Elektromechaniczne urządzenia ryglujące osłonę – rozwiązania Euchner
Elektromechaniczne urządzenia ryglujące osłonę są sprawdzonymi podzespołami bezpieczeństwa stosowanymi w osłonach blokujących w maszynie w strefach zagrożeń. Te tradycyjne elementy są wciąż popularnym i często stosowanym rozwiązaniem sprzężonym z osłoną do ochrony przed dostępem do stref zagrożeń i do stref procesowych (ochrona przed przerwaniem procesu) w maszynach i instalacjach. Eltron oferuje urządzenia ryglujące z portfolio firmy Euchner.
Nowa norma EN ISO 14119 rozróżnia dwa rodzaje ryglowania osłony: do ochrony procesu oraz do ochrony personelu. Pierwszy typ służy jedynie do zapobiegania zakłóceniom w procesie technologicznym, dlatego w tym wypadku nie ma zdefiniowanych wymagań bezpieczeństwa związanych z funkcją ryglowania osłony, jednakże wszystkie wymagania muszą być spełnione dla funkcji ryglowania. Maszyna nie musi zatem być zatrzymana w sposób bezpieczny, kiedy urządzenie ryglujące osłonę jest odryglowane, lecz dopiero wtedy, kiedy drzwi ochronne z urządzeniem ryglującym są otwarte. Urządzenia ryglujące osłonę do ochrony personelu zapobiegają wnikaniu do strefy zagrożenia maszyny do czasu, kiedy zagrożenie nie zostanie wyeliminowane. Maszyna musi być zatrzymana bezpiecznie, gdy urządzenie blokujące jest odryglowane.
Wymagania norm
Normy zawierają różnorodne wymagania dotyczące elementów bezpieczeństwa. Podstawowym wymogiem jest niezawodne monitorowanie pozycji urządzenia ryglującego osłonę. Drugim jest zasada ryglowania. Norma EN ISO 14119 definiuje cztery różne zasady ryglowania.
Dwie z nich są odpowiednie dla urządzeń ryglujących osłonę do ochrony personelu. Pierwszą jest “uruchamianie ryglowania przez siłę sprężyny “odblokowanie poprzez dostarczenie energii elektrycznej”. Mechaniczna sprężyna porusza mechanizm ryglujący na pozycję zaryglowania, ryglowanie jest zwalniane poprzez przyłożenie napięcia do cewki elektromagnetycznej. Przy braku zasilania elektrycznego drzwi pozostają niezawodnie zaryglowane, jeśli przed brakiem zasilania były zamknięte.
W takim wypadku niemożliwe jest wejście do maszyny, a gdy konieczne jest niezwłoczne otwarcie osłony, np. aby wyczyścić maszynę, norma EN ISO 14119 przewiduje dodatkowe opcje odblokowujące zamek albo odwołuje się do użycia innych zasad.
Zasada bistabilności
Kolejną zasadą ryglowania związaną z ochroną personelu jest: “zablokowanie przez energię, odblokowanie przez energię”. W tego typu urządzeniu zespół ryglujący pozostaje w pozycji jakiej był, kiedy energia elektryczna została wyłączona, i nie zmienia stanu. Tak zwane bistabilne wersje tego typu urządzeń ryglujących osłonę nazywają się modelami STP-BI i są dostępne w ofercie Euchner od wielu lat. W praktyce maszyna często jest zatrzymana, gdy urządzenie ryglujące osłonę jest otwarte, nawet jeśli ochrona procesu jest właściwa. Jednakże w tym przypadku jeden z wyżej wymienionych warunków nie musi być spełniony.
Dwa następne warunki: “uruchamianie za pomocą energii, zwalnianie przez energię sprężyny” i “uruchamianie za pomocą energii, zwalnianie z wyłączeniem energii” pozwalają otworzyć drzwi i w ten sposób umożliwić czyszczenie maszyny lub wykonanie prac serwisowych, kiedy maszyna jest wyłączona lub w wypadku awarii prądu.
Różne poziomy bezpieczeństwa (Performance Level)
Drzwi bezpieczeństwa mogą być chronione zgodnie z oczekiwanym lub wymaganym poziomem zapewnienia bezpieczeństwa (zgodnie z normą EN ISO 13849-1) z zastosowaniem elektromechanicznych urządzenia ryglującego dla ochrony personelu. Nie jest konieczne używanie nowoczesnych urządzeń ze zintegrowaną elektroniką. Niezbędne elementy to właściwa technologia obwodów i prawidłowy dobór komponentów bezpieczeństwa. Trzy praktyczne przykłady przedstawione poniżej obrazują, jak można to osiągnąć.
Przykład 1
W wielu aplikacjach jedno urządzenie ryglujące, którego dwa styki są podłączone do systemu bezpieczeństwa, jest stosowane w celu spełnienia wymagań trzeciej kategorii, tak jak jest to pokazane na rysunku 2. Taki układ spełnia główne wymaganie tej kategorii związane z redundancją obwodu dla części elektrycznej systemu, ponieważ jest ona dwukanałowa. Funkcja diagnostyczna na pierwszy rzut oka również spełnia postawione przed nią wymagania. Niedoskonałość tego rozwiązania dotyczy jednak aspektów mechanicznych. Jeśli np. aktywator urządzenia ryglującego zostanie uszkodzony, nastąpi wówczas utrata funkcji bezpieczeństwa przy pierwszym błędzie, nazywanym defektem sprzętu mechanicznego. To z kolei oznacza, że nie wszystkie wymogi kategorii trzeciej mogą być spełnione. Norma EN ISO 13849-1 uwzględnia nie tylko wymagania dla systemu elektrycznego obwodu bezpieczeństwa, ale również dla mechanicznego, hydraulicznego i pneumatycznego. Mimo to przykład prezentuje właściwe zastosowanie urządzenia ryglującego i może również spełnić wymogi kategorii 3. Istotne jest w tym przypadku tzw. wykluczenie błędów (ang. fault exclusion), co znaczy, że określone błędy nie mogą wystąpić. Wykluczenia są dopuszczalne w normie EN ISO 13849-1. Część 2 tej normy zawiera długą listę dotyczącą rozmaitych koncepcji. Dodatkowo dla mogących wystąpić błędów możliwe jest określenie, czy związane z nimi wykluczenie błędów jest dopuszczalne. W celu przeprowadzenia wykluczenia błędów podzespołów mechanicznych konieczne jest zapobiegnięcie wystąpieniu tych błędów. Przykładem jest zabezpieczenie elementu mechanicznego ryglowania przed siłami zdolnymi wywołać taką awarię i mającymi wpływ na jego poprawne działanie. Jeśli można to zapewnić, to wykluczenie błędu jest uzasadnione i zgodnie z normą dopuszczalne.
Lista wykluczeń błędów
Firma Euchner od długiego czasu udostępnia w formie broszury przewodnik dotyczący zagadnień wykluczania błędów: “Proven Systems “Proven Safe”. Publikacja ta zawiera zestawienie wszystkich błędów, które mogą wystąpić w urządzeniach blokujących lub w urządzeniach ryglujących osłony. Ponadto przewodnik przedstawia informacje dotyczące oceny wykluczenia błędów zawarte w normach. Norma EN ISO 13849-2 nie zezwala na użycie wykluczenia błędów dla usterek urządzeń mechanicznych na poziomie zapewnienia bezpieczeństwa PLe dla elektromechanicznych urządzeń blokujących. Norma ta nie jest jednak zaadresowana do urządzeń ryglujących osłony. Zostało to uregulowane w nowej normie EN ISO 14119. W przypadku urządzeń ryglujących osłony, wykluczenie błędów dla mechanizmu ryglującego tego urządzenia jest możliwe w Ple zależnie od oceny ryzyka. Jest to jednak możliwe tylko w odniesieniu do mechanizmu ryglującego, czyli rygla który absorbuje rzeczywistą siłę mechaniczną. Nie odnosi się to do funkcji blokującej osłony w każdym urządzeniu ryglującym osłonę. Powyższy obwód, w którym zawarte są wykluczenia błędów nie może osiągnąć “PL e”, ale może osiągnąć “PL d”.
Przykład 2 ” kategoria 3 bez wykluczenia błędów
Jeśli nie ma możliwości zastosowania lub nie może być zastosowane wykluczenie błędów, konieczne jest użycie dodatkowego czujnika w drugim kanale. Jego zadaniem jest wydanie co najmniej jednego sygnału więcej do wyłączenia maszyny w przypadku mechanicznego defektu w urządzeniu ryglującym osłonę.
W przypadku takiego urządzenia pojawia się pytanie, jaki typ czujnika musi być użyty dla drugiego kanału. Ostatecznie można to ustalić tylko po analizie ryzyka. Jednakże jednorazowe otwarcie drzwi bezpieczeństwa przy pracującej maszynie jest akceptowalne w wielu przypadkach. Innymi słowy, jeśli urządzenie ryglujące osłonę nie funkcjonuje z powodu awarii mechanicznej, co najmniej jeden sygnał wyłączający maszynę musi być wydany, kiedy drzwi ochronne zostaną otwarte. Ta funkcja może być zrealizowana za pomocą prostego czujnika, jak np. przełącznik pozycji (position switch) firmy Euchner, który nie posiada funkcji ryglowania lub funkcji bezpieczeństwa. Przykład pokazany jest na rysunku 3. Dodatkowy czujnik P1 jest połączony szeregowo zjednym zdwóch styków, które monitorują pozycję urządzenia ryglującego. W rezultacie tylko jeden z kanałów zostanie wyłączony, jeśli urządzenie ryglujące jest uszkodzone ” błąd jest wykrywany przez logiczną jednostkę bezpieczeństwa K1 i maszyna nie uruchomi się po tym, jak drzwi ochronne zostają otwarte. Informacje dotyczące wyliczenia poziomu zapewnienia bezpieczeństwa PL: w tym przykładzie przedstawiony schemat blokowy użyty do określenia prawdopodobieństwa awarii jest identyczny ze schematem blokowym z wykluczeniem błędów pokazanym na rysunku 2. Dodatkowy czujnik nie jest częścią funkcji bezpieczeństwa a, zatem nie wpływa na prawdopodobieństwo awarii. Czujnik jest potrzebny tylko do uzyskania odpowiedniego poziomu pokrycia diagnostycznego (diagnostic coverage).
Przykład 3 – urządzenie blokujące w kategorii 4
Wadą układu opisanego wyżej jest brak możliwości wykrycia awarii czujnika P1. Dlatego obwód osiągnie maksymalnie kategorię 3 a nie 4. Jeśli musi być wykryta awaria czujnika P1, obwód będzie zdecydowanie bardziej skomplikowany. Schemat takiego rozwiązania jest pokazany na rys. 4. W takim przypadku będzie potrzebna druga logiczna jednostka bezpieczeństwa i kolejny styk w urządzeniu ryglującym, w celu wykrycia usterki w czujniku P1. Jednostka logiczna bezpieczeństwa K1 zapewnia wykonanie tej funkcji w tym przykładzie. Logiczna jednostka bezpieczeństwa K2 monitoruje położenie urządzenia ryglującego osłonę używając dwóch kanałów. Jako że ten układ jest bardzo skomplikowany, ten sam rezultat owiele łatwiej uzyskać stosując bezpieczny sterownik, ponieważ i czujnik (P1) i urządzenie ryglujące osłonę można bezpośrednio połączyć z układem sterowania.
Ryglowanie osłon w celu ochrony personelu
O normach EN ISO 14119 i EN ISO 13849-1 wspomniano już w powyższych przykładach. Norma EN ISO 13855 jest kolejną odnoszącą się do urządzeń blokujących i do urządzeń ryglujących osłonę. EN ISO 14119 określa, kiedy do ochrony personelu konieczne jest użycie urządzenia ryglującego osłonę, a kiedy wystarczające będzie zastosowanie jedynie urządzenia blokującego. Wyboru dokonuje się za pomocą prostego schematu blokowego (rys. 5).
Monitorowanie pozycji zaryglowania
Jak to zostało pokazane wcześniej, pozycja urządzenia ryglującego musi być monitorowana w urządzeniach ryglujących osłonę do ochrony personelu. Oznacza to, że pozycja sworznia blokującego jest monitorowana. Jak również zostało wspomniane, każde urządzenie ryglujące posiada również funkcję blokowania (bez ryglowania). Podstawą do tego są dwie kompletnie różne funkcje bezpieczeństwa, które są zrealizowane w tym samym komponencie. Podstawowa funkcja to wyłączanie maszyny, kiedy urządzenie ryglujące jest otwarte. Inna funkcja jest związana z blokowaniem i jest stosowana do zapobiegania nieoczekiwanemu uruchomieniu maszyny. Tak długo, jak drzwi ochronne pozostają otwarte, maszyna musi być niezdolna do uruchomienia. Tzw. ochrona przeciwko przypadkowemu zamknięciu jest zainstalowana w większości tego typu urządzeń ryglujących, choć nie we wszystkich. Ta mechaniczna funkcja zapewnia, że urządzenie ryglujące osłonę może ją zaryglować tylko jeśli drzwi są aktualnie zamknięte. To zapewnia, że drzwi są zamknięte i zaryglowane nawet jeśli urządzenie ryglujące zostało aktywowane w niewłaściwym czasie. Z drugiej strony ta funkcja zapewnia również, że funkcja blokowania jest aktywna ilekroć urządzenie ryglujące jest aktywne. Z tego powodu jest wystarczające, jeśli styki do monitorowania zaryglowania są zintegrowane w obwodzie bezpieczeństwa. Pozycja ryglowania jest więc w rzeczywistości automatycznie kontrolowana. Tylko urządzenie ryglujące z taką funkcją jest odpowiednie do zastosowania jako system blokujący bez konieczności podjęcia dodatkowego działania. Elektromechaniczne urządzenia ryglujące osłonę są wciąż unowocześniane i oferują wiele zalet. Jednorazowy wysiłek wymagany do prawidłowego zintegrowania i oceny tych podzespołów bezpieczeństwa jest na pewno większy niż wymagany przy rozwiązaniach elektronicznych, jednak niezawodność sprzętu mechanicznego i jego efektywność są w tym przypadku dużym atutem.
mgr inż. Karol Węgiełek
Autor pracuje jako
Product Manager ds. produktów dla
bezpieczeństwa maszynowego
w firmie Eltron