Безопасност при работа с индустриални роботи

През последните десетилетия бързият напредък при технологиите в сферата на автоматизацията замени голям брой физически операции в индустрията с роботизирани системи. Промишлените роботи са програмируеми многофункционални механични устройства, предназначени да манипулират материал, компоненти, инструменти или специализирани устройства чрез променливи програмирани движения за изпълнение на различни задачи. Индустриалните роботизирани системи включват не само промишлените роботи, но и всички устройства и сензори, необходими на робота за изпълнение на задачите му, както и за сегментиране или наблюдение на комуникационните интерфейси.

Съвременните индустриални роботи обикновено се използват за изпълнение на тежки, повторяеми и опасни за човека операции. Функционалният им обхват включва широк спектър от дейности, включително обработка на материали, монтаж, електродъгово заваряване, електросъпротивително заваряване, зареждане, разтоварване и обслужване на различни машини, боядисване, опаковане и др.

Повечето съвременни роботи са обучаеми и биват въвеждани в експлоатация на работната задача чрез техниката “teach and repeat” (преподаване и повторение). В този режим обучен оператор (програмист) обикновено използва преносимо управляващо устройство (обучителен модул), с чиято помощ научава робота ръчно как да изпълнява своята задача. Скоростта на робота по време на тези сесии за програмиране е в пъти по-бавна от нормалната му работна скорост. Това е с цел осигуряване на достатъчно ниво на безопасност, необходимо за безпроблемната работа на робота и автоматизираното му използване във връзка с друго периферно оборудване.

Колаборативните роботи (наричани още коботи) са проектирани да работят в споделено работно пространство с човека и да му асистират при изпълнението на различни задачи благодарение на това, че имат едно или повече механични рамена, осигуряващи допълнителни средства за манипулация. Те стават все по-популярни не само в индустрията, но и в медицината, където помагат на лекарите при извършването на деликатни хирургически интервенции.

Роботите изискват сложно програмиране, за да работят правилно. В наши дни, с увеличената наличност на операционни системи за управление на роботизирани системи с отворен код високотехнологичното оборудване в областта става все по-достъпно и гъвкаво. Тъй като роботите все по-масово се интегрират в индустриалното производство, нуждата от осигуряване на безопасността на хората, които работят в непосредствена близост до тях, непрекъснато нараства.

Потенциални рискове

По данни на Международната агенция за безопасност и здраве при работа (OSHA), голяма част от злополуките, свързани с работата на индустриални роботи, не се случват при нормални работни условия, а по време на програмиране, усъвършенстване на програмата, поддръжка, ремонт, тестване или настройка. Предвид идентифицираните случаи, световната организация категоризира седем основни потенциални опасности за хората, работещи с роботи:

Грешки в управлението – това са неизправности в системата за управление, софтуера, електромагнитни или радиочестотни смущения. Ако в системата за управление има повреда, това може да причини нередно поведение или да увеличи т. нар. опасен енергиен потенциал на машината.

Неправомерен достъп – неразрешеното влизане в защитена зона от човек, който не е запознат с процедурите за безопасност, може лесно да доведе до сериозни наранявания.

Механични повреди – механичните проблеми могат да станат причина за неправилна или непредсказуема работа на робота. Тези видове повреди са непредвидими и с висока степен на потенциална опасност.

Източници на околната среда – някои непредвидени фактори на околната среда, като внезапни електромагнитни или радиочестотни смущения, могат да повлияят работата на робота. Важно е събития като пренапрежение или отпадане на електрическата енергия при проектиране и внедряване на автоматизация на работното място да бъдат внимателно и безопасно планирани.

Електрически системи – източниците на захранване на роботи могат да бъдат прекъснати, а това да доведе до различни неизправности. Например пневматични, хидравлични или електрически източници на енергия с неправилно функциониращи контролни или предавателни елементи в електроенергийната система могат да прекъснат електрическите сигнали към управляващите и/или захранващите вериги. Това може да стане причина за освобождаване на големи количества енергия и да причини токови удари. Рискът от пожари също може да се увеличи поради електрически претоварвания, особено при работа с роботи, които използват запалимо хидравлично масло.

Неправилна инсталация – когато се инсталира индустриален робот, е от критично значение това да бъде направено правилно и съгласно съответните процедури. Неправилната инсталация може да доведе до различни опасности в зависимост от отклоненията спрямо оригиналния инсталационен план. Ето защо изискванията за безопасност при инсталиране и въвеждане в експлоатация на роботизирано оборудване или система за автоматизация са изключително високи, а изпълнението на тази ключова и комплексна задача следва строго съответните разписани стандарти и процедури.

Човешки грешки – тази група причини за пораждане на потенциални рискове при работа с индустриални роботи обикновено е свързана с най-сериозните инциденти в практиката и обхваща широк спектър от грешки: неправилно програмиране, взаимодействие или поддръжка на робота, активиране погрешка на интерфейса за обучение или управление, наред с други неволни действия. В допълнение, операторите и останалите работници могат да бъдат изложени на редица опасности, причинени от човешка грешка, както в колаборативен режим, така и при навлизане в работните зони на по-големите роботи, чиито движения се ограничават посредством предпазни ограждения по време на работа.

Механични и човешки фактори

Анализирайки различните категории в класификацията на Световната агенция за безопасност и здраве при работа, впечатление прави факта, че те могат да бъдат подразделени в две основни групи: механични (физически) и човешки фактори. Има много начини за справяне с първите като гарантиране на правилно програмиране; предотвратяване навлизането на работника в зони с акумулирана енергия; поставяне на временни предпазни бариери, табели, стикери или предупредителни знаци; добавяне на постоянни прегради и защитни ограждения и т. н.

Необходимо е на съответното безопасно разстояние от робота постоянно да има налице служител, съблюдаващ спазването на процедурите по здраве и безопасност. Непременно по време на поддръжката на роботизираните съоръжения трябва да се спазват и прилагат стриктно процедурите LOTO (Lockout/Tagout).

Те изискват прекъсване на потенциално опасния източник на енергия, свързан с машината, преди да бъдат извършвани каквито и да е ремонтни или профилактични дейности с нея. В случай на съоръжение със стандартно електрическо захранване това обикновено означава прекъсване на връзката с източника на захранване или изключване от мрежата. Други източници на потенциална или съхранена енергия могат да се окажат пневматичните, хидравлични и механични системи, например сгъстеният въздух във пневматичната система или някоя пружина под напрежение.

След като източникът на захранване бъде изключен и връзката с него прекъсната, процедурата изисква поставянето и заключването на разединител, който никой не може да включи, без да премахне ключалката. На самата блокировка се поставя етикет, идентифициращ лицето, което е ангажирано със съответната блокировка (работник, обслужващ машината). Той показва, че само този служител разполага с правомощия (и/или съответните технически средства) да премахне поставената блокировка. Добра практика в тази посока е също да се поддържат режими и процедури за т. нар. аварийно оперативно управление на роботите. Това дава възможност на работниците безопасно да инициират спиране на системата в случай на аварийна ситуация.

Адресирането на изброените физически рискове и свързаните с тях опасности е жизненоважно за осигуряването на безопасна работна среда за служителите в леката и тежка механизирани индустрии. Въпреки това, дори и най-добре обезопасеното оборудване винаги може да бъде използвано неправилно от някой, който не разполага със съответните правомощия или компетенции. Неизбежно в практиката се допускат грешки и, за съжаление, понякога се игнорират някои от необходимите стъпки и процедури за гарантиране на безопасност въпреки тренировките и предпазните мерки за осигуряване на физическата сигурност на хората и оборудването. В допълнение, хората, разчитащи твърде много на работата на индустриални машини и оборудване за изпълнение на производствените си задачи, често могат да причинят злополуки с голям мащаб поради невнимание или твърде голямо доверие в непогрешимостта на машината.

Обучение за безопасност

Самите роботи са програмируеми и повечето от действията им (ако не са засегнати от неизправности и други механични повреди) могат лесно да бъдат предвидени. Ето защо е важно да се осигури съответното обучение на човешкия фактор на всяко работно място, където хората работят заедно с роботи.

Такова обучение може да научи работниците на правилни техники и подходи към физическите опасности и да обърне внимание върху важността на собственото психическо и емоционално състояние, както и на рисковете при невнимание или бързане. Ако работниците са обучени да разпознават такива състояния и разполагат с правилния инструментариум за справяне с тях, броят на инцидентите на работното място може значително да бъде редуциран. Също така е полезно да се наложи правилото, че служителите никога не трябва да работят с машини, чиито функции не познават или не са били обучени да използват.

Всяка от посочените по-горе потенциални опасности, свързани с човешка грешка, може да има катастрофални последици, но всички те могат да се предотвратят. Ето защо е важно служителите да бъдат обучени как правилно да програмират, инсталират и управляват индустриалните роботи и роботизирани системи.

Извършването на оценка на риска преди роботът да бъде въведен в експлоатация също може да допринесе за по-безопасно и по-продуктивно работно място. Не бива да се забравя, че роботите могат да бъдат програмирани, но хората – не. Затова цялостното обучение във връзка с физическите и човешки фактори, пораждащи рискове за безопасността, е от извънредна важност за служителите, които работят заедно с роботи и други средства за автоматизация.

Изисквания за безопасност при нормална работа

Работата с роботизирани технологии изисква детайлен анализ на потенциалните опасности, оценка на различните категории риск и необходимите мерки за безопасност. Възможните мерки за предотвратяване на физически достъп до опасни зони, в които роботите извършват автоматизирани и потенциално опасни за човека движения, включват следното:

• предотвратяване на ръчен или физически достъп до опасни зони чрез механични бариери;
• използване на предпазни устройства, които реагират при приближаване (светлинни бариери, предпазни настилки);
• разрешаване на ръчен или физически достъп, само когато цялата система е в безопасно състояние. Това може да се постигне например чрез използването на блокиращи устройства с механизми за затваряне на входовете за достъп.

Възможните мерки за предотвратяване на наранявания в резултат на освобождаването на енергия са много. Дизайнът на съоръжението трябва да предотвратява всякакво непредвидено освобождаване на енергия. Могат да се добавят мерки за предотвратяване на изпускането на енергия от опасната зона, например чрез съответно оразмерена предпазна бариера. В допълнение, трябва да се използват правилните процедури за блокиране и/или маркиране, за да се изолират всички опасни източници на енергия.

Интерфейсите за безопасност могат да включват режим “нормална работа” и “специална работа” (например устройства за заключване на вратите, светлинни бариери, предпазни настилки), за да може системата за управление на безопасността да разпознава автоматично присъствието на персонал в съответните зони.

Изисквания в специални режими на работа

Определени специални режими на работа (например настройка или програмиране на индустриалния робот без извеждане от експлоатация) изискват извършването на движения директно на работното му място в цеха. Нито едно от тези движения обаче не трябва да застрашава безопасността на участващите лица. Имайки предвид тази цел, движенията трябва да бъдат: само от планирания тип и скорост; само с указаната продължителност; извършвани, само ако може да се гарантира, че нито една част от човешкото тяло на оператора не е в опасната зона.

Сред популярните мерки за осигуряване на безопасност в такива сценарии е използването на специални системи за оперативно управление, които позволяват извършването само на контролируеми и управляеми движения. По този начин скоростта на движение се намалява до безопасна такава (намаляване на енергията се постига чрез свързване на изолационен трансформатор или свързване на оборудване за мониторинг при неизправно състояние). Безопасният статус се потвърждава категорично от системата, преди управлението да разреши активиране на робота.

Важно изискване към такива системи за управление на безопасността е изпълняваната защитна функция да сработи възможно най-адекватно, когато бъде задействана. В случай на риск промишлените роботи трябва да бъдат незабавно навигирани от съответните контролери, за да преминат от застрашаващо работника състояние до безопасно такова.

Мерките за управление на безопасността трябва да бъдат проектирани, като се имат предвид някои ключови цели. Неизправностите в самата система за управление на безопасността не бива да предизвикват потенциално опасни състояния. Такива неизправности трябва да могат да бъдат идентифицирани незабавно или за тях да се проверява регулярно на дадени интервали.

Популярните мерки за осигуряване на надеждно управление на безопасността включват наличие на подробни и добре представени схеми на електромеханичните системи за управление, включително тестови вериги. Важно е още наличието на разнообразие от настройки на микропроцесорните системи за управление, разработени от различни производители. Този модерен подход се счита за най-съвременен и често включва светлинни, оптични и оптикомеханични системи за безопасност.
Ключово е също наличието на защитни системи за управление, които отчитат както механични, така и електрически повреди.

Съвременни защитни средства

Защитните ограждения са популярно решение за предотвратяване на нерегламентираното влизане в работната зона на робота. Тези ограждения осигуряват превантивна преграда и срещу изпуснати от захващащия механизъм на робота части. В някои специални приложения, например при лазерно и водно рязане или електродъгово заваряване, системата трябва да бъде изцяло “капсулирана”, за да се елиминират всички потенциални рискове за човека. 

Защитните релета и електромагнитните брави служат за ограничаване на достъпа до работната зона на робота по време на работния му режим посредством блокирането на входовете към нея чрез заключване. При отваряне на блокирания вход се инициира аварийно спиране на робота, което осигурява елиминирането на всякакви рискове от механичен или електрически характер в зоната.

Сензорите за присъствие са разпространени решения за осигуряване на безопасност при работа с индустриални роботи. Възможните им приложения включват контактно-чувствителни подови настилки (подложки), както и светлинни бариери. В такива системи се осъществява прекъсване на подаването на енергия към съоръжението, щом бъдат активирани защитните сензори и съответно възстановяване на подаването, когато лицето излезе от зоната им на обхват.

Механичните ограничители служат за пасивно ограничаване на работния ход на индустриалните роботи по време на цикли на обучение или настройка. При извършване на непредвидено движение от страна на програмиращия (обучаващия) оператор, ограничителят поема пасивно енергията на робота, осигурявайки безопасността на служителя.

Крайните изключватели и крайни блокировки, аналогично на механичните защити, служат за ограничаване на крайния ход на робота. За разлика от механичните, крайните изключватели прекъсват подаването на енергия към задвижващите звена – подобно на бутон за авариен стоп.

Активиращите бутони са устройства, които работят в комбинация със съответните средства за програмиране и най-често представляват джойстик или ръкохватка с бутон. Задължително условие е да бъдат постоянно включени докато тече процесът на настройка на системата. При прекъсване на сигнала – съответно освобождаване на бутона, се прекъсва всякакво подаване на енергия към съоръжението.

Изолираните зони са софтуерно зададени зони в кода на робота, в които се предвижда да се намира операторът (програмистът) на системата. Съответно тези зони са неприкосновени по време на програмирането и не се допуска задаването на траектории на движение на робота в тях.

Блокировките за роботи са механични блокиращи механизми във всеки сегмент на роботизираната система, които се задействат при прекъсване на енергията към него. При задействане на такъв механизъм индустриалният робот остава в статично положение без възможност за движение по която и да е от работните оси.