Přístroje pro bezpečnostní obvody řídicích systémů strojních zařízení

Přístroje pro bezpečnostní obvody řídicích systémů strojních zařízení

Ing. Zdeněk Bekr, Siemens s. r. o.

Každé technické zařízení představuje vzhledem ke svému okolí více či méně rozsáhlý soubor rizikových faktorů, které mohou být příčinou zranění nebo poškození zdraví osob vyskytujících se v blízkosti zařízení. Protože žádnými konstrukčními ani organizačními opatřeními není možné rizikové faktory zcela odstranit, je nutné zvolit a především učinit vhodná bezpečnostní opatření, aby rizikovost byla snížena na dohodnutou přijatelnou úroveň, kterou lze považovat za bezpečnou. Cílem přitom je projektové omezení rizikovosti, tzn. zajištění co nejvyšší zabudované bezpečnosti, kterou se zabývá ČSN EN 292-2.

Funkční bezpečnost spočívá v korektní funkci zařízení a spolehlivé funkci bezpečnostních částí řídicího systému. V případě poruchy je přitom nezbytné uvést strojní zařízení do bezpečného stavu. Protože se většinou jedná o řídicí systémy elektrické, jejichž jádrem může být i elektronické programovatelné zařízení, jsou zmíněné požadavky realizovány tzv. bezpečnostními obvody. Pojmem „bezpečnostní obvod“ se označují elektrické obvody řídicího systému určené k zajišťování bezpečnostních funkcí. Hlavním důvodem používání těchto obvodů je zvýšení úrovně ochrany proti možnému ohrožení osob, zařízení, výrobního procesu a životního prostředí. Bezpečnostní funkce řídicího systému jsou iniciovány vstupním signálem řídicího přístroje a vykonávány bezpečnostními částmi řídicího systému za účelem dosažení bezpečného stavu strojního zařízení nebo jeho části. K typickým bezpečnostním funkcím, které jsou zpravidla zajišťovány prostřednictvím tzv. bezpečnostních modulů, patří např. nouzové vypnutí, nouzové zastavení (kategorie 0 či 1), dvouruční ovládání zařízení, kontrola doběhu pohonu hydraulických lisů, popř. blokování pohonů nebezpečných pohybů v závislosti na poloze ochranných krytů nebo na signálech optoelektronických ochranných zařízení.

Bezpečnostní moduly

Obvyklé závady, jako např. přemostění kontaktu řídicího přístroje (zkratem v připojovacím vedení), svaření kontaktů nebo selhání akčního členu, mají za následek ztrátu bezpečnostní funkce elektrického obvodu. Zařízení tudíž nemůže být v případě závady uvedeno do bezpečného stavu (obr. 1). A právě zvýšení odolnosti bezpečnostního obvodu vůči závadám až na úroveň splňující požadavky kategorie 4 podle ČSN EN 954-1 lze docílit použitím bezpečnostního modulu SIGUARD 3TK28, který je zapojen mezi řídicí přístroj a akční člen.

SIGUARD 3TK28
Bezpečnostní modul 3TK28 se skládá z elektromechanických spínacích prvků (stykačů nebo relé), vzájemně propojených osvědčeným způsobem, který využívá principy redundance a různosti¹⁾. Použité stykače a použitá relé mají nucené vedení kontaktů, které zaručuje, že po celou dobu životnosti přístroje a za žádných okolností (tedy ani při závadě) nedojde k současnému spojení pracovních a klidových kontaktů. Tento princip se spolu s osvědčeným zapojením využívá k zjišťování stavu spínacích prvků uvnitř bezpečnostního modulu, a tedy i k detekci závady v modulu. Jakákoliv závada uvnitř samotného modulu je detekována automatickou periodickou kontrolou a není příčinou ztráty bezpečnostní funkce. Pro ilustraci předpokládejme závadu bezpečnostního modulu v obvodu nouzového zastavení: potom je buď vyvolána funkce „nouzové zastavení“, a nebo – nebrání-li závada aktivaci bezpečnostní funkce – je závada detekována při periodickém testu funkce bezpečnostního obvodu. Přitom je znemožněno nové uvedení strojního zařízení do provozu, dokud není závada odstraněna. Výsledná odolnost bezpečnostního obvodu vůči závadám (a tedy i splnění požadavků kategorie B, 1, 2, 3, nebo 4 podle ČSN EN 954-1) není dána jen samotným modulem, ale je ovlivněna především způsobem připojení modulu a jeho propojením s ostatními částmi bezpečnostního obvodu.

Výstupní obvod reléových a stykačových modulů je tvořen bezpečnostními (tzv. uvolňovacími) a signalizačními kontakty. Uvolňovací kontakty jsou vždy provedeny jako pracovní, tj. v provozním stavu strojního zařízení jsou sepnuté a při aktivaci řídicího přístroje (vznikne-li požadavek na bezpečnostní funkci) bezpečně a spolehlivě rozepnou související obvody. Signalizační kontakty slouží pouze k signalizaci, a proto nesmějí být použity jako uvolňovací kontakty. Uvolňovací kontakty rozpínají buď bez zpoždění, nebo s řízeným zpožděním, které se využívá při zastavování pohonů s doběhem, k jejichž brzdění musí být zachován přívod elektrické energie. Podle typu bezpečnostního modulu je možné nastavit zpoždění uvolňovacích kontaktů od 0,5 do 30 s. Počet uvolňovacích kontaktů základního modulu (jeden až čtyři) může být zvětšen pomocí rozšiřovacího modulu až o sedm kontaktů bez zpoždění, popř. o tři kontakty se zpožděným návratem v rozsahu 0,5 až 8 s.

Společnost Siemens nabízí bezpečnostní moduly SIGUARD 3TK28 ve stykačové, reléové a nyní nově i v elektronické verzi. K dispozici jsou moduly pro funkci nouzové vypnutí, dvouruční ovládání a kontrola doběhu pohonu lisů, jakož i moduly pro blokování pohonu v závislosti na poloze ochranných krytů nebo signálů optoelektronických ochranných zařízení. Spínací schopnost robustních stykačových modulů je 6 A pro kategorii použití AC-1 a teplotu okolí do 60 °C. Statisticky prokázaná spolehlivost spínání činí jedno selhání kontaktů na 100 milionů sepnutí. Kontakty stykačových modulů jsou schopny (na rozdíl od reléových) spínat pohony menších výkonů (1,1 kW, AC-3), a není tedy nutné použít další externí stykač. Reléové moduly jsou odpovědí na stále sílící trend miniaturizace spínacích přístrojů nízkého napětí. Princip činnosti je však stejný; místo stykačů se používají bezpečnostní relé (jak bývají relé s nuceným vedením kontaktů někdy nazývána). Tato relé nemají přepínací kontakty, ale zásadně využívají samostatné kontaktní páry pro pracovní i klidové kontakty. Menší spínací schopnost (5 A, AC-15) je vyvážena menším zastavěným prostorem ve srovnání se stykačovým provedením. Mohou být provozovány do teploty okolí 60 °C.

Elektronické bezpečnostní moduly
Jednou z posledních novinek jsou elektronické bezpečnostní moduly. Předmluva k normě EN 60204-1 (vydání 11/98) totiž dovoluje (s určitými omezeními) realizovat bezpečnostní části řídicích systémů strojních zařízení elektronickými obvody. Podmínkou je, že musí být zaručena přinejmenším stejná úroveň odolnosti vůči závadám jako při použití konvenčních spínacích přístrojů. Elektronické bezpečnostní moduly splňují požadavky kategorie 4 (ČSN EN 954-1), popř. SIL 3 (Safety Integrity Level podle IEC/EN 61508). Norma IEC/EN 61508, která se zabývá funkční bezpečností elektronických a programovatelných systémů souvisejících s bezpečností, nepožaduje pro funkci nouzové zastavení použití výhradně elektromechanických prvků; pro funkci nouzové vypnutí však tato podmínka zatím zůstává v platnosti.

SIGUARD 3TK284
Jediný a podstatný rozdíl oproti modulům s elektromechanickými spínacími prvky je v tom, že místo relé s nuceným vedením kontaktů jsou použity dva procesorové systémy využívající principy redundance a různosti. Rovněž výstupní obvod je realizován elektronickými obvody (obr. 2). K důležitým vlastnostem kompaktních elektronických bezpečnostních modulů 3TK284 patří permanentní a cyklická kontrola bezpečnostní funkce v obvodu řídicího přístroje i akčního členu, vysoká četnost spínání, doba odezvy kratší než 20 ms, ochrana proti zkratu, odolnost proti vibracím. Přístroje nemají části podléhající mechanickému opotřebení, což prodlužuje životnost a zvyšuje spolehlivost při spínání malých proudů a napětí. Jsou univerzální – vhodné provedení pro konkrétní aplikaci lze získat vhodným zapojením. Vyžadují minimální zastavěný prostor, jsou schváleny a certifikovány podle evropských a mezinárodních norem.

Elektronické bezpečnostní moduly s bezpotenciálovými kontakty

Jedná se o elektronický bezpečnostní modul s napájecími obvody a vyhodnocovací logikou, jenž je doplněn dvěma stykači s nuceným vedením bezpotenciálových kontaktů. Konstrukční řešení je patrné z  obr. 3: k bezpečnostnímu modulu, jenž zároveň slouží jako adaptér pro montáž na lištu DIN, je připevněna montážní lišta s oběma stykači. Zapojení opět využívá principy různosti a redundance. Celá sestava je zapojena i přezkoušena výrobcem a schválena nezávislým akreditovaným subjektem pro použití v bezpečnostních obvodech, které pak splňují požadavky kategorie 4 (ČSN EN 954-1). Tato typová řada slučuje přednosti elektronických a stykačových bezpečnostních modulů do jednoho přístroje.

Bezpečné motorové vývody

Pod pojmem bezpečné motorové vývody se rozumějí standardní kompaktní motorové vývody SIRIUS 3RA1 doplněné elektronickým bezpečnostním modulem, který zároveň slouží jako montážní adaptér na lištu DIN. Vývod se tedy skládá ze standardního jističe SIRIUS 3RV1 (ochrana motoru proti přetížení a zkratu), který splňuje požadavky na typ koordinace 1, popř. 2 (podle provedení), ze dvou stykačů k provoznímu spouštění motoru, jejichž zapojení využívá principy redundance, a z elektronického bezpečnostního modulu. Zatížitelnost hlavních kontaktů je do 11 kW (AC-3, 690 V), popř. do 22 A (AC-1, 690 V). Jistič i stykače jsou vybaveny pomocnými kontakty. Podle způsobu připojení bezpečnostního modulu lze splnit požadavky kategorie 3 nebo 4. K dispozici je vstup pro kaskádní zapojení, umožňující uvést do bezpečného stavu pouze část zařízení. Výhodou je především připojení ovladačů nouzového zastavení, popř. koncových spínačů přímo k integrovanému bezpečnostnímu modulu, což zjednodušuje zapojování, spoří místo v rozváděči a přispívá k jeho přehlednému uspořádání (obr. 4).

Bezpečnostní moduly SIGUARD 3TK28 jsou vhodné pro použití v řídicích systémech všude tam, kde bezpečnostní obvody jsou řešeny odděleně od obvodů zajišťujících provozní funkce zařízení. Lze je však s úspěchem použít i v kombinaci s programovatelnými automaty (SIMATIC). Bezpečnostní moduly splňují i ty nejnáročnější požadavky relevantních směrnic a ustanovení platných norem, nabízejí moderní a spolehlivé řešení bezpečnostních obvodů strojních zařízení a díky jejich provedení se osvědčují v náročných provozních podmínkách nejrůznějších průmyslových odvětví.

Kromě zmíněných bezpečnostních modulů je systém SIGUARD tvořen ovladači nouzového zastavení s aretací podle ČSN EN 418, koncovými spínači s elektrickou či mechanickou přídrží a odděleným ovladačem k vyhodnocení polohy ochranných krytů, koncovými spínači ovládanými lankem, nožními a magnetickými spínači, signalizačními sloupy a hlavními vypínači. Neméně důležitým prvkem jsou aktivní optoelektronická bezpečnostní zařízení, jako např. světelné clony a závory nebo laserový skener pro zabezpečení přístupu k robotizovaným pracovištím nebo rozsáhlým strojním celkům.

AS-Interface safety at work

AS-Interface safety at work umožňuje integraci funkční bezpečnosti do standardního sběrnicového systému AS-Interface. Řídicí přístroje jsou plně kompatibilní se standardními komponentami systému AS-Interface podle EN 50 295 a připojují se v libovolném místě ke standardnímu žlutému vedení s lichoběžníkovým průřezem. V praxi to znamená připojení řídicího přístroje vyhodnocujícího požadavek na bezpečností funkci, tj. ovladače nouzového zastavení, koncového spínače nebo světelné clony, přímo ke sběrnici AS-Interface. Speciální „master“ (hardware) ani bezpečné (fail safe)

PLC nejsou tedy nutné. Jádrem koncepce AS-Interface safety at work je bezpečnostní monitor, jenž periodicky vyhodnocuje signály řídicích přístrojů a monitoruje nejen funkční bezpečnost, ale i správnost protokolu pro přenos dat po sběrnici. Výstupní uvolňovací obvod bezpečnostního monitoru vydá v případě požadavku povel k vyvolání příslušné bezpečnostní funkce a uvede tak strojní zařízení do bezpečného stavu (obr. 5). Systém splňuje požadavky kategorie 4 podle ČSN EN 954-1.

Systém ET 200S

K moderním decentralizovaným periferním zařízením, která slouží k připojení motorových vývodů na Profibus-DP, patří systém ET 200S. Uživateli poskytuje neustálou dostupnost zařízení díky výměnným modulům, snížení nákladů na montáž, integrované připojení ke sběrnici Profibus-DP a samostatnou sběrnici pro přívod energie. Funkční bezpečnost je součástí systému ET 200S, což umožňuje: nouzové zastavení kategorie 0 a 1, blokování pohonu v závislosti na poloze ochranných krytů, dvoukanálové vyhodnocení stavu řídicích přístrojů, vyhodnocení příčného zkratu i zemního spojení, zjednodušení konvenčního řešení bezpečnostních obvodů a tím i snížení nákladů na montáž a připojování (obr. 6). Systém ET 200S splňuje požadavky kategorie 4 podle ČSN EN 954-1.

Další informace zájemci získají na kontaktní adrese:

Siemens, s. r. o.
Evropská 33a
160 00 Praha 6
tel. 233 031 111
http://www.siemens.cz/ad

¹⁾ Redundance, v doslovném překladu nadbytečnost, znamená použití více než jednoho prvku (obvykle dvou) k zajištění jedné a téže funkce – jedná se tedy o zálohování. Pojmem různost je v tomto článku míněno využití různých principů, různé konstrukce nebo různého dimenzování prvků k zajištění jedné a téže funkce (např. využití principu klidového a pracovního proudu, tj. rozpínacího i zapínacího kontaktu).