기술사 시험 공부 - 풀 프루프(Fool proof)와 페일 세이프(Fail safe)

풀 프루프(fool proof)란 작업자가 기계의 취급시 실수나 오동작을 범하더라도 사고나 재해로 연결되지 않도록 안전하게 유지되게 하는 방법이다. 바보같은 행동을 방지한다는 뜻(바보가 작동을 시켜도 안전하다는 뜻)으로 사용자가 비록 잘못된 조작을 하더라도 이로 인해 전체의 고장이 발생되지 않도록 하는 설계방법을 말한다. 페일 세이프(fail safe)는 기계, 설비 또는 그 부품이 파손되거나 고장이 발생해도 기계, 설비가 항상 안전한 방향으로 작동되도록 하는 방법을 말한다. 조작상의 과오로 기기의 일부에 고장이 발생해도 다른 부분의 고장이 발생하는 것을 방지하거나 또는 어떤 사고를 사전에 방지하고 안전측으로 작동하도록 설계하는 방법이다. 풀 프루프와 페일 세이프는 안전기능 내장을 포함하여 기계, 설비의 "본질 안전화"의 요건이다.

 

1. 서론

 

"본질 안전화"란 본래는 본질 안전 방폭 전기 기기 (intrinsic safety explosion protected electrical equipment)에서 나온 말로 가연성 가스나 분진과 같은 폭발성 분위기 속에서 사용되는 계측용, 통신용 등의 전기 기기가 그 내부 또는 외부의 분위기에 착화하는 일이 없는 구조를 말한다. 이에 대한 기계, 장치의 본질안전화란 더욱 일반적이며 넓은 개념이다. 그러나 기계의 본질 안전이라고 해서 기계를 어떠한 환경속에서나 또는 아무렇게나 사용해도 안전하다는 의미는 아니다. 안전 원리의 기본은 정당하게 사용하는데에 있다. 본질 안전 기계라고 해도 올바른 안전 지식과 높은 안전 의식으로 사용해야만 비로소 그 진가를 발휘 할 수가 있다. 기계, 설비의 본질 안전 개념은 꼭 꼬집어 이것이다 라고 단정할 수는 없지만 일단 다음의 내용을 포함한 것으로 한다.

① 안전 기능이 기계, 설비에 내장되어 있을 것. 이것은 안전기능이 기계의 설계단계에서 이미 반영 조치된 것으로서 별도로 추가하지 않는 것을 의미한다.

② fool proof의 기능을 가질 것. 이것은 작업자가 기계의 취급 시 실수를 범하더라도 안전 장치의 설치로 사고나 재해로 연결되지 않는 기능을 말한다.

③ fail safe의 기능을 가질 것. 이것은 기계, 설비 또는 그 부품이 파손되거나 고장이 발생해도 병렬계통이나 대기여분으로 기계, 설비가 (어느 기간 동안은) 항시 안전한 방향으로 유지하는 기능을 말한다. 이에 대한 상세한 내용은 본론에서 설명하기로 한다.

 

2. 본론

 

1) 안전 기능(장치)의 내장

fool proof에 앞선 간단한 구상으로서 종래까지 개발되어 외부에 설치하던 안전장치의 기능을 구조적으로 기계, 설비의 일부로 내장시킨 것이다. 이의 대표적인 것이 안전 프레스이다. 즉 작업자를 슬라이드에 의한 위험으로부터 보호하기 위하여 안전 기구를 장착한 프레스로서 행정, 조작, 위치등의 전환 스위치를 어떠한 위치에서 조작하더라도 자동적으로 안전을 확보할 수 있다. 또한 전환 스위치와 안전기구는 완전한 인터로크(interlock)가 되어 있다. 다른 예로는 교류아크 용접기용 자동 전격 방지 장치를 들수 있는데 이것도 용접을 하지 않을 때는 2차측 무부하 전압이 1초이내로 25V(전원전압의 변동이 있을 경우 30V)이하로 떨어트려 작업자의 감전사고를 방지하도록 개발된 것으로 요즈음 교류 용접기에는 반드시 부착하도록 되어 있으나 이것도 정격 용량이 크지 않은 용접기에는 자동 전격 방지 장치를 아예 내장시키도록 개발 중에 있다.

 

2) 풀 프루프 (fool proof)

fool proof란 누구나 다룰 수 있는 아주 간단한, 안전한 이라는 뜻을 가진 말이다. 본질 안전화 요건의 하나인 풀 프루프란 인간이 기계 등의 취급을 잘못해도 그것이 바로 사고나 재해와 연결되지 않는 기능을 말한다. 본래의 풀 프루프는 조작순서를 잘못하거나 오조작에 대응하는 것으로서 예를 들면 카메라의 이중 촬영방지기구는 위험과는 직접 연결되지 않으나 전형적인 풀 프루프이다. 그러나 많은 기계재해는 그 취급 잘못에 기인한다는 관점에서 본다면 안전장치의 대부분은 풀 프루프를 위한 것이라고 말 할 수 있다.

 

풀 프루프는 본래 인간의 착오, 미스등 이른바 휴먼 에러(humman error)를 방지하기 위한 것으로서 기계, 설비의 위험부분을 방호하거나 덮개나 울, 이동식 가드의 인터록(interlock)이 전제 조건이 되며 그 실례는 다음과 같다.

① 동력 장치의 덮개를 벗기면 운전이 정지된다.

② 프레스의 경우 실수하여 손이 금형 사이로 들어갔을 때 슬라이드의 하강이 자동적으로 정지된다.

③ 승강기의 경우 과부하가 되면 경보를 울리고 작동이 되지 않는다.

④ 크레인의 와이어 로프가 무한정 감기지 않도록 권과 방지 장치를 설치한다.

⑤ 로봇이 설치된 작업장에 방책문을 닫지 않으면 로봇이 작동되지 않는다.

⑥ 전기 세탁기의 탈수기가 돌아가는 도중에 뚜껑을 열면 탈수기가 정지한다. 또는 탈수기의 정지 스위치를 누른 후 정지가 될 때까지는 뚜껑이 열리지 않는다.

 

한편 인간이 실수를 일으키기 어렵게 하는 구조나 기능도 광의의 풀 프루프라고 할 수 있는 것이다. 예컨대 조작과 기계의 운동 방향의 일치, 계기나 표시를 보기 쉽게 하는 것등, 이른바 인간공학적 설계 역시 넓은 의미에서의 풀 프루프에 관련되는 것이다. 작업자가 기계 조작을 잘못하거나 이상 발생 및 고장이 있어도 위험한 상태가 됮 않도록 설계 단계에서 안전화를 도모하는 개념으로 가공 기계에 상용되는 풀 프루프는 [표]와 같다.

 

[표] 가공기계에 사용되는 주된 fool proof

분류	명칭 또는 형식	기능
가드 (guard)	고정가드 (fixed guard)	개구부로부터 가공물과 공구등을 넣어도 손은 위험영역에 머무르지 않는다.
	조절가드 (adjustable guard)	가공물과 공구에 맞도록 형상과 크기를 조절한다.
	경고가드 (warning guard)	손이 위험영역에 들어가기 전에 경고한다.
	인터록 가드 (interlock guard)	기계가 작동중에 개폐되는 경우 기계가 정지한다.
조작기구 (control 기구)	양수조작 (two hand control)	양손으로 동시에 조작하지 않으면 기계가 작동하지 않고 손을 떼면 정지 또는 역전 복귀한다.
	인터록 가드 (interlock guard)	조작기구를 ruags 가드로써 가드를 닫으면 기계가 작동하고 가드를 열면 정지한다.
로크기구 (lock 기구)	인터록 (interlock)	기계식, 전기식, 유공압식 또는 이들의 조합으로 2개 이상의 부분이 상호 구속된다.
	키식 인터록 (key type interlock)	열쇠를 사용하여 한쪽을 잠그지 않으면 다른 쪽이 열리지 않는다.
	키 로크 (key lock)	1개 또는 상호 다른 여러개의 열쇠를 사용한다. 전체의 열쇠가 열리지 않으면 기계가 조작되지 않는다.
트립기구 (trip 기구)	접촉식 (contact type)	접촉판, 접촉봉등에 신체의 일부가 접촉하면 기계가 정지 또는 역전 복귀한다.
	비접촉식 (non-contact type)	광전자식, 정전용량식등으로 신체의 일부가 위험영역에 들어가면 기계는 작동하지 않는다.
오버런기구 (overrun 기구)	검출식 (detecting)	스위치를 끈후 관성운동과 잔류전하를 검지하여 위험이 있는 동안은 가드가 열리지 않는다.
	타이밍식 (timing)	기계식 또는 타이머등을 이용하여 스위치를 끈 후 일정 시간이 지나지 않으면 가드가 열리지 않는다.
밀어내기기구 (push&pull 기구)	자동가드 (auto guard)	가드의 가동부분이 열렸을때 자동적으로 위함영역으로부터 신체를 밀어낸다.
	손을밀어냄 손을끌어당김	위험한 상태가 되기 전에 손을 위험지역으로부터 밀어내거나 끌어당겨 제자리로 온다.
기동방지기구	안전블록 (safety block)	기계의 기동을 기계적으로 방해하는 스토퍼등으로서 통상 안전블록과 같이 쓴다.
	안전플러그 (safety plug)	제어회로등으로 설계된 접점을 차단하는 것으로 불의의 작동을 방지한다.
	레버 로크 (lever lock)	조작레버를 중립위치에 놓으면 자동적으로 감긴다.

 

3) 페일 세이프 (fail safe)

본질 안전화의 또 하나의 요건인 페일 세이프(fail safe)란 기계나 그 부품에 고장이나 기능 불량이 생겨도 항상 안전하게 유지하는 구조와 그 기능을 말한다. 협의로는 기계를 안전하게 유지한다는 것은 기계를 정지시키는 것으로 생각되고 있으나 광의로는 반드시 정지에만 한정되지는 않는다. 페일 세이프는 기능면에서 다음의 3단계로 분류한다.

① fail passive: 부품이 고장나면 통상 기계는 정지하는 방향으로 이동한다.

② fail active: 부품이 고장나면 기계는 경보를 울리는 가운데 짧은 시간동안의 운전이 가능하다.

③ fail operational: 부품의 고장이 있어도 기계는 추후의 보수가 될 때까지 안전한 기능을 유지한다. 이것은 병렬 계통 또는 대기 여분(standby redundancy) 계통으로 한 것이다.

위 ①,②,③중에서 ③이 운전상 제일 선호하는 방법이고 산업 기계에서는 일반적으로 ①을 많이 채택하고 있다.

 

4) 페일 세이프 기구의 분류

페일 세이프 기구는 강도와 안전성을 유지할 목적으로 구조적 페일 세이프와 기능의 유지를 목적으로 하는 기능적 페일 세이프가 있으며 후자는 다시 기계적 페일 세이프와 전기적 페일 세이프로 나뉘어진다.

 

(1) 구조적 페일 세이프

구조적 페일 세이프의 대표적인 예는 항공기이다. 항공기의 페일 세이프 대책은 다음 그림에서 보는바와 같이 구조상으로 검토가 이루어진다.

① 다경로 하중 구조: 하중을 전달하는 부재가 여러개 있어 일부가 파손되어도 나머지 부재가 지지하는 구조

② 분할 구조: 한 개의 큰 부재가 통상 점유하는 장소를 2개 이상의 부재를 조합시켜 하중을 분산 전달하는 구조

③ 떠맡는 교대 구조: 어떤 부재가 파손되면 그 부재가 받던 하중을 다른 부재가 떠맡는 구조

④ 하중 경감 구조: 구조물의 일부가 파손되면 파손부의 하중이 다른 부분으로 옮겨가게 되어 하중이 경감되므로 파괴가 되지 않는 구조. (일부부재의 강도를 약하게 하여 파손이 되더라도 다른쪽 부재로 하중이 이동하면서 치명적인 파괴를 예방하는 구조, load dropping structure).

(출처: 산업안전기사,산업기사, 김용원 저)

 

(2) 기능적 페일 세이프

대표적인 예는 철도 신호이다. 철도 신호는 고장이 발생했을 때 청색 신호가 반드시 적색신호가 되어 열차가 정지하는 것으로 끝나지만 만일 적색신호이어야 할 신호가 청색이 된다면 중대 재해가 발생하게 된다. 이처럼 철도 신호가 고장이 났을 때는 반드시 적색 신호로 되는 것이 페일 세이프이다. 기능적 페일 세이프는 산업 안전의 목적으로도 여러 곳에 사용되고 있다.

특히 기계적 페일 세이프는 대기 여분(standby redundancy)의 개념이 전제되어야 한다. 기계적 페일 세이프의 예를 들면 아래와 같다.

① 증기 보일러의 안전밸브와 급수 탱크를 복수로 설치하는 것.

② 프레스 제어용으로 설치된 복식 전자 밸브중 한쪽의 밸브가 고장이 나면 클러치, 브레이크의 압축 공기를 배출시켜 프레스를 급정지 시키도록 한것.

③ 화학 설비에 안전밸브 또는 긴급 차단 장치를 설치하여 이상시에는 이들이 작동하여 설비를 보호하는 것.

④ 석유 날로가 일정 각도 이상으로 기울어지면 자동적으로 불이 꺼지도록 소화기구를 내장시킨 것.

⑤ 승강기 정전시 마그네틱 브레이크가 작동하여 운전을 정지시키는 경우와 정지 속도 이상의 주행시 조속기(governor)가 작동하여 급정지시키는 것.

⑥ 크레인의 하중계와 같이 직접 하중을 받는 스프링과 프레스의 카운터 밸런스용의 스프링을 압축 스프링으로 한 것.

 

전기적 페일 세이프로는 개폐시의 예비회로를 예로 들 수가 있다 예비회로는 병렬회로와 직렬회로가 있어 각기의 개폐의 페일 세이프 회로로 구성되어 있다. 예비회로는 보통때에는 작동을 하지 않다가 주회로가 고장이 났을 때만 작동하는 것으로 대기 여분 회로하고도 한다.

 

다음의 [표]는 풀 프루프와 페일 세이프를 포함하여 여러가지 유사한 개념의 안전설계의 종류를 종합하였다.

 

[표] 안전 설계 방법

번호	방호기능	안전대책
1	fail safe	설비 또는 장치의 일부가 고장이 생겨도 안전방향으로 동작하는 방법
2	fool proof	사람이 작업하는 시스템에서 작업자가 실수를 하거나 오조작을 하여도 안전하게 유지되게 하는 방법
3	fail soft (페일 소프트)	설비 및 장치의 일부가 고장이 난 경우 일부 기능의 저하를 가져오더라도 전체기능은 정지하지 않는 방법
4	다중계화 (多重系化)	단일 또는 동일한 기능을 다중으로 설치하여 선택적으로 바꾸기도 하고 병렬로도 사용하는 방법
5	고장진단 및 회복설비	설비 및 장치가 고장이 난 경우 고장을 찾아 가능한 한 빨리 기능을 회복하는 방법
6	back up (백업)	주된 기능의 뒤편에 대기하다가 주기능의 고장시 그의 기능을 대신 하는 방법
7	디레이팅 (안전율 적용)	정격치보다 낮은 값으로 사용하는 등 안전여유를 갖고 설계하여 사용하는 방법
8	위험 부위 고장의 감소	위험한 부위의 출력에 직결되는 고장 빈도율을 적게 하는 방법

 

3. 본질 안전화의 문제점에 대한 고찰

 

풀 프루프(fool proof)가 진보하면 인간은 그 기계가 가지는 위험성을 전혀 의식하지 않아도 안전하게 작업을 할 수 있게 된다. 이것은 안전상 바람직한 것이기는 하나 그 반면에 기계의 위험성을 알지 못하므로 예상도 못한 무모한 취급을 하게 된다든지 보수시나 사고 때문에 풀 프루프를 해제하여야 할 때에 오히려 위험을 증대시킬 우려가 있다. 또 페일 세이프를 위하여는 통상 상당수의 기계 부품이나 회로 소자 등을 추가할 필요가 있고 이들의 고장으로 기계가 정지할 가능성이 높아지고 신뢰성은 저하된다. 극단적으로 말하면 안전하기는 하나 작동하지 않는 기계가 출현하기에 이른다. 본질 안전도 또한 현실의 안전 우선이라는 국민적 정서와 기업의 손실 방지 차원에서 도모해 나가지 않으면 안되나 거기에 소요되는 경비에도 한계가 있다고 할 것이다. 이와 같이 본질 안전화에는 몇가지 문제점이 있고 완전 무결이란 것은 기술적으로도 경제적으로도 있을 수 없다. 본질 안전의 이상을 향하여 한 걸음씩 전진하는 것이 안전 기술자에 과하여진 업무인 동시에 기계의 본질, 작업자에 대한 교육, 훈련 직장 사기의 향상등 안전관리면에서의 종합적 대책이 수립될 때 비로소 본질 안전화의 진가가 발휘될 수 있는 것이라고 생각된다.

 

4. 결론

 

본질안전화의 문제점에 대한 고찰을 염두에 두면서 [표]에서 제시한 안전설계방법을 최대한 활용하여 설계해야 하며 기계, 설비의 본질 안전을 위해  안전기능내장, 풀 프루프, 페일 세이프와 같은 개념을 적극적으로 고려하여 종합적인 안전 설계를 해야 한다. 특히나 풀 프루프와 페일 세이프의 설계 개념은 엔지니어라면 누구나 철저하게 익히고 현업에 반영해야 할 것이다.

 

 

2023.3.27.

(c) 칠보 (chillbo)

 

P.S.기술사 공부를 하면서 정리한 자료여서 일일이 출처를 표기하지 못했다. 어쩌면 내용이 여러군데의 소스에서 짬뽕(?)이 되었을 것이라는 생각이 들기는 하지만 차후라도 출처를 알게 되면 표기토록 하겠다.