Bezpieczeństwo eksploatacji maszyn – praktyczne aspekty stosowania wybranego elektroczułego wyposażenia ochronnego

Automatyzacja produkcji wymaga szczególnego zwrócenia uwagi na bezpieczeństwo osób zajmujących się bezpośrednio eksploatacją maszyn. Jednym z najbardziej popularnych i niezawodnych rozwiązań są urządzenia optoelektroniczne. Systemy ochronne typu AOPD dzięki swojej konstrukcji pozwalają na generowanie i transmisję promieniowana świetlnego przy jednoczesnym wykrywaniu jego przerwania. Zapewniają ochronę przez przywrócenie maszyny do stanu bezpiecznego zanim człowiek znajdzie się w sytuacji zagrożenia.

Zaliczamy do nich przede wszystkim kurtyny oraz bariery świetlne. Do podobnych rozwiązań należą aktywne optoelektroniczne urządzenia ochronne reagujące na rozproszone promieniowanie odbite (AOPDDR), np. skanery laserowe. Do najistotniejszych parametrów AOPD zaliczamy sposób ich zadziałania w warunkach defektu oraz pod wpływem oddziaływań spowodowanych warunkami środowiskowymi. W zależności od nich, urządzenia są klasyfikowane do typu 2 lub typu 4. AOPD typu 2 wymagają systematycznego testowania, które ma na celu wykrycie ich niebezpiecznego uszkodzenia (np. utraty zdolności wykrywania). Pojedynczy defekt urządzenia może bowiem doprowadzić do sytuacji niebezpiecznej. W wyniku okresowego sprawdzenia AOPD typu 2 przechodzi w razie konieczności w stan wyłączenia. Urządzenia typu 4 cechuje natychmiastowe przejście w stan wyłączenia po wystąpieniu defektu lub przejście w taki stan przy kolejnym przekraczaniu pola detekcji AOPD. Szczegółowo wymagania dla aparatury opisują normy PN-EN 61496-1 oraz PN-EN 61496-2.

Wdrażanie
Wspomniane dokumenty dotyczą bardziej producentów AOPD niż ich integratorów czy użytkowników. Tych drugich zainteresować powinny zasady poprawnego wdrażania urządzeń przy odgórnie narzuconych parametrach stosowanej aparatury. Podstawową normą w tym zakresie jest PN-EN ISO 13855 poruszająca zagadnienie umiejscowienia wyposażenia ochronnego ze względu na prędkości zbliżania części ciała człowieka. Można tam znaleźć m.in. informacje na temat zależności pomiędzy czasem zatrzymywania elementów niebezpiecznych maszyn czy progiem wykrywania AOPD (tzw. rozdzielczością) a wymaganym ulokowaniem aparatury. Warto dodać, że norma PN-EN ISO 13855 jest zharmonizowana z dyrektywą maszynową 2006/42/WE, stąd spełnienie jej zaleceń jest praktycznym podejściem do osiągnięcia zgodności z dyrektywą. Norma PN-EN ISO 13855 dotyczy przede wszystkim zasad poprawnego nadzorowania dostępu ludzi do stref niebezpiecznych przy maszynach lub liniach produkcyjnych. Nie wolno przy tym pominąć równie ważnego aspektu, jakim jest wykrywanie obecności osób w strefach niebezpiecznych - osób znajdujących się pomiędzy płaszczyzną detekcji AOPD a elementami zagrażającymi. Kurtyny i bariery świetlne znakomicie sprawdzają się w wykrywaniu obecności operatorów w tych obszarach. Naruszenie ich wiązek, przy skutecznie zrealizowanym systemie bezpieczeństwa, uniemożliwia wyzwolenie ruchów niebezpiecznych. Takie zastosowanie zapewnia wydajniejszy sposób nadzorowania stref niebezpiecznych obsługiwanych jednocześnie przez kliku operatorów. Pozwala to na uniknięcie sytuacji przypadkowego zamknięcia współpracownika w niepożądanym obszarze. Istotnym aspektem przy wykrywaniu obecności przez AOPD w układzie poziomym jest relacja pomiędzy ich rozdzielczością a wysokością płaszczyzny detekcji względem podłoża. Próg wykrywania musi zapewniać wykrycie części ciała na określonej wysokości. Poprawne ulokowanie AOPD do detekcji obecności ułatwiają zasady opisane w normie PN-EN ISO 13855.

Kurtyny sterujące
Z punktu widzenia działania maszyny można wyróżnić kilka interesujących metod sterowania określonymi funkcjami produkcyjnymi. Pierwszą z nich jest stosowanie tzw. kurtyny świetlnej sterującej w celu inicjowania cyklu pracy. Po opuszczeniu pola detekcji AOPD następuje automatyczne wyzwolenie ruchu roboczego. Taki sposób pracy pozwala zaoszczędzić czas w takcie produkcyjnym i jednocześnie ogranicza wysiłek operatora związany z koniecznością ręcznego przesterowania aktywatorów (np. przycisków urządzenia oburęcznego sterowania). Istnieje również rozwinięcie tego systemu, polegające na automatycznym wyzwoleniu ruchu roboczego dopiero po drugim przecięciu i opuszczeniu pola detekcji AOPD. Takie rozwiązanie może znaleźć zastosowanie w przypadku obróbki detali o dużych gabartyach - kiedy operator w pierwszym ruchu wkracza do strefy nadzorowanej w celu wyjęcia przedmiotu obrabianego z gniazda i odkłada go na zewnątrz obszaru zabezpieczonego, a w drugim wkracza z kolejnym detalem do obróbki i umieszcza go w tym samym gnieździe. Wówczas drugie wyjście z pola detekcji automatycznie wyzwala ruch roboczy.

Warunku uzupełniające
Niezależnie od tego, czy praca odbywa się w jednym, czy w dwóch taktach, każdorazowo przy takim zastosowaniu AOPD konieczne jest spełnienie dodatkowych warunków bezpieczeństwa. Te mogą różnić się od siebie, w zależności od rozpatrywanej maszyny i charakteru zagrożeń przez nią generowanych. Przykładowo, w normie PN-EN 692 dla pras mechanicznych dodatkowo wymaga się m.in. aby wysokość stołu prasy wynosiła min. 750 mm, co zabezpiecza przed przypadkowym wejściem do strefy narzędziowej. Jeżeli wysokość stołu jest mniejsza alternatywnie można zastosować dodatkowe osłony stałe przed stołem zapewniające wymagany wymiar. Maksymalna przestrzeń nienadzorowana pomiędzy płaszczyzną AOPD a najbliższym elementem niebezpiecznym może wynosić 75 mm – w przeciwnym wypadku konieczne jest zastosowanie dodatkowych środków wykrywających obecność w strefie niebezpiecznej. Czas pomiędzy poszczególnymi cyklami powinien być ograniczony maksymalnie do 30 sekund – w przypadku jego przekroczenia konieczne powinno być zresetowanie AOPD.

Zawieszenie, zaślepienie
Kolejną ciekawą funkcjonalnością dla AOPD jest możliwość chwilowego automatycznego zawieszenia ich działania (tzw. muting). Taka opcja może być wykorzystywana do nadzorowania obszarów wejściowych materiałów w ciągach produkcyjnych. Przykładowo, bariera świetlna umieszczona na krawędzi otworu w wygrodzeniu, przez który do wnętrza linii produkcyjnej wprowadzony jest przedmiot obrabiany na transporterze taśmowym, zostaje automatycznie zawieszona na czas wjazdu detalu. Dla poprawnego zrealizowania mutingu konieczne jest doposażenie AOPD w czujniki mutingu oraz ich odpowiednie oprogramowanie w systemie sterowania maszyny. Najczęściej czujniki przyjmują postać dodatkowych wiązek świetlnych rozmieszczonych różnie w układzie przestrzennym w sąsiedztwie pola detekcji zawieszanego AOPD. Poprawna sekwencja przecięcia wiązek świetlnych czujników mutingu podczas przejazdu detalu na transporterze taśmowym powoduje czasowe zawieszenie AOPD. Po zakończeniu sekwencji system powróci do standardowej gotowości do pracy. Jakiekolwiek zakłócenie wyzwalania sekwencji lub nieoczekiwane przecięcie pola detekcji spowoduje zatrzymanie ruchów niebezpiecznych w strefie nadzorowanej. Niektóre AOPD posiadają możliwość zaślepienia niektórych wiązek (tzw. blanking). Wyróżnia się dwa podstawowe jego typy – stały i pływający. Pierwszy z nich doprowadzi do, że przecięcie ustalonych wiązek nie powoduje zatrzymania ruchów niebezpiecznych w strefie nadzorowanej. Umożliwia umieszczenie pewnych elementów w polu detekcj, na przykład rynny zsypowej odpadu. Blanking pływający pozwala na umieszczanie i przemieszczanie detalu o ustalonym rozmiarze w polu detekcji (dla ustalonych wiązek). Takie rozwiązanie ułatwia wprowadzanie określonego narzędzia czy przedmiotu pod różnymi kątami do strefy nadzorowanej podczas odbywających się w jej wnętrzu ruchów technologicznych bez wyzwolenia ich zatrzymania. Stosowanie aktywnych optoelektronicznych urządzeń ochronnych umożliwia osiągnięcie akceptowalnego stanu ryzyka przy obsłudze zautomatyzowanych maszyn i linii produkcyjnych. Różne rozmiary, możliwe sposoby instalacji oraz dodatkowe funkcjonalności zezwalają na ich przystosowanie do potrzeb i warunków technologicznych danej aplikacji. Należy jednak zwrócić uwagę, że pełne nadzorowanie zagrożeń poprzez elementy włączane w układ sterowania osiąga się tylko przy ufnej konstrukcji całego obwodu sterowania funkcjami bezpieczeństwa. Ta znowu jest ściśle związana z poziomami niezawodności komponentów stosowanych do realizacji bezpieczeństwa określanymi przez parametr Performance Level (poziom zapewniania bezpieczeństwa) według PN-EN ISO 13849-1 lub Safety Integrity Level (poziom nienaruszalności bezpieczeństwa) według PN-EN 62061.

Ocena ryzyka
Doposażając maszynę lub linię produkcyjną w AOPD (jak również i w AOPDDR), konieczne jest wcześniejsze przeprowadzenie procesu oceny ryzyka, gdzie na jednym z etapów – podczas jego szacowania, zostają ustalone wymagania odnośnie poziomów niezawodności danych funkcji bezpieczeństwa. Te wymagania powinny być wdrożone dla wszystkich elementów w łańcuchu sterowania, które realizują daną funkcję bezpieczeństwa. Dla przykładu, chcąc zatrzymać grupę siłowników pneumatycznych i silnik elektryczny w wybranej strefie przez kurtynę świetlną umieszczoną na jej wejściu, z procesu oceny ryzyka wywnioskowano, że konieczne jest zrealizowanie obwodów sterowania i zatrzymywania powyższych elementów w Performance Level d przy Kategorii 3 według PN-EN ISO 13849-1. W tym przypadku zasadne będzie zastosowanie kurtyny świetlnej, która spełnia te wymagania, w połączeniu z zastosowaniem elementów logicznych (np. przekaźników bezpieczeństwa) i komponentów wyjściowych bezpośrednio załączających ruch (np. elektrozawory pneumatyczne lub styczniki) i umożliwiających osiągnięcie Performance Level d przy Kategorii 3 według PN-EN ISO 13849-1. Bezpieczeństwo operatorów eksploatujących maszyny jest uzależnione od poprawności doboru i skuteczności wdrożenia rozwiązań bezpieczeństwa. Niezmiernie ważna przy tych krokach jest znajomość reguł im przyświecających. Tylko spójne ocenianie ryzyka i projektowanie systemów z wykorzystaniem narzędzi praktycznych – norm dotyczących techniki bezpieczeństwa – pozwala na utrzymanie zdolności produkcyjnych. Osiąga się to dzięki ochronie przed wypadkami generowanymi przez uszkodzenia i błędy w systemach sterowania maszynami.


MM Magazyn Przemysłowy Online

MM Magazyn Przemysłowy jest tytułem branżowym typu business to business, w którym poruszana jest tematyka z różnych najważniejszych sektorów przemysłowych. Redakcja online MM Magazynu Przemysłowego  przygotowuje i publikuje na stronie artykuły techniczne, nowości produktowe oraz inne ciekawe informacje ze świata przemysłu i nie tylko.