Print

Integrace bezpečnostních funkcí do polohovacích systémů

-- 09.06.09

Ne každá předpokládaná „nouzová“ situace vyžaduje úplnou odstávku systému strojů. Přesto tradiční bezpečnostní systémy nabízely pouze možnost úplného vypnutí napájení, bez ohledu na míru rizika, a tím docházelo k nevyhnutelným ztrátám produktivity. Novější koncepce vychází z komplexního posouzení rizika a spolehlivosti systému strojů, které je následně spojeno se stupněm odstávky stroje potřebným pro předcházení škodám nebo úrazům. To umožňuje bezpečný přístup ke strojům při zachování chodu hlavního napájení, což usnadní nastavení a odstraňování chyb a umožní rychlejší návrat k výrobě.

Přidané bezpečnostní funkce brání nežádoucímu nebo náhodnému pohybu motorů a pohonů. Bezpečnostní standardy definovaly funkční bezpečnost a zajistily, aby byla nezbytnou součástí polohování, přičemž dříve šlo o samostatné systémy. Cestu ukazovala Evropa s normami, jako jsou EN 954-1 a IEC 61508, ale revize normy NFPA 79 z roku 2007 přinesla funkční bezpečnost i pro výrobce a uživatele v USA. Odborníci tvrdí, že skutečným impulsem k integraci bylo to, že národně uznávané zkušební laboratoře byly schopny pomocí testů ověřit, zda funkční bezpečnost odpovídá normám.

Bezpečnost, integrace a přínosy

Kromě zkoumání otázek technologie a produktivity je důležité pamatovat na hlavní smysl bezpečného polohování: prevence zranění nebo smrtelných úrazů obsluhy. Společnost Bosch Rexroth považuje okamžitou konektivitu a možnost rychlejšího zastavení stroje za hlavní přínos integrace bezpečnosti a polohování. „Když je aktivována bezpečnostní funkce, je nežádoucí další zpoždění způsobené tím, že by vazební bloky sběrnice fieldbus nebo pomalé monitorovací PLC nejprve vyhodnocovaly situaci a až poté provedly bezpečnostní úkon,“ říká David Arens, technik společnosti Bosch Rexroth pro aplikace potravinářské výroby a balení.

Důležitější je rychle stroj bezpečně zastavit a snížit tak riziko úrazu. Dalším přínosem integrace pro finanční výsledky podniku je monitorování a diagnostika bezpečnostního systému. „Efektivní diagnostika šetří náklady tím, že se stroje mohou do výroby vracet rychleji,“ vysvětluje Arens. Související úspory přicházejí z důvodu snížení údržby díky použití jedné sběrnice fieldbus. „To je výhodné pro OEM a konečné uživatele, protože menší počet systémových připojení znamená menší počet potenciálně vadných míst, které se musí kontrolovat,“ uvádí Arens. Společnost Bosch Rexroth implementuje integrovanou bezpečnost do svých pohonů a polohovacích systémů prostřednictvím jednoho ze čtyř formátů sběrnice fieldbus: SERCOS III, Profibus, Profinet a EtherCAT.

 Společnost Siemens Energy & Automation připisuje integrované bezpečnosti a polohování několik výhod, mimo jiné menší počet komponent, které jsou obvykle vyžadovány pro tradiční bezpečnostní obvody, zkrácenou dobu pro technický vývoj těchto obvodů, menší prostorové nároky komponent a kratší dobu zapojení kabeláže. „Integrovaná bezpečnost navíc nabízí větší možnosti diagnostiky, které nejsou k dispozici u samostatných systémů,“ říká John Krasnokutsky, marketingový manažer společnosti Siemens E&A pro polohovací systémy. Řídicí prvek pohonu může na obrazovku rozhraní HMI zasílat informace o tom, která bezpečnostní funkce byla aktivována a proč, aby je operátor posoudil.

Tyto bezprostředně dostupné informace zkracují čas potřebný pro odstraňování závad. Společnost Siemens do své řady měničů Sinamics S, které nabízejí řízení motoru jako serva, vektorové řízení a pomocí otevřené smyčky, zabudovala sedm bezpečnostních funkcí. Jsou to funkce – bezpečné vypnutí krouticího momentu (Safe Torque Off – STO), bezpečné zastavení 1 (Safe Stop 1 – SS1), bezpečné zastavení 2 (Safe Stop 2 – SS2), bezpečné provozní zastavení (Safe Operating Stop – SOS), bezpečně omezená rychlost (Safely Limited Speed – SLS), monitorování bezpečné rychlosti (Safe Speed Monitor – SSM) a bezpečné řízení brzd (Safe Brake Control – SBC), jak jsou definovány v normě IEC 61800-5-2. Bezpečnostní funkce se zapínají prostřednictvím programu Starter, konfiguračního softwaru pohonů Sinamics S, a volbou příslušného úkonu.

„Tři základní příkazy pro bezpečné zastavení (STO, SS1 a SBC) lze bezpečnostně zapojit přímo k pohonu, bez nutnosti dodatečného hardwaru,“ poznamenává Krasnokutsky. „Uživatelé však mohou inicializovat všechny bezpečnostní funkce po sběrnici Profibus nebo Profinet prostřednictvím profilu Profisafe.“ Alternativním způsobem implementace je použití bezpečnostního terminálového modulu, označovaného Drive-CliQ, který se připojuje k systémové desce pohonů Sinamics S. Bezpečnostní funkce zahrnují pokročilé prvky. Například funkce SOS udržuje motor v plném krouticím momentu (nulová rychlost) a monitoruje pohyb z žádané hodnoty polohy; SLS monitoruje až čtyři konfigurovatelné hodnoty limitu rychlosti v obou směrech rotace.

Minimalizujte rizika

Společnost Yaskawa Electric America (YEA) vidí přínosy integrované bezpečnosti pro uživatele v celkové úspoře nákladů a minimalizaci rizika pro pracovníky. Také menší počet senzorů a stykačů a méně kabeláže přispívá ke snižování nákladů. Výsledky jsou měřitelné ve vyšší spolehlivosti, delší životnosti zařízení a menší pracovní náročnosti instalace a odstraňování chyb, uvádí YEA. „Integrovaná bezpečnost umožňuje rychlou dynamiku díky jednodušším ochranným opatřením a menší časové a finanční náročnosti údržby, protože se realizuje v bezpečném prostředí splňujícím přísné požadavky certifikace TÜV,“ říká Dr. Jun Kang, hlavní technik společnosti YEA pro technologii pohonů.

Společnost Yaskawa začlenila bezpečnostní funkce STO do svých frekvenčních měničů V1000, A1000 a F7 a do servozesilovačů řady Sigma-5 SGDV. U funkce STO spuštění bezpečnostního obvodu odpojuje napájení motoru (který volnoběhem dojede do zastavení), ale napájení měniče není přerušeno. U pohonu A1000 je po drobné změně softwaru možné lepší řízení průběhu zastavení (SS1 a SS2). Pohony V1000, A1000 a F7 jsou pro soulad s normou EN 954-1certifikovány mezinárodně uznávanou zkušební laboratoří TÜV. „Pracujeme na zavedení funkčnosti SS1 a SS2 do zesilovačů Sigma-5 SGDV, a to pomocí volitelné karty. Na léto 2009 připravujeme také uvedení volitelné karty pro EtherCAT,“ říká Scott Carlberg, marketingový manažer společnosti YEA pro servo produkty.

Zásadní význam vyhodnocení bezpečnostní situace

Bezpečnostní prvky u elektrických pohonů, jako je bezpečné vypnutí krouticího momentu nebo bezpečná deaktivace, „se odvíjejí od toho, jakým způsobem se systém nebo stroj korektně vypne v případě, kdy je pracovník vystaven potenciálnímu riziku,“ vysvětluje Carlberg. David Arens ze společnosti BRC říká: „Řádné vyhodnocení rizika je zapotřebí, třeba i po instalaci bezpečnostního systému, aby bylo zajištěno, že ochrání všechny pracovníky okolo stroje.“ Dalším krokem k úspěšné implementaci je znalost bezpečnostních norem specifických pro konkrétní aplikaci. Například pro různé stroje je nutno použít různé zábrany, dvířka, zámky a bezpečnostní opatření.

Pravidla pro redundanci

Redundance je důležitým aspektem bezpečnostního systému, protože eliminuje možnost, že by jednotlivé selhání ohrozilo bezpečnostní funkci. Pro společnost Bosch Rexroth, říká Arens, to znamená použít u bezpečnostních systémů nejméně dva operační kanály – ať už jde o dva napevno zapojené kanály, jeden zapojený napevno a jeden kanál fieldbus nebo dva nezávislé kanály na sběrnici fieldbus. Obdobně i modul enkodéru dělí své signály na dva monitorovací kanály. Pokud některý z monitorů detekuje nepatřičný pohyb, stroj přejde do bezpečného stavu. Pro jednoduchost používá mikropohon Yaskawa V1000 jeden bezpečnostní vstup, ale rozděluje vstup interně v měniči, aby splnil požadavky normy EN 954-1, kategorie 3 na redundanci.

Přerušení proudu v některém z obvodů spustí bezpečnostní deaktivaci a vypne hradlové obvody tranzistorů, které odpojí napájení motoru. Pohon A1000 využívá dva bezpečnostní vstupy, kde přerušení proudu v některém ze vstupů také způsobí bezpečnou deaktivaci. Redundance u pohonů Siemens Sinamics S je řešena dvouprocesorovým systémem s nezávislými vypínacími cestami a interním monitorováním. „Tím jsou zajištěny dva kanály požadované bezpečnostními systémy. Jestliže tedy jeden kanál selže nebo zasílá nekonzistentní data, druhý o tom ví a systém přejde do bezpečného stavu,“ říká Krasnokutsky.

Kombinaci bezpečnosti s polohováním na tomtéž systému částečně umožnil rozvoj komunikačních sběrnic, které jsou spolehlivější než napevno zapojené neinteligentní systémy. „K požadavkům patřilo potvrzení, že komunikace a polohování mohou fungovat nezávisle na stejné sběrnici fieldbus a způsob ověření integrity komunikace a rychlý datový tok – pod 10 ms u cyklických nebo opakovaných zpráv,“ říká David Arens ze společnosti BRC. Byly zapotřebí také pohony, bezpečnostní zařízení, I/O moduly atd., které dokážou dostatečně rychle číst bezpečnostní signály a reagovat na ně a spolehlivě splňují podmínky bezpečnostní normy.

Jedna z významných sběrnic fieldbus – Ether- CAT – po nějakou dobu poskytovala vysoce výkonnou komunikaci pro automatizaci, polohování a bezpečnostní aplikace, uvádí Joey Stubbs, PE, PMP, zástupce organizace EtherCAT Technology Group (ETG) pro Severní Ameriku. „Funkční protokol pro přenos bezpečných dat po EtherCAT (Safety-over EtherCAT – FSoE) byl vyvinut pro použití se sběrnicí fieldbus EtherCAT, aby bylo zajištěno, že uživatelé mohou plně využívat integrovanou bezpečnost ve svých řešeních řízení strojů, a to bez nutnosti vyhrazené bezpečnostní kabeláže nebo komunikačních kabelů,“ dodává Stubbs. Organizace ETG nedávno rozšířila, v zájmu doplnění bezpečnostních funkcí, protokol FSoE o standardní profil zařízení pro pohony s podporou EtherCAT, označený Safety Drive Profile. Schopnost profilu Safety Drive Profile integrovat polohování a bezpečnost připisuje Stubbs třem „ingrediencím“.

Jsou to:

• dobře definované profily pohonů s podporou EtherCAT pro DS402 (CAN) nebo SERCOS;

• dobře definovaný protokol FSoE umožňující standardní implementaci bezpečnostních zařízení a programovatelných automatů logických řídicích prvků na EtherCAT, bez ohledu na dodavatele;

• definice bezpečnostních funkcí pohonu jako součásti IEC 61800-5-2.

„Kombinace těchto tří otevřených prvků nyní umožnila skutečnou nezávislost na dodavateli při implementaci bezpečnosti u aplikací polohování,“ doplňuje. K přínosům profilu FSoE Safety Drive Profile patří snadnější integrace pohonů třetích výrobců a dalších zařízení do bezpečnostních systémů, včetně polohovacích systémů. „Toto je nutností pro integrátory, kteří chtějí flexibilitu výběru nejvhodnějších komponent od více dodavatelů,“ říká Stubbs. „Dnešní pohony podporující bezpečnost jdou nad rámec starých metod ‚odpojení hlavního napájení‘ a ‚vypnutí motorů‘ a nabízejí funkce, jako jsou bezpečné rychlostní limity, bezpečné zastavení, bezpečný krouticí moment atd. Technologii EtherCAT vyvinula německá společnost Beckhoff Automation. Otevřeným standardem sběrnice se stala v roce 2003, kdy byla založena organizace EtherCAT Technology Group. V současnosti má ETG 910 členů ze 44 států. Patří sem dodavatelé pohonů a zařízení, výrobci strojů a koneční uživatelé.

Rozšíření v USA

„Obecně lze říci, že USA v integraci bezpečnostních funkcí poněkud zaostávají,“ upozorňuje Arens. Strategií bývalo spíše doplnit bezpečnostní funkce po instalaci stroje, a nikoliv již ve fázi návrhu. Koncepce začleňování bezpečnostních prvků, kterou vede Evropa, je levnější a rozšiřuje bezpečnost nad rámec místa provozu stroje. „Dává operátorům strojů možnost aplikovat integrovanou bezpečnost tam, kde jedinou možností dříve bývalo odpojit celý systém,“ dodává Arens. „Rozšiřování v USA vedou vyvážející výrobci, zejména na trhu s obráběcími a tiskařskými stroji. Pomaleji se tato koncepce rozšiřuje v oblasti všeobecné automatizace a balicí techniky.“ Normy, jako je IEC 61508 a zejména NFPA 79 v revidované verzi z roku 2007, podporují rozšiřování bezpečnostních funkcí integrovaných do pohonů v USA, uvádí společnost Siemens.

Norma NFPA 79 nyní umožňuje použití řídicích prvků na bázi softwaru/firmwaru ve funkcích souvisejících s bezpečností tam, kde pohon slouží jako konečný vypínací prvek. Odstraňuje se tak potřeba konečného vnějšího vypínače (stykače). „Až si zákazníci zvyknou na nové normy a integrované bezpečnostní funkce, objem implementace systémů s bezpečnostními pohony výrazně vzroste,“ dodává Krasnokutsky. I když se bezpečnost integrovaná do polohovacích systémů stala skutečností díky technologii teprve nedávno, její základní principy bezpečnosti pracovníků a efektivity strojů jsou známy už dlouho. Werner von Siemens v roce 1890 prohlásil: „Prevence nehod nesmí být považována za opatření požadované ze zákona, ale za zásadu lidské odpovědnosti a zdravého ekonomického myšlení.“

ce

Frank J. Bartos, P.E., je konzultant časopisu Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese braunbart@sbcglobal.net.

Pro více informací navštivte:

www.boschrexroth-us.com

www.beckhoffautomation.com

www.ethercat.org

www.pilz.us

www.siemens.com

www.yaskawa.com

Autor: Frank J. Bartos, P. E., Control Engineering


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Trendy v robotizaci 2020
2020-01-28 - 2020-01-30
Místo: Best Western Premier / Avanti, Brno
DIAGO 2020
2020-01-28 - 2020-01-29
Místo: Orea Resort Devět Skal ***, Sněžné - Milovy
Trendy automobilové logistiky 2020
2020-02-20 - 2020-02-20
Místo: Parkhotel Plzeň
Úspory v průmyslu
2020-03-03 - 2020-03-03
Místo: Ostrava
AMPER TOUR 2020
2020-03-17 - 2020-03-19
Místo: Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI