Grunderna för säkerhetsförreglingar

För att skydda anläggningens personal måste de skyddas från mekaniska hot som kan orsaka kroppsskador. Detta område inom säkerhetsteknik kallas industriell riskminskning. Lokala lagar och industristandarder kräver enligt lag att automatiserad utrustning innehåller olika mekaniska säkerhetsanordningar för att förhindra farliga maskinstarter och utlösning av säkra avstängningar om en ny risk för personskador uppstår. Grunden för dessa säkerhetssystem är väldefinierade gränser runt maskinen - och skyddskomponenter som skyddar maskinen.

Även om skyddsåtgärder är en term som används slumpmässigt i viss litteratur, ger standarder från Internationella standardiseringsorganisationen (ISO) och ett ökande antal leverantörer av automationskomponenter det en mycket specifik definition. Dessa auktoritativa branschkällor begränsar i allmänhet skydd till att avse komponenter och delsystem som omger eventuellt farliga delar av utrustning med:

• Kapslingar av plåt och avskärmningar med kedjor eller glas.
• Skjutbara glaspaneler, dörrar och svängdörrar
• Sensorer och ljusridåer
• Komponenter för specialbarriärer i andra elektroniska eller fysiska konstruktioner.
• Säkerhetsförreglingar - artikelns fokus

Även om maskinens skyddsområde oftast består av orörliga element, kan de rörliga eller genomträngliga delar som nämns (inklusive skyddsglas, gardiner och dörrar) ge operatören tillträde till strategiska platser för att sköta, justera eller serva maskinen. Ett praktiskt sätt att kategorisera dessa säkerhetsanordningar är att gruppera dem efter om maskinoperatören eller annan personal i anläggningen har direkt fysisk kontakt med säkerhetsanordningen (t.ex. ljusridåer) eller om någon mellanliggande maskindel kommer i kontakt med komponenten. Det sistnämnda inkluderar en mängd maskinaktiverade säkerhetsbrytare och sensorer samt förreglingar.

Figur 1: Gränslägesbrytare kontrollerar stängning av samtliga maskinluckor innan maskinen kan startas. (Bildkälla: Getty Images)

Vad är egentligen förreglingar? De är mekaniska, elektriska eller elektromekaniska skyddsanordningar som i huvudsak består av en närhets- eller positionsbrytare. De installeras alltid på maskinerna vid rörliga (genomträngningsbara) luckor. Till skillnad från skyddsridåer eller operatörsbrytare utlöses förreglingar av rörelse från rörliga maskindelar eller rörelse i skyddade områden. För att vara tydlig kan säkerhetsförreglingar utlösas av aktiverade skyddade områden eller sektioner som öppnas manuellt. Namnet kommer från det sätt på vilket de förreglar (och gör dem beroende av varandra) tillåtna säkerhetsstyrningstillstånd och skyddsluckornas positioner ... oavsett om de är öppna eller stängda eller något annat. Med andra ord ger förreglingar återkoppling till säkerhetsstyrningar som i sin tur ger rätt maskinstatus för en viss uppsättning maskinskyddande positioner.

Standarder som reglerar införandet av förreglingar

Figur 2: Förreglingsbrytare kan placeras i olika riktningar. Internationella säkerhetsstandarder definierar klassificeringarna av sådana förreglingsvarianter. (Bildkälla: Design World)

För närvarande måste utformning och integrering av förreglingar i industriella automatiseringstillämpningar uppfylla fem fullständiga standarder - inklusive Maskindirektivet 2006/42/EG från Conformitè Europëenne (CE). I ISO 12100 (och de antagna avsnitten i ISO 14119) definieras förreglingar som anordningar som förhindrar farlig maskinverksamhet när grindar till det skyddade området är öppna. De förreglingar som kallas skyddslås eller låsande grindbrytare och som går ett steg längre för att låsa grindarna, är föremål för egna krav - bland annat att de ska ha en utrymningsspärr för tekniker som blir inlåsta i en farlig arbetscell.

Vissa av standarderna hänvisar till den centrala positionsbrytaren eller närvarobrytaren som är kärnan i varje förregling. De beskriver även kraven på hur elektroniskt manövrerade skyddsanordningar för arbetsceller ska kopplas samman med utrustningsstyrningar - vanligtvis för att beordra potentiellt farliga rörelser att sakta ner eller till och med upphöra.

Tillgodose tid för att maskinen ska stanna

De mest tillförlitliga förreglingarna uppfyller specifika intervall för axelstopp - definierat som den tid som en maskin behöver för att sakta ner till ett säkert läge efter att ett stoppkommando har utfärdats. I själva verket tar förreglingssystemen hänsyn till dessa stoppintervall och den tid under vilken det är möjligt för en maskinoperatör att nå farliga axlar efter att ett stoppkommando har utfärdats. Optimerade förreglingsinstallationer:

• Se till att ett säkert tillstånd uppnås långt innan en operatör någonsin kan röra vid eller närma sig farliga maskinaxlar.
• Stöd effektiv maskinanvändning genom att undvika alltför långa låsningstillstånd.

I ISO 12100 beskrivs hur luckor och paneler med förreglingar (när de stängs) omedelbart kan utlösa ett återupptagande av maskinens drift. Detta står i kontrast till nödstopp som kräver mer komplicerade sekvenser för omstart av maskinen. Logiken bakom sådana standarder är att användningen av förreglingar är rutin (och därför inte bör hindra den dagliga verksamheten), men att användningen av nödstopp inte är det.

Viktig teknik för förreglingar och kringgående

Automatiska maskiner måste uppfylla internationella säkerhetskrav av typ A, B och ibland C. Standarden för funktionssäkerhet ISO 12100-1 och andra grundläggande standarder i typ A gäller för all automatisk utrustning. Elektroniska styrsystem som uppfyller ISO 12100 kan hantera situationer som innebär oundvikligt underhåll av någon energikälla - nämligen genom att förhindra oväntad omstart av maskinen. För detta ändamål är nödstopp aldrig en godtagbar lösning ... men förreglingar med nyckel kan vara det.

Standarden typ B för mellanklass omfattar standarden B1 för säkerhetsmetoder (inklusive ISO 13849-1 och 62061) samt specifika B2-krav för säkra system (inklusive ISO 13850 och 13851). Typ C-standarder är däremot mycket specifika för maskintyper och är därför särskilt stränga och används mest av OEM-företag vid konstruktion av ny utrustning.

Standarder som är specifika för förreglingar är ISO 14118 och 14119.

ISO 4118 beskriver hur man förhindrar oväntade maskinstarter (genom att avleda mekanisk kraft och bryta elektrisk kraft) när en operatör kommer in i ett arbetsområde för farliga maskiner. Sådana system kan koppla bort strömförsörjningen, stoppa motorer, frigöra vätskedrivna ställdon och låta den kvarvarande kinematiska energin i maskinens rörliga segment gå till spillo.

I motsats till andra standarder som nämns i artikeln omfattar ISO 14119 de specifika krav som ställs på skyddsförreglingar genom att:

• Hänvisa till metoderna för riskanalys i andra säkerhetsstandarder.
• Definition av förreglingsfunktioner som förhindrar oavsiktliga och avsiktliga säkerhetsöverträdelser.

ISO 14119 definierar förreglingar av typ 1 som lägesbrytare vid användning av mekaniska gångjärn eller kammar som är lätta att kringgå. Manövrering sker mellan utbytbara (okodade) halvor. Fördelarna med förreglingar av typ 1 är låg kostnad och hög konfigurerbarhet.

Förreglingar av typ 2 (enligt den första definitionen i DIN EN 1088) innefattar lägesbrytare som inte är lika lätta att kringgå, baserade på mekanisk aktivering. Halvorna är kodade (sammankopplade) tungor eller (för säkerhetsförreglingar med lås) instängda nycklar. De sistnämnda tvingar operatörer att låsa alla skydd innan kontrollerna tillåter att maskinen startas ... och uttag av nyckeln är endast möjligt när skydden är låsta. Helt integrerad områdesstyrning går ännu längre och tvingar operatörer att använda samma nycklar i nyckelstyrda startknappar i gränssnittet som låser nyckeln när maskinen är i drift.

ISO 14119 klassificerar alla kontaktlösa säkerhetsbrytare utan kodad aktivering som förreglingar av typ 3. De som är lättast att kringgå är de som använder aktivering via optik, ultraljud eller kapacitans, medan anordningar baserade på induktion och magnetism är något svårare att kringgå. Om kringgående är oacceptabelt, är det motiverat att använda förreglingar av typ 4 som använder matchade eller kodade ställdonshalvor i kontaktfri drift, oavsett om de är baserade på RFID, magnetisk eller optisk teknik.

Jämförelse av förreglingar med säkerhetsgivare och skalskyddsbrytare

Figur 3: Enbart stängningen av skyddsförreglingar utlöser inte återstart av farliga maskinprocesser, utan denna ära tillfaller istället en separat förregling med dubbelfunktion, eller en startomkopplare som den kapacitiva brytaren för mjuk fingeraktivering som visas här. (Bildkälla: Getty Images)

Figur 4: Vissa förreglingar med dubbel funktion har ställdon som fungerar som säkerhetslås. Dessa är positionsbrytare med låskolvar eller elektromagnetiska enheter som kan hålla dörrar låsta tills den skyddade robotarmen eller maskinen slutar med sin farliga rörelse. Tyvärr tror en del ingenjörer felaktigt att alla förreglingar är av typen säkerhetslås. (Bildkälla: Omron)

Förreglingar har likheter med andra säkerhetsklassade återkopplings- och avkänningskomponenter som bygger på samma grundläggande teknik. Men för att vara tydlig: ingen av dessa andra komponenter är kopplade till maskinens områdesskydd såsom förreglingar. Dagens säkerhetsstandarder kräver dessutom att förreglingar inte ger grönt ljus för återupptagande av verksamheten utan någon korrigerande omvänd process.

Komponenter som levereras som industriella säkerhetsgivare kontrollerar (ofta via kontaktlösa induktiva eller fotoelektriska medel) maskindelarnas eller arbetsstyckets positioner så att styrenheterna kan skicka kommandon som är lämpliga för de rapporterade förhållandena. Industriella säkerhetsbrytare stänger däremot av och sätter på strömförsörjningen när de upptäcker maskindelarnas eller arbetsstyckets positioner. Vid kontroll av utlösningslägena kan sådana brytare antingen föranleda att strömmen till den berörda maskindelen kopplas bort eller återupptas. Det räcker inte längre med att använda en vanlig närvarobrytare som förregling. De stränga kraven i IEC 60947 kräver nu att komponenter som används som förreglingar har mycket specifika säkerhetsrelaterade funktioner för att förhindra kringgående och andra fel.

I säkerhetssystem finns även reläer som öppnar eller sluter elektriska kontakter direkt - i de vanligaste kopplingarna skickar de i princip en liten kommandospänning vidare för att i slutändan driva en större ström genom de strömkontakter som de styr. Tänk på två vanliga funktioner som förreglingar gör beroende av varandra: öppning av en skyddsdörr och en motordriven spindel på en maskin. Tack vare samverkan mellan dessa är det osannolikt att fräsningsstationen skadar sina egna delsystem eller operatören. I detta hänseende fungerar förreglingsfunktionen som brytare i en driftsekvens.

De mest sällsynta är mekaniska hävarmsförreglingar som svänger runt en axel för att låsa farliga maskinaxlar. Det är mycket vanligare med elektromekaniska och elektroniska förreglingar som använder kretsar och mikroprocessorer för kostnadseffektiv tillförlitlighet och till och med omkonfigurerbarhet. Elektromekaniska luckor med gångjärn och förreglingar har exempelvis en mekanisk led eller spak som öppnas tillsammans med gångjärnen i skyddet och som, om den inställda brytvinkeln överskrids, utlöser kommandon för att stoppa den skyddade maskinen. När dörren stängs igen, tvingar luckans kraft i slutänden förreglingens solenoid att sluta kretsen igen.

Typisk inkoppling av och solenoidtyper i förreglingar

Figur 5: Innovativa anslutningsmöjligheter har bara ökat tillförlitligheten hos installationer med flera skydd under de senaste åren. Här ansluts en gränssnittsmodul via ett T-adapternätverk till andra skyddskomponenter. (Bildkälla: Banner Engineering)

Förreglingar kopplas för det mesta som normalt sluten logik NC för att maskinerna endast ska kunna köras om kretsen är sluten. De flesta säkerhetsstandarder kräver att komponenterna i skyddskretsen ska kopplas i serie för maximalt tillförlitlig fel- och händelsedetektering (upp till ett tillåtet antal givare). Om antalet givare överskrids kan det försämra konstruktionens prestandanivå (PL) och öka sannolikheten för att fel maskeras.

Skyddsförreglingar som använder en fjäderstyrd NC-omkopplare (oavsett om det är positions- eller lägesbrytare) ger vanligtvis en positiv brytning - så att öppningen av skyddet trycker på låsets fjäder och trycker isär de elektriska kontakterna. Däremot använder mer tillförlitliga förreglingar med dubbla brytare, en brytare som aktiveras när skyddet öppnas och en annan brytare med elektriska kontakter trycks isär när skyddet stängs. Elektronisk självrapportering av kortslutningar (vanligtvis genom övervakning av potentialskillnaden mellan två ingångskanaler) är en kompletterande funktion för att upptäcka avbrutna kablar på grund av skjuvning, korrosion eller överhettning.

Tillförlitligheten hos en solenoid med kolv och spole gör solenoidbaserade säkerhetskomponenter lämpliga för kritiska förreglingstillämpningar. En elektrisk inmatning orsakar vanligtvis en linjär utmatning av kolven (med en fjäderinställd återgång när strömmen stängs av). När de är integrerade i skydds- och kolvlås är solenoiderna inmatningskällan för låsmekanismerna. Andra sådana solenoidbaserade konstruktioner kan även säkerställa korrekt mekanisk drift - till exempel för att säkerställa en konsekvent transportbandsrörelse även när utrustningen hanterar eller bearbetar arbetsstycken på bandet. Solenoidbaserad redundans (med seriekopplade och dubbelpoliga brytare för kontroll av läge) kan minimera felaktig signalering från förreglingen.

Sammanfattning

Förreglingar gör maskinens områdesstatus beroende av säkerhetskontroller. I själva verket kan dagens återkoppling från förreglingar till sådana styrenheter ge möjlighet till exceptionellt sofistikerade maskinreaktioner på olika maskinstyrningslägen. De mest avancerade förreglingarna kan anta felsäkra uppgifter inom edge computing, IIoT och tillförlitlighet som går utöver vad traditionella industriella brytare och givare kan göra. Den viktigaste invändningen är att skyddsförreglingar inte får vara besvärande för maskinoperatörerna. Automatiska funktioner och villkorlig upplåsning av de skyddsluckor som används mest kan förbättra funktionaliteten och minimera oupptäckta fel.