Współpraca aktywnych optoelektronicznych urządzeń ochronnych (AOPD) z przekaźnikami bezpieczeństwa - zagadnienia wybrane

Wraz z rozwojem techniki urządzeń optoelektronicznych wzrasta rola użytkowa produktów związanych z systemem bezpiecznego zatrzymania maszyny. Właściwości aktywnych optoelektronicznych urządzeń ochronnych, znanych pod angielskojęzycznym skrótem AOPD pozwoliły na szerokie ich zastosowanie w aplikacjach przemysłowych we wszystkich kategoriach bezpieczeństwa.

 

Ze względu na ogromne możliwości i znaczącą liczbę dostępnych produktów, w niniejszej pracy przedstawiono jedynie nieliczne reprezentatywne przykłady zastosowań AOPD w układach sterowania bezpiecznym zatrzymaniem maszyny.

Skaner laserowy LS4

Rys. 1. Przykładowy schemat aplikacyjny skanera LS4 współpracującego z przekaźnikiem ewaluacyjnym 3RG7847. 1-2 wyjścia potencjałowe (OSSD), 2- obwód sprzężeń zwrotnych (styki pomocnicze styczników K4 i K5), 3 - styczniki wyjściowe (do sterowania układem napędowym), 4- przycisk RESET.

Skaner laserowy jako aktywne optoelektroniczne urządzenie ochronne stanowi w wielu przypadkach funkcjonalny element systemu sterowania zapewniającego bezpieczne zatrzymanie maszyny. Na Rys. 1. przedstawiono typowy fragment aplikacji w której skaner został dodatkowo wyposażony w przekaźnik bezpieczeństwa 3RG7847.. Dwa elektroniczne wyjścia skanera (1) zostały połączone ze wyspecjalizowanymi wejściami przekaźnika, który został wykonany w wersji w wyjściami przekaźnikowymi. Takie rozwiązanie pozwala zatem na zamianę sygnału skanera na sygnał bezpotencjałowy z separacją napięcia. Przekaźnik ponadto posiada wejście sprzężenia zwrotnego przeznaczonego dla aktuatorów (2). Do wyjść stykowych można podłączyć bezpośrednio cewki sterujące styczników lub przekaźników lub wejścia sterujące innymi urządzeniami wykonawczymi - np. przekształtnika ze zintegrowanymi funkcjami bezpieczeństwa. Jak każde urządzenie realizujące funkcje bezpieczeństwa skaner posiada wejście resetujące (4), co pozwala uniknąć niespodziewanego uruchomienia. W zamieszczonym na rysunku 1. schemacie nie wykorzystano możliwości przełączania stref bezpieczeństwa.

Rys. 2. Wykorzystanie możliwości bezpiecznego blokowania tranzystorów falownika jako elementu układu sterowania bezpiecznym zatrzymaniem maszyny. Styk S1 - inicjator, zaciski X533.1 i .2 - wyjście do sprzężenia zwrotnego.

Rys. 2. przybliża działanie typowej funkcji bezpieczeństwa - w tym wypadku bezpiecznego blokowania wyjściowych tranzystorów falownika PWM. Funkcja ta zapewnia bezpieczne (czytaj: niezawodne) zablokowanie dopływu energii do silnika napędowego. Pozwala to na realizację stopu typu 0. lub 1. zgodnie ze standardem PN-EN 60204-1 w zależności od zastosowanego urządzenia sterującego układem bezpieczeństwa. Przedstawione rozwiązanie pozwala na organizację systemu spełniającego wymagania 3. kategorii bezpieczeństwa wg normy PN-EN 954-1.

Rys. 3. Koncepcja tworzenia bezpiecznej aplikacji napędowej na przykładzie transportu wewnętrznego.

1- stalenie stref bezpieczeństwa i ostrzegawczych, 2- sekwencja wyboru aktywnej strefy, 3- skaner w układzie kategorii 3. , 4- przekaźnik bezpieczeństwa skonfigurowany w kategorii 3. ze zwłoką czasową, 5- przekształtnik SINAMICS G120, 6- algorytm aplikacji z wykorzystaniem trzech stref bezpieczeństwa i prędkości bezpiecznych, 7- moduły sterowania bezpiecznym zatrzymaniem implementowane do przekształtnika SINAMICS (3 kategoria).

Rys.3 w sposób schematyczny przedstawia sposób tworzenia aplikacji przemysłowej służącą do zmian prędkości i adekwatnych rozmiarów stref bezpieczeństwa.

Skaner pozwala nie tylko na definicję stref bezpieczeństwa o kształcie bardzo skomplikowanym, który pozwala na pracę urządzenia w bezpośrednim otoczeniu przeszkód, które nie naruszają strefy w sensie formalnym - przeszkoda stała (jak filar hali) nie jest np. operatorem maszyny i nie jest narażona w tym sensie na wypadek. Każdej strefie bezpieczeństwa ze względu na niewidoczność dla obsługi towarzyszy strefa ostrzegawcza związana z sygnalizacją. Takie rozwiązanie pozwala minimalizować niepotrzebne zatrzymania maszyny w wyniku przypadkowego naruszenia strefy wyłączającej. Możliwość zdefiniowania wielu stref oraz (co ważne) jednoznacznego określenia za pomocą tabeli, dopuszczalnych przełączeń pozwala na przykład, jak to pokazano na rysunku 3. na unikanie kolizji strefy bezpieczeństwa z otoczeniem w czasie skrętu wózka (6). Działanie układu musi być sterowane i monitorowane przez układ nadrzędny (przekaźnik bezpieczeństwa lub programowany sterownik specjalistyczny - (4)). Ze względu na konieczność zwolnienia przed zakrętem zalecane jest zastosowanie przekształtnika w możliwością wbudowania elementów gwarantujących działanie funkcji bezpieczeństwa (5) i (7).

Ponieważ skaner LS4 oraz przekształtnik SINAMISC G120 pozwalają na uzyskanie kategorii 3., cały układ można zaprojektować na takim właśnie poziomie. Warto również dodać , że G120 pozwala na uzyskanie tzw. prędkości bezpiecznej gwarantowanej, co było nieosiągalne dla starszych modeli.

Dla wózków samojezdnych kategoria 3. jest wystarczająca (PN-EN 1525).

Rys. 4. Proces doboru i projektowania środków bezpieczeństwa wg normy PN-EN 954-1.

W odniesieniu do prowadzonych wyżej rozważań o charakterze projektowym należy jednak pamiętać że wiele norm (w tym wspomniana PN-EN 954-1) zaleca pewną chronologię postępowania projektanta. Pokazuje to rysunek 4. Należy zwrócić uwagę, że właściwe projektowanie, to znaczy dobór aparatury i czujników oraz ich parametrów jest dopiero czwartym etapem pracy nad daną aplikacją. Ponadto w celu upewnienie się co do prawidłowości realizacji założeń konieczna jest weryfikacja prac projektowych, a następnie jeszcze praktyczne sprawdzenie, czy przyjęte założenia sprawdzają się w eksploatacji produktu (tu: maszyny) - jest to walidacja.

Przedstawiony powyżej proces ulega znacznemu skróceniu gdy projektant dysponuje normą typu "C" (szczegółową) dotyczącą danego rodzaju maszyny. Norma taka podaje dokładne dane bezpieczeństwa dla projektu, pozwala więc na przejście od razu do etapu czwartego.

Kurtyna świetlna 4. kategorii

Rys. 5. Zastosowanie kurtyny świetlnej w 4. kategorii bezpieczeństwa do sterowania napędem z przekształtnikiem częstotliwości bez zintegrowanej funkcji bezpieczeństwa.

Kolejną złożoną funkcją sterowania kurtyny jest praca cykliczna. Zasada tej funkcji polega na założeniu, że ryzyko zmienia się w czasie cyklu pracy maszyny i tylko w określonych jego częściach należy operatora chronić, przed unikaniem do strefy chronionej. Na rysunku 2. pokazano poglądowe schematy dla dwóch rodzajów takich maszyn. Jak widać w pierwszym wypadku operator wkłada obrabiany detal do maszyny i po odróbce usuwa go z tej samej pozycji. Owocuje to koniecznością dwukrotnego wnikania do obszaru chronionego w czasie każdego cyklu pracy.

W odróżnieniu od skanera kurtyny świetlne w niektórych wykonaniach umożliwiają realizację układów sterowania bezpiecznym zatrzymaniem maszyny z 4. kategorią bezpieczeństwa. Przykładowy schemat takiej aplikacji zamieszczono na Rys. 5. Na szczególną uwagę zasługuje układ dwóch styczników na wejściu falownika (FU). Trzeba bowiem pamiętać, że stycznik pozwala na realizację układu bezpieczeństwa w kategorii 4. zintegrowane funkcje falownika zaś jedynie w kategorii 3.

Układ barier optycznych

Rys. 6. Przykładowy układ czterech barier optycznych. Płaszczyzną odniesienia dla wysokości jest tu podłoga hali.

Liczba promieni świetlnych i ich wysokość nad płaszczyzną odniesienia w [mm]

W wielu wypadkach aby określić strefę bezpieczną wystarcza jedynie układ kilku promieni świetlnych (barier optycznych). Sytuacja taka została pokazana na rysunku 6. Ze względu jednak na możliwe wnikanie kończyn do wnętrza strefy norma PN-EN 999 podaje w tablicy nr 1 (patrz poniższa tabela) zalecane wysokości takich pojedynczych barier.

Rys. 7. Przykładowe zastosowanie barier optycznych M2 i M3 w złożonej funkcji sekwencji zawieszania (mutingu) równoległego.

Nowoczesne kurtyny świetlne są również wyposażone dzięki przekaźnikom ewaluacyjnym lub funkcjom zintegrowanym w dodatkowe funkcje sterowania sekwencyjnego, Należą do nich zawieszanie i przesłanianie. Na rysunku 7. pokazano przykładowy schemat układu wykorzystującego funkcję zawieszania działania kurtyny na czas przejazdu obiektu dopuszczalnego wymiarowo i czasowo. Jest to tzw. zawieszanie równoległe ze względu na układ przestrzennego rozmieszczenia pomocniczych czujników optycznych. Jako czujniki wykorzystać można właśnie bariery optyczne. Na schemacie widocznym na rysunku 7. pokazano przycisk kasowania/startu, który musi być umieszczony w miejscu uniemożliwiającym dostęp z wnętrza strefy niebezpiecznej. Ponadto operator mający dostęp do przycisku musi mieć w polu widzenia cały obszar strefy niebezpiecznej, aby stwierdzić, czy może uruchomić układ bez narażenia osób, które ewentualnie mogłyby się w niej znajdować. Jednoczesność naruszenia barier M2 i M3 jest w układzie kontrolowana przez przekaźnik ewaluacyjny.

Podsumowanie

Jak przedstawiono w powyższych rozważaniach istnieją liczne możliwości realizacji układów sterowania bezpiecznym zatrzymaniem maszyny w wykorzystaniem aktywnych optoelektronicznych urządzeń ochronnych. Urządzenia takie w układzie sterowania spełniają rolę elektronicznych czujników inicjujących reakcję systemu w celu bezpiecznego wyeliminowania zagrożenia ruchem. Jednak ich właściwości i funkcje mogą być wykorzystywane w układzie jedynie w wypadku prawidłowego zastosowania, które uwzględnia zarówno ich prawidłowe umiejscowienie, właściwe wykorzystanie elementów optycznych, jak i powiązania z innymi elementami, jak przekaźniki bezpieczeństwa i aktuatory.

Dzięki mnogości rozwiązań technicznych (produktów) możliwe jest realizowanie praktycznie dowolnych aplikacji we wszystkich kategoriach bezpieczeństwa.

W czasie projektowania nie można jednak zapomnieć, że podstawę procesu stanowi w każdym wypadku analiza ryzyka, a łańcuch bezpieczeństwa jest tak mocny, jak jego najsłabsze ogniwo!

Marek Trajdos
marek.trajdos@t-system.com.pl

Wiesław Monkiewicz
wieslaw.monkiewicz@siemens.com