Sygnalizacja przemysłowa

Rynek urządzeń sygnalizacyjnych obejmuje kilka grup produktów. Przede wszystkim są to różnego rodzaju kolumny lub wieże świetlne, proste lampy sygnalizacyjne, stosowane np. na środkach transportu wewnętrznego oraz sygnalizatory dźwiękowe.

W Polsce, podobnie jak w innych krajach Unii Europejskiej, obowiązują dyrektywy związane z sygnalizacją dźwiękową i wizualną. Wraz z tzw. dyrektywą maszynową 2006/42/WE opublikowaną 9 czerwca 2006 r. i obowiązującej od 29 grudnia 2009 r. na mocy Rozporządzenia Ministra Gospodarki z  21 października 2008 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla maszyn (Dz.U. nr 199, poz. 1228), obligują one producentów i użytkowników urządzeń przemysłowych do korzystania z elementów sygnalizacyjnych informujących o stanie pracy maszyn, ich awariach i ewentualnych niebezpieczeństwach.

Normy dotyczące sygnalizacji

Zgodnie z przyjętą dyrektywą maszynową – pkt 1.7.1.2 – urządzenia ostrzegawcze w sytuacji, gdy zdrowie i bezpieczeństwo osób może być zagrożone ze względu na awarię lub defekt maszyny pozostawionej bez nadzoru, muszą być wyposażone w odpowiednią dźwiękową lub optyczną sygnalizację ostrzegawczą. Jak wspomniano, sygnały wysyłane przez urządzeń muszą być jednoznaczne i łatwo dostrzegalne.

W przypadku naszego kraju przepisy dotyczące ostrzegania i informowania, zarówno sygnałami dźwiękowymi i wizualizacyjnymi, zebrane są przede wszystkim w poniższych normach:

• PN-EN 981:2002 Maszyny. Bezpieczeństwo. System dźwiękowych i wizualnych sygnałów niebezpieczeństwa oraz sygnałów informacyjnych.
• PN-EN 842:2002 Maszyny. Bezpieczeństwo. Wizualne sygnały niebezpieczeństwa. Ogólne wymagania, projektowanie i badanie.
• PN-EN 457:1998 Maszyny. Bezpieczeństwo. Dźwiękowe sygnały bezpieczeństwa. Wymagania ogólne, projektowanie i badania.
• PN-EN 61310-1:2008 Bezpieczeństwo maszyn. Wskazywanie, oznaczanie i sterowanie. Część 1: Wymagania dotyczące sygnałów wizualnych, akustycznych i dotykowych.

W pierwszej z wymienionych norm, PN-EN 981:2002, zdefiniowane są typy sygnałów optycznych i dźwiękowych w zależności od rodzaju informacji przekazywanej człowiekowi – tabela 1. Kupując kolumny sygnalizacyjne bezpośrednio u zagranicznych, zwłaszcza azjatyckich dostawców, należy zwrócić uwagę, czy są one zgodne z wymienioną wyżej normą. Zdarza się bowiem, że kolumny tego typu przystosowane są do standardów obowiązujących w innych krajach, które nie zawsze są tożsame z naszymi wymogami.

Zgodnie z normami, urządzenia sygnalizacyjne powinny być instalowane w taki sposób, aby co najmniej jedno urządzenie sygnalizujące niebezpieczeństwo było widoczne z każdego miejsca objętego sygnalizacją. Jeżeli pracownicy, w trakcie wykonywanych czynności zmieniają kierunek patrzenia lub gdy pola widzenia dla różnych osób nie pokrywają się, wówczas muszą być instalowane dodatkowe lampy sygnalizacyjne, tak aby objąć cały obszar ,na którym może wystąpić niebezpieczeństwo.

Kolejną istotną uwagą jest to, że jeżeli na maszynie czy na linii produkcyjnej jednocześnie stosowane są sygnały ostrzegawcze i sygnały niebezpieczeństwa, i jeśli z dowolnego powodu. np. wymogu pracy w okularach ochronnych z barwnym filtrem, nie jest możliwe ich rozróżnienie (tzn. barwy czerwonej od pomarańczowej), to sygnał niebezpieczeństwa musi być co najmniej dwa razy silniejszy od sygnału ostrzegawczego. Co ważne, w wypadku hal i linii produkcyjnych, urządzenia sygnalizujące niebezpieczeństwo powinny być zainstalowane w miejscu przewidywanego wystąpienia zagrożenia, dzięki czemu pracownicy mogą natychmiast podjąć odpowiednie działania zaradcze. Normy zalecają też stosowanie więcej niż jednej lampy w miejscu niebezpiecznym po to, aby stworzyć sygnał przestrzenny, który będzie widoczny z każdej strony.

Niekiedy w praktyce stosuje się kolumny i sygnały o innych barwach niż wymienione w tabeli 1. Trzeba jednak podkreślić, że służą one wówczas wyłącznie do celów informacyjnych zgodnie z procedurami wewnętrznymi przedsiębiorstwa lub takimi, które są określone w dokumentacji maszyny. Kolumna sygnalizacyjna nie musi też zawierać lampy czerwonej. Jednak w tym wypadku, sygnał ostrzegawczy wysyłany jest przez inne, niezależne urządzenie sygnalizacyjne, np. syrenę alarmową. Barwa zielona może być niekiedy świadomie pominięta. Wówczas kolumna wskazuje jedynie sytuacje wymagające działań ze strony pracowników czy obsługi.

W przypadku dźwiękowego sygnału ostrzegawczego, instalując syrenę lub sygnalizator z syreną należy wziąć pod uwagę obszar słyszalności, głośność tła generowanego przez pracujące maszyny i urządzenia transportu wewnętrznego, możliwość wystąpienia tłumienia dźwięku przez wiatr, deszcz czy śnieg. W zastosowaniach przemysłowych sygnalizator musi wytwarzać dźwięk o głośności wystarczającej do pokonania tła i wszystkich innych sygnałów dźwiękowych w zakładanym obszarze słyszalności. Sygnał dźwiękowy niebezpieczeństwa ma absolutny priorytet w stosunku do innych sygnałów dźwiękowych. Przewiduje się, że musi on być o co najmniej 15 dB głośniejszy od hałasu otoczenia, ale jego głośność nie może być też mniejsza niż 65 dB.

Urządzenia sygnalizacyjne

Najczęściej wykorzystywanym urządzeniem sygnalizacyjnym są lampy sygnalizacyjne, nazywane też sygnalizatorami oraz wspomniane już wcześniej kolumny sygnalizacyjne określane też mianem wieży sygnalizacyjnej. Obie grupy urządzeń mogą być stosowane nie tylko w przemyśle, ale również w innych dziedzinach, przy czym kolumny spotkać można tu już raczej rzadko i w bardzo specyficznych aplikacjach, np. kontroli statusu wejść do pomieszczeń w budynkach o ograniczonym dostępie. Ze zwykłymi sygnalizatorami spotkać się można również w transporcie, logistyce, sporcie czy systemach bezpieczeństwa budynków użytku publicznego – m.in. alarmy przeciwpożarowe, kontrola wejść itp.

W przemyśle, zarówno sygnalizatory, jak i kolumny są instalowane na pojedynczych urządzeniach i maszynach, na liniach technologicznych, w zrobotyzowanych gniazdach produkcyjnych, na urządzeniach transportu wewnętrznego, w tym na różnego rodzaju autonomicznych wózkach czy przenośnikach taśmowych.

Jeśli chodzi o kolumny sygnalizacyjne, to na rynku funkcjonują obecnie dwa typy rozwiązań – tzw. kolumny modułowe i kompaktowe. Kolumny kompaktowe to po prostu gotowy sygnalizator o określonej funkcjonalności. Konstrukcja modułowa pozwala zaś na dobranie lub samodzielne zmontowanie takiej wersji, która będzie przystosowana do naszych potrzeb – można w nich w dowolny sposób zestawić barwy świateł, a w razie potrzeby dodać kolejne elementy o wymaganym kolorze. Istotne jest też to, że modułowa budowa kolumny pozwala na jej łatwy i szybki montaż oraz demontaż. Najczęściej moduły łączone są ze sobą połączeniami zatrzaskowymi.

Obecnie najpopularniejsze są kolumny o średnicach 30, 50 i 70 mm. Dobierając kolumnę warto zwrócić też uwagę na liczbę kolorów elementów świetlnych, możliwość montażu w różnych pozycjach oraz możliwość instalacji kolumny na zewnątrz budynku. Typowe obudowy kolumn sygnalizacyjnych zapewniają stopień ochrony przed pyłem i wodą na poziomie IP54 lub IP65/66. Zakres temperatury pracy dla kolumny sygnalizacyjnej wynosi od –25 °C do +55 °C. W sprzedaży dostępne są też modele funkcjonujące w zwiększonym zakresie temperatury od –20 °C do +70 °C. 

Dostępne na rynku kolumny sygnalizacyjne wytwarzane są niemal w całości z tworzywa sztucznego, które jest odporne na uderzenia. Wykorzystuje się tutaj przede wszystkim ABS oraz tworzywa poliwęglanowe, z których wykonywane są klosze osłaniające źródło światła. Obudowa kolumny pozwala na jej bezpośredni montaż na maszynie lub stosuje się konstrukcje ze słupkiem, dzięki czemu można ją umieścić ponad maszyną lub linią produkcyjną. Wówczas kolumna może być widoczna z większej odległości i nie będzie zasłaniana przez inne elementy infrastruktury produkcyjnej. Jak wspomniano, produkowane są też kolumny przystosowane do montażu bocznego na ścianie lub w profilu oraz słupkowe dostosowane do montażu bocznego, w których wykorzystuje się specjalne kątowniki montażowe.

Źródło światła

W dostępnych na rynku kolumnach sygnalizacyjnych i sygnalizatorach są tradycyjne żarówki, halogeny lub, obecnie najczęściej, energooszczędne diody LED. Producenci przymierzają się również do wprowadzenia jako źródła światła płaskich, formowanych w dowolne kształty wyświetlaczy OLED w formie polimerowej folii. Tego typu polimerowe, świecące folie OLED nakleić można np. bezpośrednio na ramię robota przemysłowego, co ułatwia ostrzeganie przed niebezpieczeństwem. Nad tego typu rozwiązaniem nazwanym RLS (Robot Light Skin), pracują m.in. naukowcy z Cranfield University w Wielkiej Brytanii.

W dostępnych na rynku sygnalizatorach i kolumnach sygnalizacyjnych wykorzystuje się światło ciągłe lub regularny sposób jego błyskania z określoną częstotliwością, co ma zwrócić uwagę obsługi na stan pracy maszyny lub zaistniałą sytuację związaną z alarmem lub zagrożeniem bezpieczeństwa. Niestety, takie regularne miganie lub światło ciągłe może spowodować przyzwyczajenie się operatora i opóźnienie lub brak odpowiedniej reakcji. Dlatego tam, gdzie to konieczne, w sygnalizatorach i kolumnach sygnalizacyjnych stosowana jest technologia nieregularnych błysków nazywana też EVS (Enhanced Visibility System). Tutaj elektroniczny układ sterujący generuje nieregularne błyski, co zapobiega przyzwyczajeniu się do alarmu pracowników i skraca czas reakcji.

W przypadku kolumn sygnalizacyjnych wykorzystujących diody LED coraz częściej spotkać się można z opcją zastosowania dodatkowych sygnałów świetlnych. Najczęściej są to: efekt światła obrotowego czyli tzw. „koguta”, modulacja jasności, światło stroboskopowe (zwykle stosowane wyłącznie dla koloru czerwonego) czy nieregularna częstotliwość błysków. Ten ostatni efekt może być też dostępny w kolumnach z tradycyjnymi żarówkami. Kolumny sygnalizacyjne zasilane są najczęściej napięciem 12 V DC/AC lub 24 V DC/AC, choć spotyka się również urządzenia dostosowane do zasilania napięciem sieciowym 230 V AC.

Sterowanie

Sterowanie sygnalizacją i kolumną sygnalizacyjną to jeden z najważniejszych elementów, które należy brać pod uwagę przy wyborze odpowiedniego modelu urządzenia do potrzeb. Najważniejsze jest to, aby system sterowania był zgodny z wyjściami sterowania zastosowanymi w maszynie lub systemie automatyki przemysłowej. Zwykle kolumny i sygnalizatory dostępne są w kilku wersjach z różnymi systemami sterowania lub umożliwiają wysterowanie zgodne z kilkoma standardami.

W typowej kolumnie sygnalizacyjnej mamy do dyspozycji albo sterowanie analogowe w wersji napięciowej lub rezystancyjnej, albo sterowanie w pelni cyfrowe. W wypadku kolumn uniwersalnych znajdziemy tam oba rodzaje sterowania, które są wystarczające w większości zastosowań przemysłowych. Do kolumn tych, w najczęściej wykorzystywanym trybie napięciowym, napięcie podawane na zaciski powinno zawierać się w przedziale 0–10 V DC. Są to wartości typowe dla większości kolumn sygnałowych dostępnych na polskim rynku.

Niekiedy spotkać można również analogowe sterowanie bezpotencjałowe, co, ze względu na kompatybilność, może być przydatne m.in. w przypadku systemów sygnalizacyjnych wykorzystywanych w układach sterowania inteligentnym budynkiem. Warto zwrócić też uwagę na fakt, że w przypadku sterowania analogowego, każdy segment, czyli wejście kolumny, odpowiadający za pojedynczy kolor, jest zazwyczaj sterowane niezależnie.

Obecnie w kolumnach sygnalizacyjnych standardowo stosuje się już przede wszystkim dwustanowe wyjścia cyfrowe. Na wejścia kolumny podawane są sygnały o dwóch poziomach logicznych. Sterowanie takie, zgodne jest z większością kontrolerów PLC i kontrolerów ruchu wykorzystanych w systemach automatyki oraz w sterowaniu maszynami. Dzięki temu taką kolumnę można szybko zainstalować praktycznie w każdej nowoczesnej maszynie, czy na każdej linii produkcyjnej.

Coraz częściej, dostępne na rynku kolumny sygnalizacyjne, charakteryzują się zaimplementowanymi funkcjami, które zapobiegają generowaniu przypadkowych sygnałów ostrzegawczych. Taki sygnał może się pojawić w wyniku błędnego wysterowania lub awarii układu doprowadzającego sygnały sterujące do wejść kolumny. Zakres wykorzystywanych w kolumnach funkcji obejmuje też priorytetyzację sygnałów – oznacza to, że odtwarzany jest zawsze sygnał o większym znaczeniu. Na przykład, podczas wyświetlania sygnału ostrzeżenia, w momencie pojawienia się sygnału niebezpieczeństwa, kolumna musi przełączyć się na wyświetlanie znacznie ważniejszego sygnału niebezpieczeństwa. Warto też wspomnieć, że nowoczesne kolumny sygnalizacyjne coraz częściej dysponują również trybem testu, który pozwala szybko, na linii produkcyjnej, sprawdzić prawidłowe działanie kolumny czy sygnalizatora.

Magistrale danych

Do sterowania sporą grupą kolumn sygnalizacyjnych wykorzystuje się też różnego typu magistrale komunikacyjne. Pomagają one zintegrować kolumny sygnalizacyjne w jeden większy system automatyki przemysłowej. Dla przykładu, w kolumnach sygnalizacyjnych SmartLight firmy Baluff znaleźć można magistralę IO-Link. Dzięki temu znacznie łatwiej można globalnie wizualizować stany robocze dla wielu maszyn czy linii produkcyjnych, zapewniając w ten sposób dodatkowe bezpieczeństwo. Co ważne, magistrala ta zapewnia połączenie „punk-punkt”, niezależnie od sieci przemysłowej, co w konsekwencji upraszcza całą infrastrukturę sygnalizacyjną na hali produkcyjnej.

W wypadku kolumn sygnalizacyjnych firmy Siemens (m.in. z rodziny Sirius) zaimplementowano magistralę AS-Interface (Actuator Sensor Interface, AS-i). Jest to otwarty standard sieci przemysłowej stosowany w automatyce przemysłowej. Sieć AS-i została zaprojektowana tak, aby móc za jej pomocą często pobierać dane z wielu binarnych czujników, a także do sterowania wieloma binarnymi urządzeniami wykonawczymi, takimi właśnie, jak kolumny sygnalizacyjne. Urządzenia połączone są ze sobą za pomocą jednego dwużyłowego przewodu, który jest jednocześnie kablem zasilającym i sygnałowym.

Z kolei firma Eaton stosuje w swoich kolumnach magistralę SmartWire-DT. System ten pozwala wyeliminować nadmiar przewodów sterujących. W klasycznym rozwiązaniu wszystkie elementy systemu są indywidualnie „oprzewodowane” i podłączone do wejść lub wyjść elementów sterujących. W wypadku magistrali SmartWire-DT wszystkie elementy podłączane są do jednej taśmy. Dzięki temu istnieje możliwość podpięcia elementów znajdujących się nie tylko w pulpicie sterowniczym, ale również łatwego połączenia z szafami rozdzielczymi i elementami wykonawczymi w maszynach.

Producenci zaczynają też opracowywać sterowanie kolumn zgodne z Przemysłowym Internetem Rzeczy (Industrial Internet of Things). Nie są one jeszcze często spotykane, ze względu na konieczność dodania kontrolera sieciowego zgodnego ze standardem Ethernet, a także zaimplementowania bardziej zawansowanego oprogramowania sterującego, co w wypadku kolumn sygnalizacyjnych, a więc stosunkowo prostych urządzeń, podnosi ich cenę. Niemniej spadek cen podzespołów sieciowych, popularyzacja Przemysłu 4.0 sprawia, że wkrótce tego typu urządzenia będą masowo produkowane.

Komunikacja radiowa

Warto też wspomnieć, że w systemach automatyki przemysłowej nie wszędzie da się „podciągnąć” przewody sygnałowe. Tutaj bardzo dobrze sprawdzają się bezprzewodowe systemy sterujące pracą kolumn. W układzie takim znajdziemy zazwyczaj urządzenie sterujące podłączane do kontrolera zarządzającego pracą linii produkcyjnej bądź maszyny oraz jeden lub kilka urządzeń podrzędnych, czyli sygnalizatorów. Urządzenie sterujące łączy się drogą radiową z urządzeniami podrzędnymi i w zależności od sygnału z podanego przez kontroler maszyny, przesyła informację do rozlokowanych w różnych punktach hali kolumn sygnalizacyjnych.

Inne urządzenie radiowe, które spotykane jest w systemach kolumn sygnalizacyjnych to bezprzewodowy multiplekser radiowy. Służy on do odzwierciedlenia stanu jednej kolumny sygnalizacyjnej na innej oddalonej kolumnie sygnalizacyjnej. Taki zestaw składa się zwykle z urządzenia nadrzędnego z anteną zewnętrzną oraz urządzenia podrzędnego z anteną wewnętrzną. Tego typu kolumny stosuje się na przykład na obu końcach długich podajników taśmowych.

Kolumna programowalna

Wprowadzenie jako elementu świecącego panelu wykonanego z diod LED pozwoliło w znaczący sposób zmodyfikować klasyczną konstrukcję kolumny sygnalizacyjnej. Tradycyjny, wyraźny podział na elementy świetlne kolumny może być zastąpiony programowalnym panelem złożonym z diod LED RGB. Wieża taka może generować różnego rodzaju kolorowe sygnały dopasowane do aktualnych potrzeb na całej swojej powierzchni, a nawet wyświetlać komunikaty tekstowe.

Pierwsza taka konstrukcja na rynku to wspomniany system SmartLight firmy Baluff korzystający z magistrali IO-Link. Kolumna SmartLight składa się z dwudziestu kolorowych diod LED, które ułożono jedna nad drugą. Podział kolumny na strefy w danym kolorze jest umowny, bo można nim sterować w sposób dynamiczny, w zależności od potrzeb. Wszystkie diody mogą świecić lub migać w dowolny sposób w różnych kolorach. Dzięki temu użytkownik może zdefiniować strefy w zależności od potrzeb.

Co ciekawe, SmartLight pozwala zaprogramować odpowiednie sekwencje w zależności od realizowanego zadania Może być to na przykład tryb światła falującego, gdzie segment o skonfigurowanej wielkości automatycznie „przepływa” przez całą długość modułu świetlnego. Jak wynika z informacji podanych w materiałach producenta, użytkownik może nie tylko wybrać sobie poruszający się segment, ale także kolor tła. Dzięki temu kolumna staje się inteligentnym, złożonym z diod, ekranem, a to z kolei otwiera szereg nowych możliwości.

Dla przykładu, możliwe jest przekazywanie wizualnych informacji o różnych stanach maszyny, ostrzeżeń lub instrukcji dotyczących działań jakie należy podjąć. Smart Light umożliwia zatem wizualizowanie wielu stanów, których prezentowanie za pomocą tradycyjnych kolumn jest po prostu niemożliwe. Co więcej, ponieważ nie ma tu stałego podziału, to odpada konieczność montażu lub demontażu ewentualnych modułów w celu wprowadzenia zmian w systemie sygnalizacji.

Na światowym rynku pojawia się coraz więcej modeli podobnych do uniwersalnych kolumno-wyświetlaczy. W ich produkcji specjalizują się dalekowschodni producenci, ale urządzenia te, ze względu konieczność zdobycia europejskich certyfikatów trafiają na nasz rynek na razie dość rzadko. Zaprogramowane diodowego wyświetlacza jest bardzo proste i można dokonać tego z poziomu sterownika PLC, nawet w trakcie pracy maszyny lub linii produkcyjnej. Dzięki możliwości swobodnego programowania na kolumnie sygnalizacyjnej wyświetlać można dane odnoszące się do procesu technologicznego, konieczność odbioru obrobionych detali, a nawet temperaturę pracy maszyny czy pobór mocy i związane z nią koszty – wszystko zależy od potrzeb i pomysłowości inżyniera odpowiedzialnego za utrzymanie ruchu.

źródło: PIAP