Bezpieczeństwo dynamiczne

Bezpieczeństwo maszyny jest tradycyjnie związane z dwoma stanami - drzwi ochronne są zamknięte lub otwarte, grzybek zatrzymania awaryjnego jest naciśnięty lub nie. Jeszcze dzisiaj koncepcja bezpieczeństwa wielu maszyn przewiduje odłączenie zasilania wszystkich napędów lub całej maszyny w przypadku wejścia do strefy chronionej. Takie "twarde podejście" ma jednak wiele wad: straty produkcyjne, długie czasy przestoju spowodowane procedurami uruchomienia lub ograniczenia przy obsłudze i naprawach.

Rosnące wymagania dotyczące zwiększenia produktywności powodują konieczność zmian w podejściu do zarządzania bezpieczeństwem. Innymi słowami: musi być możliwa praca operatora w zdefiniowanych strefach maszyny bez kompletnego zatrzymywania całego procesu produkcyjnego. Przestoje i przeglądy odgrywają coraz większą rolę przy ocenie kosztów wszystkich faz cyklu życia maszyny. Bezpieczeństwo staje się coraz bardziej znaczącą funkcją maszyny jako całości; coraz rzadziej rozpatruje się je w kontekście pojedynczych stref czy komponentów.

Z tych wymagań rodzi się życzenie realizacji bezpieczeństwa dynamicznego, tzn. elastycznego dopasowania zabezpieczeń do zmieniających się wymagań dotyczących bezpieczeństwa.

POLE DZIAŁANIA OKREŚLAJĄ NORMY I DYREKTYWY

Koncepcje bezpieczeństwa są oparte o aktualne normy i dyrektywy. Wewnątrz Unii Europejskiej bezpieczeństwo funkcjonalne maszyn i instalacji jest oparte o Dyrektywę Maszynową 2006/42/WE. Istotne znaczenie w tym kontekście mają normy EN 62061 (Bezpieczeństwo maszyn - Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych, elektronicznych i programowalnych elektronicznych systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem) oraz EN 13849-1 (Bezpieczeństwo maszyn - Elementy systemów sterowania związane z bezpieczeństwem). W porównaniu do poprzedniczki - EN 954-1, służą one konkretną pomocą przy wdrażaniu funkcji bezpieczeństwa i stanowią podstawę bezpieczeństwa dynamicznego.

Przykładem może być tryb pracy maszyny "Praca przy otwartych drzwiach", która w EN 954-1 nie była zdefiniowana. W przeszłości ten tryb pracy realizowano za pomocą dodatkowego selektora trybu, często bez przyporządkowanej jakiejkolwiek funkcji bezpieczeństwa. Zalecenia związane z selektorem trybu pracy są określone właśnie w Dyrektywie Maszynowej, w normie EN 12100 (Bezpieczeństwo maszyn - Ogólne zasady projektowania - Ocena ryzyka i zmniejszanie ryzyka) oraz w EN 60204-1 (Bezpieczeństwo maszyn - Wyposażenie elektryczne maszyn - Część 1: Wymagania ogólne). Definicje w nich zawarte umożliwiają rozwiązania, takie jak "prędkość bezpiecznie zredukowana przy otwartych drzwiach ochronnych", co umożliwia redukcję przestojów i czasu potrzebnego na rozruch.

Dokładna znajomość ograniczeń stwarzanych przez przepisy i możliwości techniczne dostępnych urządzeń są warunkiem stworzenia sterowania bezpiecznego, które umożliwia poprawę produktywności maszyn. Zgodnie z zaleceniami norm EN 13849-1 oraz EN 62061 rozwiązania funkcji bezpieczeństwa powinny brać pod uwagę charakterystyki całego sterowania od czujników, przez sterowanie, aż do urządzeń wykonawczych. Te elementy należy za pomocą odpowiednich modeli statystycznych przeanalizować, co oznacza, że automatyzacja maszyn w coraz mniejszym stopniu może się opierać na klasycznych rozwiązaniach!

WYMÓG CZASU - DALEKOWZROCZNE CZUJNIKI

Wiele czujników bezpieczeństwa pracuje dwustanowo: drzwi ochronne się otwierają, czujnik to rozpoznaje i sygnalizuje do sterowania konieczność zatrzymania maszyny. W koncepcjach dynamicznego bezpieczeństwa czujnik bezpieczeństwa musi być zdolny do wielostopniowej reakcji. Musi na przykład odróżnić człowieka w strefie potencjalnie zagrożonej częściami ruchomymi (strefa ostrzegawcza) od strefy o podwyższonych wymaganiach bezpieczeństwa (strefa ochronna). Te przestrzenie powinny się dynamicznie zmieniać, w zależności np. od ruchu maszyny czy robota.

Systemy oparte o kamery, jak np. SafetyEye do monitorowania przestrzeni czy mobilny system PSENvip w prasach krawędziowych są zdolne do wielowymiarowej ochrony strefy chronionej. Te systemy komunikują się w bezpieczny sposób ze sterownikami. Użycie bezpiecznych danych o pozycji stempla umożliwia w prasie krawędziowej dopasowanie wielkości stref ochronnych do aktualnych potrzeb operatora i narzędzia. Tak uzyskany "dynamiczny muting" znacząco poprawia produktywność maszyny.

Wspomniany system SafetyEye dysponuje informacjami o strefach chronionych w formie bezpiecznych trójwymiarowych przestrzeni. W aplikacji redukuje się te informacje do standaryzowanych, binarnych sygnałów. W przyszłości informacje przestrzenne będą przekazywane bezpośrednio do bezpiecznego napędu. Zespół napędów będzie dzięki temu w stanie zareagować, uprzedzając niejako zdarzenie.

STANDARD I BEZPIECZEŃSTWO RĘKA W RĘKĘ

Aktualnie dostępne sterowniki bezpieczne umożliwiają programową konfigurację funkcji bezpieczeństwa. Są one bardziej elastyczne niż przekaźniki bezpieczeństwa, z ich ustaloną z góry funkcjonalnością. Dla zapewnienia przejrzystej struktury programu w większości systemów redukuje się listę rozkazów i liczbę dostępnych edytorów. Takie podejście jest racjonalne na maszynie, dla której trzeba zrealizować jedynie proste funkcje bezpieczeństwa!

Coraz częściej sterowanie bezpieczne ma wpływ na sterowanie procesu. Sterownik musi w sposób bezpieczny nadzorować złożone wielkości fizyczne (np. prędkość), przetwarzać je i bezpiecznie sterować urządzeniami wykonawczymi. Taki stan rzeczy stwarza dla niego duże wymagania.

Do tej pory sterowanie standardowe i bezpieczne rozwijały się w dużej mierze osobno. Aktualnie na rynku automatyzacji obserwuje się trend do łączenia obu tych funkcji. Takie rozwiązania umożliwiają połączenie funkcji standardowych i bezpiecznych, dzięki czemu sterowanie maszyny jest łatwiejsze w obsłudze. W tym kontekście firma Pilz oferuje trzy języki programowania systemu PSS4000, a mianowicie PAS STL, PAS IL oraz PAS MULTI. Edytor STL (tekst strukturalny) i IL (lista instrukcji) są zgodne z EN 61131-3 a wszystkie trzy umożliwiają realizację funkcji bezpiecznych do SIL3. PAS MULTI jest edytorem graficznym podobnym do rozpowszechnionego konfiguratora PNOZmulti. Wszystkie edytory dają programiście możliwość realizacji funkcji standardowych i bezpiecznych na jednej platformie.

URZĄDZENIA WYKONAWCZE: BEZPIECZNIE POD PRĄDEM

Aby uniknąć niebezpiecznych zdarzeń, urządzenia wykonawcze są ściśle powiązane ze sterowaniem bezpiecznym. Do tej pory sterowanie ruchem niebezpiecznym składało się z kombinacji bezpiecznego monitoringu tego ruchu, bezpiecznej izolacji silnika od zasilania i standardowego sterowania procesem. Ze względu na koszty do automatyzacji procesów używa się standardowych napędów. Bezpieczeństwo ruchu zapewniają z reguły dodatkowe komponenty, które w przypadku awarii napęd ten bezpiecznie izolują oraz w bezpieczny sposób nadzorują.

Integracja modułu bezpieczeństwa do napędów serii Motion Control System stwarza całościowe rozwiązanie, umożliwiające dynamiczne aplikacje, gdzie np. otwarcie drzwi ochronnych powoduje bezpieczne wyhamowanie i bezpieczny postój napędu przy aktywnej regulacji. Zmiana trybu pracy na "bezpieczne nastawianie" i udzielenie odpowiednich zezwoleń powoduje ruch silnika w trybie krokowym z bezpiecznie zredukowaną prędkością. Po zakończeniu tego trybu pracy i zamknięciu drzwi ochronnych możliwa jest pełna funkcjonalność maszyny. Innymi słowami naruszenie strefy chronionej powoduje jedynie obniżenie prędkości produkcyjnych do bezpiecznych, bez konieczności całkowitego zatrzymania.

Właściwie zaprojektowane koncepcje bezpieczeństwa umożliwiają elastyczną reakcję sterowania - od bezpiecznie zredukowanej prędkości, przez bezpieczną koordynację systemów wieloosiowych do napędów z bezpiecznie zredukowanym momentem lub momentem zależnym od obciążenia. Elastyczne i bezpieczne połączenie tych komponentów zapewnia elastyczną reakcję napędu przez zredukowanie prędkości do bezpiecznej, bezpieczną regulację pozycji lub przez bezpieczne ograniczenie momentu obrotowego.

Podsumowując: bezpieczeństwo jest integralną częścią maszyny i powinno być uwzględniane już na etapie projektu. Sterowanie bezpieczne oznacza bezpieczną maszynę, a takie podejście wymaga kompleksowego myślenia. Trud no jest dokładać po czasie dodatkowe funkcje bezpieczeństwa, tak by całość bezpiecznie ze sobą współgrała.

Alfred Schittko
Pilz Polska Sp. z o.o.
www.pilz.pl