는 것을 확인하고 재기동을 막는 기능입니다.

현재 발생한 고장 상태에서도 위험 에너지를 제거해야 한다면 위험성 평가 결과에 따라 다음과 같은 이중 차단 구조를 검토해야 합니다.

접촉기 2개를 직렬로 구성
드라이브 STO 2채널 사용
안전밸브 이중화
별도의 기계적 차단 구조 적용

세이프티 릴레이를 사용해도 위험한 구성

세이프티 릴레이를 설치했다고 해서 설비 전체가 자동으로 안전해지는 것은 아닙니다.

다음과 같이 구성하면 필요한 안전성능을 확보하기 어렵습니다.

비상정지 버튼을 1채널로만 연결
2채널 입력을 단자대에서 점퍼로 묶음
두 채널을 같은 케이블이나 단자에서 부적절하게 공통 처리
리셋 입력을 상시 ON으로 고정
외부 접촉기 피드백 생략
안전출력을 일반 PLC 입력에만 전달
일반 PLC 출력만으로 위험원을 정지
실제 위험 에너지를 차단하지 않음
안전출력 접점 정격을 초과한 부하를 직접 연결
정지시간과 안전거리를 검토하지 않음

특히 세이프티 릴레이의 출력을 일반 PLC 입력으로만 받아 프로그램에서 모터나 밸브를 정지시키는 방식은 안전 차단 경로로 보기 어렵습니다.

안전출력은 안전 접촉기, 안전밸브 또는 드라이브 제조사가 지정한 STO 회로와 연결해 위험 에너지를 직접 차단해야 합니다.

또한 안전문이나 라이트커튼을 설치했더라도 위험원이 정지되기 전에 작업자가 위험구역에 도달할 수 있다면 충분하지 않습니다.

설비 정지시간과 작업자의 접근속도를 기준으로 안전거리를 검토해야 합니다.

설비 출하 전 점검 항목

설비 출하 전에는 정상 동작시험과 함께 예상 가능한 고장 조건을 모의해야 합니다.

위험성 평가를 수행했는가
필요한 안전기능을 정의했는가
요구되는 PL 또는 SIL을 확인했는가
적용 제품이 요구 성능에 적합한가
두 입력 채널이 독립적으로 동작하는가
한쪽 채널 단선 시 출력이 차단되는가
채널 간 단락을 검출할 수 있는가
리셋 방식이 설비 위험성에 적합한가
외부 접촉기 피드백이 연결됐는가
접촉기 용착 상태에서 재기동이 제한되는가
안전출력이 실제 위험 에너지를 차단하는가
정전 후 복전 시 자동으로 재기동되지 않는가
시험 결과와 설계 근거를 문서로 남겼는가

시험할 때는 세이프티 릴레이의 표시 LED만 확인해서는 안 됩니다.

마그네트 주접점, 드라이브 STO 상태, 공압 잔압과 실제 구동부의 정지 상태까지 확인해야 합니다.

결론

안전규정이 모든 설비에 특정 제조사의 세이프티 릴레이만 사용하도록 요구하는 것은 아닙니다.

요구되는 안전기능과 성능수준을 만족한다면 다음과 같은 방식을 적용할 수 있습니다.

상용 세이프티 릴레이
세이프티 컨트롤러
세이프티 PLC
안전인증된 드라이브 기능
검증된 별도 안전회로

일반 릴레이와 감시회로를 조합해 안전회로를 직접 구성하는 것도 기술적으로 가능합니다.

그러나 직접 설계한 회로는 부품 신뢰성, 회로 구조, 진단범위, 공통원인고장 대책과 고장 조건별 동작을 설계자가 분석하고 검증해야 합니다.

상용 세이프티 릴레이는 모든 위험을 해결하는 만능 장치가 아닙니다.

제품의 인증자료와 안전 관련 데이터를 이용해 요구 성능을 보다 현실적으로 설계하고 검증하기 위한 장치입니다.

결국 중요한 것은 제품명이 아니라 전체 안전기능입니다.

위험성 평가를 기준으로 입력장치, 안전논리, 출력장치와 실제 위험 에너지 차단 구조가 요구 성능수준을 만족하는지 확인해야 합니다.

접점 용착, 배선 단선, 채널 간 단락과 같은 고장 조건에서도 위험한 동작이 차단되고 고장이 해소되기 전까지 재기동되지 않는지 시험과 분석으로 검증해야 합니다.