Att ta sig igenom komplexiteten med att välja rätt säkerhetsstyrenhet

Säkerhet i industriella system är en viktig och komplicerad fråga, vilket gör det svårt att specificera den bästa säkerhetsstyrningen för en viss tillämpning. Bland övervägandena finns tillämpligheten för många internationella standarder som rör säkerhetsstyrenheter, t.ex. International Electrotechnical Commission (IEC) 60947-5-1, 61508-1/2/3, 61810-3, 62061 och International Standards Organization (ISO) 13849-1.

Det finns även ett brett utbud av kommunikationsprotokoll att välja mellan, till exempel Safety over EtherCAT, även kallat FailSafe over EtherCAT (FSoE), som kombinerar styr- och säkerhetsfunktioner. Det finns även kommunikationsprotokoll för Ethernet/IP, PROFIsafe och Modbus/TCP för industriellt Ethernet. Man kan dessutom välja mellan fristående eller integrerade lösningar. Vissa plattformar har olika kombinationer av säkerhetsklassificerade och icke-säkerhetsklassificerade utgångar, vissa har fasta funktioner och andra går att konfigurera om och utöka.

Artikeln ger en kortfattad översikt över de internationella säkerhetsstandarderna och deras tillämplighet. Dessutom går den igenom användningen av de olika kommunikationsprotokollen innan man går in på användningsfall för olika typer av säkerhetsstyrenheter, som sträcker sig från monteringsbänkar till hela fabriker, som t.ex. modeller med fast funktion samt modeller som går att konfigurera om och bygga ut. Den presenterar specifika exempel på produkter från Banner Engineering, Phoenix Contact, Schneider Electric och Omron Automation.

Standarder

Funktionell säkerhet för elektriska/elektroniska/programmerbara elektroniska säkerhetsrelaterade system (E/E/PE eller E/E/PES), eller IEC 61508, är den grundläggande standarden för funktionssäkerhet som gäller för alla branscher. Den omfattar metoder för att tillämpa, utforma, installera och underhålla automatiska skyddssystem, så kallade säkerhetsrelaterade system. De bygger på idén att alla säkerhetsrelaterade system måste gå sönder på ett förutsägbart sätt för att vara säkra i sig själva. För att mäta effektiviteten i funktionella säkerhetskonstruktioner definierar standarden säkerhetsintegritetsnivåer (SIL) från 1 till 4, där SIL4 indikerar den högsta nivån av riskminskning och SIL1 indikerar den lägsta nivån. Begreppet SIL används även i andra säkerhetsstandarder, men antalet SIL och deras definitioner kan variera beroende på behoven i driftsmiljön.

Det finns många säkerhetsstandarder som bygger på IEC 61508. Några av de standarder som är relaterade till säkerhetsstyrenheter inkluderar:

IEC 60947-5-1:2016, Kopplingsapparater för högst 1000 V - Del 5-1: Manöverkretsapparater och kopplingselement - Elektromekaniska manöverkretsapparater, gäller för specifika typer av anordningar inklusive:

• Manuella omkopplare som t.ex. tryckknappar, fotomkopplare, vridomkopplare och så vidare
• Elektromagnetiskt manövrerade manövreringsomkopplare som t.ex. reläer eller kontaktorer som är tidsfördröjda eller momentana
• Lägesomkopplare som ingår i en maskin
• Pilotomkopplare som temperatur- eller tryckkänsliga omkopplare

IEC 62061:2021, Maskinsäkerhet - Funktionssäkerhet för säkerhetsrelaterade styrsystem, är den maskinrelaterade versionen av IEC 61508. Den specificerar krav för utformning, integrering och validering av säkerhetsrelaterade styrsystem. Den gäller för utformning på systemnivå av maskinrelaterade säkerhetsstyrsystem, delsystem och säkerhetsrelaterade anordningar som används enskilt eller i kombination för att implementera säkerhetsfunktioner i maskiner.

IEC 61810-3:2015, Reläer med tvångsstyrda (mekaniskt kopplade) kontakter, är en annan viktig standard för säkerhetsstyrningar. Den beskriver särskilda krav och tester för elementarreläer med tvångsstyrda kontakter, även kända som mekaniskt kopplade kontakter. Dessa särskilda krav gäller utöver de allmänna kraven i IEC 61810-1. Tvångsstyrda reläer är en grundläggande komponent i många säkerhetsrelämoduler. I ett säkerhetsrelä för klass A är alla kontakter tvångsstyrda. Standarden kräver att om en normalt sluten (NO) kontakt svetsas fast, måste alla normalt öppna (NC) kontakter bibehålla en minsta öppning på 0,5 mm när spolen inte är strömsatt (figur 1).

Figur 1: Om en NO- (eller NC-) kontakt svetsas fast, måste alla NC- (eller NO-) kontakter hålla ett minsta avstånd på 0,5 mm när spolen inte är spänningssatt. (Bildkälla: Omron Automation)

ISO 13849-1:2023, Maskinsäkerhet Säkerhetsrelaterade delar av styrsystem, innehåller vägledning för utformning och integrering av säkerhetsrelaterade delar av styrsystem (SRP/CS) och deras delsystem, inklusive mekaniska åtgärder som skydd eller förreglingsfunktioner, och relaterad programvara. Den gäller för elektriska, hydrauliska, pneumatiska och mekaniska SRP/CS som används i driftlägen med hög efterfrågan och kontinuerlig drift.

Om vi går tillbaka till IEC 61508 så definierar standarden även "svarta kanaler" för säkerhetsrelaterad kommunikation.

Svarta kanaler och kommunikationsprotokoll

IEC 61508 ger endast en allmän definition av svarta kanaler och hänvisar till standarder som IEC 61784-3 för fältbussapplikationer och IEC 62280 för järnvägssignalering. Begreppet kommunikation via svart kanal härstammar från termen "svart låda". Vid kommunikation via en svart kanal är nätverket den svarta lådan och används enbart som överföringsmedium; kanalen är oskyddad och säkerheten tillgodoses med ett särskilt säkerhetslager i tillämpningens programvara.

Svarta kanaler kan implementeras i alla standardnätverk, t.ex. olika implementeringar av Ethernet som PROFIsafe eller trådlösa lokala nätverk (WLAN). I en tillämpning med svarta kanaler antas det att den primära kommunikationskanalen inte är tillräckligt säker för säkerhetsrelaterad kommunikation, och ett ytterligare säkerhetslager läggs till för att identifiera och eliminera eventuella kommunikationsfel (figur 2).

Figur 2: PROFIsafe kan användas för att implementera säkerhetslagret för kommunikation via svarta kanaler. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Förutom PROFIsafe kan svarta kanaler implementeras med andra protokoll, t.ex. Common Industrial Protocol Safety (CIP Safety) och FSoE. Dessa protokoll uppfyller IEC 61784-3:2021, inklusive förbättringar som hanterar fel som rör aktualitet, autenticitet, maskering och dataintegritet.

Säkerhet vid monteringsbänkar

Säkerhet är inte begränsat till stora eller kraftfulla maskiner, även monteringsbänkar kan kräva säkerhetssystem. I ett fall används halvautomatiska monteringbänkar för att tillverka elektroniska komponenter. Varje station har en kraftig säkerhetsgrind med en beröringsfri säkerhetsbrytare, en säkerhetsljusridå vid artikelmatningen och en nödstoppsknapp för att skydda operatörer från halvautomatisk utrustning. Styrenheter för säkerhetsreläer med en funktion kan användas för små maskiner som denna monteringsbänk för att ansluta säkerhetsanordningar och maskinen för att ge säkra start- och stoppfunktioner.

I det här fallet installerades modell SC10-2ROE i serien SC10 med säkerhetsstyrenheter från Banner Engineering i skåpet för respektive monteringsbänk (bild 3). Säkerhetsstyrenheten kombinerar funktionerna hos flera säkerhetsrelämoduler till en enda enhet, vilket förenklar kabeldragningen och minskar det utrymme som krävs för installationen. Förutom att bidra till säkerheten i små maskiner är styrenheterna även väl lämpade för användning i trånga styrskåp. Även små säkerhetsstyrenheter som SC10-serien kan ha en stor mängd funktioner:

• In-Series Diagnostics (ISD) kan ansluta ända upp till 70 säkerhetsanordningar. ISD tillhandahåller detaljerad status- och prestandainformation från respektive säkerhetsanordning och är tillgänglig via ett användargränssnitt (HMI), PLC eller liknande, så att användare kan felsöka maskinsäkerhetssystem, förhindra fel och minska stilleståndstid.
• Den symbolbaserade programmeringen med dra och släpp, körs på en PC och förenklar installation och enhetshantering.
• Ett externt minneskort kan användas för att konfigurera enheten utan att behöva ansluta till en PC, vilket påskyndar konfigurationsförändringar.
• Tio ingångar, varav fyra kan konfigureras som icke-säkerhetsutgångar. Med hjälp av funktionen för automatisk anslutningsoptimering (ATO) kan det totala antalet ingångar ökas till 14.
• Två utgångar för 6 A säkerhetsreläer är tillgängliga med tre NO-uppsättningar av oberoende styrda kontakter.
• Förmåga att utföra två funktionella stopptyper:
  • Kategori 0 är ett okontrollerat stopp med omedelbar avstängning av ström.
  • Kategori 1 är ett kontrollerat stopp med en fördröjning innan strömmen stängs av. Fördröjda stopp kan underlätta i fall där maskiner behöver ström för en bromsmekanism.
• Stöd för kommunikationsprotokollen Ethernet/IP, PROFINET och Modbus/TCP.

Bild 3: Denna monteringsbänk har en säkerhetsstyrenhet av modell SC10-2ROE (gul enhet under monteringsstationen). (Bildkälla: Banner Engineering)

Skalbar säkerhet i tillverkningslinjer

I andra änden av komplexitetsspektrumet, från bordsmontering, kan integrerad säkerhet implementeras i monteringslinjer i en fabrik. Styrenheterna Sysmac NX102 från Omron Automation integrerar exempelvis flera öppna industriella protokoll som EtherNET I/P, EtherCAT, IO-Link och CIP Safety. Automationsstyrenheten NX102-1020 har tre kommunikationsportar och kan integrera höghastighetssäkerhet i maskinstyrningen i linjer som kräver snabba cykeltider. Omrons integrerade säkerhetsstyrenheter NX är dessutom certifierade enligt SIL3 och inkluderar FSoE-anslutning. Styrenheterna NX-SL5 som modellen NX-SL5500 kan kommunicera FSoE via EtherCAT och CIP Safety via Ethernet/IP samtidigt, vilket möjliggör tillämpningar med synkron rörelse i hög hastighet, maskin till maskin-styrning eller kommunikation med fjärrenheter som använder CIP Safety (figur 4).

Bild 4: NX integrerade säkerhetsstyrenheter från Omron kan kommunicera FSoE och CIP-säkerhet samtidigt för att implementera integrerad säkerhet i monteringslinjer. (Bildkälla: Omron Automation)

Konfigurerbar och utbyggbar

När omständigheterna kräver en konfigurerbar och utbyggbar säkerhetslösning har Phoenix Contact det modulära säkerhetssystemet PSR. Systemet kan konfigureras för små tillämpningar med endast tre säkerhetsfunktioner och stora system med upp till 160 I/O. Systemet innehåller en mängd olika säkerhetsfunktioner som en analog modul för övervakning av signaler för 0 till 20 mA eller 0 till 10 V, moduler för rörelseövervakning av närhetsbrytare och olika typer av rörelsekodare. De reläer som är installerade i säkerhetsrelämodulen har tvångsstyrda kontakter (figur 5). Systemet kan implementeras för en rad säkerhetsfunktioner, t.ex:

• Elektriskt känslig skyddsutrustning
• Nödstopp
• Övervakning av rörliga skydd som säkerhetsdörrar
• Anordningar för tvåhandsmanövrering
• Övervakning av nollhastighet och hastighetsövervakning

Bild 5: Säkerhetsrelämodul med tvångsstyrda kontakter i systemet PSRmodular. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Säkerhetssystemet PSRmodular består av flera basmoduler med kärnfunktioner, t.ex. modell 1104981, och tilläggsmoduler för utökade I/O- och skyddsfunktioner, som t.ex. modell 1104884. Modulerna kan konfigureras via programvara och systemet kan utökas med hjälp av en PSR-TBUS DIN-skeneanslutning.

Säkerhet för enkla till medelkomplicerade maskiner

Säkerhetsmodulerna Harmony från Schneider Electric är utformade för enkla till medelkomplicerade maskiner som används inom livsmedels- och dryckestillverkning, lyftning, materialhantering och förpackning. De finns i två serier (figur 6):

• Harmony XPS Basic är en optimerad lösning för tillämpningar som använder fast anslutna säkerhetsmoduler.
• Harmony XPS Universal kombinerar den enkla tillämpningen av fast anslutna säkerhetsmoduler med olika meddelanden som vanligtvis kräver fältbussteknik för att implementeras.

Bild 6: Säkerhetsreläerna Harmony XPS Basic och Universal är perfekta för enkel hantering av enskilda säkerhetsfunktioner. (Bildkälla: Schneider Electric)

Grundläggande säkerhetsmoduler från XPSBAT som XPSBAT12A1AP används för övervakning av nödstoppskretsar och tillhandahåller styralternativ i kategori 0 och kategori 1. Kategori 0 innebär omedelbara stopp, medan kategori 1 innebär fördröjda stopp där fördröjningen kan ställas in från 0 till 15 minuter (900 sekunder).

Universella säkerhetsmoduler från XPSUAK som XPSUAK12AP kan också implementera avstängningar i kategori 0 och 1. Säkerhetsmodulerna kan kopplas till ett större utbud av säkerhetsanordningar, som t.ex:

• Nödstoppskretsar
• Brytare som aktiveras av skyddsanordningar som mekaniska skyddsbrytare och säkerhetsbrytare med RFID
• Ljusridåer
• 4-trådiga avkänningsmattor

Sammanfattning

Vid val av säkerhetsbrytare för industriella system finns det ett brett spektrum av internationella standarder att ta hänsyn till, plus kommunikationsprotokoll, inklusive kommunikation via "svarta kanaler". Men det är bara början - det finns säkerhetsbrytare som är optimerade för små system som monteringsbänkar, för fast inkopplade installationer inom livsmedels- och dryckestillverkning samt materialhantering, för system som behöver konfigurerbara eller utbyggbara lösningar samt enheter som är optimerade för att stödja skalbara lösningar i hela fabriker.