Bezpieczeństwo w przemyśle

Eliminacja potencjalnych zagrożeń, związanych z działaniem maszyn i linii produkcyjnych przekłada się bezpośrednio na ekonomiczne funkcjonowanie zakładu. Oprócz oczywistych względów związanych z wyeliminowaniem konieczności wypłaty odszkodowań osobom, które uległy wypadkowi i zapewnienia im opieki medycznej, podniesiona zostaje odporność linii produkcyjnej na błędy ludzkie, zmniejsza się czas nieplanowanych przestojów, a także wydłużeniu ulega czas bezawaryjnej pracy całego systemu.

Z bezpieczeństwem systemów przemysłowych związane jest również pojęcie bezpieczeństwa funkcjonalnego. Odnosi się ono do systemu sterowania, którego jakość działania zależy od prawidłowego funkcjonowania podsystemów realizujących zdefiniowane funkcje bezpieczeństwa, jak również od zewnętrznych urządzeń i czujników zmniejszających ryzyko wystąpienia zagrożeń. Do tego typu zewnętrznych systemów bezpieczeństwa zaliczyć można czujniki elektromechaniczne, optyczne kurtyny świetlne oraz maty bezpieczeństwa. Przyjrzyjmy się zatem tego typu systemom i podzespołom, które niezależnie od wbudowanych w maszyny systemów bezpieczeństwa, zwiększą jego poziom, a często na linii produkcyjnej stają się głównym zabezpieczeniem zapobiegającym nieszczęśliwym wypadkom.

Zagrożenia w przemyśle

Zagrożenia występujące w przemyśle klasyfikuje się ze względu na stopień ich uciążliwości, a także ze względu na ich charakter. Oczywiście praca w warunkach uciążliwych nie stwarza bezpośredniego zagrożenia doznania urazu, ale może utrudniać wykonywanie obowiązków i powodować zmęczenie pracownika. Z kolei czynniki szkodliwe mogą wywoływać choroby zawodowe lub osłabiać reakcje na niebezpieczne bodźce. Z naszego punktu widzenia, najgroźniejsze są jednak warunki niebezpieczne, które zwykle występują w sposób nagły i mogą spowodować poważne urazy czy zatrucia, a nawet doprowadzić do śmierci pracownika. Z punktu widzenia automatyzacji produkcji i wdrażania systemów bezpieczeństwa, najistotniejsze są właśnie te, niespodziewanie pojawiające się warunki niebezpieczne, przed powstaniem których należy bezwzględnie zabezpieczyć pracownika.

Warto też w tym miejscu wspomnieć, że ze względu na swój charakter, zagrożenia szkodliwe oraz uciążliwe dzieli się na cztery główne grupy. Są to czynniki fizyczne, np. mechaniczne – związane z odpryskami czy opiłkami metalu powstającymi podczas obróbki skrawaniem; psychofizyczne – związane z kondycją i koncentracją człowieka, np. zmęczeniem, czy hałasem, a także zagrożenia chemiczne oraz biologiczne. Do tych ostatnich zalicza się mikroorganizmy takie, jak grzyby, wirusy czy bakterie, zaś do chemicznych, kontakt pracownika z niebezpiecznymi materiałami chemicznymi, które mogą być zarówno surowcem, produktem, jak i odpadem bądź produktem ubocznym prowadzonego procesu technologicznego.

Integracja bezpieczeństwa funkcjonalnego w systemie Rafał Sypniewski, menedżer produktu, Phoenix Contact Wysoka dyspozycyjność produkcji jest istotnym czynnikiem generującym wzrost zysków firmy i zwiększanie produktywności, dlatego optymalizacja działania urządzeń to klucz do sukcesu przedsiębiorstwa. Z tego powodu technika bezpieczeństwa funkcjonalnego jest niezwykle ważnym zagadnieniem, zarówno dla producentów maszyn, jak i zakładów produkcyjnych. Jej celem, wynikającym z oceny ryzyka, jest wyeliminowanie zagrożenia powodowanego przez maszyny lub ograniczenie go do jak najniższego, tolerowanego społecznie poziomu. Korzystając z oferty Phoenix Contact, obejmującej rozwiązania do każdej architektury systemu bezpieczeństwa, można w prosty i ekonomiczny sposób wykonać dowolną aplikację bezpieczeństwa zgodnie z wymogami norm. W asortymencie Phoenix Contact znajdują się m.in. unikalne i opatentowane rozwiązania, takie jak np. wąskie na 6 mm przekaźniki bezpieczeństwa PSRmini, czy też sieciowe rozwiązania SafetyBridge, które bez sterownika bezpieczeństwa zintegrują bezpieczeństwo funkcjonalne w dowolnym systemie rozproszonym.

Metody ochrony pracowników

Statystyki dotyczące przyczyn wypadków przy pracy wskazują, że najczęściej do nieszczęśliwego zdarzenia dochodzi na skutek nieprawidłowych i nieprzemyślanych zachowań pracowników. Ludzie zachowują się w zagrażający bezpieczeństwu sposób z wielu powodów. Najczęściej niebezpieczne zachowania w miejscu pracy wynikają z braku wiedzy na temat prawidłowego, to znaczy bezpiecznego sposobu wykonywania pracy i obsługi maszyn, złej oceny poziomu ryzyka dla określonego zachowania, złej organizacji pracy, wiedzy o konsekwencji niebezpiecznych zachowań oraz ze względu na braku świadomości z zakresu bezpieczeństwa pracy. Najlepszą i najskuteczniejszą metodą eliminowania zagrożeń są szkolenia BHP i doskonalenie umiejętności związanych z wykonywaną pracą i obsługą maszyn. Należy też zapobiegać rutynie.

Kolejnym elementem zabezpieczenia są odpowiednie stroje robocze oraz środki ochrony osobistej. Zaliczane są do nich wszystkie urządzenia, stroje oraz wyposażenie, które przeznaczone są do noszenia lub trzymania przez użytkownika w charakterze ochrony przed zagrożeniami. W grupie tej znajdziemy m.in. rękawice ochronne, specjalne buty, kaski, maski, aparaty tlenowe czy okulary ochronne.

Oczywiście, oprócz szkoleń i środków ochrony osobistej coraz częściej istotny i bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo mają różnego rodzaju automatyczne systemy zabezpieczeń, których zadaniem jest nie dopuścić do wystąpienia zagrażającej życiu i zdrowiu pracownika sytuacji. Przykładem mogą tu być kurtyny świetlne, które po wejściu pracownika w obszar roboczy maszyny czy robota, natychmiast wyłączają urządzenie, nie dopuszczając do wystąpienia groźnej dla życia czy zdrowia sytuacji.

Odbiorcy systemów bezpieczeństwa

Oczywiście każda branża, czy wręcz każda maszyna wymaga innych systemów zabezpieczeń. Tradycyjnymi odbiorcami systemów i komponentów związanych z bezpieczeństwem są firmy z branży maszynowej, do której zalicza się wszelkich wytwórców obrabiarek, maszyn, środków transportu oraz producentów niewielkich urządzeń mechanicznych, takich jak piły, szlifierki kątowe czy wiertarki. Konieczność stosowania odpowiednich zabezpieczeń dotyczy najczęściej tych maszyn, w których występuje interakcja z człowiekiem, np. podającym surowce i odbierającym gotowe produkty, a z drugiej strony występują duże siły (np. prasy) i prędkości ruchu elementów roboczych lub surowców (np. centra obróbcze).

Coraz częściej odpowiedniego zabezpieczenia wymagają nie tylko pojedyncze maszyny, ale również gniazda produkcyjne, w tym gniazda zrobotyzowane, linie i instalacje przemysłowe, a nawet całe ciągi technologiczne, np. w przemyśle drzewnym czy papierniczym. Firmy korzystające z systemów bezpieczeństwa, których zadaniem jest zabezpieczenie różnego rodzaju ciągów produkcyjnych czy instalacji zalicza się do drugiej, równie ważnej kategorii odbiorców systemów bezpieczeństwa. Chodzi tu o szeroko rozumiany przemysł produkcyjny. Systemy bezpieczeństwa służą tutaj przede wszystkim do nadzoru pracy układów i linii produkcyjnych, kontroli osłon i siatek zabezpieczających, sprawdzania dostępu osób do określonych, wydzielonych stref czy innych obszarów i zadań związanych bezpośrednio lub pośrednio z zapewnianiem bezpieczeństwa pracownikom. Istotnymi odbiorcami systemów bezpieczeństwa są również transport i logistyka, górnictwo oraz producenci i instalatorzy wind, podnośników, czy wytwórcy innej infrastruktury przemysłowej.

Roboty współpracujące to lepsza wydajność z zachowaniem bezpieczeństwa Kamil Bojanek, zastępca kierownika Działu Sprzedaży i Marketingu, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Od chwili wprowadzenie w XVIII w. szeregu zmian technologicznych, gospodarczych i społecznych, znanych jako „rewolucja przemysłowa”, człowiek współpracując z maszyną, wykorzystywał ją do podnoszenia wydajności produkcji, a co za tym idzie zwiększania zysków. Czasy z powieści W. Reymonta „Ziemia Obiecana”, kiedy życie i zdrowie człowieka z powodu braku jakichkolwiek barier i zabezpieczeń mechanicznych w żaden sposób nie było chronione, są już odległą historią. Wraz z dynamicznym rozwojem świadomości społecznej, technologicznej oraz miniaturyzacji wkroczyliśmy w nowożytny etap, teraz już Przemysłu 4.0. Maszyny, narzędzia i roboty wyposażone w odpowiednią sensorykę i zabezpieczenia nie tylko współpracują z pracownikiem służąc jego bezpieczeństwu przy jednoczesnym podnoszeniu komfortu jego pracy. Ich bezpośrednim celem jest zwiększanie wydajności pracy. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów należy do czołowych integrator najnowszych rozwiązań i technologii w zakresie bezpieczeństwa systemów produkcji w Polsce. Z sukcesami wdraża przyjazne i bezpieczne dla użytkowników roboty współpracujące (tzw. koboty). Roboty te wyposażone są m.in. w systemy wykrywające np. poziom nacisku, ograniczające użycie siły w przypadku bezpośredniej kolizji z człowiekiem, czy w systemy wizyjne kontrolujące strefę pracy robota. Przez zastosowanie silników serwo w wydatny sposób ograniczono emisję hałasu, poprawiając precyzję montażu, tym samym podnosząc komfort pracy personelu. Obecnie oferowane roboty współpracujące z człowiekiem, ze względów bezpieczeństwa, dysponują niewielką siłą i małym udźwigiem. Dzięki integracji układów sensorycznych i systemów bezpieczeństwa dostosowanych do współpracy z człowiekiem oraz lekkiej konstrukcji koboty mogą „z wyczuciem” pracować w bezpośrednim kontakcie z człowiekiem. Wraz z poprawą bezpieczeństwa rozbudowany został sposób programowania robota, dzięki czemu już po kilku intensywnych godzinach szkolenia operator w bezpieczny sposób może programować robota metodą ręcznego „prowadzenia” po wyznaczonym kursie. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na bezpieczeństwo obsługi są niewielkie wymiary robota i maksymalnie skondensowane niezbędne zabezpieczenia, tym samym wyeliminowanie szeregu dodatkowych narzędzi, co pozwala na pracę w małej przestrzeni roboczej. Bliska współpraca robot–człowiek, jest jednym z zasadniczych kierunków rozwoju współczesnych „bezpiecznych robotów”. Jedynym ograniczeniem dla zastosowania tego typu robota jest udźwig i prędkość ruchu w bezpośredniej bliskości człowieka, co ustala wcześniej wykonana analiza ryzyka.

Dyrektywa maszynowa

W tym miejscu, warto poświęcić kilka słów dyrektywie maszynowej. Otóż, maszyny wprowadzane do sprzedaży na rynku europejskim muszą być bezpieczne niezależnie od tego, czy są to stare czy nowe urządzenia. Podstawowe wymagania dla wytwórców maszyn i użytkowników systemów, którzy sami budują i modyfikują maszyny, zostały zdefiniowane i opisane są w odpowiednich dyrektywach europejskich, przede wszystkim w dyrektywie maszynowej 2006/42/WE oraz we wprowadzających je odpowiednich przepisach krajowych. W wypadku Polski jest to Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie zasadniczych wymagań dla maszyn, Dz.U. Nr 199 Poz. 1228 z dnia 21 października 2008 r.

Rozporządzenie określa zasadnicze wymagania w zakresie bezpieczeństwa i ochrony zdrowia dotyczące projektowania i wykonywania wprowadzanych do obrotu lub oddawanych do użytku maszyn, wyposażenia wymiennego, elementów bezpieczeństwa, osprzętu do podnoszenia, łańcuchów, lin, pasów, odłączalnych urządzeń do mechanicznego przenoszenia napędu, a także maszyn nieukończonych. Co więcej, w rozporządzeniu określono też procedury oceny zgodności, sposób oznakowania maszyn oraz wzór znaku CE.

Istotne jest, aby producent maszyny lub jego upoważniony przedstawiciel przeprowadził ocenę ryzyka w celu określenia, mających zastosowanie do tej maszyny, zasadniczych wymagań w zakresie bezpieczeństwa i ochrony zdrowia. Maszyna powinna być zaprojektowana i wykonana z uwzględnieniem wyników tej oceny. Układy sterowania należy zaprojektować i wykonać tak, aby zapewniały bezpieczeństwo oraz zapobiegały powstawaniu sytuacji zagrożenia, a defekty sprzętu komputerowego i oprogramowania układu sterowania nie prowadziły do powstawania sytuacji niebezpiecznych. Sterowanie musi być też odporne na obciążenia wynikające z zamierzonego zastosowania i wpływy czynników zewnętrznych, a błędy w układach logicznych nie doprowadzały do powstawania sytuacji niebezpiecznych. Co więcej, możliwe do przewidzenia błędy ludzkie w trakcie pracy nie mogą prowadzić do powstawania sytuacji niebezpiecznych.

Przy projektowaniu maszyn, linii, infrastruktury i gniazd technologicznych należy zwrócić szczególną uwagę na to, aby maszyny i urządzenia nie mogły uruchomić się nieoczekiwanie, a parametry nie mogły zmieniać się w sposób niekontrolowany, jeżeli taka zmiana może prowadzić do sytuacji niebezpiecznych. Po wydaniu polecenia zatrzymania, maszyna, urządzenie lub linia musza się zatrzymać, a żadna ruchoma część ani zamocowany element nie mogą odpaść lub zostać wyrzucone. Automatyczne lub ręczne zatrzymywanie części ruchomych nie może zostać zakłócone. Z naszego punktu widzenia, istotne jest też to, aby urządzenia ochronne zapewniały skuteczną ochronę lub wysyłały polecenie zatrzymania, a elementy układu sterowania związane z bezpieczeństwem działały w sposób spójny w całym zespole maszyn, linii technologicznych, gniazd lub maszyn nieukończonych.

Tak przygotowana maszyna powinna charakteryzować się „Deklaracją zgodności”, czyli legitymować się specjalnym oświadczeniem producenta, stwierdzającym na jego wyłączną odpowiedzialność, że wyrób, proces wytwórczy lub usługa są zgodne z określoną normą lub innym dokumentem normatywnym.

Układy sterowania, a bezpieczeństwo pracowników

Przyjrzyjmy się teraz dostępnym na rynku wyrobom z dziedziny bezpieczeństwa funkcjonalnego, które realizują realizujących ściśle określone funkcje bezpieczeństwa. Elementem nadrzędnym dla systemu bezpieczeństwa są różnego rodzaju układy sterowania, spinające elementy systemu bezpieczeństwa w jedną dobrze funkcjonująca całość. Wyróżnić tu można cztery grupy systemów:

• maszyny lub urządzenia z lokalnym systemem sterowania realizującym funkcje bezpieczeństwa w oparciu o przekaźniki bezpieczeństwa;
• maszyna lub urządzenia z lokalnym lub globalnym systemem sterowania wykorzystującym programowalne przekaźniki bezpieczeństwa;
• maszyna oraz systemy z rozproszonymi czujnikami bezpieczeństwa i elementami wykonawczymi wykorzystującymi przemysłowe systemy transmisji danych;
• maszyny, urządzenia bądź linie sterowane globalnie z rozbudowanymi funkcjami bezpieczeństwa.

W wielu aplikacjach, maszynach i systemach przemysłowych w zupełności wystarczą podstawowe, lokalnie zaimplementowane funkcje bezpieczeństwa odnoszące się do takich zdarzeń, jak stop awaryjny, osłony czy bariery świetlne. Do takich zastosowań wykorzystać można stosunkowo proste przekaźniki bezpieczeństwa, jak np. Siemens SIRIUS 3SK1 lub układ hybrydowy (sterowanie/przekaźnik bezpieczeństwa) SIRIUS 3RM1. Umożliwiają one szybką i prostą realizację podstawowych funkcji bezpieczeństwa, bez znajomości programowania, a modułowa budowa zapewnia łatwość zaplanowania i zaprojektowania systemu sterującego maszyny.

Systemy, zarówno z lokalnym, jak i z globalnym programowalnym przekaźnikiem bezpieczeństwa, pozwalają na realizację bardziej złożonych zadań. Tego typu przekaźnik, np. SIRIUS 3SK2, umożliwia na swobodne zdefiniowanie zadań i sterujących nimi algorytmów. Przekaźniki programowalne, w tym umożliwiające swobodną konfigurację przekaźniki modułowe MSS (ang. Modular Safety System) pozwalają na znaczne uproszczenie projektowanej aplikacji oraz na obniżenie całkowitych kosztów instalacji systemu. Do typowych funkcji monitoringu należą tu: kontrola zatrzymania awaryjnego, kontrola przesunięcie/wychylenia/obrotu, kontrola mat czujnikowych, kontrola kurtyn świetlnych czy kontrola łączników lub rygli.

Co ważne, bardziej zaawansowane przekaźniki bezpieczeństwa, np. Schneider Electric XPS MC32ZP oferują rozbudowaną diagnostykę, sporą liczbę wejść (zwykle od 8 do 32), parametryzację oraz niemal zawsze istnieje możliwość przyłączenia ich do nadrzędnego systemu automatyki, w tym do systemów wizualizacji. Dzięki temu możliwa jest realizacja rozbudowanych aplikacji wykorzystujących wiele funkcji bezpieczeństwa, np. muting dla kurtyn świetlnych, monitorowanie osłon, z i bez funkcji ryglowania, jak również realizacja funkcji stop awaryjny.

Globalne systemy sterowania, pozwalają z jednego miejsca zarządzać całą rozbudowaną infrastrukturą linii produkcyjnych. Charakteryzują się bardzo dużą liczbą wejść i wyjść oraz w znacznie większym stopniu rozbudowanymi funkcjami bezpieczeństwa. Oczywiście tego typu kontrolery bezpieczeństwa mogą być bez problemy konfigurowane w taki sposób, aby jednocześnie i niezależnie monitorowały wiele funkcji bezpieczeństwa. Przykładem tego typu systemu jest Siemens SIMATIC S7-1500. Może on pracować w konfiguracji centralnej lub rozproszonej, a czujniki i aktywatory podłączane są przez wyspy SIMATIC ET200 z Profibus lub Profinet. Co ważne, dane bezpieczeństwa są przesyłane przez istniejące standardowe magistrale. Ułatwia to budowę infrastruktury sieciowej i redukuje liczbę podzespołów. Stacje wejść i wyjść mogą zawierać moduły standardowe i failsafe, Do magistrali sieciowej (Profinet, Profibus, AS-I) można podłączyć urządzenia dowolnej firmy.

Bariery i kurtyny świetlne

Obecnie jednym z częściej wykorzystywanych w maszynach oraz na liniach produkcyjnych rozwiązań bezpieczeństwa są kurtyny oraz bariery świetlne. Pozwalają one zabezpieczyć potencjalnie niebezpieczną strefę, np. zrobotyzowane gniazdo obróbcze, czy obszar roboczy prasy hydraulicznej przed wtargnięciem człowieka lub włożeniem przez niego rąk czy palców w niebezpieczną przestrzeń obszaru roboczego obrabiarki. Podstawową różnicą pomiędzy barierami i kurtynami świetlnymi jest to, że bariery świetlne emitują tylko kilka, do kilkunastu promieni, zaś kurtyny od kilkanastu do kilkudziesięciu, a nawet kilkuset wiązek światła. Szczegółowe wymagania dotyczące barier i kurtyn świetlnych określone są w normie PN-EN 61496-1:2014-02 – Elektroczułe wyposażenie ochronne; Część 2: Wymagania szczegółowe dotyczące wyposażenia wykorzystującego aktywne optoelektroniczne urządzenia ochronne (AOPD).

Bariery świetlne stosowane są jako niewidoczne ogrodzenie strefy ryzyka i zazwyczaj wykorzystuje się je do nadzorowania niebezpiecznych stref w otoczeniu maszyn, gniazd lub linii produkcyjnych. Mogą one też chronić wejścia do zautomatyzowanych przestrzeni magazynowych czy strefy zagrożonych wybuchem. Bardzo dobrze sprawdzają się również w miejscach załadunku towarów – wówczas stosuje się bariery z funkcją mutingu, która pozwala na rozróżnienie towarów od osób. Bariery świetlne chroniące daną strefę mogą mieć od jednego do kilku promieni, w zależności od potrzeb określonych w ramach analizy ryzyka.

Kurtyny świetlne stosowane są najczęściej do nadzorowania strefy, która bezpośrednio przylega do obszaru roboczego obrabiarki i monitorują przekroczenie strefy w niewielkim obszarze. W ten sposób wykryć można np. dłoń czy palce operatora w strefie działania narzędzi. Kurtyny świetlne można montować zarówno w pionie, jak i poziomie. Montowane pionowo wykrywają m.in. czy wspomniana przed chwilą ręka operatora została wsunięta w strefę zagrożenia. Taki układ kurtyn jest powszechnie stosowany w maszynach obsługiwanych ręcznie. Montaż kurtyny w poziomie zapewnia detekcję powierzchni przed niebezpiecznym ruchem maszyny.

Jak widać, bariery i kurtyny świetlne to bardzo praktyczne urządzenia zabezpieczające, które zapewniają dobry dostęp do wyposażenia maszyny. Co więcej, nadzorują one duże obszary robocze. W tym miejscu warto podkreślić, że zwykłe czujniki fotoelektryczne nie mają wymaganej odporności na zakłócenia i dlatego nie należy ich stosować w aplikacjach bezpieczeństwa.

Bariery świetlne składają się z dwóch głównych elementów – nadajnika i odbiornika światła. Najczęściej wykorzystuje się równoległe wiązki promieniowania podczerwonego. Wiązki te modulowane są określoną częstotliwością, a odbiornik czuły jest tylko na wiązki wysyłane przez nadajnik o ściśle zdefiniowanych parametrach. Dzięki temu, inne źródła światła nie zakłócają działania bariery.

Dostępne na rynku bariery i kurtyny świetlne różnią się zestawem dostępnych funkcji i zastosowanymi w nich technologiami. Najważniejsze z nich to blanking, czyli funkcja umożliwiająca wyłączenie żądanych wiązek promieni. Multiscanning umożliwia wielokrotną detekcję wiązki w ściśle określonej jednostce czasu. Pozwala to wyeliminować wpływ zewnętrznych źródeł światła. Z kolei czas reakcji określa czas od chwili przerwania wiązki do momentu reakcji, np. zatrzymania maszyny – zwykle jest to około 2 ms.

Funkcja muttingu pozwala na przejście zdefiniowanego obiektu o znanych wymiarach przez strefę ochronną bez uruchomienia alarmu. Wykrywane są tutaj kolejne położenia i kierunek ruchu od chwili jego pojawienia się w strefie ochronnej, aż do chwili opuszczenia tej strefy. Istotna może być też funkcja pracy cyklicznej, pozwalająca uruchamiać kurtynę tylko na określony czas skorelowany z działaniami maszyny znajdującej się w chronionym obszarze. W wypadku kurtyn czy barier wielowiązkowych, istotna może być też rozdzielczość, czyli odległość między promieniami świetlnymi, najczęściej jest to 14 mm.

Bezpieczny proces to gwarancja ciągłości produkcji Karol Kowalczyk, Marketing and Quality Management Marketing Manager, Balluff Rozwój przemysłu, stosowanie zaawansowanych rozwiązań i nowych technologii, jak również automatyzacja procesów pozwoliły na optymalizację oraz zwiększenie elastyczności produkcji. Wspomniane zmiany mają także bezpośredni wpływ na zagadnienia związane z bezpieczeństwem procesu, ludzi i urządzeń. Optymalizacja bezpieczeństwa produkcji, rozwój niezbędnych narzędzi oraz stosowanie norm są zagadnieniem, któremu zakłady produkcyjne poświęcają coraz więcej uwagi. Bezpieczny proces to przede wszystkim gwarancja ciągłości produkcji, a co za tym idzie optymalizowanie kosztów i minimalizacja potencjalnych strat. Mówiąc o optymalizacji trudno nie wspomnieć o nowatorskim rozwiązaniu, które zrewolucjonizowało podejście do tematu układów bezpieczeństwa oraz ich implementacji. Mowa tutaj o zastosowaniu interfejsu IO-Link, dzięki któremu po raz pierwszy w historii integracja układu sterowania z układem bezpieczeństwa stała się możliwa. Całość zarządzana jest z poziomu sterownika z funkcją PROFISafe. Układy bezpieczeństwa oparte na interfejsie IO-Link to także szereg dodatkowych korzyści, do których należy zaliczyć m.in. ograniczenie ilości przewodów niezbędnych do podłączenia urządzeń bezpieczeństwa, ograniczenie czasu potrzebnego na instalację, zredukowanie dokumentacji elektrycznej do schematów jednokreskowych, czy wreszcie możliwość zdalnej diagnostyki. „Safety over IO-Link” to także zdalna parametryzacja i możliwość łatwego i szybkiego powielania istniejących projektów. Warto również podkreślić, że układ bezpieczeństwa oparty na interfejsie IO-Link jest układem otwartym. Oznacza to, że niezależnie od producenta stosowanych urządzeń bezpieczeństwa możliwe jest ich dalsze wykorzystanie w momencie modernizacji maszyny czy zakładu przemysłowego. Rewolucja połączeń, którą obserwowaliśmy w obszarze sterowania, stała się dostępna także w rozwiązaniach bezpieczeństwa, wyznaczając tym samym kierunek rozwoju, od którego na szczęście nie ma już odwrotu.

Dywaniki i maty bezpieczeństwa

Maty i dywaniki bezpieczeństwa stosuje się bezpośrednio przy stanowiskach roboczych, w miejscach kontrolnych i przejściach. Ich zaletą jest łatwość instalacji oraz wyraźne oznaczenie strefy ochronej. Co więcej, urządzenia te charakteryzują się brakiem reakcji na fałszywe sygnały wywoływane np. upadkiem drobnych przedmiotów. Działanie mat bezpieczeństwa, w przeciwieństwie do zabezpieczeń optoelektronicznych, takich jak kurtyny i bariery świetlne, nie jest zakłócane przez dym lub opad drobnych ciał, np. wiórów w strefie ochrony. Mat i dywaników nie należy natomiast stosować tam, gdzie spadać mogą przedmioty większe i ostre.

Zasada działania maty bezpieczeństwa jest wyjątkowo prosta. Mata składa się bowiem z dwóch warstw przewodzących oddzielonych od siebie separatorami. Wejście człowieka na matę sprawia, że pod jego ciężarem separatory zostają ściśnięte i dwie warstwy przewodzące stykają się ze sobą powodując alarm i zatrzymanie maszyny. Maty i dywaniki różnią się od siebie wielkością obszaru detekcji. Dywaniki są znacznie mniejsze, jednak bardzo często wszystkie tego typu urządzenia określane są nazwą mat bezpieczeństwa bez podziału na ich wielkość. Jak można się domyślić, każda mata charakteryzuje się pełną zdolnością detekcji na całej powierzchni. Użyte do jej produkcji tworzywo musi charakteryzować się wytrzymałą konstrukcją mechaniczną i odpornością na oleje, zwłaszcza jeśli mata chroni obszar roboczy maszyny do obróbki skrawaniem. Najważniejszym parametrami maty są: obszar detekcji oraz ciężar jaki powoduje ściśnięcie separatorów, istotna też może być minimalna powierzchnia nacisku, wywołująca zadziałanie maty.

Maty wykorzystuje się jako główne urządzenie lub dodatkowy system zabezpieczający służące do natychmiastowego zatrzymania maszyny. Kasowanie może odbyć się ręcznie lub automatycznie, w zależności od rodzaju aplikacji. Jeżeli istnieje jakiekolwiek ryzyko, że operator może przedostać się z maty w strefę zagrożenia, należy zawsze stosować kasowanie ręczne. W wypadku maty wykorzystywanej jako wtórne zabezpieczenie to, jej zadaniem jest uniemożliwienie ponownego uruchomienie maszyny, gdy ktoś znajduje się w strefie ochrony zasadniczej, czyli w strefie ryzyka. Bardzo często maty współpracują z kurtynami świetlnymi, które są głównym zabezpieczeniem, a mata zabezpiecza przed ponownym uruchomieniem maszyny, jeśli operator wciąż znajduje się w strefie ryzyka.

Naciskowe zderzaki bezpieczeństwa

Zderzaki naciskowe bezpieczeństwa stosowane są w celu zapewnienia ochrony pracownikom przed zderzeniem z maszynami lub częściami znajdującymi się w ruchu. Najczęściej zabezpieczane są w ten sposób dźwigi, wózki widłowe i pojazdy sterowane automatycznie (AGV). W efekcie uderzenia następuje nacisk na zderzak, który zamyka styk czujnika. Jednostka sterująca wysyła sygnał zatrzymania maszyny, unieruchamiając wózek, windę, podnośnik czy inne urządzenie, eliminując tym samym sytuację niebezpieczną.

Po zadziałaniu zderzak pozwala jeszcze na pewne dalsze ściśnięcie, nazywane drogą po zadziałaniu, która zależy od głębokości zderzaka. W ten sposób dodatkowo zapobiega się ewentualnemu twardemu zderzeniu. Jest to idealne rozwiązanie w przypadku maszyn z długim czasem zatrzymania. Zderzaki naciskowe bezpieczeństwa wypełnione są miękką pianką poliuretanową, która zapewnia dużą odległość hamowania i zatrzymywania i pokryte materiałem zabezpieczającym. We wnętrzu zderzaka jest montowany element czuły na nacisk.

Dedykowana diagnostyka umożliwia szybkie reagowanie w razie awarii Andrzej Dwojak, Product Manager, Turck Systemy bezpieczeństwa maszynowego mają za zadanie przede wszystkim chronić życie i zdrowie pracowników. Jest to najwyższy priorytet, co oczywiście jest całkowicie zrozumiałe. Z punktu widzenia produkcji istotna jest także wydajność, która najczęściej zostaje obniżona po zastosowaniu systemu bezpieczeństwa. Dlatego jednym z ważniejszych zagadnień jest optymalizacji dwóch sprzecznych czynników i dążenie do minimalizacji ich kolizji. Tutaj celowe jest wprowadzenie informacji diagnostycznych, pozwalających na szybką i właściwą reakcję w przypadku awaryjnego zatrzymania maszyny. Biorąc pod uwagę koszty przestoju, zdecydowanie opłacalna staje się inwestycja w dedykowaną diagnostykę. Najprostszymi, a zarazem łatwo dostrzegalnymi i  zrozumiałymi dla operatorów rozwiązaniami są wszelkie wizualizacje świetlne w miejscu, w którym pojawiła się przyczyna zatrzymania. Czerwony i zielony kolor sygnalizacji jest zrozumiały dla każdego, szczególnie jeżeli znajduje się obok komponentu bezpieczeństwa. W tym wypadku do interpretacji danych diagnostycznych nie trzeba wiedzy specjalistycznej. Oczywiście, jeśli mamy do czynienia z rozbudowanymi aplikacjami dane należy zgromadzić w jednym miejscu i wizualizować je np. na panelu HMI. W tym celu okazuje się bardzo pomocna komunikacja sieciowa, wykorzystująca np. protokół Profinet. Dzięki niej wszystkie zdarzenia są natychmiast raportowane i wizualizowane na jednym wyświetlaczu. Usunięcie przyczyny zatrzymania można zrealizować natychmiast.

Laserowe skanery bezpieczeństwa

Innym, często stosowanym zabezpieczeniem są laserowe skanery bezpieczeństwa. Są to urządzenia optyczne przypominające nieco swoim działaniem kurtynę świetlną, nie wymagają jednak oddzielnej listwy z odbiornikami, gdyż ta jest zintegrowana z nadajnikiem. Wiązka laserowa wysłana z emitera poprzez system lusterek trafia na wirujące zwierciadło, które rozprowadza ją w określonej strefie. Promienie laserowe odbite od obiektu wracają do odbiornika. Lokalizaja wykrywanego obiektu odbywa się na zasadzie pomiaru czasu powrotu promieni oraz kąta padania wiązki względem odbiornika.

Do podstawowych zadań laserowych skanerów bezpieczeństwa należą kontrola wejścia w strefę niebezpieczną (zazwyczaj dotyczy to stanowisk zrobotyzowanych), kontrola przestrzeni wokół automatycznych wózków transportowych (AGV) oraz kontrola obecności przedmiotów w określonej strefie. Laserowe skanery bezpieczeństwa wykrywają obecność osoby zbliżającej się do obszaru, w którym wykonywane są niebezpieczne ruchy. W przypadku wejścia do obszaru ostrzegawczego następuje kontrolowane wyhamowanie niebezpiecznego ruchu maszyny, a w przypadku wejścia do obszaru chronionego następuje jego zatrzymanie. Co więcej, tam gdzie utrudniona jest obserwacja strefy niebezpiecznej, lasery bezpieczeństwa wykrywają aktualną lokalizację danej osoby i nie dopuszczają do ponownego zainicjowania niebezpiecznego ruchu. Właśnie z tego względu najczęściej laserowe skanery bezpieczeństwa ochraniają zrobotyzowane gniazda produkcyjne.

Jak wspomniano, laserowe skanery bezpieczeństwa idealnie sprawdzają się przy zabezpieczaniu pojazdów sterowanych automatycznie. Skaner montowany jest wówczas na pojeździe i wykrywa obiekty na jego drodze nawet przy wysokich prędkościach przemieszczania. Co ważne, wraz ze zmieniającą się prędkością pojazdu zmienia się strefa niebezpieczna. Wbudowane systemy sterowania pozwalają na dostosowanie „w locie” obszarów chronionych i obszarów ostrzegawczych do aktualnej prędkości, co pozwala uniknąć niepotrzebnego zatrzymania pojazdu.

Typowe skanery laserowe pozwalają na obserwację obszaru w szerokim kącie widzenia dochodzącym do 190–275 stopni. Skanery chronią strefę wokół siebie zazwyczaj o promieniu od 2 m do 6 m. W promieniu do 10–20 m można dodatkowo zdefiniować strefę ostrzegawczą. W zależności od urządzenia możliwy jest jednoczesny monitoring od 3 do 5 zdefiniowanych, oddzielnych stref, a także możliwe jest łączenie szeregowe kilku skanerów, co pozwala objąć monitoringiem całą linię produkcyjną. Można również wybrać rozdzielczość ochronną dla rąk, nóg lub ciała. Jest to zazwyczaj wartość 30, 50 lub 70 mm. W wielu skanerach można również zdefiniować nawet do 70 wzorów stref bezpieczeństwa i automatycznie, w miarę potrzeb, je przełączać za pomocą zewnętrznego sterownika lub enkodera. Oznacza to, że skanery laserowe świetnie się nadają do aplikacji mobilnych, stąd ich tak duża popularność w pojazdach AGV.

Elektromagnetyczne czujniki bezpieczeństwa

Elektromagnetyczne, bezdotykowe czujniki bezpieczeństwa służą do monitorowania położenia osłon stosowanych w maszynach i na liniach produkcyjnych w sposób zgodny z wymaganiami normy PN-EN 60947-5-3, więc również do monitorowania pozycji przesuwnych, uchylnych i zdejmowanych osłon ochronnych. Ich działanie polega na wykorzystaniu zjawiska magnetyzmu i indukcji magnetycznej. Co ważne, można je też wykorzystać do monitorowania położenia, bardzo często są to wręcz te same czujniki magnetyczne czy indukcyjne, które wykorzystuje się w systemach automatyki. Charakteryzują się tylko nieco inną, bardziej odporną na czynniki zewnętrzne budową korpusu.

Z tego względu oprócz kontroli zamknięcia osłon, drzwi czy innych elementów stref bezpieczeństwa, czujniki tego typu wykorzystuje się w obszarach, w których występują wysokie wymagania dotyczące higieny – na przykład w przemyśle spożywczym, opakowaniowym lub farmaceutycznym. Wiele z nich ma dopuszczenie do użytku w potencjalnie wybuchowych obszarach zgodnie z dyrektywą ATEX. Zazwyczaj czujniki tego typu charakteryzują się odległości przełączania wynoszącą od 2 mm do 10 mm i stopniem ochrony IP65 lub IP67. Istnieją modele zarówno z komunikacją przewodową, jak i bezprzewodową.

Samodzielna ocena dojrzałości bezpieczeństwa w zakładzie Grzegorz Bauer, Commercial Engineer – Safety & Motion, Rockwell Automation Bezpieczeństwo w zakładach od dawna postrzegane było jako uciążliwe i kosztowne zobowiązanie, które nie dodaje zbyt wielu wartości do ogólnych wyników. Wiele firm uznaje, że bezpieczeństwo zmniejsza produktywność. Jednakże bezpieczeństwo pracowników jest podstawową potrzebą i wymogiem w zakładach przemysłowych. Chroni pracowników, zapobiega niepotrzebnym przestojom i zapewnia zgodność ze standardami. Najlepsi w swojej klasie producenci zdają sobie sprawę, że połączenie zachowań pracowników, procesy i procedury oraz wdrażanie najnowszych technologii pozwali im znacznie wykroczyć poza prostą zgodność z wymaganiami, ale zapewni również poprawę produktywności, zwiększy wydajność oraz znacznie niższe wskaźniki wypadkowości. Najlepsze w swojej klasie firmy uważają bezpieczeństwo za wartość podstawową i czynnik zwiększający produktywność, a nie obciążenie dla firmy. Firma Rockwell Automation wprowadziła narzędzie Safety Maturity Index (SMI) do samodzielnej oceny dojrzałości bezpieczeństwa w zakładzie, czerpiąc ze studiów przypadku, prywatnych badań, współpracy z ekspertami oraz własnych doświadczeń jako największego na świecie dostawcy systemów bezpieczeństwa. Narzędzie ocenia jakość w trzech kluczowych obszarach bezpieczeństwa – kultura (wpływ zachowań ludzkich), zgodność (procesy i procedury służb bhp i inżynieringu) oraz kapitał (inwestycje w technologie i projekty). Tylko wtedy, gdy wszystkie te przeplatające się elementy są obecne, firma może osiągnąć optymalną wydajność i rentowność. Każdy filar bezpieczeństwa jest mierzony w Safety Maturity Index przy użyciu czterech kategorii: SMI 1: minimalne inwestycje, SMI 2: osiągnięcie zgodności, SMI 3: unikanie kosztów, SMI 4: doskonałość operacyjna. Odpowiedzialni za bezpieczeństwo w zakładzie mogą przeprowadzić samodzielną ocenę składającą się z serii pytań dla każdej kategorii bezpieczeństwa. Ocena ma zastosowanie dla dowolnej branży, dowolnej wielkości zakładu i dowolnej lokalizacji na świecie. Po dokonaniu oceny, wyniki określają punktację poziomów SMI dla kultury bezpieczeństwa, zgodności i kapitału. Co ważniejsze, dostarczone zalecenia pomogą we wprowadzaniu ulepszeń w każdej z trzech kategorii i podają ścieżkę do uzyskania najlepszej wydajności. Korzyści z optymalizacji bezpieczeństwa wykraczają daleko poza ograniczenie liczby wypadków i zmniejszenie obrażeń czy wartości grzywien. Firmy, które holistycznie podchodzą do kwestii bezpieczeństwa w zakresie kultury, zgodności i kapitału, mogą podnieść produktywność, zwiększyć efektywność i zwiększyć morale pracowników, a jednocześnie chronić reputację swojej marki.

Elektroniczne przekaźniki bezpieczeństwa

Ostatnim elementem przemysłowego systemu bezpieczeństwa są elektroniczne przekaźniki bezpieczeństwa, które są wbudowane w elektroniczne moduły bezpieczeństwa lub stanowią oddzielne urządzenia. Jak zaznaczono na początku artykułu, moduły bezpieczeństwa stosowane są w celu spełnienia wymogów bezpieczeństwa maszynowego dotyczącego obwodów zatrzymania maszyny. Istotne są tu takie funkcje, jak nadzór nad zatrzymaniem natychmiastowym, nadzór nad stycznikami i zaworami, nadzór nad zwarciem w obwodach zatrzymania oraz nadzorowanie kasowania (ręczne lub automatyczne).

Jednak moduł bezpieczeństwa nie może prawidłowo funkcjonować bez przekaźników bezpieczeństwa. W układzie bez przekaźnika bezpieczeństwa nie są bowiem standardowo monitorowane zwarcia w sytuacji, gdy wyłączniki awaryjne lub styczniki czy np. kurtyny świetlne działają prawidłowo. Pojedynczy defekt w układzie może zatem doprowadzić do sytuacji niebezpiecznej, zagrażającej życiu lub zdrowiu pracowników. Dlatego rolą przekaźnika bezpieczeństwa jest monitorowanie wszystkich połączeń kablowych, stanu wyłączników blokujących, przycisków stopu awaryjnego, wyłączników awaryjnych oraz styczników – i to właśnie należy do jego głównych zadań.

Warto jednak pamiętać, że w prostych aplikacjach, gdzie nie ma uzasadnienia w stosowaniu modułów bezpieczeństwa (brak bezpośredniego niebezpieczeństwa dla ludzi lub niewielkie zagrożenie), przekaźniki przejmują takie funkcje jak awaryjny stop, kontrolę drzwi ochronnych, kontrola barier i kurtyn świetlnych, kontrolę mat naciskowych, prędkości, stanu zatrzymania, a więc wszystkich omówionych w artykule elementów.

*Wszystkie tabele znajdują się w wersji drukowanej i PDF czasopisma Automatyka 1-2/2018

źródło: Automatyka 1-2/2018