Bezpečný tok materiálu – téma pro muting?

U velkého počtu strojů se elektrická snímací ochranná zařízení (ESPE), jako jsou např. bezpečnostní světelné závěsy a bezpečnostní laserové skenery, používají jako ochranná zařízení tam, kde by ochranný kryt nebyl vhodný. Může to být například na dopravníkových linkách, kde se zboží pohybuje z jedné výrobní oblasti do druhé. Ve většině případů tyto aplikace vyžadují, aby elektrická snímací ochranná zařízení umožňovala průchod určitých objektů ochranným polem a přitom reagovala na přítomnost osob. Nejběžnější implementace bezpečného toku materiálu spočívá v dočasném přemostění ESPE během toku materiálu pomocí dalších senzorů („muting“). Existují však i jiné metody, které nevyžadují muting, ale místo toho používají bezpečné algoritmy k rozlišení mezi materiálem a osobou.

Tento článek se zabývá tímto tématem a uvádí několik příkladů metod bezpečného toku materiálu elektrickým snímacím ochranným zařízením spolu s několika pokyny, jak vybrat nejvhodnější řešení pro danou aplikaci.

Právní předpisy EU: zajištění bezpečnosti strojních zařízení

V Evropském hospodářském prostoru je zajištění bezpečnosti strojních zařízení stanoveno zákonem.

Pro výrobce, kteří chtějí uvést stroje na trh v Evropském hospodářském prostoru, stanoví směrnice o strojních zařízeních (2006/42/ES) základní požadavky na ochranu zdraví a bezpečnost pro návrh a konstrukci strojů. Pro provozovatele strojů platí směrnice o minimálních požadavcích na bezpečnost a ochranu zdraví pro používání pracovního zařízení zaměstnanci při práci (2009/104/ES).

Pro zajištění bezpečnosti strojů jsou k dispozici harmonizované normy EN, které představují praktická řešení pro splnění bezpečnostních požadavků. Úplným zohledněním požadavků harmonizované normy EN je vyřešen takzvaný předpoklad shody (s příslušnými směrnicemi).

Harmonizované normy ve třech kategoriích

Tyto harmonizované normy jsou rozděleny do tří kategorií:

• Normy typu A – základní bezpečnostní normy, které se zabývají základními pojmy, konstrukčními zásadami a obecnými aspekty, které lze aplikovat na stroje (např. ČSN EN ISO 12100 pro posouzení rizika)

• Normy typu B – základní bezpečnostní normy, které se zabývají bezpečnostními aspekty nebo typem ochranného zařízení. Mohou být použity pro celou řadu strojů (např. ČSN EN ISO 13855 pro výpočet minimálních bezpečnostních vzdáleností nebo ČSN EN ISO 14119 pro blokování atd.)

• Normy typu C – obsahují všechny bezpečnostní požadavky na určitý stroj nebo určitý typ stroje

Pokud existuje norma typu C, má obecně přednost před normami typu A a typu B. Norma typu C však odkazuje na všechny příslušné normy typu A a typu B namísto vytváření nového obsahu.

Použitím jediné normy typu C však nemusí být dosaženo zamýšlené shody se základními požadavky na ochranu zdraví a bezpečnost (EHSR) směrnice EU o strojních zařízeních. V současné době je běžné, že mnoho strojů, z nichž každý může, ale nemusí mít normu typu C, funguje společně. To může situaci poněkud zkomplikovat, např. robot pro zásobování CNC stroje sestávajícího ze soustruhu, robota, automatizovaného zásuvkového systému a dopravníkového pásu, viz obrázek 1.

Funkční bezpečnost

U strojů, které obvykle obsahují elektrické snímací ochranné zařízení (ESPE), obsahují příslušné normy typu C často pokyny pro jejich použití. Například norma typu C s označením EN415, která se zabývá bezpečnostními požadavky na balicí stroje, obsahuje mnoho užitečných informací.

Norma ČSN EN 415-6 pro stroje na přebalování paletových jednotek (stroje pro balení do fólie) obsahuje přílohy týkající se například ESPE ve vertikální poloze, dynamického umístění prvků ESPE a mutingu ESPE. Tato norma však byla vydána již v roce 2013 a od té doby byly vyvinuty novější technologie, které lze v těchto aplikacích použít. Normy popisují stav techniky v dané době a vývoj norem bohužel nemůže vždy korespondovat s nejnovějším technickým pokrokem.

Norma ČSN EN 415-6 odkazuje na normy ČSN EN ISO 13849 a ČSN EN 62061 (která byla mezitím nahrazena normou ČSN EN IEC 62061), pokud jde o robustnost řídicího systému, jehož je ESPE součástí. Tyto bezpečnostně relevantní části řídicích systémů (SRP/CS) musejí být navrženy a konstruovány odpovídajícím způsobem a musejí mít určitý stupeň robustnosti, který odpovídá požadovanému stupni snížení rizika.

Normy ČSN EN ISO 13849 a ČSN EN EC 62061 zahrnují bezpečnostní požadavky a směrnice k zásadám pro návrh a integraci SRP/CS, včetně vývoje softwaru, a definují vlastnosti pro realizaci bezpečnostních funkcí (SF). Ačkoli lze použít obě normy, tento článek se zaměřuje na normu ČSN EN ISO 13849.

Norma ČSN EN ISO 13849 obsahuje příklady řady typických bezpečnostních funkcí a odkazuje také na normy, které jsou rovněž relevantní. V případě ESPE a mutingu odkazuje na normy ČSN EN ISO 13855 a ČSN EN IEC 62046.

Norma ČSN EN ISO 13855 popisuje uspořádání ochranných zařízení s ohledem na rychlost přiblížení lidského těla. Obecný vzorec pro výpočet minimální vzdálenosti je:

S = (K × T) + C

Přitom znamená:

S = minimální vzdálenost ESPE od nebezpečného místa

K = rychlost přiblížení osoby

T = celková doba doběhu systému

C = vzdálenost vniknutí (přídavná hodnota vyplývající jak z rozlišení ochranného zařízení, tak z možnosti zasahování shora).

Společnost SICK může k tomuto tématu poskytnout pomoc a vedení a má k dispozici mnoho dokumentů, které mohou zákazníci využít. Společnost SICK také nabízí bezpečnostní služby, jako je měření doby doběhu k získání hodnoty „T“ pro výpočet potřebné minimální vzdálenosti „S“.

ČSN EN IEC 62046 je norma, která byla vydána po zveřejnění současné normy ČSN EN ISO 13849. Doporučujeme používat vždy platnou normu, která představuje nejnovější stav techniky. Norma ČSN EN IEC 62046 se zabývá konkrétně použitím ochranných zařízení pro detekci osob a obsahuje pokyny k mutingu.

Následující normy obsahují užitečné informace o ESPE pro stroje na přebalování paletových jednotek:

• ČSN EN 415-6
• ČSN EN ISO 13849 / ČSN EN IEC 62061
• ČSN EN IEC 62046
• ČSN EN ISO 13855

Tento seznam však není úplný a důležité jsou i další normy, například ČSN EN 60204 pro elektrickou bezpečnost a ČSN EN ISO 14118 pro „zamezení neočekávanému rozběhu stroje“.

Normy typu C obvykle obsahují informace o mutingu a odkazují na další normy. Pokud však žádná norma typu C neexistuje, musí se riziko snížit s přihlédnutím ke všem příslušným normám typu B. Pokud si nejste jisti, kterou normu použít, je nejlepší požádat o radu odborníka.

Normy však nemohou obsahovat odkazy na technologie, které byly vyvinuty po zveřejnění normy. V takovém případě lze normu používat společně s normou ČSN EN ISO 12100.

Normy zaměřené na muting

Co se týče mutingu, normy typu C poskytují vodítka, ale bylo by příliš pracné projít všechny příslušné normy typu C. Co tedy k tomuto tématu říkají normy ČSN EN ISO 13849 a ČSN EN IEC 62046?

ČSN EN ISO 13849

Norma ČSN EN ISO 13849 definuje muting jako „dočasné automatické potlačení bezpečnostní funkce nebo bezpečnostních funkcí bezpečnostními částmi řídicího systému (SRS/CS)“. Důležité pojmy jsou:

Dočasně – jak dlouho je bezpečnostní funkce (SF) potlačena?

• Automaticky – jak řídicí systém rozhodne, kdy má být SF potlačena?
• Bezpečnostní funkce – která SF se potlačí a jak to probíhá?

Typickým příkladem je bezpečnostní funkce zastavení, která je spuštěna bezpečnostním světelným závěsem pro zabezpečení přístupu k paletizačnímu zařízení. Když se materiál přiblíží ke světelnému závěsu (plná paleta), musí řídicí systém automaticky detekovat materiál a potlačit dílčí bezpečnostní funkci světelného závěsu (detekce osob), aby materiál prošel, viz obrázek 2.

Toho lze dosáhnout pomocí senzorů. Systém musí být schopen spolehlivě rozpoznat materiál, a tím rozlišit materiál od osoby. Během procesu potlačení musí být zajištěn bezpečný stav jinými prostředky (zablokování vstupu přepravovaným materiálem) a po jeho ukončení musejí být obnoveny všechny bezpečnostní funkce SRP/CS.

Častým omylem je, že všechny mutingové systémy musejí mít kontrolku mutingu. Ačkoli některé normy typu C použití kontrolky vyžadují, norma ČSN EN ISO 13849 pouze uvádí, že „v některých aplikacích je nutný indikační signál mutingu“. Norma ČSN EN IEC 62046 rovněž uvádí, že pokud je k dispozici indikace, která signalizuje, že je funkce mutingu aktivní, mělo by se zvážit, zda by poskytnutí takové indikace nemohlo vést k neoprávněným pokusům o přístup do nebezpečné zóny. Vzhledem k tomu by bylo lepší od kontrolky upustit.

ČSN EN IEC 62046

Norma ČSN EN IEC 62046 obsahuje informativní přílohy, které poskytují pokyny k použití a umístění ochranných zařízení a senzorů pro detekci materiálu pro spuštění funkce mutingu, a navíc uvádí příklady pro ilustraci. Příklady však nejsou určeny jako jediné řešení pro danou aplikaci. Norma dále uvádí následující obrázek, který znázorňuje její návaznost na další normy. 

Odstavec 5.7 normy ČSN EN IEC 62046 se podrobně zabývá požadavky na muting a řeší podobná témata jako norma ČSN EN ISO 13849, ale zachází do mnohem větších podrobností. Norma popisuje požadavky, které platí při spuštění funkce mutingu, jako např.:

• Muting musí být spuštěn dvěma nebo více nezávislými mutingovými signály
• Funkce mutingu musí být ukončena, jakmile je přerušen jeden z mutingových signálů, který udržuje funkci
• Pro zajištění řádného provozu musí být u u mutingových signálů použito časové a/nebo sekvenční řízení
• Musejí být zavedena opatření, která zabrání neúmyslnému spuštění mutingu nebo trvalému přemostění v důsledku mechanického poškození a/nebo nesprávného zaměření mutingových senzorů
• Je nutné přijmout opatření, která zamezí obejití ochranného zařízení
• Musí existovat ochrana proti předvídatelnému nesprávnému použití, včetně manipulace

Norma rovněž obsahuje doporučení a mnoho příkladů použitelných opatření. Patří mezi ně pokyny k mutingu, které umožňují přístup osob a materiálu, a manuální přemostění závislé na mutingu.

Příklady řešení pro bezpečný tok materiálu

ČSN EN IEC 62046 – Příklady mutingu

Příloha D normy ČSN EN IEC 62046 obsahuje řadu příkladů konfigurace fotoelektrických mutingových senzorů, pokud se používají k umožnění automatického přístupu  materiálu. Jak je však uvedeno výše, tento seznam není vyčerpávající – nepředpokládá se, že by se měly používat pouze tyto konfigurace. Jsou však zahrnuty ty nejčastěji používané, viz v této souvislosti obrázek 4.

Nejdůležitější požadavek na umístění mutingových senzorů spočívá v tom, aby osoba nemohla projít otvorem do nebezpečné zóny, když je systém v potlačeném stavu. K tomu by mohlo dojít například při jízdě na paletě nebo při chůzi vedle materiálu či za ním. Příloha rovněž poskytuje příslušné pokyny (dodatečná opatření, kyvadlové kryty, tzv. pendl klapky atd.) a představuje některé metody, jak zamezit manipulacím.

Stejně tak je důležité, aby konfigurace mutingu nezpůsobila žádná další nebezpečí (např. rozdrcení) mezi přepravovaným materiálem a stacionárními díly. Pokyny se týkají také maximálních/minimálních vzdáleností pro následující parametry:

• vzdálenost mezi materiálem a stacionárními díly zařízení
• vzdálenost mezi mutingovými senzory
• výška mutingových senzorů nad původní úrovní dopravníku

Aktuální verze normy ČSN EN IEC 62046 byla vydána v roce 2018 a nahradila technickou specifikaci IEC/TS 62046, původně vydanou v roce 2008. Tato norma však obsahuje příklady pouze v omezené míře a od doby jejího vypracování byly vyvinuty nové technologie a nová řešení mutingu. Z hlediska bezpečnosti je nakonec rozhodující splnění cílů ochrany z normy ČSN EN IEC 62046 na téma muting. To znamená, že pokud alternativní řešení vedou k ekvivalentní (nebo dokonce vyšší) bezpečnostní úrovni, jsou samozřejmě také přípustná.

V následujícím odstavci jsou uvedeny další příklady mutingu, ale také nové metody, které využívají chytré algoritmy a nepotlačují ESPE.

Bezpečnostní laserový skener – přizpůsobení ochranného pole

Obdobně jako bezpečnostní světelné závěsy lze použít k detekci osoby rovněž i bezpečnostní laserové skenery. Nejčastěji je ochranné pole skeneru umístěno v horizontální rovině. Často se používá v aplikacích, jako je zamezení spuštění v robotické buňce, nebo jako spouštěč bezpečného zastavení autonomního vozidla (AGV), viz obrázek 5.

Stejně jako bezpečnostní světelný závěs je však lze použít i vertikálně a ochranná pole lze dynamicky měnit pomocí vstupních signálů. U bezpečnostního světelného závěsu můžete zvýšit bezpečnost přemostěním pouze určitého počtu paprsků, zatímco u bezpečnostního laserového skeneru můžete tvar ochranného pole skutečně přizpůsobit okolním konturám materiálu v přemostěném stavu, viz obrázek 6.

To znamená, že při přemostění ESPE již nejsou zapotřebí další ochranná zařízení nebo senzory, které by zamezily nedetekovanému přístupu osoby ke stroji.

Pokud navíc skener disponuje bezpečnostní komunikací (např. CIP Safety, PROFISAFE, SICK – EFI Pro), můžete využívat několik polí současně. Tento postup se nazývá simultánní vyhodnocování ochranných polí a umožňuje inženýrům vyvíjet komplexní aplikace pouze s jedním senzorem. Bezpečnostní řešení Safe Portal Solutions od společnosti SICK využívá tyto funkce k bezpečné detekci materiálu pomocí samostatných „mutingových polí“, která dynamicky upravují ochranná pole tak, aby umožnila průchod materiálu, zatímco zbytek otvoru zůstává monitorován. Tím se eliminuje potřeba mutingových senzorů, což umožňuje větší flexibilitu a snížení prostorových nároků, viz obrázek 7.

Alternativy ke klasickému mutingu

Bezpečnostní systém Safe Entry Exit je společností TÜV certifikovanou alternativou ke klasickému mutingu. Systém přijímá pouze signál z řídicího systému procesu jako první signál a signál ze samotného světelného závěsu jako druhý signál mutingu. V kombinaci s časovým a sekvenčním monitorováním dokáže spolehlivě rozpoznat materiál, a tím spustit funkci mutingu. Stejně jako v případě Safe Portal tak lze eliminovat potřebu dalších mutingových senzorů a snížit prostorové nároky mutingového systému, viz obrázek 8.

Skutečné rozlišení mezi osobou a materiálem

Bezpečnostní zařízení se stala neuvěřitelně všestrannými a díky výkonným mikročipům je možné při vysokých rychlostech implementovat složité algoritmy. Jednotlivé paprsky lze analyzovat, což umožňuje rozpoznávání vzorů v permanentně aktivním bezpečnostním senzoru. To znamená, že bezpečnostní zařízení dokáže spolehlivě rozlišit mezi osobou a materiálem, který smí vstoupit do nebezpečného prostoru. Takový systém nikdy nepotlačí bezpečnostní funkci detekce osob v procesu. Tím je zajištěna nepřetržitá ochrana, protože nepřerušované paprsky zůstávají i nadále aktivní.

Bezpečnostní světelný závěs C4000 Fusion lze použít horizontálně a umožňuje uživateli parametrizovat různé vzory zadáním parametrů, jako je např.:

• přípustný počet objektů,
• šířky objektů,
• vzdálenost mezi objekty,
• směr,
• sekvence
• atd.

To znamená, že ochranným polem bezpečnostního světelného závěsu smějí projít pouze určité siluety, aniž by se spustila bezpečnostní funkce (spuštění zastavení), přičemž se rozlišuje například mezi automobilem na rámu a osobou, viz obrázek 9.

Dalším příkladem rozpoznávání vzorů je funkce Smart Box Detection bezpečnostního světelného závěsu deTec4. Tato funkce analyzuje paprsky a detekuje objekty, které se z dvourozměrné perspektivy světelného závěsu jeví jako obdélníkové, např. kartonové krabice nebo také sudy. To může být obzvláště užitečné v aplikacích, kde se k ochraně tradičně používá tunel pro zvýšení vzdálenosti od nebezpečného místa. Mutingové senzory již nejsou nutné a v závislosti na době pro zastavení stroje lze bezpečnostní vzdálenost výrazně snížit. Paprsky, které nebyly přerušeny, zůstávají aktivní, a nadále tak zabezpečují před nedetekovaným zasahováním nad objektem, viz obrázek 10.

Implementace řešení

Dalším tématem, které je nutné zohlednit, je implementace řešení. Například je možné použít předem nakonfigurovaná, předem zapojená, optimalizovaná a předem certifikovaná řešení, jak je popsáno v normě ČSN EN IEC 62046, obrázek 11.

Zakoupením kompletního systému namísto pořízení všech jednotlivých komponentů, držáků a kabelů se snižují náklady na design, konfiguraci a instalaci. Redukují se také náklady spojené s verifikací výkonu systému (PL/SIL).

Pokud je muting implementován v bezpečnostní jednotce, jsou k dispozici předem certifikované funkční bloky, které uživateli poskytují mnohem větší flexibilitu s existující kompletní sadou logických bloků. K dispozici jsou také samostatná řešení a přístroje s integrovanými algoritmy mutingu/bezpečnosti.

Je důležité porozumět výhodám a nevýhodám implementace mutingového systému, protože to může ovlivnit různé faktory, jako jsou náklady, využitelnost, robustnost, specifikace, prostorové požadavky a další. V tabulce 1 níže jsou uvedeny nejběžnější implementace.

Ve skutečnosti se některé systémy mohou od této tabulky odchýlit, ale obecně je založena na dlouholetých zkušenostech v oboru a může být dobrým ukazatelem.

Závěr o bezpečném toku materiálu: každá aplikace je individuální

Na strojích se často používají elektrická snímací ochranná zařízení, která chrání přístup do nebezpečných prostorů. Často se stává, že systém musí automaticky propouštět materiál dovnitř a ven ze stroje a zároveň bezpečně chránit osoby. Postupem času se klasická funkce mutingu ochranných zařízení vyvinula ve stále univerzálnější metodu. Na trhu však existuje mnoho řešení. Patří mezi ně řešení, která nepotlačují bezpečnostní funkci, ale místo toho využívají chytré rozpoznávání vzorů pro dynamický průchod materiálu a zároveň detekci přístupu osoby.

Každá aplikace je individuální a některá řešení nabízejí oproti jiným výhody. Na této bázi by měl konstruktér zvážit, co je pro něj důležité. Pokud pro stroj existuje norma typu C, může poskytnout pokyny a směrnice pro implementaci bezpečných řešení. Technologie však často postupuje rychleji než vývoj norem. Norma ČSN EN IEC 62046 to uznává a uvádí, že mohou být možná i jiná řešení. Při volbě nejlepšího řešení je rozhodující pouze to, zda je dosaženo cílů ochrany a zda je řešení stabilní proti manipulacím.

Výrobci ESPE mají s použitím svých ochranných zařízení bohaté zkušenosti a mohou pomoci implementovat bezpečný průchod materiálu strojem pomocí mnoha alternativních řešení. Pokud si nejste jisti, specialisté na bezpečnost a senzory ze společnosti SICK vám rádi poradí a najdou pro vás to správné řešení.

Přečtěte si více informací

Přečtěte si více informací

Přečtěte si více informací

Přečtěte si více informací