위험을 통제하고 불확실성 속에서도 기능을 유지하는 설계
Risk Control & Robustness는 제품이나 설비에서 발생할 수 있는 위험을 체계적으로 식별하고 감소시키는 동시에, 제조 편차, 사용환경 변화, 부품 열화, 외란 및 예측
하지 못한 조건에서도 요구 기능과 성능을 안정적으로 유지하도록 설계하는 영역이다.
Risk Control — 위험 통제 또는 위험 저감
Robustness — 강건성
Robust Design — 강건 설계
Risk Control & Robustness — 위험 통제 및 강건성 설계
Risk Control은 사고, 부상, 장비 파손, 품질 불량, 오염 및 생산손실과 같은 바람직하지 않은 결과가 발생할 가능성과 영향을 줄이는 활동이다.
Robustness는 입력조건, 부품 특성, 공정편차 및 사용환경이 변하더라도 제품이 요구 기능을 안정적으로 수행하는 능력이다.
두 개념은 서로 밀접하게 연결되어 있다.
위험을 줄이기 위해 안전장치를 설치하더라도, 해당 안전장치가 온도, 진동, 오염 또는 부품 편차에 민감하다면 실제 운전에서는 안정적인 위험 통제가 이루어지지 않을
수 있다.
반대로 제품이 성능 변화에 강하더라도 위험한 고장모드에 대한 보호수단이 없다면 안전한 설계라고 할 수 없다.
Risk Control & Robustness는 다음 질문에서 시작한다.
어떤 위험요인이 존재하는가?
위험은 어떤 조건에서 발생하는가?
고장이 발생하면 어떤 결과로 이어지는가?
위험 발생 가능성과 피해 정도는 어느 수준인가?
위험을 설계 자체에서 제거할 수 있는가?
보호장치가 고장나거나 우회될 가능성은 없는가?
제조편차가 기능과 안전에 영향을 주는가?
온도, 습도, 진동 및 오염이 성능에 영향을 주는가?
부품이 마모되거나 열화되어도 기능이 유지되는가?
한 개의 부품 고장이 전체 시스템의 위험한 상태로 이어지는가?
예상하지 못한 사용조건에서 시스템이 어떻게 반응하는가?
제어 파라미터나 센서값이 변해도 안정적인가?
사용자의 오조작이나 잘못된 설정을 어느 정도 견딜 수 있는가?
고장 발생 전 이상상태를 감지할 수 있는가?
위험 통제수단이 제품의 전체 수명 동안 유지되는가?
Risk Control & Robustness의 주요 검토 요소는 다음과 같이 정리할 수 있다.
Hazard Identification — 위험요인 식별
Risk Estimation — 위험 추정
Risk Evaluation — 위험 평가
Inherently Safe Design — 본질적 안전설계
Safeguarding — 보호수단
Information and Procedures — 정보 및 절차
Structural Robustness — 구조적 강건성
Functional Robustness — 기능적 강건성
Control Robustness — 제어 강건성
Environmental Robustness — 환경 강건성
Manufacturing Robustness — 제조 강건성
Tolerance and Margin — 공차와 여유도
Fault Tolerance — 고장 허용성
Diagnostics and Monitoring — 진단과 상태감시
Verification and Validation — 검증과 확인
Risk Control의 기본 개념
Risk Control은 위험요인을 완전히 제거하거나, 제거할 수 없는 위험을 허용 가능한 수준으로 줄이는 과정이다.
위험은 일반적으로 다음 요소의 조합으로 이해할 수 있다.
위험 = 피해의 심각도 × 발생 가능성
필요한 경우 노출빈도를 포함하여 다음과 같이 평가할 수 있다.
위험 = 피해의 심각도 × 위험 노출빈도 × 사고 발생 가능성
여기서 중요한 것은 수식 자체보다 위험을 구성하는 요소를 구분하여 평가하는 것이다.
사고가 발생하면 피해가 얼마나 심각한가?
작업자가 위험에 얼마나 자주 노출되는가?
위험상황이 발생할 가능성은 어느 정도인가?
위험상황이 실제 사고로 이어질 가능성은 어느 정도인가?
위험을 피하거나 회피할 수 있는가?
Risk Control은 단순히 경고라벨을 부착하거나 보호커버를 추가하는 활동이 아니다.
가장 우선해야 하는 것은 위험을 만드는 구조와 에너지 자체를 제거하거나 줄이는 것이다.
Robustness의 기본 개념
Robustness는 설계가 다양한 변동과 불확실성에도 불구하고 요구 기능을 유지하는 능력이다.
제품이 설계조건에서 정상적으로 작동하는 것만으로는 충분하지 않다.
실제 제품에는 다음과 같은 변동이 존재한다.
재료 특성의 편차
가공치수의 편차
조립오차
센서 편차
전원 변동
온도 변화
습도 변화
마찰계수 변화
윤활상태 변화
부품 마모
작업자 사용방식 차이
원료와 제품 특성 차이
외부 충격과 진동
유지보수 상태 차이
강건한 설계는 이러한 변화가 발생해도 출력성능이 크게 변하지 않도록 구성된다.
강건성은 다음과 같은 관계로 이해할 수 있다.
입력과 환경의 변화가 커도 출력과 기능의 변화는 작아야 한다.
즉 좋은 강건 설계는 모든 변동을 제거하는 것이 아니라, 피할 수 없는 변동이 제품 기능에 미치는 영향을 줄이는 것이다.
Risk Control과 Robustness의 차이
Risk Control과 Robustness는 목적과 평가방법에서 차이가 있다.
Risk Control
Risk Control의 주요 목적은 다음과 같다.
부상 방지
위험한 에너지의 통제
장비 파손 방지
화재와 폭발 방지
식품 또는 제품 오염 방지
환경 피해 방지
생산손실 방지
주요 질문은 다음과 같다.
무엇이 위험한가?
사고는 어떻게 발생하는가?
피해를 어떻게 제거하거나 줄일 수 있는가?
Robustness
Robustness의 주요 목적은 다음과 같다.
성능편차 감소
기능 안정성 확보
환경변화 대응
제조편차 흡수
품질 일관성 확보
고장 발생 가능성 감소
장기 사용성 확보
주요 질문은 다음과 같다.
어떤 변수가 성능을 흔드는가?
민감한 설계변수는 무엇인가?
변화가 발생해도 기능을 유지할 수 있는가?
Risk Control은 피해를 줄이는 데 중점을 두고, Robustness는 변동에 대한 기능 안정성을 높이는 데 중점을 둔다.
그러나 강건성이 낮으면 위험 통제수단도 불안정해질 수 있으므로, 실제 설계에서는 두 개념을 함께 검토해야 한다.
위험의 주요 유형
제품과 설비의 위험은 다양한 형태로 나타난다.
기계적 위험
대표적인 기계적 위험은 다음과 같다.
절단
끼임
압착
전단
말림
충돌
찔림
낙하
비산
회전체 접촉
갑작스러운 이동
저장에너지 방출
기계적 위험은 회전체, 직선운동부, 구동부, 칼날, 벨트, 체인, 기어 및 실린더 주변에서 주로 발생한다.
전기적 위험
주요 전기적 위험은 다음과 같다.
감전
누전
단락
과전류
과열
아크
절연 파괴
접지 불량
예기치 않은 재기동
열적 위험
열적 위험에는 다음이 포함된다.
고온 표면
저온 화상
증기
뜨거운 유체
과열된 베어링
화재
열분해 가스
압력과 유체 위험
공압, 유압, 진공 및 유체시스템에서는 다음 위험이 발생할 수 있다.
호스 파열
잔압 방출
고압유체 분사
진공용기 파손
실린더의 갑작스러운 이동
밸브 오작동
누설
소음과 진동 위험
높은 소음과 진동은 다음 문제를 일으킬 수 있다.
청력 손상
피로 증가
체결부 풀림
구조 피로
센서 오작동
정밀도 저하
화학적 위험
화학물질과 관련된 위험은 다음과 같다.
세척제 노출
윤활유 누설
냉매 누출
용제 증기
부식성 물질
유해 분진
재료 분해물
위생과 오염 위험
식품, 의약품 및 화장품 설비에서는 다음 위험이 중요하다.
미생물 오염
금속 이물
플라스틱 파편
윤활유 혼입
세척제 잔류
부식생성물
교차오염
세척되지 않는 사각지대
기능 및 제어 위험
제어시스템에서는 다음과 같은 위험이 발생할 수 있다.
센서 오류
잘못된 제어출력
통신 단절
프로그램 오류
비정상적인 자동 재기동
모드 전환 오류
설정값 입력 오류
안전신호와 일반신호의 혼동
위험 통제의 기본 절차
Risk Control은 일반적으로 다음과 같은 순서로 수행한다.
시스템과 사용범위를 정의한다.
위험요인을 식별한다.
위험상황과 사고 시나리오를 작성한다.
피해의 심각도와 발생 가능성을 추정한다.
위험 수준을 평가한다.
위험 저감수단을 선정한다.
잔류위험을 다시 평가한다.
위험 통제수단을 검증한다.
사용 중 발생하는 새로운 위험을 감시한다.
설계변경 시 위험평가를 갱신한다.
위험평가는 일회성 문서작업이 아니다.
설계, 시제품, 생산, 설치, 운전 및 유지보수 단계에서 반복적으로 갱신해야 한다.
시스템 범위와 사용조건 정의
위험을 평가하기 전에 제품이 어떤 범위에서 사용되는지 정의해야 한다.
의도된 사용
의도된 사용에는 다음 내용을 포함한다.
제품의 기능
처리 대상
정상 운전조건
사용 장소
작업자 유형
생산량
운전시간
세척방법
유지보수 방식
합리적으로 예상 가능한 오사용
실제 사용자는 설계자가 기대한 방식으로만 제품을 사용하지 않는다.
다음과 같은 오사용을 고려해야 한다.
안전커버를 열고 운전
센서 우회
과대 제품 투입
부적합한 재료 투입
잘못된 설정값 입력
정격을 초과한 운전
비표준 공구 사용
정비 중 전원 재투입
세척 후 잘못된 재조립
모든 비정상 사용을 예측할 수는 없지만, 반복적으로 발생할 가능성이 높은 오사용은 설계에 반영해야 한다.
제품 수명주기
위험은 정상 운전 중에만 발생하지 않는다.
다음 단계를 모두 검토해야 한다.
운송
반입
설치
시운전
정상 운전
세팅
제품 전환
청소
점검
고장수리
부품 교체
해체
폐기
Hazard Identification — 위험요인 식별
위험요인 식별은 위험 통제의 출발점이다.
위험요인을 놓치면 이후 위험평가와 보호대책도 불완전해진다.
기능별 검토
각 기능별로 다음을 검토한다.
에너지원
움직이는 부품
절단 또는 압착 요소
고온과 저온
압력
전기
유해물질
작업자 접근
고장 시 상태
상태별 검토
제품의 상태를 구분하여 위험을 확인한다.
정지상태
시작상태
정상운전
감속
정지
비상정지
정비모드
고장상태
전원복구
통신단절
인터페이스별 검토
부품이나 시스템 사이의 인터페이스는 위험이 발생하기 쉬운 영역이다.
기계와 작업자
기계와 제품
모터와 구동계
센서와 제어기
기계와 전기
기계와 공압
장비와 상위시스템
장비와 주변설비
변화상태 검토
다음과 같은 변화시점에서 위험이 증가할 수 있다.
모드 전환
제품 전환
속도 변경
전원 복구
압력 재공급
커버 개방
수동과 자동 전환
공정 시작과 종료
Risk Estimation — 위험 추정
위험 추정은 식별된 위험이 어느 정도 중요한지를 판단하는 과정이다.
피해의 심각도
피해의 심각도는 다음과 같이 구분할 수 있다.
경미한 부상
치료가 필요한 부상
영구 장애
중대한 부상
사망
설비 파손
대규모 생산손실
제품 회수
환경 피해
노출빈도
위험에 얼마나 자주 노출되는지 평가한다.
연 1회 이하
월 1회
주 1회
일 1회
반복적 또는 지속적 노출
발생 가능성
위험상황이 실제로 발생할 가능성을 평가한다.
거의 불가능
낮음
가능
높음
빈번함
회피 가능성
위험상황이 발생했을 때 작업자가 피해를 피할 수 있는지도 고려한다.
충분히 인지하고 회피 가능
부분적으로 회피 가능
빠르게 발생하여 회피 곤란
위험을 인지할 수 없음
Risk Evaluation — 위험 평가
위험 평가는 추정된 위험이 허용 가능한지, 추가 저감이 필요한지를 판단하는 과정이다.
위험평가에서는 다음 질문을 검토한다.
법적 또는 산업적 요구를 만족하는가?
유사제품과 비교하여 적절한 수준인가?
위험을 더 줄일 수 있는 기술적 방법이 있는가?
위험 저감비용이 과도하지 않은가?
위험 저감으로 새로운 위험이 발생하지 않는가?
작업자가 잔류위험을 이해할 수 있는가?
위험 통제수단이 제품 수명 동안 유지되는가?
낮은 발생 가능성만을 이유로 중대한 피해를 허용해서는 안 된다.
특히 사망이나 중대한 부상으로 이어질 수 있는 위험은 발생 가능성이 낮더라도 본질적 안전설계와 다중 보호수단을 검토해야 한다.
위험 통제 우선순위
위험 통제는 일반적으로 다음 순서를 따른다.
위험 제거
위험한 에너지와 성능의 감소
본질적 안전설계
보호장치와 안전기능
경고와 정보
작업절차와 교육
개인보호구
상위 수준의 통제수단일수록 작업자의 행동에 덜 의존한다.
예를 들어 날카로운 칼날의 위험을 경고문으로만 통제하는 것보다, 칼날에 접근할 수 없는 구조를 적용하는 것이 더 강한 위험 통제다.
Inherently Safe Design — 본질적 안전설계
본질적 안전설계는 위험을 보호장치로 덮기 전에 설계 자체에서 제거하거나 줄이는 방법이다.
위험한 에너지 감소
다음 요소를 줄일 수 있다.
속도
힘
토크
압력
온도
전압
저장에너지
이동거리
기능에 필요한 수준을 초과하는 에너지는 위험과 손상을 증가시킬 수 있다.
위험한 형상 제거
다음과 같은 형상을 줄인다.
날카로운 모서리
노출된 회전체
좁은 끼임점
전단점
돌출부
걸림구조
예기치 않은 낙하경로
안전한 배치
위험부를 작업자의 접근영역에서 멀리 배치할 수 있다.
구동부 내부 배치
위험한 배관의 분리
고온부 차폐
전장부와 세척부 분리
작업영역과 정비영역 분리
안정된 정지상태
전원 또는 압력이 제거되었을 때 시스템이 안전한 상태로 이동하도록 설계한다.
예를 들면 다음과 같다.
중력으로 닫히는 밸브
무전원 상태에서 작동하는 브레이크
압력 상실 시 정지하는 액추에이터
전원복구 후 자동 재시작 방지
Safeguarding — 보호수단
본질적으로 제거할 수 없는 위험에는 보호장치와 안전기능을 적용한다.
고정식 보호장치
고정식 보호장치는 공구 없이는 제거하기 어렵고, 운전 중 위험부 접근을 차단한다.
주요 적용대상은 다음과 같다.
벨트
체인
기어
회전축
팬
커플링
고온부
가동식 보호장치
가동식 보호장치는 점검, 세척 또는 제품 투입을 위해 열 수 있는 구조다.
다음 요소를 검토해야 한다.
힌지
잠금장치
개방방향
인터록
개방상태 유지
재폐쇄 확인
인터록
인터록은 보호커버가 열리거나 비정상 상태가 감지되면 위험동작을 차단한다.
인터록 설계에서는 다음을 고려해야 한다.
센서 단선
접점 용착
정렬 불량
우회 가능성
진동
오염
세척수
재시작 조건
고장 진단
비상정지
비상정지는 위험상황에서 빠르게 장비를 정지시키기 위한 수단이다.
그러나 비상정지는 본질적 위험 제거를 대신할 수 없다.
비상정지는 다음 조건을 만족해야 한다.
쉽게 식별할 수 있다.
작업자가 신속하게 접근할 수 있다.
작동상태가 유지된다.
수동으로 해제해야 한다.
해제만으로 자동 재시작하지 않는다.
정지 후 잔류위험을 관리한다.
제한속도와 제한운전
정비와 설정 작업에서는 제한속도와 제한에너지를 적용할 수 있다.
저속운전
인칭운전
홀드 투 런
특정 축만 동작
제한된 토크
안전감시 속도
Information and Procedures — 정보 및 절차
설계와 보호장치로 제거하지 못한 잔류위험은 사용자에게 명확하게 전달해야 한다.
경고표시
경고표시는 다음을 포함할 수 있다.
위험의 종류
위험이 발생하는 위치
예상 결과
피해야 할 행동
필요한 보호조치
사용설명서
사용설명서에는 다음 내용이 필요하다.
정상운전 방법
금지된 사용
안전한 세팅
세척방법
정비방법
에너지 차단방법
잔류위험
점검주기
교체부품
이상상태 대응
작업자 교육
교육은 설계상 위험 통제를 보완할 수 있지만, 교육만으로 구조적 위험을 대신해서는 안 된다.
Structural Robustness — 구조적 강건성
구조적 강건성은 하중, 충격, 진동, 피로 및 제작편차가 변해도 구조가 요구 기능을 유지하는 능력이다.
하중 변동
실제 하중은 일정하지 않다.
다음과 같은 하중 변동을 고려해야 한다.
제품중량 변화
충격하중
편심하중
급가속과 급정지
걸림
작업자 하중
운반 중 충격
조립오차로 인한 추가하중
안전계수
안전계수는 불확실성을 흡수하기 위한 기본 수단이다.
안전계수 = 재료 또는 구조의 허용능력 ÷ 실제 요구하중
그러나 높은 안전계수만으로 강건성이 확보되는 것은 아니다.
다음 요소를 함께 검토해야 한다.
하중경로
응력집중
피로
용접품질
부식
열화
좌굴
체결부 풀림
하중경로
하중이 어떤 경로를 통해 지지구조로 전달되는지 명확해야 한다.
불명확한 하중경로는 특정 부품에 예상하지 못한 하중을 집중시킨다.
국부 응력집중
다음 부위는 응력집중이 발생하기 쉽다.
급격한 단면변화
작은 코너 반경
키홈
나사산
용접 끝단
구멍 주변
체결부
강건한 구조는 응력의 국부 집중을 줄이고 하중을 넓게 분산한다.
Functional Robustness — 기능적 강건성
기능적 강건성은 사용조건과 부품상태가 변해도 제품의 핵심 기능이 안정적으로 유지되는 능력이다.
예를 들어 절단장비에서는 다음과 같은 조건이 변할 수 있다.
제품 온도
제품 강도
수분함량
제품크기
투입위치
칼날 마모
이송속도
마찰계수
기능적 강건성을 높이기 위해서는 다음을 검토해야 한다.
기능범위를 명확하게 정의한다.
민감한 입력변수를 식별한다.
허용범위 내에서 성능을 확인한다.
자동 보정기능을 적용한다.
조정범위를 제한한다.
고장 또는 한계조건에서 안전하게 정지한다.
Control Robustness — 제어 강건성
제어 강건성은 센서오차, 부하변화, 통신지연 및 모델 불확실성이 존재해도 제어시스템이 안정적으로 기능하는 능력이다.
센서 변동
센서값은 다음 요인에 의해 변할 수 있다.
온도
진동
노이즈
오염
설치위치
케이블 길이
전원 변동
장기 드리프트
센서값 하나에 시스템 전체를 과도하게 의존하면 강건성이 낮아질 수 있다.
신호 검증
다음 방법으로 센서오류를 줄일 수 있다.
범위검사
변화율검사
상호비교
중복센서
시간지연 확인
신호 불일치 진단
필터링
제어 파라미터 민감도
제어 파라미터가 조금만 변해도 시스템이 불안정해진다면 강건성이 낮다.
다음 요소를 검토해야 한다.
게인 변화
부하 관성 변화
마찰 변화
지연시간 변화
샘플링시간
속도와 가속도 범위
통신 이상
통신이 끊기거나 지연될 때 시스템이 어떤 상태가 되는지 정의해야 한다.
마지막 명령 유지
안전정지
제한운전
로컬제어 전환
고장코드 표시
위험한 동작에서는 불확실한 상태를 유지하는 것보다 정의된 안전상태로 전환하는 것이 바람직하다.
Environmental Robustness — 환경 강건성
환경 강건성은 제품이 온도, 습도, 물, 먼지, 진동 및 화학물질 변화에도 기능을 유지하는 능력이다.
온도
온도는 다음 요소에 영향을 준다.
재료강도
윤활점도
씰 탄성
센서 정확도
배터리 성능
전자부품 수명
열팽창
간극
습도와 물
습기와 세척수는 다음 문제를 일으킬 수 있다.
부식
절연저하
커넥터 접촉불량
센서 오작동
윤활유 유실
미생물 증식
진동과 충격
진동과 충격은 다음 문제를 유발할 수 있다.
체결부 풀림
배선 단선
센서 이동
용접부 피로
제어기 오작동
정밀도 저하
화학물질
세척제, 윤활유 및 공정물질이 재료에 미치는 영향을 검토해야 한다.
부식
팽윤
균열
경화
연화
코팅 박리
씰 열화
Manufacturing Robustness — 제조 강건성
제조 강건성은 재료, 가공, 조립 및 공급업체의 편차가 존재해도 제품 품질이 안정적으로 유지되는 능력이다.
치수편차
개별 부품이 허용공차 내에 있어도 조립공차 누적으로 기능이 저하될 수 있다.
따라서 다음을 검토해야 한다.
공차 누적
기준면 일관성
조립간극
위치결정 방식
조정범위
교환성
공정능력
설계공차가 공정능력보다 지나치게 엄격하면 불량과 재작업이 증가한다.
강건한 설계는 기능에 필요한 공차와 실제 공정능력의 균형을 맞춘다.
공급업체 편차
다른 공급업체의 동일 규격 부품이라도 실제 특성이 다를 수 있다.
검토 항목은 다음과 같다.
치수
재료
경도
표면조도
윤활
전기 특성
응답속도
수명
조립자 편차
작업자의 숙련도 차이가 제품성능에 큰 영향을 준다면 제조 강건성이 낮다.
다음 방법으로 편차를 줄일 수 있다.
위치결정 구조
표준 체결토크
조립지그
오조립 방지
자동검사
작업표준
Tolerance and Margin — 공차와 여유도
강건성 설계에서는 요구성능과 실제 능력 사이에 충분한 여유를 확보해야 한다.
성능여유
성능여유 = 시스템 능력 − 최대 요구조건
예를 들어 모터의 가용토크가 최대 요구토크와 거의 같다면 작은 마찰 증가나 전압저하만으로 기능을 상실할 수 있다.
치수여유
조립간극과 삽입공차는 가공편차, 코팅두께, 열팽창 및 오염을 고려해야 한다.
온도여유
부품의 허용온도와 예상운전온도 사이에 여유가 있어야 한다.
전기적 여유
다음 요소를 검토할 수 있다.
전류 여유
전압 여유
전력 여유
절연 여유
발열 여유
디레이팅
디레이팅은 부품을 최대 정격보다 낮은 조건에서 사용하는 방법이다.
다음과 같은 효과가 있다.
발열 감소
수명 증가
환경변화 대응
고장률 감소
그러나 과도한 디레이팅은 크기와 비용을 증가시킬 수 있으므로 합리적인 수준을 적용해야 한다.
Fault Tolerance — 고장 허용성
Fault Tolerance는 일부 부품이 고장나더라도 전체 시스템이 위험한 상태로 이동하지 않고, 제한된 기능을 유지하거나 안전하게 정지하는 능력이다.
Fail-Safe
Fail-Safe는 고장 시 안전한 상태로 전환되는 설계다.
예를 들면 다음과 같다.
전원 상실 시 브레이크 작동
압력 상실 시 밸브 닫힘
센서 단선 시 운전 금지
통신 단절 시 안전정지
Fail-Operational
Fail-Operational은 일부 고장이 발생해도 제한된 기능으로 계속 운전할 수 있는 설계다.
안전보다 연속운전이 중요한 시스템에서 적용할 수 있지만, 고장상태에서 추가 위험이 발생하지 않도록 해야 한다.
중복성
중복성은 동일하거나 대체 가능한 기능을 여러 경로로 제공하는 방법이다.
이중 센서
이중 전원
이중 통신
보조 브레이크
병렬 펌프
중복성은 신뢰성을 높일 수 있지만, 구조와 진단이 복잡해지고 공통원인 고장이 발생할 수 있다.
공통원인 고장
중복부품이 동일한 원인으로 동시에 고장날 수 있다.
예를 들면 다음과 같다.
동일 전원 사용
동일 소프트웨어 오류
동일 환경에 노출
동일 배선경로
동일 제조불량
중복성은 단순히 부품을 두 개 사용하는 것이 아니라 독립성을 확보해야 한다.
Diagnostics and Monitoring — 진단과 상태감시
강건한 시스템은 이상이 심각한 고장으로 발전하기 전에 상태를 감지할 수 있어야 한다.
상태감시 항목
온도
진동
전류
압력
유량
속도
위치
윤활상태
마모량
운전시간
반복횟수
경향분석
한계값 초과만 감지하는 것보다 변화추세를 감시하면 고장을 조기에 예측할 수 있다.
예를 들면 다음과 같다.
베어링 진동 증가
모터 전류 상승
사이클타임 증가
압력 저하
센서 오차 증가
세척시간 증가
진단 가능성
고장코드는 단순한 결과가 아니라 가능한 원인과 확인방법을 제공해야 한다.
열화 대응
부품이 완전히 고장나기 전에 다음 단계로 대응할 수 있다.
경고
성능제한
정비요청
안전정지
부품교체
위험과 강건성 분석 기법
FMEA
FMEA는 각 부품 또는 기능의 고장형태와 영향을 분석하는 방법이다.
주요 항목은 다음과 같다.
기능
고장형태
고장원인
고장영향
현재 통제수단
심각도
발생도
검출도
개선조치
FMEA는 부품 수준과 공정 수준에서 적용할 수 있다.
FTA
FTA는 최종 사고나 시스템 고장에서 시작하여 원인을 논리적으로 추적하는 방법이다.
예를 들면 다음과 같다.
칼날이 정지하지 않음
가드가 열린 상태에서 운전
제품 오염 발생
축 파손
과열
FTA는 여러 고장조합이 하나의 사고로 이어지는 구조를 이해하는 데 유용하다.
HAZOP
HAZOP은 공정변수와 의도에서 벗어난 상태를 체계적으로 검토하는 방법이다.
대표적인 검토항목은 다음과 같다.
유량 없음
유량 과다
압력 높음
온도 낮음
역방향
지연
잘못된 물질
What-If 분석
“What if?” 질문을 이용하여 비정상 상태를 검토한다.
센서가 고장나면 어떻게 되는가?
제품이 걸리면 어떻게 되는가?
작업자가 가드를 열면 어떻게 되는가?
전원이 복구되면 어떻게 되는가?
세척 후 커넥터가 젖어 있으면 어떻게 되는가?
Bow-Tie 분석
Bow-Tie 분석은 위험사건을 중심으로 원인, 예방수단, 결과 및 완화수단을 연결한다.
왼쪽: 사고 원인
중앙: 핵심 위험사건
오른쪽: 사고 결과
예방수단
완화수단
민감도 분석
민감도 분석은 설계변수가 변할 때 출력성능이 얼마나 변하는지를 확인한다.
민감도 = 출력 변화량 ÷ 입력 변화량
민감도가 높은 변수는 설계변경, 공차관리 또는 제어보정이 필요하다.
최악조건 분석
최악조건 분석은 각 변수가 가장 불리한 방향으로 조합되는 경우를 평가한다.
적용 예는 다음과 같다.
최대하중
최저전압
최대마찰
최대온도
최소재료강도
최대공차 누적
몬테카를로 분석
몬테카를로 분석은 입력변수의 분포를 이용하여 다양한 조합을 반복적으로 계산한다.
이를 통해 다음을 확인할 수 있다.
성능분포
불량확률
허용범위 이탈 가능성
민감변수
공차 최적화
실험계획법
실험계획법은 여러 설계변수와 환경변수의 영향을 체계적으로 평가한다.
주요 목적은 다음과 같다.
주요 영향인자 식별
변수 간 상호작용 확인
최적조건 선정
강건조건 선정
Verification and Validation — 검증과 확인
Risk Control & Robustness는 분석문서만으로 완성되지 않는다.
실제 시험을 통해 설계가 의도대로 작동하는지 확인해야 한다.
설계 검증
설계 검증은 설계결과가 요구사항을 만족하는지 확인한다.
계산
시뮬레이션
도면검토
코드검토
공차분석
회로검토
제품 확인
제품 확인은 실제 제품이 사용조건에서 요구기능을 수행하는지 확인한다.
기능시험
부하시험
내구시험
환경시험
충격시험
진동시험
세척시험
고장주입시험
오사용시험
경계조건 시험
정상조건뿐 아니라 한계조건을 시험해야 한다.
최대부하
최소부하
저온
고온
저전압
고습도
센서 편차
부품마모
제품변동
장시간 운전
고장주입 시험
의도적으로 고장을 발생시켜 시스템 반응을 확인할 수 있다.
센서 단선
통신 단절
압력 저하
모터 과부하
커버 개방
브레이크 이상
전원 복구
설계변경과 위험관리
설계변경은 기존 위험을 줄일 수도 있지만 새로운 위험을 만들 수 있다.
다음 변경 시 위험평가를 다시 수행해야 한다.
재료 변경
모터 용량 변경
제어로직 변경
센서 변경
커버 구조 변경
생산속도 증가
새로운 제품 투입
세척제 변경
부품 공급업체 변경
소프트웨어 업데이트
변경된 부분만 보는 것이 아니라 인접 시스템과 전체 기능에 미치는 영향을 검토해야 한다.
식품기계에서의 Risk Control & Robustness
식품기계에서는 작업자 안전과 제품 위생을 동시에 관리해야 한다.
칼날과 절단부 위험
주요 위험은 다음과 같다.
칼날 접촉
제품 걸림 제거 중 절단
칼날 교체 중 부상
고속 회전체 파손
칼날 파편 비산
위험 통제수단은 다음과 같다.
접근 방지 구조
인터록 커버
안전정지
전용 칼날 교체도구
칼날 보관케이스
정비모드
잔류회전 감지
제품 걸림
제품 걸림은 작업자가 위험부에 접근하게 만드는 주요 원인이다.
다음 항목을 검토해야 한다.
걸림 발생 가능성이 낮은 유로
자동 역전
토크 감지
걸림 경고
안전한 제거공간
에너지 차단
전용 제거도구
세척과 안전
세척 중에는 커버가 열리고 주요 부품이 분리되므로 정상운전과 다른 위험이 발생한다.
전원 차단
잔압 제거
칼날 보호
미끄럼 방지
세척제 노출
고온수
재조립 오류
위생 강건성
위생성도 환경과 사용편차에 대해 강건해야 한다.
다음 조건에서도 오염이 발생하지 않아야 한다.
반복 세척
세척제 농도 변화
물 온도 변화
가스켓 마모
조립 편차
제품 특성 변화
작업자 세척방식 차이
부식 강건성
스테인리스강이라도 염분, 염소계 세척제, 용접열영향부 및 틈새에서 부식이 발생할 수 있다.
따라서 재료선정뿐 아니라 다음을 함께 검토해야 한다.
표면조도
연속용접
배수
건조
세척제 적합성
틈새 최소화
부동태 처리
이물 위험
다음 부품이 제품영역으로 떨어질 가능성을 줄여야 한다.
볼트
와셔
스프링
플라스틱 조각
씰 조각
전선 조각
코팅 조각
캡티브 패스너, 금속검출 가능한 부품 및 단순한 구조를 적용할 수 있다.
Risk Control & Robustness 평가 절차
시스템 정의
다음 항목을 정의한다.
주요 기능
사용자
운전환경
처리제품
에너지원
정상사용
예상 가능한 오사용
제품 수명
위험요인 목록 작성
기계, 전기, 제어, 열, 압력, 화학, 위생 및 인체공학 위험을 식별한다.
위험 시나리오 작성
각 위험에 대해 다음 연결관계를 작성한다.
원인 → 위험상황 → 사고 → 피해
위험수준 평가
심각도, 노출빈도, 발생 가능성 및 회피 가능성을 평가한다.
위험 저감수단 선정
다음 순서로 적용한다.
위험 제거
에너지 감소
본질적 안전설계
보호장치
감시와 진단
경고와 절차
교육과 보호구
변동요인 식별
제품성능에 영향을 주는 변수를 구분한다.
설계변수
제조편차
환경변수
사용변수
열화변수
공급망 변수
민감도 분석
성능에 큰 영향을 주는 변수를 찾는다.
강건성 대책 수립
공차 조정
여유도 확보
민감도 감소
자동보정
부품 표준화
환경차폐
진단기능
고장 허용구조
시험계획 작성
정상조건, 한계조건, 고장조건 및 수명조건을 포함한다.
잔류위험 평가
모든 개선 후 남아 있는 위험을 다시 평가한다.
문서화
다음 자료를 작성한다.
위험평가서
FMEA
안전기능 목록
강건성 분석
시험결과
잔류위험 목록
사용설명서
변경이력
주요 실패 유형
Risk Control & Robustness가 충분히 검토되지 않으면 다음 문제가 발생할 수 있다.
위험요인 누락
정상운전만 검토하고 세척, 정비, 전원복구 및 오사용 조건을 놓친다.
경고에 과도하게 의존
구조적으로 제거할 수 있는 위험을 경고문과 교육만으로 통제한다.
단일 고장 의존
한 개의 센서나 릴레이 고장으로 위험한 동작이 가능해진다.
안전장치 우회
운전 편의를 위해 인터록이나 센서가 쉽게 우회된다.
공통원인 고장
중복장치가 동일한 전원, 소프트웨어 또는 환경요인으로 동시에 고장난다.
낮은 설계여유
정상조건에서는 작동하지만 작은 부하증가나 마찰변화로 기능을 상실한다.
공차 누적
개별 부품은 허용범위에 있지만 조립체 성능은 기준에서 벗어난다.
환경 민감성
온도, 습도, 세척수 또는 진동으로 센서와 제어가 불안정해진다.
열화 미반영
새 제품에서는 정상이나 마모, 부식, 씰 경화 및 윤활저하 후 위험이 증가한다.
고장 진단 부족
고장 위치를 찾는 데 시간이 오래 걸리고 불필요한 부품을 교체한다.
안전계수의 오용
안전계수만 높이고 피로, 충격, 응력집중 및 고장모드를 검토하지 않는다.
보호장치로 인한 새로운 위험
추가한 커버나 인터록이 청소 불량, 끼임 또는 작업자 우회를 유발한다.
Risk Control & Robustness 검토 체크리스트
System Definition
제품의 기능과 사용범위가 명확한가?
정상사용과 예상 가능한 오사용이 정의되어 있는가?
설치, 운전, 세척, 정비 및 폐기 단계가 포함되어 있는가?
사용자와 작업환경이 정의되어 있는가?
Hazard Identification
기계적 위험이 식별되어 있는가?
전기, 열, 압력 및 화학 위험이 검토되어 있는가?
위생과 오염 위험이 포함되어 있는가?
제어오류와 통신이상이 검토되어 있는가?
정비와 세척 중 위험이 포함되어 있는가?
Risk Estimation
피해의 심각도가 평가되어 있는가?
노출빈도가 반영되어 있는가?
위험상황 발생 가능성이 평가되어 있는가?
작업자의 회피 가능성이 검토되어 있는가?
중대한 위험이 단순한 낮은 확률로만 허용되지 않는가?
Inherently Safe Design
위험을 구조적으로 제거할 수 있는가?
속도, 힘, 압력 및 온도를 줄일 수 있는가?
위험한 형상과 끼임점을 제거했는가?
전원과 압력 상실 시 안전한 상태가 되는가?
자동 재시작이 방지되어 있는가?
Safeguarding
고정식 및 가동식 보호장치가 적절한가?
인터록의 고장모드가 검토되어 있는가?
안전센서를 쉽게 우회할 수 없는가?
비상정지 위치와 기능이 적절한가?
보호장치가 새로운 위험을 만들지 않는가?
Structural Robustness
최대하중과 충격하중이 검토되어 있는가?
피로와 응력집중이 평가되어 있는가?
하중경로가 명확한가?
용접, 체결 및 지지구조가 강건한가?
부식과 열화 후에도 충분한 여유가 있는가?
Functional Robustness
제품과 원료 특성의 변동이 고려되어 있는가?
마찰, 마모 및 윤활변화가 반영되어 있는가?
성능 한계가 명확하게 정의되어 있는가?
성능변화가 위험상태로 이어지지 않는가?
자동보정 또는 제한기능이 필요한가?
Control Robustness
센서 편차와 고장이 검토되어 있는가?
신호범위와 변화율 검사가 있는가?
통신단절 시 상태가 정의되어 있는가?
제어 파라미터가 부하변화에 민감하지 않은가?
전원복구 시 안전하게 재시작되는가?
Environmental Robustness
사용온도 범위가 정의되어 있는가?
습기, 세척수 및 먼지에 대한 보호가 있는가?
진동과 충격에 견딜 수 있는가?
세척제와 재료가 적합한가?
결로와 부식이 검토되어 있는가?
Manufacturing Robustness
공차 누적이 검토되어 있는가?
설계공차가 공정능력과 일치하는가?
공급업체 편차가 기능에 영향을 주지 않는가?
조립자 숙련도 의존성이 낮은가?
교환성과 반복 위치정밀도가 확보되어 있는가?
Margin and Derating
구조와 구동계에 충분한 여유가 있는가?
모터와 전원 용량이 최대조건을 만족하는가?
온도와 전류에 디레이팅이 적용되어 있는가?
간극이 오염과 열팽창을 고려하는가?
과도한 여유로 비용과 크기가 불필요하게 증가하지 않는가?
Fault Tolerance
단일 고장이 위험한 상태로 이어지는가?
고장 시 안전한 상태가 정의되어 있는가?
중복장치의 독립성이 확보되어 있는가?
공통원인 고장이 검토되어 있는가?
고장상태를 진단할 수 있는가?
Diagnostics
주요 상태를 감시할 수 있는가?
고장코드가 원인과 대응방법을 제공하는가?
열화 추세를 확인할 수 있는가?
예방정비 시점을 판단할 수 있는가?
테스트 포인트가 안전하게 제공되는가?
Verification and Validation
분석결과가 시험으로 검증되었는가?
최대·최소 조건이 시험되었는가?
고장주입시험이 수행되었는가?
반복수명과 환경시험이 수행되었는가?
설계변경 후 위험평가와 시험이 갱신되었는가?
Documentation
위험평가와 FMEA가 최신상태인가?
위험 통제수단과 검증결과가 기록되어 있는가?
잔류위험이 사용자에게 전달되는가?
안전관련 설정과 소프트웨어 버전이 관리되는가?
설계변경 이력을 추적할 수 있는가?
결론
Risk Control & Robustness는 사고를 방지하기 위한 안전장치 설계와 제품을 튼튼하게 만드는 구조설계만을 의미하지 않는다.
제품과 설비에서 발생할 수 있는 위험을 체계적으로 식별하고, 위험을 가능한 한 설계 자체에서 제거하며, 제거할 수 없는 위험에는 신뢰성 있는 보호수단을 적용하는 동
시에 제조편차, 환경변화, 부품열화, 외란 및 사용조건 변화에서도 기능을 안정적으로 유지하도록 하는 종합적인 설계활동이다.
위험 통제와 강건성이 우수한 설계는 다음 조건을 만족해야 한다.
제품의 모든 수명주기 단계에서 위험이 식별되어 있다.
정상사용뿐 아니라 예상 가능한 오사용이 검토되어 있다.
위험한 에너지와 구조가 가능한 한 설계 자체에서 제거되어 있다.
보호장치와 안전기능이 고장과 환경변화에도 안정적으로 작동한다.
단일 고장이 즉시 위험한 상태로 이어지지 않는다.
제조편차와 조립오차를 흡수할 수 있다.
온도, 습도, 진동 및 오염 변화에도 기능을 유지한다.
마모, 부식 및 장기열화 후에도 필요한 성능여유가 남아 있다.
제어시스템이 센서편차, 부하변화 및 통신이상에 강하다.
주요 고장과 열화상태를 진단할 수 있다.
고장 시 안전하게 정지하거나 제한된 기능으로 운전할 수 있다.
위험 통제수단과 강건성이 시험을 통해 검증되어 있다.
설계변경 후 위험평가와 검증결과가 갱신된다.
잔류위험과 안전한 사용방법이 명확하게 문서화되어 있다.
기계설계에서 위험은 제품이 완성된 뒤 안전커버를 추가하여 해결할 수 있는 문제가 아니다. 또한 강건성은 단순히 부품을 두껍게 만들거나 높은 안전계수를 적용하는
것으로 확보되지 않는다.
구조, 재료, 공차, 센서, 제어로직, 인터페이스, 보호장치 및 유지보수 방식을 결정하는 순간부터 위험수준과 강건성이 함께 결정된다.
좋은 설계는 정상조건에서만 작동하는 설계가 아니다. 부품편차, 환경변화, 장기열화 및 예상 가능한 고장이 존재하는 현실적인 조건에서도 요구기능을 유지하고, 위험
이 발생할 경우 안전한 상태로 전환할 수 있어야 한다.
결국 Risk Control & Robustness의 품질은 위험요인이 전혀 존재하지 않는가가 아니라, 위험을 체계적으로 줄이고 불확실성과 변동이 존재하는 실제 조건에서도 제품
의 기능과 안전을 지속적으로 유지할 수 있는가에 의해 결정된다.