Машинна безопасност
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2011
Електромеханични и безконтактни средства за защита на машини
Строгите европейски регулаторни норми, въведени през последните няколко години, стимулират развитието на пазара на средства за машинна безопасност. Наскоро публикуван стратегически анализ посочва, че пазарът е реализирал приходи от 422 млн. долара през 2010 г. и прогнозира плавно увеличение на печалбата до 565,6 млн. за 2017 г.
Изследването обхваща електронната, автомобилната, хранително-вкусовата, металообработващата, опаковъчната и преработвателна промишленост, фармацевтиката, минно дело и други. Перспективите пред пазара на този вид системи допълнително се благоприятстват от реално отчетената повишена производителност и рентабилност на промишлените процеси в следствие на по-безопасната работна среда. Очаква се подемът да се отрази и на други сфери на дейност, сред които ретрофита на машини с остарели системи за безопасност.
Видове средства за защита на машини
Решенията за безопасност гарантират сигурността на обслужващия персонал и подобряват цялостната ефективност на машинното оборудване чрез увеличаване на надеждността на процесите и намаляване на времето за непредвидени спирания. Категорията обединява широко разнообразие от средства за защита. Сред основните от тях са електромеханичните устройства като защитни врати и огради, аварийни стоп-бутони, устройства за управление с две ръце и безконтактните средства за машинна безопасност – оптични бариери, светлинни завеси, лазерни скенери, PLC вериги за безопасност, сигнални колони и други.
Изборът на блокиращо устройство зависи от условията на експлоатация и предназначението на средството за защита; последствията от възможно нараняване; вероятността от повреда на блокиращото устройство; изискванията към времето за стоп на машината; честотата на достъп на персонала до опасната зона и др.
Защитни врати и стоп-бутони
Сред най-важните типове електромеханични устройства за защита са т. нар. защитни врати, които предотвратяват възникването на опасни ситуации при навлизане в параметрите на предварително дефинирана зона чрез прекъсване на електрозахранването на машината. При отваряне на защитната врата механично задвижван позиционен детектор спира машината. Важно условие при употребата им е единственият път за достъп до опасната зона да минава през средството за защита.
Съществено място в групата на електромеханичните устройства за безопасност заемат и устройствата за аварийно спиране, познати още като стоп-бутони.
Инсталират се в панелите за управление, в машинните табла и на много други места, като винаги се разполагат в непосредствена близост до оператора. Използват се за аварийно спиране на съоръжението, като най-честото им изпълнение е без самовъзстановяване на работата на машината при отпускане. Възстановяването обикновено се извършва с допълнително завъртане на бутона.
Съществуват и специални изпълнения, при които възстановяването става със специален ключ. Някои от съвременните автоматизирани машини имат превключвател, посредством който се отблокира цялата машина. Във включено състояние, ключът не може да се извади от устройството. Използването на кодове, въвеждани от клавиатурата на командния пулт на машината, не отменят, а допълват използването на ключове.
Устройства за управление с две ръце
Устройствата за управление с две ръце представляват средства за защита, предназначени основно за оператори на машини, директно изложени на опасност. За разлика от защитните врати, които създават преграда между оператора и опасността, устройството за управление с две ръце принуждава оператора да задържа двете си ръце върху устройството за управление, докато машината изпълнява потенциално опасното движение. Устройствата за управление с две ръце най-често намират приложение в хидравлични, механични и пневматични преси.
Минималното безопасно разстояние на най-близкия до опасната зона задвижващ механизъм се изчислява по формулата: S=(K x T) + C, където S е минималното безопасно разстояние в mm, К e скоростта на приближаване до опасната зона в mm/sec, Т е пълното време за спиране на системата в sec, а С е допълнително разстояние в mm.
Настилки, чувствителни на налягане
Този тип средства за защита имат за задача да открият присъствието на човек в опасната зона около машината и да преустановят нейната работа. Мястото им на монтаж се определя с оглед постигане на максимална сигурност, че работник, навлязъл в зоната, ще стъпи върху тях. Като конструкция се състоят от основна и работна плочи, чувствителен елемент, реагиращ на приложена сила (по-малка или равна на 300 N) и крайни лайсни и ъглови елементи.
Във функцията на основна и работна плочи се използват гъвкави стоманени плочи или ленти, разделени от изолационен материал. Основните принципи за активиране на чувствителния елемент са оптичен и механичен. При навлизане в опасната зона, работникът упражнява натиск върху плочите, което води до включване на защитните релета на предпазния контролер и съответно до спиране на машината.
Съгласно стандартите в областта, минималното разстояние S в mm, на което трябва да се монтира средство за безопасност, чувствително на налягане се пресмята по формулата S = 1600.(t1+ t2) + 1200, където - t1 (s) е общото време за реакция на настилката, чувствителна на натиск, включително и на предпазния контролер; а t2 (s) е общото време за спиране на машината. В случаите, при които настилката се комбинира с предпазна оптоелектронна бариера/скенер или завеса, разстоянието S се изчислява по формулата S = 1600.(t1+ t2) + 850.
Сигнални колони
Сигналните колони могат да се използват за визуализация на всяко съществено състояние на машината. Обикновено те показват дали съоръжението работи или е изключено. Възможно е да индикират дали машината не е спряла поради отсъствието на материали и дали не е настъпила някаква авария. Добре видимата светлинна индикация е особено полезна, когато нивото на шум в цеха е високо, а това е обичайно за почти всички производствени помещения.
Освен състоянието на съоръженията, сигналните колони се използват и за индикация на потенциално опасни ситуации. Именно тази им функция ги прави задължителни в някои производства. Присъствието на хора или други обекти в работната зона на някои машини е опасно, затова много от тях са оборудвани с датчици, разположени по периметъра на работната зона, които подават сигнал при навлизане на външен обект.
Сигналът от тези датчици се визуализира върху сигналната колона, това е важно с оглед постигане на висока степен на машинна безопасност. При настъпване на особено “тежка” ситуация, например опасна за обслужващия персонал, или предаварийно състояние на скъпа машина или съоръжение, е възможно светлинната индикация да се комбинира със звукова сигнализация - зумер (бъзер) или сирена.
На пазара се предлагат и сигнални колони с вграден AS-интерфейс (Actuator-Sensor interface). Интерфейсът е стандартизиран с европейска норма EN 50295 и международен стандарт IEC 62026-2. Изграден е на Master/Slave принцип, като един мастер може да контролира до 64 подчинени устройства. Всяко Slave-устройство би могло да има до 4 входа и 4 изхода. Създателите на интерфейса са имали стремеж да намалят до минимум работата по инсталиране на устройствата.
По този начин се намалява цената на цялата мрежа и се съкращават сроковете за нейното пускане в действие. Свързването на кабела се реализира без винтови терминали, а чрез клик система, при която той се пробожда от специални конектори. Целта на посочения интерфейс е да допълни съществуващите интерфейсни мрежи, поради което са налични модули за връзка с CAN, Ethernet, Internet и др. мрежи.
Оптични устройства за машинна безопасност
Устройствата от този тип могат да бъдат заграждащи и сканиращи. Заграждащите устройства, наричани светлинни завеси или бариери, следят само за нарушаване на определен периметър. Те блокират машината при пресичането му, но не поддържат функцията да следят за присъствието на хора извън периметъра по време на работния цикъл.
Напълно е възможно, обаче, навлизане на човек в охранявания периметър по време на работна пауза. В случай че той остане вътре, но не пресича контролираната линия, системата за безопасност няма да регистрира присъствието на човека и машината ще бъде пусната. А с това съществува възможност за създаване на опасна ситуация. Затова, заграждащи устройства не се използват в приложения, към които съществуват изисквания за постигане на най-високо ниво на безопасност. В подобни приложения се използват скенери, които мониторират не само даден периметър, но и определена област.
Един от големите проблеми при използването на оптични устройства за обезопасяване е чувствителността им към параметрите на околната среда. Запрашаването на елементите, разположени на оптичния път води до намаляване на чувствителността и дори до некоректно сработване. Същия ефект оказват запотяването (независимо от коя страна на защитния екран), зацапването, намокрянето и т. н. Задимеността в едно помещение, както и наличието на други инфрачервени източници, също биха могли да окажат отрицателно въздействие върху работата на някои устройства.
Освен това, стойностите на температурата, влажността, радиацията, ултравиолетовото облъчване и др. влияят върху параметрите както на предавателя, така и на приемника. Водещите производители в областта на средствата за машинна безопасност вземат специални мерки за отстраняване или поне за минимизиране влиянието на тези фактори. Разработени са схеми със самокомпенсиране на промяната на параметрите. На практика, това се постига чрез използване на различни средства – вътрешни обратни връзки, модулиране на сигнала на предавателя и др.
Оптични бариери
Оптичните бариери се състоят от предавател и приемник. Предавателят е съставен от голям брой инфрачервени излъчватели, разположени по височина на колона с определена стъпка, указана в техническата документация. Типичните растери са 20, 30, 40, 50 и 90 мм. Това затруднява нерегистрираното пресичане на периметъра, например чрез прекрачване на бариерата или минаване под нея, което е възможно при единичен излъчвател. Самите колони се предлагат със средна височина от 30 см до 2 м. Обикновено са предназначени за монтаж на закрито.
Работят с различно напрежение, но е по-лесно да се намерят модели, захранвани с ниско постоянно напрежение – 24 V. Единият или няколкото изходи са контактни или представляват колекторна верига на транзистор. Този факт би следвало да се вземе под внимание в случай, че е планирано изграждането на комплексна система за безопасност, тъй като транзисторните изходи са много по-чувствителни към претоварвания, дори краткотрайни, както и към пренапрежения. Повечето устройства от този тип нямат друг комуникационен интерфейс. Текущото им състояние се визуализира със светодиод, а понякога и с индикатори.
Максималното разстояние между предавателя и приемника е от порядъка на 20 м. Точната му стойност се указва в документацията на изделието. Характерно за светлинните бариери е отсъствието на нулева зона, т. е. не съществува участък от оптичния път, който да е нечувствителен. При необходимост от създаване на начупен периметър на защита е възможно използването на огледала, които също се предлагат от производителите на оптични бариери.
Лазерни скенери
За разлика от оптичните бариери, лазерните скенери осигуряват мониторинг върху цяла област, а не само върху определен периметър, предлагайки много голяма гъвкавост на системата за безопасност. Използват се за защита на точки на достъп и опасни зони, намиращи се в близост до машини, технологични линии, роботи и т. н. Могат да бъдат прилагани както за защита на стационарни машини, така и за обезопасяване на мобилни съоръжения. Подходящи са за приложение при всички нива на безопасност, включително и за реализацията на най-строгите изисквания.
Лазерният скенер се състои от лазерен източник и приемник (детектор). Обикновено лазерният източник се позиционира под определен ъгъл, след което излъчва кратък импулс. Принципът на работа се основава на измерване на интервала от време между излъчването и отражението на лъча. Ако импулсът срещне преграда, т. е. обект, намиращ се в защитаваното поле, той ще се отрази от него и ще се върне обратно, където ще бъде регистриран от приемника. Електронен таймер отчита времето между излъчването на импулса и получаването на отразения сигнал. Тъй като скоростта на светлината е известна, този времеви период е пропорционален на разстоянието до обекта, отразил лазерния лъч.
Лазерът се завърта на стъпки, например през десет ъглови минути, излъчвайки импулси, чието евентуално отражение се следи от приемника. По този начин лазерът сканира цялата площ на охраняваната област. Тъй като светлинните импулси не се излъчват непрекъснато, а само при прецизно позициониране на лазера под определен ъгъл, наблюдаваната площ се сканира с определена резолюция. На практика това означава, че съществува долна граница на размера на обекта, който би могъл да бъде засечен. Типични стойности на минималните размери на обектите са в диапазона 30 – 150 мм, като малката стойност се отнася за близки обекти, а голямата за по-отдалечени. Съществува и изискване по отношение на отражателните способности на обектите. Обикновено е необходимо коефициентът им на отражение да е по-голям от 1,8 - 2%. Известно е, че коефициентът на отражение представлява отношение между отразения и падащия върху обекта лъчист поток.
При лазерните скенери наблюдаваната площ би могла да се раздели на зони. Защитната зона покрива опасната област, в която работи машината. Веднага щом лазерният скенер засече обект в защитната зона, генерира сигнал за изключване на машината. Принципът на работа на лазерните скенери позволява зоните да са с произволно начупени, а не само с полукръгла форма. Наред с нея се дефинира предупредителна зона, която обгражда защитната. При засичане на обект в предупредителната зона се подава само предупредителен сигнал – светлинен или звуков. По този начин преминаващ човек би могъл да бъдат предупреден предварително, което намалява броя на инцидентните пресичания на защитната зона, а следователно и броя на изключванията на машината.
Бъдещето принадлежи на интегрирания подход
Едно от ключовите предизвикателства пред производителите на оборудване за машинна безопасност е преминаването от традиционни, компонентно-базирани решения към единна централизирана система, която обхваща всички аспекти на защитата, през целия жизнен цикъл на машината. Интегрираното цялостно решение има значителни предимства в сравнение с традиционните устройства по отношение на диагностичните възможности, сервизирането на системите, своевременното отстраняване на повреди, комуникацията и други. Освен това, би улеснило крайните потребители, които търсят по-голяма гъвкавост във функционалните възможности на продуктите и се притесняват от избора на различни доставчици за различните приложения.
Вижте още от Автоматизация
Ключови думи: машинна безопасност, защитни врати, стоп бутони, сигнални колони, оптични бариери, лазерни скенери
Новият брой 8/2024
