Projekty komponentów umożliwiające spełnienie norm bezpieczeństwa funkcjonalnego

Automatyczne łączniki bezpieczeństwa, czujniki i osłony

Ilustracja 3: Skanery laserowe są rodzajem bezkontaktowego komponentu bezpieczeństwa ze sprzężeniem zwrotnym; są najbardziej znane ze swojej przydatności do wspomagania pojazdów kierowanych automatycznie (AGV) w nawigacji po obiektach. Jednak ich zastosowania na tym się nie kończą - czasami mogą stanowić alternatywę dla kurtyn świetlnych. (Źródło ilustracji: IDEC)

Czymś jeszcze innym od komponentów bezpieczeństwa uruchamianych przez personel są komponenty bezpieczeństwa przeznaczone do automatycznych funkcji maszyny.

Wbudowane blokady z zatrzaskami i przełącznikami

Przełączniki i blokady współzależne są kluczowymi elementami na zewnętrznym obwodzie gniazd produkcyjnych zawierających maszyny. Łączniki krańcowe bezpieczeństwa posiadają styki, które służą do automatycznej weryfikacji pozycji elementów maszyny lub ruchów. Natomiast łączniki bezpieczeństwa o wyższych funkcjach - zwane łącznikami bezpieczeństwa z blokadą współzależną - wykorzystują mechanizmy blokady współzależnej z języczkiem lub zawiasem jako chroniące przed nieautoryzowaną ingerencją w zabezpieczenia maszyn z wymuszonymi stykami przełączającymi (podwójna weryfikacja stykami zwiernymi (NO) i rozwiernymi (NC)). Łączniki z blokadą współzależną z mechanicznymi kluczami i zamkami utrzymują drzwi prowadzące do przestrzeni roboczych maszyny w stanie zamkniętym, dopóki dostęp do nich nie będzie bezpieczny. Coraz częściej jednak stosowane są bezstykowe łączniki bezpieczeństwa w technologii RFID oraz magnetycznej, które monitorują położenie (otwarte lub zamknięte) drzwi strefy roboczej i uniemożliwiają operatorowi dostęp podczas niebezpiecznych procesów.

Bezpieczeństwo wbudowane wykorzystujące wyłączniki automatyczne i izolatory elektryczne

Innym rodzajem komponentów bezpieczeństwa aktywowanych przez stan maszyny są komponenty zapewniające bezpieczeństwo elektryczne. Wyłączniki automatyczne (podobnie jak bezpieczniki) chronią przed szkodliwym i niebezpiecznym wpływem przeciążenia prądowego w sieci, na liniach odgałęźnych zasilania oraz w obwodach sygnałowych. Niektóre instalacje są wyposażone w izolatory do separacji galwanicznej pomiędzy urządzeniami obiektowymi i elementami sterującymi, aby zapewnić samoistnie bezpieczną pracę. Uzupełnieniem projektowych rozwiązań zapewniających bezpieczeństwo elektryczne są komponenty przeciwprzepięciowe zapobiegające uszkodzeniu na skutek skoków napięcia elektrycznych i elektronicznych komponentów automatyki związanych z zasilaniem sieciowym, zasilaniem napędów oraz rozdziałem sygnałów sprzężeń zwrotnych i sterujących.

Wbudowane bezpieczeństwo mechaniczne wykorzystujące hamulce

Hamulce zaliczane do kategorii hamulców bezpieczeństwa, są również nazywane hamulcami awaryjnymi. Działają w taki sposób, aby doprowadzić urządzenie lub pojazd do stanu zatrzymania (zwykle w celu zablokowania lub zatrzymania osi ruchu), nawet jeśli zasilanie elektryczne lub hydrauliczne zostanie przerwane lub usunięte. Ich niezawodność opiera się na działaniu sprężyny lub mechanizmów mechanicznych.

Dobry przykład: sprężynowe hamulce cierne, które są zwalniane pneumatycznie, często pełnią rolę hamulców awaryjnych w zastosowaniach z napędem serwosilnikowym. Muszą one posiadać certyfikat zgodności z normą ISO 13849-1 - zwykle wydawany przez międzynarodową organizację przeprowadzającą testy produktów Intertek Group. Dzięki blokowaniu mechanicznemu nie zużywają one energii elektrycznej w stanie działania, co zapewnia maksymalną niezawodność w zakresie bezpieczeństwa i zapobiega przegrzaniu występującemu w innych metodach zatrzymywania opartych na elektryce. Trwałość znamionowa osiąga miliony cykli przed ogólną (przewidywalną) awarią niektórych komponentów w szeregu. Tam, gdzie użyteczne są funkcje przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), hamulce awaryjne mogą również posiadać wbudowaną diagnostykę i sprzężenie zwrotne z czujnika służące do śledzenia statusu roboczego.

Hamulce o najwyższym znamionowym bezpieczeństwie funkcjonalnym posiadają wiele sprężyn, które mechanicznie blokują osie maszyny za pośrednictwem powierzchni ciernych współpracujących z nieruchomymi elementami wewnątrz obudowy hamulca. Normy bezpieczeństwa wymagają również instalacji czujników potwierdzających status hamulców.

Przekaźniki zabezpieczające i inne zabezpieczające elementy sterujące

Przekaźniki zabezpieczające oraz inne elementy sterujące wspomagają funkcje przełączników zabezpieczających, czujników i osłon. Wszystkie wymienione urządzenia mają wspólną zdolność (w razie potrzeby) do przełączania maszyny w stan bezpieczny poprzez odłączenie zasilania elektrycznego lub hydraulicznego - albo zapewnienie warunków bezpieczeństwa poprzez spowolnienie lub zablokowanie maszyny nadal zasilanej energią elektryczną.

Przekaźniki zapewniające bezpieczeństwo układowe

Jedną z opcji sterowania awaryjnego są moduły przekaźników zabezpieczających. Posiadają one układy elektroniczne z zabezpieczeniem przed zwarciem i przepięciem oraz przekaźniki uzupełniające. Układowe przekaźniki elektromechaniczne są stosowane od dekad. Są one po prostu połączone przewodowo z automatycznymi elementami sterującymi i w razie potrzeby (we współpracy z wyłącznikami awaryjnymi lub kurtynami świetlnymi) odłączają sekcje maszyny od zasilania elektrycznego. Wadą jest instalacja dużej ilości okablowania na miejscu i brak możliwości ich ponownej konfiguracji. Bardziej zaawansowane przekaźniki zabezpieczające posiadają wejścia-wyjścia oraz charakteryzują się wykonaniem modułowym, ułatwiającym elastyczną integrację z czujnikami, urządzeniami sterującymi i sieciami automatyki.

Kontrolery bezpieczeństwa zapewniające programowalne bezpieczeństwo

Kolejną opcją zabezpieczenia, które kwalifikuje się jako bezpieczne w razie awarii, jest integracja dedykowanych kontrolerów bezpieczeństwa. W przypadku złożonych systemów automatyki takie kontrolery sprawdzą się lepiej niż przekaźniki ponieważ mogą obsługiwać większe układy wejścia-wyjścia oraz funkcje programowalnego sterownika logicznego (PLC). Jednym z zastrzeżeń jest to, że te autonomiczne kontrolery bezpieczeństwa wymagają dodatkowego programowania i szkolenia personelu. Jednak ich cyfrowe układy elektroniczne umożliwiają realizację funkcji automatyki w pełni konfigurowalnych za pomocą oprogramowania.

Ilustracja 5: Kontrolery są w stanie ujednolicić wiele funkcji bezpieczeństwa, zapewniając elastyczną i konfigurowalną instalację bezpieczeństwa. W przedstawionym tutaj gnieździe produkcyjnym pierwszy obwód bezpieczeństwa zawiera kurtynę świetlną, która (po zgłoszeniu statusu przerwania) otwiera przełącznik obwodu, aby zatrzymać stół obrotowy. Drugi obwód bezpieczeństwa zawiera dezaktywujące elementy sterujące, które pozwalają robotowi pracować normalnie, jeżeli przedmiot obrabiany wchodzi do gniazda produkcyjnego po zatrzymaniu stołu obrotowego. W przeciwnym razie, obwód ten otwiera przełącznik, aby wyłączyć robota. Trzeci obwód bezpieczeństwa zawiera wyłącznik awaryjny, który otwiera wszystkie łączniki i zatrzymuje zarówno stół obrotowy, jak i robota. (Źródło ilustracji: Panasonic Industrial Automation Sales)

Inżynierowie mogą definiować strefy wymagające ochrony i modyfikować ich ustawienia bez konieczności ponownej instalacji okablowania całego gniazda produkcyjnego. (To z kolei redukuje ilość okablowania i koszty robocizny). Zazwyczaj instalacje oparte na kontrolerach bezpieczeństwa umożliwiają również rozbudowę sieci i wdrożenie łączności z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT) w miarę rozwoju zakładu.

Zintegrowane bezpieczeństwo przy zastosowaniu zabezpieczających przemysłowych elementów sterujących

Trzecią, coraz popularniejszą w zaawansowanych maszynach opcją pozwalającą uzyskać bezpieczne w razie awarii zabezpieczające elementy sterujące są programowalne sterowniki logiczne (PLC), programowalne sterowniki automatyki (PAC) i inne elementy sterujące oparte na sterownikach programowalnych. Niektóre tego typu urządzenia elektroniczne, poza swoimi podstawowymi funkcjami posiadają też funkcje bezpieczeństwa. W rezultacie uzyskuje się możliwość ich zaprogramowania, a co za tym idzie elastycznego sterowania zarówno zautomatyzowanymi maszynami, jak i funkcjami bezpieczeństwa, których wymaga ich eksploatacja.

Podsumowanie

Aby można było uznać, że maszyny są odpowiednio zabezpieczone, komponenty sprzężenia zwrotnego i sterowania muszą zapewniać ochronę proporcjonalną do zagrożeń charakterystycznych dla danego zastosowania. Bezpieczeństwo maszyn wymaga również odpowiedniej integracji komponentów, dokumentacji i walidacji. Dzięki walidacji mamy pewność, że obwody bezpieczeństwa działają prawidłowo we wszystkich trybach pracy maszyny, nawet w przypadku awarii.

Normy IEC 61508 i 62061 dotyczące cyklu życia elementów zabezpieczających określają sposób prawidłowej instalacji elementów zabezpieczających - począwszy od wstępnej oceny ryzyka i zaprojektowania urządzenia, po faktyczną weryfikację parametrów działania zainstalowanego systemu przez producenta OEM oraz przez lub na zlecenie użytkownika końcowego po zainstalowaniu maszyny. W ramach weryfikacji maszynę poddaje się szczegółowym testom, sprawdzającym jej normalne sekwencje robocze oraz sekwencje hamowania, zatrzymywania i resetowania.

Autor: Lisa Eitel

Źródło: Projekty komponentów umożliwiające spełnienie norm bezpieczeństwa funkcjonalnego

Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl