Základy bezpečnostních blokování

Zajištění bezpečnosti personálu výrobního provozu vyžaduje, aby byl chráněn před mechanickými hrozbami ublížení na zdraví. Tento obor bezpečnostního inženýrství se nazývá snížení průmyslového rizika. Místní zákony a průmyslové normy vyžadují, aby automatizovaná zařízení zahrnovala různé mechanické bezpečnostní prvky, které zabrání nebezpečnému spuštění stroje a v případě nového rizika zranění pracovníků provede bezpečné odstavení. Základem těchto bezpečnostních systémů jsou dobře definované hranice kolem stroje - a zabezpečení nebo součásti chránící stroj.

Ačkoli zabezpečení je v některé literatuře běžně používaný termín, normy Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) a rostoucí počet dodavatelů součástí pro automatizaci mu udělují velmi specifickou definici. Tyto autoritativní průmyslové zdroje obecně omezují význam zabezpečení na komponenty a subsystémy obklopující potenciálně nebezpečné oblasti stroje pomocí následujících součástí:

• Plechová pouzdra a pletivové nebo skleněné oplocení
• Posuvné skleněné výplně, dveře a otočné brány
• Senzory a světelné závěsy
• Speciální bariérové komponenty jiného elektronického nebo fyzického provedení
• Bezpečnostní blokování - zaměření tohoto článku

Přestože jsou chráněné obvody stroje obvykle složeny z nepohyblivých prvků, uvedené pohyblivé nebo prostupné části (včetně okenních štítů, závěsů a dveří) mohou umožnit operátorovi přístup do kritických oblastí pro obsluhu, seřizování nebo servis stroje. Pohodlným způsobem kategorizace těchto bezpečnostních prvků je jejich seskupení podle toho, zda jsou s daným bezpečnostním prvkem (například se světelnými závorami) v přímém fyzickém kontaktu operátor stroje nebo jiní pracovníci provozu, nebo zda se prvku dotýká některá mezilehlá podsekce stroje. Ty podsekce zahrnují řadu strojově aktivovaných bezpečnostních spínačů, senzorů a blokovacích zařízení.

Obrázek 1: na všech dveřích tohoto stroje koncové spínače ověří uzavření, než umožní jeho spuštění. (Zdroj obrázku: Getty Images)

Takže, co přesně jsou blokovací zařízení? Jedná se o mechanické, elektrické nebo elektromechanické bezpečnostní prvky, které ve svém jádru tvořeny bezdotykovými nebo polohovými spínači. Vždy se instalují na ohraničení stroje u pohyblivých (průchozích) bran. Na rozdíl od bezpečnostních závěsů nebo spínačů operátora se blokovací zařízení se spouštějí pohybem pohyblivého stroje nebo jeho obvodových sekcí. Přesněji řečeno, bezpečnostní blokovací zařízení lze spustit aktivací obvodových sekcí nebo ručně otevíranými částmi. Jejich název je odvozen od způsobu, jakými blokují (a činí vzájemně závislými) povolené stavy bezpečnostní řídicí jednotky a polohy obvodové brány … ať již otevřeno nebo zavřeno nebo jiný stav. Jinými slovy, blokovací zařízení poskytují zpětnou vazbu bezpečnostním řídicím jednotkám, které následně odvozují správný stav stroje pro danou sadu pozic jeho ochran.

Normy upravující zahrnutí blokovacích zařízení

Obrázek 2: blokovací spínače se mohou přizpůsobit různým orientacím. Klasifikace takových variant blokování je definována v mezinárodních bezpečnostních normách. (Zdroj obrázku: Design World)

V současné době musí návrh a integrace blokovacích zařízení pro aplikace průmyslové automatizace splňovat pět úplných norem, včetně směrnice o strojních zařízeních Conformitè Europëenne (CE) 2006/42/ES. Norma ISO 12100 (a přijaté pasáže normy ISO 14119) definuje blokovací zařízení jako součásti, které zabraňují nebezpečným operacím stroje, jsou-li otevřené brány do chráněného prostoru. Blokovací zařízení nazývaná ochranné zámky nebo uzamykací spínače brány jdou oproti uzavřeným branám ještě o krok dále a podléhají vlastním pravidlům, včetně požadavku, aby byly vybaveny únikovou západkou pro techniky, kteří se ocitnou uzamčení uvnitř nebezpečné pracovní buňky.

Některé z norem odkazují na hlavní technologie polohových nebo bezdotykových spínačů tvořící základ každého blokovacího zařízení. Nastiňují také požadavky na propojování elektronicky ovládaných sekcí ochrany pracovních buněk s ovládacími prvky zařízení - obvykle pro zpomalení nebo dokonce zastavení jakýchkoli potenciálně nebezpečných pohybů.

Přizpůsobení času na zastavení stroje

Nejspolehlivější blokovací zařízení splňují specifické intervaly zastavení os, definované jako čas, který stroj potřebuje ke zpomalení do bezpečného stavu po vydání příkazu k zastavení. Blokovací systémy se ve skutečnosti přizpůsobují těmto intervalům zastavení, jakož i době, po kterou existuje riziko, že po vydání příkazu k zastavení by se obsluha stroje mohla dostat k nebezpečným osám. Optimalizované instalace blokovacích zařízení:

• Zajistit, aby bylo dosaženo bezpečného stavu dlouho předtím, než by se obsluha mohla dotknout nebezpečných os stroje nebo se k nim přiblížit.
• Podpora efektivního využívání stroje vyhýbáním nadměrně dlouhým stavům uzamčení.

Norma ISO 12100 ve skutečnosti podrobně popisuje, jak mohou dveře a panely chráněné blokovacím zařízením ihned spustit obnovení provozu stroje (svým zavřením). Tento postup je v rozporu s nouzovými zastaveními, která vyžadují složitější sekvence restartování stroje. Logika těchto norem spočívá v tom, že používání blokovacích zařízení je na rozdíl od nouzového zastavení rutinnní (nemělo by tedy bránit každodennímu provozu).

Technologie základního vzájemného blokování a překonatelnost

Automatizované stroje musí splňovat mezinárodní bezpečnostní požadavky typu A, B a někdy i C. Funkční bezpečnostní norma ISO 12100-1 a další základní normy typu A platí pro všechna automatizační zařízení. Elektronické ovládací prvky vyhovující normě ISO 12100 mohou řešit situace zahrnující jakoukoli nevyhnutelnou údržbu určitého zdroje energie - konkrétně zamezením jakémukoli neočekávanému restartu stroje. Pro tento účel nejsou nikdy přijatelným řešením nouzová zastavení, ale klíčová blokovací zařízení.

Normy střední třídy typu B zahrnují bezpečnostní normy B1 (včetně ISO 13849-1 a 62061), jakož i specifické požadavky na bezpečný systém B2 (včetně ISO 13850 a 13851). Naproti tomu normy typu C jsou specificky orientované na typy strojů, proto jsou velmi přísné a nejvíce používané OEM výrobci pro návrh nových zařízení.

Normy specifické pro blokovací zařízení zahrnují ISO 14118 a 14119.

Norma ISO 4118 podrobně popisuje způsoby, jak zabránit neočekávanému spuštění stroje (rozptýlením mechanické energie a přerušením přívodu elektrické energie) při vstupu operátora do nebezpečného pracovního prostoru stroje. Takové systémy mohou odpojit napájecí zdroje, zastavit motory, uvolnit aktuátory s kapalinovým pohonem a umožnit využití jakékoli zbývající kinetické energie pohyblivých segmentů stroje.

Na rozdíl od jiných norem zmíněných v tomto článku pokrývá norma ISO 14119 požadavky na ochranná blokovací zařízení následujícími způsoby:

• Odkazováním na techniky analýzy rizik jiných bezpečnostních norem.
• Definováním funkcí blokovacích zařízení, které zabraňují náhodným a úmyslným bezpečnostním poruchám.

Norma ISO 14119 definuje blokovací zařízení typu 1 jako polohové spínače používající snadno překonatelné mechanické ovládání pomocí pantu nebo vačky. Ovládací kontakt nastává mezi vyměnitelnými (nekódovanými) polovinami. Výhody blokování typu 1 jsou nízké náklady a vysoká konfigurovatelnost.

Blokovací zařízení typu 2 (jak je poprvé definováno v normě DIN EN 1088) zahrnují obtížněji překonatelné, mechanicky vybavované polohové spínače. Jejich dvě poloviny jsou tvořeny kódovanými (spojenými) jazýčky nebo (u bezpečnostních zámků) chycenými klíči. Tento klíč přinutí obsluhu uzamknout všechny ochranné kryty dříve, než ovládací prvky umožní spuštění stroje… a vyjmutí klíče je možné pouze při zajištění ochranných krytů západkou. Plně integrované obvodové ovládací prvky jdou ještě dále a nutí operátory používat stejné klíče ve spouštěcích klíčových spínačích rozhraní člověk-stroj (HMI), které klíč během provozu stroje blokují.

Norma ISO 14119 klasifikuje všechny bezkontaktní bezpečnostní spínače bez kódovaného ovládání jako blokovací zařízení typu 3. Nejsnáze překonatelné jsou ty, které využívají optické, ultrazvukové nebo kapacitní ovládání; o něco méně překonatelné jsou blokovací zařízení na bázi indukce a magnetismu. Tam, kde je překonatelnost nepřípustná, je zaručeno použití blokovacích zařízení typu 4, která používají přizpůsobené nebo kódované poloviny aktuátoru v bezkontaktním provozu založené na RFID, magnetické nebo optické technologii).

Porovnání blokovacích zařízení s bezpečnostními senzory a obvodovými spínači

Obrázek 3: nebezpečný restart stroje se nespustí pouhým uzavřením ochranných blokovacích zařízení; tato role je namísto toho svěřena dvojčinnému ovládacímu blokovacímu zařízení nebo spouštěcímu spínači, jako je zde zobrazený kapacitní prstový spínač s měkkým dotykem. (Zdroj obrázku: Getty Images)

Obrázek 4: Některá dvojčinná blokovací zařízení jsou opatřena aktuátory, které plní funkci ochranných zámků. Jedná se o polohové spínače se závorami nebo elektromagnetickými sestavami, které mohou udržet dveře zamčené, dokud chráněné robotické rameno nebo stroj neukončí svůj nebezpečný pohyb. Někteří konstruktéři se bohužel mylně domnívají, že všechna blokovací zařízení jsou typu ochranného zámku. (Zdroj obrázku: Omron)

Blokovací zařízení sdílejí podobné vlastnosti s ostatními zpětnovazebními a detekčními bezpečnostními prvky založenými na stejných základních technologiích. Ale pro upřesnění, žádný z těchto dalších prvků není propojen s obvody stroje, jako je tomu blokovacích zařízení. Dnešní bezpečnostní standardy dále vyžadují, aby blokovací zařízení neumožňovala obnovení činnosti bez určitého opravného reverzního procesu.

Součásti dodávané jako průmyslové bezpečnostní senzory detekují polohy strojního prvku nebo obrobku (často prostřednictvím bezkontaktních indukčních nebo fotoelektrických prostředků), tyto informace předávají řídicím jednotkám, které pak reagují vydáváním příkazů podle nahlášenému stavu. Naproti tomu průmyslové bezpečnostní spínače při detekci polohy strojního prvku nebo obrobku vypínají a zapínají napájení. Po ověření spouštěcích poloh tyto spínače ihned odpojí nebo obnoví napájení příslušné části stroje. Jako blokovací zařízení již nestačí použít obyčejný bezdotykový spínač. Podle náročných požadavků normy IEC 60947 musejí mít nyní prvky používané jako blokovací zařízení velmi specifické bezpečnostní vlastnosti na vyloučení překonání a jiných poruch.

V bezpečnostních systémech se nacházejí také relé, která přímo spojují a rozpojují elektrické kontakty - v nejběžnějších uspořádáních v podstatě předávají malé ovládací napětí, které dá v konečné fázi podnět k průchodu vyššího proudu ovládaným výkonovým kontaktem. Uvažme dvě běžné funkce vzájemně provázané pomocí blokovacích zařízení: otevírání ochranných dveří a motorem poháněné vřeteno na obráběcím stroji. Díky jejich vzájemné provázanosti je nepravděpodobné, aby by frézovací stanice poškodila své vlastní podsystémy nebo zranila obsluhu. V tomto ohledu plní blokovací zařízení funkci spínačů v provozní sekvenci.

Nejvzácnější jsou mechanická vačková blokovací zařízení s rameny, která pomocí otočného uložení blokují nebezpečné strojní osy. Mnohem běžnější jsou elektromechanická a elektronická blokovací zařízení využívající obvody a mikroprocesory díky jejich cenově efektivní spolehlivosti a možnosti rekonfigurace. Například elektromechanická výklopná blokovací zařízení na obvodových dveřích zahrnují mechanické rameno nebo rameno páky, které se otevírá společně se sklopným krytem; mimo nastavený spínací úhel spouští příkazy k zastavení ohraničeného stroje. Dveře při opětovném uzavření předají svou silou pokyn elektromagnetu blokovacího zařízení k opětovnému sepnutí obvodu.

Typické zapojení a typy elektromagnetů v blokovacích zařízeních

Obrázek 5: Inovativní možnosti připojení v posledních letech pouze zvýšily spolehlivost instalací s více ochranami. Zde je modul rozhraní připojen k dalším bezpečnostním prvkům přes síťový T-adaptér. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Blokovací zařízení jsou nejčastěji provedena jako kabelová pro rozpínací, popř. NC logiku, která ponechává stroje v chodu pouze při uzavření obvodu. Většina bezpečnostních norem vyžaduje, aby součásti bezpečnostního obvodu byly zapojeny do série pro zajištění maximální spolehlivosti detekce chyb a událostí (až do celkového povoleného počtu snímačů). Překročení tohoto počtu senzorů může snížit výkonnostní úroveň konstrukce (PL) a zvýšit pravděpodobnost maskování chyb.

Bezpečnostní blokování využívající jeden pružinou ovládaný NC spínač (ať již polohový nebo koncový) obvykle poskytuje pozitivní přerušení, a tedy otevření krytu tlačí na pružinu blokovacího zařízení, která rozpojí jeho elektrické kontakty. Naproti tomu spolehlivější blokovací zařízení se dvěma spínači používají jeden spínač k aktivaci při otevření krytu a druhý spínač k rozpojení elektrických kontaktů při zavření krytu. Elektronické samohlášení zkratů (obvykle monitorováním rozdílu potenciálů mezi dvěma vstupními kanály) je doplňkovou funkcí pro detekci přerušení vodičů v důsledku střihu, koroze nebo přehřátí.

Bezpečnostní prvky na bázi elektromagnetu se díky provozní spolehlivosti elektromagnetu s pístem a cívkou stávají vhodnými pro kritické aplikace blokování. Elektrický vstup obvykle způsobuje lineární výstupní pohyb pístu (s návratem pružiny při vypnutí napájení). Pokud jsou solenoidy integrovány do ochranných a závorových blokovacích zařízení, jsou vstupním zdrojem pro západkové mechanismy. Jiné takové konstrukce na bázi elektromagnetů mohou také zajistit správný mechanický chod – například rovnoměrný pohyb dopravníku i během manipulace se zařízeními nebo zpracovávání obrobků jedoucích po pásu. Redundance na bázi solenoidů (se sériově zapojenými a dvoupólovými spínači pro ověření polohy) mohou minimalizovat chybnou signalizaci blokování.

Závěr

Blokovací zařízení zajišťují vzájemnou závislost stavu obvodu stroje a bezpečnostních ovládacích prvků. Dnešní zpětné vazby blokovacích zařízení na takové řídicí jednotky mohou ve skutečnosti vyvolávat výjimečně sofistikované odezvy stroje na různé polohy jeho brány. Nejpokročilejší blokovací zařízení mohou převzít úkoly bezpečných výpočtů na okraji, IIoT a spolehlivosti, které přesahují možnosti tradičních průmyslových spínačů a senzorů. Hlavní výhradou je skutečnost, že ochranná blokovací zařízení nesmějí být pro obsluhu stroje obtěžující. Automatické funkce a podmíněná odemykání u nejčastěji používaných ochranných dveří mohou zlepšit funkčnost s minimalizací nezjištěných poruch.