Programowanie bezpiecznego sterowania palnikami i prasami

Rys. 1. Schemat poglądowy kotła olejowego

Aplikacje sterowania palnikami oraz prasami są dość szczególnym przypadkiem instalacji przemysłowych ze względu na konieczność zastosowania dodatkowych środków ochronnych przy ich eksploatacji. Są one powszechne w przemyśle, gdyż praktycznie każdy zakład przemysłowy posiada kocioł lub kotłownię do produkcji ciepła lub pary technologicznej.

Instalacje te wykorzystują różnego typu palniki (gazowe, olejowe), zbiorniki ciśnieniowe oraz rurociągi przesyłowe. Zgodnie z Rozporządzeniem Rady Ministrów z 7 grudnia 2012 roku w sprawie rodzajów urządzeń technicznych podlegających dozorowi technicznemu instalacje takie podlegają nadzorowi jednostki notyfikowanej UDT (Urząd Dozoru Technicznego).

Z kolei prasy to często stosowane urządzenia do cięcia, wytłaczania lub innej plastycznej obróbki metali. Z uwagi na zasadę działania (tnące, miażdżące podzespoły) prasy są szczególnie niebezpieczne dla otoczenia (obsługi). Zostały one wymienione w załączniku nr IV Dyrektywy 2006/42/WE i w przypadku ich budowy lub modernizacji podlegają nadzorowi i odbiorowi jednostki notyfikowanej. Bardzo dobrze sprawdza się tutaj współpraca z CIOP (Centralnym Instytutem Organizacji Pracy).

SYSTEM STEROWANIA

Normy opisujące budowę aplikacji palnikowych i pras (typu C) nakazują zastosowanie w nich odpowiednich systemów bezpieczeństwa. Jak wynika z praktyki, urządzenia te finalnie muszą spełniać wymogi co najmniej SIL2, a nawet SIL3 (Safety Integrity Level 3). Projektant może zdecydować o rozdziale systemu bezpieczeństwa i sterowania, jednak doskonale sprawdza się w tej roli zintegrowany system sterowania i bezpieczeństwa w jednym PLC - SIMATIC Failsafe.

Jest to standardowy system sterowania (PLC) wyposażony w dodatkowe mechanizmy bezpieczeństwa funkcjonalnego (dodatkowe testy obwodów zewnętrznych i wewnętrznych), który w razie wykrycia zakłóceń w pracy ma za zadanie przeprowadzenie maszyny do stanu bezpiecznego, co w praktyce oznacza wyłączenie podzespołów zagrażających, zmniejszenie prędkości lub inne zaprojektowane reakcje.

Sterownik swobodnie programowalny, aby spełnił swoją rolę, musi być odpowiednio zaprogramowany. Niezbędna do tego jest szczegółowa znajomość technologii i pracy danej maszyny lub instalacji. Środowisko programowania systemów Failsafe (TIA Portal - Safety Advanced) zawiera zestaw podstawowych bibliotek, które pozwolą zaprogramować każdą z wymienionych aplikacji.

Jednak powstaje kwestia, ile czasu na programowanie i odbiory ma zamiar poświęcić producent. Znacznym ułatwieniem jest tutaj zastosowanie dodatkowych, odpowiednich bibliotek programowych. Funkcje z tych bibliotek zawierają funkcjonalność standardowych podzespołów bezpieczeństwa, w jakie musi być wyposażona każda z aplikacji.

Użycie bibliotek standaryzuje kod programu aplikacji. Każda kolejna aplikacja będzie podobna do poprzedniej, przez co upraszcza się proces uruchomienia, eksploatacji oraz serwisu. Zastosowanie bibliotek ułatwia końcowe testy zgodności oraz odbioru. Jednak ich stosowanie nie jest obowiązkowe.

APLIKACJE STEROWANIA PALNIKAMI

Rys. 2. Przykład programu sterującego pracą zaworów

Funkcje biblioteki Palniki zostały utworzone z uwzględnieniem standardów zawartych w tabeli 1. Standardy te określają warunki budowy i pracy wszystkich typów kotłów. Zawierają zalecenia projektowe wskazujące zasady bezpiecznej eksploatacji kotłów oraz aparatów, które są wyposażone w Palniki.

Biblioteka zawiera dziewięć podstawowych funkcji, z których można budować sekwencje, sterujące najbardziej rozbudowanymi aplikacjami. Po zestawieniu odpowiedniego algorytmu pracy programowanie sprowadza się do prostej parametryzacji funkcji (przypisanie adresów wejść/wyjść, czasów opóźnień, trwania sekwencji).

Funkcje biblioteki Palniki umożliwiają w prosty i szybki sposób zbudowanie algorytmu sterującego zapłonem i pracą kotła oraz niezbędnych do jego pracy urządzeń.

Algorytm sterowania palnikami:

1. Przed uruchomieniem kotła, musi zostać wykonany test szczelności zaworów odcinających gaz.
2. Przed każdym uruchomieniem palnika gazowego lub olejowego, komora spalania i przepustnica spalin muszą zostać przewentylowane; czas wentylacji zależy od typu palnika i jest ujęty w normach (EN 746-2).
3. Po przewietrzeniu następuje zapłon palnik pilotującego.
4. Po zdefiniowanym (bezpiecznym) czasie następuje zapłon palnika głównego (EN 676).

Podczas uruchomienia, a potem podczas pracy kotła sprawdzanych jest szereg parametrów instalacji (ciśnienia, temperatury, czasy sekwencji). Odchyłka któregokolwiek z parametrów od wartości bezpiecznej (tj. zdefiniowanej w standardach z tabeli 1) powoduje natychmiastowe odcięcie dopływu paliwa do palnika. Nie ma wtedy możliwości automatycznego restartu aplikacji. Błąd musi zostać potwierdzony ręcznie i cała sekwencja zapłonu musi zostać przeprowadzona od początku.

Do wykonania aplikacji sterowania potrzebny jest oczywiście odpowiedniej klasy sterownik PLC. Zgodnie z wymogami norm musi to być sprzęt z dopuszczeniami do użycia w obwodach bezpieczeństwa. W przypadku Siemensa będą to sterowniki SIMATIC Failsafe.

Opisane biblioteki można zastosować ze wszystkimi sterownikami typu SIMATIC Failsafe tj. S7-300F/400F/ ET200F/1200F/1500F. Do programowania należy użyć STEP7 V13, Safety Advanced V13 i opisanej biblioteki, którą można pobrać ze strony wsparcia Siemensa: https://support.industry.siemens.com/cs/document/109477036.

Biblioteka jest darmowa, można ją pobrać i stosować we wszelkiego typu komercyjnych aplikacjach kotłowych. Wraz z biblioteką dostępny jest opis przykładowej aplikacji kotłowej, pokazany jest sposób użycia poszczególnych funkcji oraz wykaz aparatów i podzespołów niezbędnych do budowy aplikacji sterowania kotłem (osprzęt Siemensa).

APLIKACJE STEROWANIA PRASAMI

Rys. 3. Różne typy pras (od lewej): mechaniczna, serwoelektryczna i hydrauliczna

Po wykonaniu analizy ryzyka wszystkie typy pras zostały zaliczone do grupy maszyn niebezpiecznych i wymienione w załączniku nr IV Dyrektywy 2006/42/WE jako podlegające końcowemu odbiorowi jednostki notyfikowanej. Aby zbudować prasę bezpieczną, producent zobowiązany jest do przestrzegania standardów przedstawionych w tabeli 4.

Każda z pras musi mieć system sterowania i system bezpieczeństwa. Bardzo atrakcyjne jest w tym przypadku zastosowanie systemu zintegrowanego SIMATIC Failsafe. Jeden sterownik PLC może sterować urządzeniem oraz realizować funkcję zabezpieczeń.

W prasach stosowane są różnego typu aparaty / osprzęt bezpieczeństwa np. wyłączniki awaryjne, maty, kurtyny świetlne, przyciski dwuręczne / nożne, itp. Każdy z nich odgrywa ważną rolę w sterowaniu maszyny. Aby sygnały te można było wykorzystać w programie bezpieczeństwa, muszą przejść dodatkową weryfikację tj. testy jakości.

Procedury testów można napisać samemu, jednak jest to czasochłonne zajęcie. Dodatkowo trzeba mieć pewność, że wymyślona procedura weryfikacji jest wystarczająca. Program zawierający własne procedury będzie bardziej złożony i zależny od doświadczenia programisty. Dlatego może on być trudniejszy w uruchomieniu i serwisowaniu.

Ułatwieniem wydaje się użycie gotowej, odpowiedniej biblioteki, gdzie każdy sygnał jest automatycznie testowany w tle aplikacji. Biblioteka Prasy zawiera czterdzieści bazowych funkcji, do obsługi praktycznie wszystkich typów aparatów bezpieczeństwa używanych do automatyzacji pras.

Biblioteki ułatwiają programowanie, gdyż po ułożeniu z nich algorytmu działania należy je tylko sparametryzować tj. przypisać wejścia, wyjścia, czasy trwania sekwencji. Funkcje realizują skomplikowane procedury, które wykonywane są w wielu cyklach programowych CPU.

Funkcje te zapewniają właściwe zależności czasowe pomiędzy sygnałami wejściowymi i sterującymi. Każda odchyłka od wartości bezpiecznych, określonych w standardach (patrz tabela 4), spowoduje automatyczne zatrzymanie prasy.

Rys. 4. Przykładowy program sterowania prasą

Nie ma automatycznego restartu aplikacji. Po zatrzymaniu należy ręcznie skwitować błąd i jeszcze raz uruchomić prasę. Zastosowanie biblioteki standaryzuje program sterujący prasami. To zaś owocuje zmniejszeniem kosztów w przypadku produkcji seryjnej (nakłady na uruchomienie) oraz serwisowaniu (czas naprawy).

Biblioteka działa w środowisku STEP7 wyposażonym w podstawowy S7 Distributed Safety lub Safety Advanced. Biblioteka Press jest oprogramowaniem opcjonalnym, płatnym, można ją zamówić jako standardowy produkt Siemensa. Są dwie wersje biblioteki, jedna dla oprogramowania klasycznego STEP7 v5.5 (v.2010), druga dla środowiska STEP7 V13 (TIA Portal).

Firma obsługująca aplikacje musi posiadać pakiet inżynieryjny oprogramowania, ponadto każda maszyna musi mieć licencję maszynową. Obecna wersja biblioteki umożliwia zaprogramowanie tylko klasycznych sterowników SIMATIC S7-400F/300F/ET200F.

Według informacji uzyskanych od menadżera produktu następne wersje, które pojawią się w połowie roku 2016 będą obsługiwały także najnowsze sterowniki SIMATIC S7-1500F/ET200SP. Więcej informacji na temat opisanych bibliotek można znaleźć na stronie https://support.industry.siemens.com/cs/document/48299432.

UWAGI KOŃCOWE

Środowisko programowania systemów Failsafe (Distributed Safety / Safety Advanced) zawiera zestaw podstawowych bibliotek, które pozwolą zaprogramować aplikacje zaliczane do szczególnie niebezpiecznych. W tym celu musi być zastosowany także sterownik PLC Failsafe. Przy takim podejściu nie jest konieczna szczegółowa znajomość technologii i pracy sterowanej maszyny lub instalacji.

Dodatkowe, odpowiednie biblioteki ułatwiają tworzenie aplikacji. Funkcje z tych podzespołów zawierają funkcjonalność standardowych podzespołów bezpieczeństwa w jakie musi być wyposażony układ bezpiecznego sterowania. Użycie bibliotek standaryzuje kod programu aplikacji, przez co upraszcza się proces uruchomienia, eksploatacji, serwisu oraz końcowych testów zgodności i odbioru.

Andrzej Cyganik, Siemens
Mirosław Wciślik, Politechnika Świętokrzyska
wwww.siemens.pl