Czujniki w systemach bezpieczeństwa

Wiele wypadków przy pracy wynika z braku wprawy, a czasem ze zmęczenia lub bezmyślności. Pod tym względem na linii produkcyjnej to człowiek jest najsłabszym ogniwem. Odpowiedzią są coraz bardziej skuteczne urządzenia, elementy konstrukcyjne i nowe techniki, które eliminują ludzkie słabości.

Pracodawcy muszą przestrzegać przepisów zobowiązujących ich do ochrony życia i zdrowia pracowników oraz ochrony środowiska naturalnego. Z drugiej strony istnieją ekonomicznie uzasadnione przyczyny skłaniające „fabrykantów” do tworzenia warunków pracy wolnych od rozmaitych zagrożeń. Jednym z nich jest Tower Elevator Systems – producent przemysłowych podnośników do różnych zastosowań. Nowe konstrukcje tych urządzeń poddawane są testom w specjalnej wieży. Zainstalowane w niej przemysłowe czujniki oraz pewne z pozoru drobne rozwiązania (czasem jedynie modernizacje czy ulepszenia) tworzą razem jeden spójny system zabezpieczeń. Czujniki systemu bezpieczeństwa tworzą pewną zamkniętą, chronioną przestrzeń. Mają za zadanie wykrywanie naruszenia granic tej przestrzeni i wysyłanie sygnałów do elektronicznego bloku logicznego. Celem jest zatrzymanie lub silne przyhamowanie ruchu siłowników – hydraulicznych, pneumatycznych lub elektrycznych; aby zapobiec wypadkom. Czujniki są wykonane w taki sposób, aby w przypadku awarii jednego z nich sygnał wysyłany do układu logicznego był łatwo odróżniany od pozostałych sygnałów alarmowych (np. z powodu zaniku pomiaru lub błędu w transmisji). Nawet w takiej sytuacji układ logiczny zapewnia bezpieczne położenie mechanizmów ruchu.
Czujniki systemu bezpieczeństwa mogą być wyposażone w elementy redundancji. W razie gdyby jeden czuły element zawiódł, inny przejmuje jego rolę, nie powodując zakłócenia w pracy całego systemu. Oczywiście redundancja nie zapewnia, że system zabezpieczeń jest w 100% niezawodny. Podobnie jak samo istnienie systemu zabezpieczeń nie daje pewności, że automatyzowany obiekt jest całkowicie bezpieczny. W przypadku elementów czy układów sterowania za najbardziej bezpieczny uznaje się poziom oznaczany jako SIL 4 (SIL – Safety Integrity Level). Uzyskanie certyfikatu wymaga zaangażowania znaczących nakładów finansowych. Ma to duże znaczenie dla całości realizowanego zadania.

Więcej niż czujnik   

Bezpieczne czujniki coraz częściej skupiają w sobie dotychczas oddzielne wyroby, takie jak: bariery bezpieczeństwa, ograniczniki, elektroniczne wyłączniki bezpieczeństwa, ręczne przyciski sterujące, skanery laserowe, kurtyny świetlne, maty zabezpieczające, urządzenia optoelektroniki (jedno- lub wielowiązkowe) czy oburęczne elementy zabezpieczające. Podobnie jak każdy układ automatyzacji, tak też zintegrowany system bezpieczeństwa zawiera w sobie liczne: czujniki, zespoły funkcji logicznych, urządzenia wykonawcze, porty We/Wy, sieć transmisyjną oraz oprogramowanie wiążące wszystko w zgraną całość. Tak jak dołączenie czujników podnosi funkcjonalność sprzętu i obniża koszty, podobnie redundancja i projektowanie z myślą o zabezpieczeniu przed wypadkiem obniża ryzyko wypadku podczas pracy.
Obserwowane tendencje w produkcji czujników bezpieczeństwa wykazują dążenie do wyższego poziomu integracji funkcji. Na przykład wstawienie fotodiody i wzmacniacza do jednego układu scalonego: powoduje wyższą czułość czujnika, wzmaga efektywność diod świecących, zwiększa użyteczność, rozszerza paletę oferowanych wyrobów.
– Podstawowa różnica pomiędzy wyrobami bezpiecznymi i niebezpiecznymi polega na tym, że jeśli awarii ulega element składowy w wyrobie bezpiecznym lub wystąpi niedozwolona próba zablokowania jego funkcji zabezpieczającej, to urządzenie potrafi wykryć taki fakt i właściwie na niego zareagować, z zatrzymaniem maszyny włącznie – mówi John Drinkard, kierownik pionu konstrukcji w Omron Scientific Technologies.
Dodaje on, że konstruowanie bezpiecznych wyrobów poszło w kierunku efektywniejszego włączania zastosowań specjalnych, takich jak kurtyny świetlne z funkcjami tłumienia. Łatwiejsze też staje się skonfigurowanie systemu dzięki zastosowaniu wbudowanych łączników lub nawet całych komputerów.

Trójwymiarowa bezpieczna strefa  

Już od jakiegoś czasu produkcja bezpiecznych czujników zmierza do: zwiększenia szybkości działania, zmniejszenia zużycia energii, łatwiejszego zastosowania i bardziej wydajnej produkcji. Przykładem może być pierwsza na świecie trójwymiarowa kamera wizyjna do obserwacji przebiegu procesu oraz do układów automatyzacji. System SafetyEye został wprowadzony na rynek przez Pilz Automation w czerwcu ubiegłego roku. Umożliwia obserwację, wizualizację oraz sterowanie w sferze niebezpiecznych procesów przemysłowych. W dodatku jest on daleko prostszy od całej siatki dwuwymiarowych elementów zabezpieczeń, takich jak kurtyny świetlne i inne rozwiązania ochronne. Według przedstawicieli Pilz trójwymiarowe „bezpieczne oko” zapewnia wyższe bezpieczeństwo ze względu na łatwość konfigurowania (za pomocą PC) stref bezpieczeństwa, wykrywania zagrożeń czy naruszeń i szybkie postawienie diagnozy oraz natychmiastowego usunięcia zakłócenia.
Jak wyraził się Izrael Alguindigue, specjalista motoryzacyjny w dziale systemów bezpieczeństwa Sick, technika bezpiecznych czujników kontynuuje swój marsz do dojrzałości.
– Wyroby z tej grupy są obecnie wyposażone w ogromne możliwości samodiagnozowania, pozwalające na zbieranie informacji o własnym stanie, ale również o stanie urządzenia technicznego, które obsługują – mówi pracownik Sick. – Przykładem mogą być nowe urządzenia zabezpieczeń bazujące na technice wizyjnej, a zainstalowane do nadzorowania pracy pras. Dostarczają one wartościowych danych na temat wydajności maszyny i zmniejszania prędkości, co może posłużyć do oceny stanu hamulca prasy. Tego typu czytelne i dostępne dane z dłuższego okresu są uzyskiwane z urządzenia zabezpieczającego.
Ponieważ dla zapewnienia bezpieczeństwa operatora wymagana jest precyzja, bezpieczne czujniki często mogą dostarczyć innych użytecznych informacji na temat ich lokalizacji, położenia czy kąta widzenia.
Wróćmy do systemu, z którego korzysta Tower Elevator Systems (TESI). Służy on do nadzorowania podnoszenia ładunku i personelu przez podnośnik z mechanizmem zębatkowym. Całość obsługuje programowalny sterownik PLC mający certyfikat SIL4. Takie typowo przemysłowe podnośniki są stosowane przy wysokich obiektach budowlanych, jak: silosy, kominy, kolumny w rafineriach oraz przy konstrukcjach kratownicowych w rodzaju masztów nadajników, wież wiertniczych, koparek kroczących, dźwigów budowlanych. Używa się tu „inteligentnych nawijaków” (Smart Reel) firmy TESI. Mają one wbudowaną redundancję oraz układ regulacyjny Siemensa, którego elementy składowe są łączone siecią transmisyjną Profisafe.  


Bezpieczeństwo razy pięć

Jak mówi Mark Burnett, specjalista TESI, w sprawach bezpieczeństwa inżynierowie próbują zachować tak zwaną „regułę trzech”. Nasz system ma aż pięć poziomów zabezpieczeń, przeznaczonych do ochrony pasażerów i zatrzymania podnośnika, jeśli jest w ruchu podczas wystąpienia wypadku. System automatyzacji w podnośniku wieżowym zapewnia nie tylko samodzielną wizualizację pracy urządzenia, lecz gwarantuje bezpieczne zatrzymanie podnośnika w przypadku wystąpienia awarii. Regulator współpracujący z falownikiem i enkoderem analizuje prędkość ruchu w górę i w dół oraz zatrzymuje urządzenie, gdy chwilowa prędkość przekracza ustalone granice lub jeśli w falowniku wystąpił jakikolwiek błąd bądź nastąpiła przerwa w zasilaniu silnika czy hamulca.  
Dodatkowy poziom zabezpieczenia stanowią hamulce mechaniczne. Cały układ obserwacji stanu technicznego urządzenia pracuje bez przerwy, w przeciwieństwie do innych rozwiązań przewidujących przeglądy i konserwacje raz lub kilka razy w roku.
– Czujniki prędkości i położenia zawierają w sobie enkoder zliczający metodą kwadratu przyrostów bezkontaktowe czujniki zbliżeniowe i wyłączniki drogowe przy końcu swojej trasy – wyjaśnia Todd Grovatt z TESI. – Poślizgom zapobiega sztywne połączenie napędu z układem wykonawczym podnośnika, którym jest zębnik i zębatka. Bezkontaktowy czujnik zbliżeniowy dokonuje czynności kalibrowania, co polega na skasowaniu do zera zawartości swojego licznika przy każdym przypadku powrotu podnośnika do dolnego, skrajnego położenia.
Innym mierzonym parametrem jest prąd pobierany przez napęd. Na tej podstawie ocenia się, czy podnośnik nie porusza się zbyt wolno.

Redundancja funkcji

Oddzielne układy używają kilku zespołów mechanicznych wyłączników krańcowych i krzywek. Jeden z nich służy do spowolnienia ruchu kabiny, inny do jej zatrzymywania, a kolejny do potwierdzenia otwarcia lub zamknięcia drzwi. Wymienione funkcje obsługuje sterownik TC1K, który realizuje także wiele innych działań przy użyciu zaawansowanych metod regulacji. Bezpieczny sterownik realizuje wszystkie podstawowe funkcje, takie jak: niezależne hamowanie, wykorzystując dwa kontaktrony. Pierwszy taki układ z zastosowaniem bezpiecznych sterowników był poddany testom w marcu zeszłego roku na 2-metrowej wieży kontrolnej.
– Zbudowane w ostatnich kilku latach zintegrowane układy bezpieczeństwa, pracujące w wielu przemysłowych urządzeniach, mają coraz więcej funkcji – mówi J. B. Titus, specjalista Siemens Energy and Automation. – Wzrosła żywotność urządzeń, bezpieczeństwo pracy, zwiększyły się oszczędności na instalowaniu i okablowaniu, poprawiła się zdolność diagnozowania stanu urządzeń oraz ich funkcjonowanie.
W zapewnieniu efektywności i bezpieczeństwa pracy maszyny pomaga analiza sygnałów wyjściowych z czujników umieszczonych na maszynie. Przykładem mogą być czujniki drgań umocowane przy turbinach napędzających generatory prądu (wirnik turbiny ważący około stu ton i wirujący z prędkością 3 600 obrotów na minutę) lub wirnikach młynów (porównywalne parametry). Czujniki muszą być atestowane, gdyż wiarygodną miarą technicznego stanu urządzenia, a zatem i jego bezpieczeństwa, jest amplituda drgań. Identyfikacja wadliwie działających czujników odbywa się przy wykorzystaniu oprogramowania SmartSignal. Według Helge’a Hornisa, kierownika zespołu inteligentnych systemów w Pepperl+Fuchs, dane z czujników oraz bezpieczna sieć komunikacyjna na zasadzie kombinacji połączeń umożliwia utworzenie bezpiecznych stref o wiele łatwiej niż w przypadku trwałych połączeń przewodowych.
– Na przykład arkusze blach można podawać do prasy z różnych stron – tłumaczy przedstawiciel P+F. – Jeśli konstrukcja prasy na to pozwala, jej ruchome części mogą bezpiecznie działać, nawet gdy przerwane jest mechaniczne podawanie blach.
W takiej sytuacji jest możliwe, aby pracownik przeniósł arkusz blachy, ustawił go i podał na prasę. Jak podkreśla rozmówca Control Engineering, takie rozwiązanie jest łatwe w wykonaniu, wydajne i zapewnia bezpieczeństwo. Nic dziwnego, że bezpieczne czujniki dla maszyn kontynuują swoją ekspansję w świecie.

Systemy bezpieczeństwa na kolejne dekady

Dla Control Engineering Polska mówi dr inż. Piotr Michalski z Politechniki Śląskiej:

Jak wiadomo, każda aplikacja przeznaczona do zautomatyzowania wymaga indywidualnego podejścia. Specyficzną grupą systemów sterowania maszyn są te wyposażone w obwody i układy bezpieczeństwa. To właśnie te aplikacje wymagają największej uwagi i dokładności wykonania z punktu widzenia automatyka wdrażającego projekt w życie. Współcześnie producenci rynku automatyki dostarczają pełną gamę rozwiązań mniej lub bardziej rozbudowanych, lecz – co chyba najważniejsze – z rzadka kompatybilnych. Raz dokonawszy wyboru będziemy zdani na jego dalsze konsekwencje. Sytuacja ta raczej się nie zmieni, bo każdy ma aspiracje, aby uzyskać jak największy udział w rynku. A brak kompatybilności najskuteczniej zapewnia przywiązanie klienta… Rodzi się pytanie, jakich argumentów słuchać, by dobrze wybrać. Z całą pewnością nie kierujmy się ceną. Zwróćmy jednak uwagę na uniwersalność i kompatybilność wybieranego rozwiązania. Moim zdaniem prym będą wiodły systemy, w przypadku których specyfikacje transmisji danych udostępniane są na zasadach otwartej licencji. Podejście to gwarantuje, że inni producenci będą w stanie zaoferować swoje urządzenia jako w pełni kompatybilne. Tym samym zwiększy się gama dostępnych produktów bezpieczeństwa, takich jak maty, krawędzie, kurtyny, bariery czy lasery. Już dziś na szczególną uwagę zasługuje sieć przemysłowa AS-interface. Znane ogólnie zalety związane z obsługą cyfrowych i analogowych urządzeń I/O czy łatwością okablowania, rozszerzono o możliwość stosowania modułów bezpieczeństwa (We/Wy). A wszystko właśnie dzięki otwartej licencji. Jeśli utrzyma się tempo dostarczania na rynek elementów automatyki kompatybilnych z siecią AS-interface, bez wątpienia w kolejnych dekadach będzie to najczęściej stosowane rozwiązanie.

Mark T. Hoske
Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula, specjalisty automatyka z wieloletnim doświadczeniem w projektowaniu i uruchamianiu układów automatyki