Podstawy blokad współzależnych bezpieczeństwa

Zapewnienie bezpieczeństwa personelu zakładu przemysłowego polega na jego ochronie przed zagrożeniami mechanicznymi prowadzącymi do obrażeń ciała. Tę dziedzinę techniki zabezpieczeń nazywamy redukcją ryzyka przemysłowego. Lokalne przepisy i normy branżowe wymagają, aby urządzenia zautomatyzowane posiadały różne zabezpieczenia mechaniczne zapobiegające niebezpiecznemu uruchamianiu maszyn oraz aktywujące bezpieczne wyłączanie w przypadku pojawienia się nowego zagrożenia dla personelu. Podstawą wspomnianych systemów bezpieczeństwa są dobrze zdefiniowane granice wokół maszyny - oraz komponenty chroniące przed maszyną lub chroniące samą maszynę.

Choć zabezpieczenie jest terminem dość swobodnie używanym w niektórych publikacjach, normy Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej (ISO) oraz coraz większa liczba dostawców komponentów automatyki przypisują mu bardzo konkretną definicję. Te autorytatywne źródła branżowe generalnie ograniczają zabezpieczenia do komponentów i podsystemów otaczających potencjalnie niebezpieczne segmenty urządzeń wykorzystując:

• Obudowy z blachy oraz ogrodzenia z siatki drucianej lub szkła
• Przesuwne szklane panele, drzwi i bramki obrotowe
• Czujniki i kurtyny świetlne
• Specjalistyczne komponenty barierowe o innej konstrukcji elektronicznej lub fizycznej
• Blokady współzależne bezpieczeństwa - które stanowią główny temat niniejszego artykułu

Chociaż zabezpieczające sekcje obwodowe maszyn to głównie elementy nieruchome, aby operator mógł uzyskać dostęp do strategicznych miejsc na potrzeby obsługi, regulacji lub serwisowania maszyny, można stosować wspomniane już sekcje ruchome lub dostępowe (m.in. osłony okienne, kurtyny i drzwi). Wygodnym sposobem kategoryzacji komponentów bezpieczeństwa jest pogrupowanie ich według sposobu kontaktu: zależnie od tego, czy z danym komponentem bezpieczeństwa w kontakt wchodzi bezpośrednio operator lub inny personel zakładu (jak na przykład w przypadku kurtyn świetlnych), czy też styka się z nim jakaś pośrednia podsekcja maszyny. Do ostatniej grupy zaliczamy szereg aktywowanych przez maszynę przełączników i czujników bezpieczeństwa oraz blokady współzależne.

Ilustracja 1: łączniki krańcowe na poszczególnych drzwiczkach maszyny sprawdzają ich domknięcie, zanim zezwolą na uruchomienie maszyny. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Czym więc dokładnie są blokady współzależne? To mechaniczne, elektryczne lub elektromechaniczne komponenty bezpieczeństwa, które w swej istocie są łącznikami zbliżeniowymi lub pozycyjnymi. Montowane są zawsze na obrzeżach maszyn, na bramkach ruchomych (dostępowych). W przeciwieństwie do kurtyn bezpieczeństwa lub wyłączników operatora, blokady współzależne są wyzwalane poprzez zmianę położenia ruchomych sekcji maszyny lub sekcji obwodowych. Dla jasności, blokady współzależne bezpieczeństwa mogą być wyzwalane przez wyposażone w aktuatory lub sterowane ręcznie sekcje obwodowe. Ich nazwa pochodzi od sposobu, w jaki blokują one (i czynią wzajemnie zależnymi) dozwolone warunki kontrolera bezpieczeństwa i pozycje bramki obwodowej, niezależnie od stanu otwartego, zamkniętego, czy też innego. Innymi słowy, blokady współzależne dostarczają informacje zwrotne do kontrolerów bezpieczeństwa, które z kolei wymuszają prawidłowy stan maszyny dla danego zestawu pozycji osłon maszyny.

Normy regulujące instalowanie blokad współzależnych

Ilustracja 2: łączniki blokad współzależnych są przystosowane do różnych konfiguracji. Klasyfikacje wariantów blokad współzależnych określają międzynarodowe normy bezpieczeństwa. (Źródło ilustracji: Design World)

Obecnie przy projektowaniu i integracji blokad współzależnych w automatyce przemysłowej trzeba zapewnić zgodność z pięcioma pełnymi normami - w tym wymaganiami dla oznaczeń CE (Conformitè Europëenne) i dyrektywą maszynową 2006/42/WE. Norma ISO 12100 (oraz przyjęte fragmenty normy ISO 14119) definiują blokady współzależne jako urządzenia, które zapobiegają niebezpiecznym operacjom maszyn przy otwartych bramkach do obszaru chronionego. Blokady współzależne zwane blokadami zabezpieczającymi lub łącznikami blokującymi bramki, które idą o krok dalej i blokują bramki w pozycji zamkniętej, podlegają własnym wymaganiom - m.in. muszą być wyposażone w zamek ewakuacyjny dla techników, którzy zostali zablokowani w niebezpiecznym gnieździe produkcyjnym.

Niektóre z norm odnoszą się do podstawowej technologii łączników pozycyjnych lub zbliżeniowych, które stanowią fundament każdej blokady współzależnej. Określają one również wymagania dotyczące łączenia elektronicznie aktywowanych sekcji ochronnych gniazda produkcyjnego z urządzeniami sterującymi - zazwyczaj w celu nakazania spowolnienia lub nawet wstrzymania wszelkich potencjalnie niebezpiecznych ruchów.

Uwzględnianie czasu zatrzymania maszyny

Najbardziej niezawodne blokady współzależne biorą pod uwagę określone interwały zatrzymania osi - zdefiniowane jako czas, jakiego potrzebuje maszyna, aby zmniejszyć prędkość do bezpiecznego stanu po wydaniu polecenia zatrzymania. W rzeczywistości systemy blokad współzależnych uwzględniają te interwały zatrzymania, jak również czas, w którym operator maszyny mógłby dotrzeć do niebezpiecznych osi po wydaniu polecenia zatrzymania. Zoptymalizowane instalacje blokad współzależnych:

• Zapewnienie bezpiecznego stanu na długo przed potencjalnym dotknięciem przez operatora niebezpiecznych osi maszyny lub zbliżeniem się do nich.
• Wspieranie efektywnego wykorzystania maszyny poprzez unikanie zbyt długich przestojów.

W rzeczywistości norma ISO 12100 szczegółowo opisuje, w jaki sposób zamknięcie drzwi i paneli zabezpieczonych blokadą współzależną może natychmiast wywołać wznowienie pracy maszyny. Jest to przeciwieństwo zatrzymania awaryjnego, które wymaga bardziej skomplikowanych sekwencji w celu ponownego uruchomienia maszyny. Za takim rozwiązaniem stoi logika, zgodnie z którą stosowanie blokad współzależnych - w przeciwieństwie do wyłączników awaryjnych - jest rutynowe (więc nie powinno utrudniać codziennej pracy).

Podstawowa technologia blokad współzależnych i możliwość ich obejścia

Maszyny zautomatyzowane muszą spełniać międzynarodowe wymagania bezpieczeństwa typu A, B, a czasem C. Norma ISO 12100-1 dotycząca bezpieczeństwa funkcjonalnego oraz inne podstawowe normy typu A mają zastosowanie do wszystkich urządzeń automatyki. W sytuacjach, w których konieczne jest utrzymanie określonego źródła energii, w celu zabezpieczenia maszyny przed ponownym uruchomieniem, mogą być stosowane elektroniczne elementy sterownicze spełniające wymogi normy ISO 12100. W tym obszarze zastosowań wyłączniki awaryjne nigdy nie stanowią akceptowalnego rozwiązania - w przeciwieństwie do kluczykowych blokad współzależnych.

Normy średniego zakresu typu B obejmują normy typu B1 dotyczące podejścia do bezpieczeństwa (w tym ISO 13849-1 i 62061) oraz normy typu B2, czyli wymagania dla systemów bezpieczeństwa (w tym ISO 13850 i 13851). Z kolei normy typu C są specyficzne dla typów maszyn, dlatego są szczególnie rygorystyczne i najczęściej stosowane przez producentów OEM przy projektowaniu nowych urządzeń.

Normy specyficzne dla blokad współzależnych to ISO 14118 i 14119.

Norma ISO 4118 określa sposoby zapobiegania nieoczekiwanemu uruchomieniu maszyny (poprzez rozproszenie mocy mechanicznej i odcięcie zasilania elektrycznego) po wejściu operatora w niebezpieczny obszar pracy maszyny. Tego rodzaju układy mogą odłączać zasilacze, zatrzymywać silniki, zwalniać aktuatory hydrauliczne i pozwalać na wydatkowanie pozostałej energii kinetycznej ruchomych segmentów maszyny.

W przeciwieństwie do innych norm wymienionych w niniejszym artykule, norma ISO 14119 obejmuje wymaganą specyfikę zabezpieczających blokad współzależnych poprzez:

• Odwołanie się do technik analizy ryzyka zawartych w innych normach bezpieczeństwa.
• Określenie cech blokad współzależnych, które zapobiegają przypadkowemu i celowemu obejściu zabezpieczeń.

Norma ISO 14119 definiuje blokady współzależne typu 1 jako łączniki pozycyjne wykorzystujące łatwy do obejścia mechaniczny zawias lub napęd krzywkowy. Pomiędzy wymiennymi (niekodowanymi) połówkami dochodzi do kontaktu powodującego aktywację. Zalety blokad współzależnych typu 1 to niski koszt i łatwa konfigurowalność.

Blokady współzależne typu 2 (po raz pierwszy zdefiniowane w normie DIN EN 1088) obejmują trudniejsze do obejścia łączniki pozycyjne wykorzystujące aktywację mechaniczną. Połówki są kodowanymi (dopasowanymi) języczkami lub (w przypadku zamków zabezpieczających) blokowanymi kluczami. Te drugie zmuszają operatorów do zamknięcia wszystkich osłon zanim układ sterowania umożliwi uruchomienie maszyny. Wyciągnięcie kluczyka jest możliwe tylko wtedy, gdy osłony są zablokowane. W pełni zintegrowane obwodowe elementy sterujące idą jeszcze dalej i zmuszają operatorów do użycia tych samych kluczy w kluczykowych włącznikach interfejsu HMI, które blokują klucz podczas pracy maszyny.

Norma ISO 14119 klasyfikuje wszystkie bezkontaktowe łączniki bezpieczeństwa bez aktywacji kodowej jako blokady współzależne typu 3. Najłatwiejsze do obejścia są blokady wykorzystujące aktywację optyczną, ultradźwiękową lub pojemnościową. Nieco trudniej jest obejść blokady indukcyjne i magnetyczne. W przypadku gdy konieczne jest zastosowanie niedającego się obejść zabezpieczenia, zaleca się blokady współzależne typu 4, w których wykorzystywane są dopasowane lub kodowane połówki aktuatora w działaniu bezkontaktowym, oparte na technologii RFID, magnetycznej lub optycznej.

Porównanie blokad współzależnych z czujnikami bezpieczeństwa i łącznikami obwodowymi

Ilustracja 3: samo zamknięcie zabezpieczających blokad współzależnych nie powoduje ponownego uruchomienia niebezpiecznych procesów maszyn. Odpowiada za to natomiast oddzielna sterująca blokada współzależna o podwójnym działaniu lub włącznik, taki jak przedstawiony tutaj pojemnościowy łącznik dotykowy typu soft-touch. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Ilustracja 4: niektóre blokady współzależne o podwójnym działaniu mają aktuatory, dzięki którym działają jak blokady zabezpieczające. Są to łączniki pozycyjne z ryglami lub zespołami elektromagnetycznymi, które mogą utrzymywać drzwi w stanie zablokowanym do czasu, gdy niebezpieczny ruch zabezpieczanego ramienia robota lub zabezpieczanej maszyny ustanie. Niestety, niektórzy inżynierowie błędnie uważają, że wszystkie blokady współzależne są blokadami zabezpieczającymi. (Źródło ilustracji: Omron)

Blokady współzależne wykazują podobieństwa do innych komponentów sprzężenia zwrotnego i komponentów pomiarowych do zastosowań zabezpieczających, opartych na tych samych podstawowych technologiach. Ale żeby było jasne, żadne z tych komponentów nie są związane z obwodami maszyn tak jak blokady współzależne. Ponadto, aktualne normy bezpieczeństwa wymagają, aby blokady współzależne nie dawały sygnału do wznowienia działania bez przeprowadzenia procesu przywracającego odpowiedni stan.

Komponenty dostarczane jako przemysłowe czujniki bezpieczeństwa sprawdzają (często bezkontaktową metodą indukcyjną lub fotoelektryczną) pozycje elementu maszyny lub przedmiotu obrabianego, umożliwiając kontrolerom reagowanie poleceniami odpowiednimi do zgłoszonych stanów. Z kolei przemysłowe łączniki bezpieczeństwa wyłączają i włączają zasilanie po wykryciu pozycji elementu maszyny lub obrabianego przedmiotu. Po rozpoznaniu pozycji wyzwalających łączniki takie powodują odłączenie zasilania odpowiedniej sekcji maszyny lub jego ponowne włączenie. Użycie zwykłego łącznika zbliżeniowego jako blokady współzależnej nie jest już wystarczające. Wymogi normy IEC 60947 stanowią, że komponenty stosowane jako blokady współzależne muszą posiadać obecnie bardzo specyficzne cechy związane z bezpieczeństwem, aby uniemożliwić ich obejście i zapewnić bezawaryjność.

Elementami systemów bezpieczeństwa są również przekaźniki, które bezpośrednio zwierają lub rozwierają styki elektryczne - w najczęściej stosowanych układach zasadniczo przenoszą niskie napięcie sterujące, aby ostatecznie kierować przez sterowane styki zasilania prąd o wyższym natężeniu. Rozważmy dwie powszechne funkcje, które stają się wzajemnie zależne na skutek zastosowania blokad współzależnych: otwarcie drzwi osłonowych i praca wrzeciona napędzanego silnikiem w obrabiarce. Wskutek współpracy tych dwóch funkcji prawdopodobieństwo, że frezarka uszkodzi własny podsystem lub zrani operatora jest bardzo niskie. W tym kontekście blokady współzależne działają jak łączniki w sekwencji roboczej.

Najrzadsze są blokady współzależne z krzywką mechaniczną z ramionami, które obracają się w celu zablokowania niebezpiecznych osi maszyny. Znacznie częściej stosowane są elektromechaniczne i elektroniczne blokady współzależne wykorzystujące obwody i mikroprocesory zapewniające efektywność ekonomiczną, a nawet możliwość ponownej konfiguracji. Na przykład elektromechaniczne blokady współzależne z zawiasami na drzwiach obwodowych posiadają kolanko mechaniczne lub ramię z dźwignią otwierające się wraz z osłoną na zawiasach; będąc w pozycji pod kątem innym niż ustawiony kąt przełączania uruchamia polecenia zatrzymania maszyny wewnątrz obwodu. W przypadku ponownego zamykania drzwi, siła drzwi ostatecznie powoduje, że elektromagnes blokady współzależnej ponownie zamyka obwód elektryczny.

Typowe rodzaje oprzewodowania i elektromagnesów w blokadach współzależnych

Ilustracja 5: w ostatnich latach innowacyjne opcje połączeń tylko zwiększyły niezawodność instalacji z wieloma typami zabezpieczeń. Tutaj moduł połączeniowy łączy się z innymi komponentami zabezpieczającymi za pomocą sieci adapterów typu T. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Oprzewodowanie blokad współzależnych ma najczęściej konfigurację rozwierną (NC), w której pozwalają na pracę maszyn tylko wtedy, gdy obwód elektryczny jest zamknięty. Większość norm bezpieczeństwa wymaga, aby komponenty obwodu bezpieczeństwa instalować szeregowo, zapewniając w ten sposób maksymalną niezawodność wykrywania błędów i zdarzeń (przy zachowaniu dopuszczalnej całkowitej liczby czujników). Przekroczenie tej liczby czujników może obniżyć projektowane parametry działania i zwiększyć prawdopodobieństwo maskowania usterek.

Działanie zabezpieczających blokad współzależnych z jednym sprężynowym łącznikiem rozwiernym (obojętnie czy pozycyjnym, czy krańcowym) jest zazwyczaj dodatnio skorelowane z otwarciem osłony, podczas którego osłona naciska na sprężynę blokady współzależnej, rozwierając styki elektryczne. Z kolei w bardziej niezawodnych blokadach współzależnych z dwoma łącznikami, jeden łącznik aktywuje się po otwarciu osłony, a drugi z rozwartymi stykami po zamknięciu osłony. Dodatkową funkcją wykrywania przerw w przewodach spowodowanych przecięciem, korozją lub przegrzaniem jest elektroniczne automatyczne zgłaszanie zwarć (zwykle poprzez monitorowanie różnicy potencjałów między dwoma kanałami wejściowymi).

Dzięki niezawodności działania elektromagnesu z trzpieniem ruchomym i cewką komponenty bezpieczeństwa oparte na elektromagnesach są odpowiednim rozwiązaniem do krytycznych zastosowań wymagających blokad współzależnych. Wejściowy sygnał elektryczny zazwyczaj powoduje liniowy ruch trzpienia (z powrotem sprężynowym po wyłączeniu zasilania). Elektromagnesy zintegrowane w zabezpieczających i ryglowcyh blokadach współzależnych stanowią źródło wejściowe dla mechanizmów zamków. Inne tego typu konstrukcje oparte na elektromagnesach mogą również zapewniać prawidłowe działanie mechaniczne - na przykład w celu zapewnienia równomiernego ruchu przenośnika nawet podczas obsługi lub obróbki elementów na taśmie przez roboty. Redundancja oparta na cewkach (z łącznikami szeregowymi i dwubiegunowymi do weryfikacji pozycji) może zminimalizować liczbę fałszywych aktywacji blokad współzależnych.

Podsumowanie

Blokady współzależne uzależniają stan obwodu maszyny od elementów bezpieczeństwa. W rzeczywistości sygnały zwrotne obecnych blokad współzależnych z takimi kontrolerami mogą aktywować wyjątkowo wyrafinowane reakcje maszyny w odpowiedzi na różne pozycje bramki maszyny. Najbardziej zaawansowane blokady współzależne mogą realizować odporne na uszkodzenia funkcje przetwarzania brzegowego, przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) oraz zadania wymagające niezawodności wykraczających poza możliwości tradycyjnych łączników i czujników przemysłowych. Głównym warunkiem stosowania zabezpieczających blokad współzależnych jest to, że nie mogą być uciążliwe dla operatorów maszyn. Automatyka i warunkowe odblokowanie najczęściej używanych drzwi osłonowych mogą poprawić funkcjonalność przy zminimalizowaniu liczby niewykrytych usterek.