Techniczne środki bezpieczeństwa

Przekaźniki bezpieczeństwa13 min read

Przekaźniki bezpieczeństwa stanowią ważny element w zapewnieniu ogólnego bezpieczeństwa maszyn.

Przekaźniki bezpieczeństwa służą do zapewnienia odłączenia zasilania od elementów wykonawczych w przypadku konieczności (zaistniałego stanu zagrażającego). Aby jednak można było urządzenie uznać za element bezpieczeństwa, musi on spełniać kilka podstawowych warunków. Przede wszystkim, przekaźniki bezpieczeństwa muszą zawierać co najmniej dwa wewnętrzne przekaźniki o przełączaniu wymuszonym oraz możliwość kontroli dodatkowych obwodów.

Aby jednak wyjaśnić zasadność stosowania takiego rozwiązania jak przekaźniki bezpieczeństwa, należałoby wpierw wyjaśnić koncepcję zapewnienia bezpieczeństwa, czyli zrozumieć, czym kierowano się kreując zasady istniejące we współczesnej koncepcji bezpieczeństwa.

Czy użycie przekaźników jest obligatoryjne, aby zapewnić funkcję bezpieczeństwa? Odpowiedź na to pytanie można znaleźć w artykule “Stosowanie przekaźników bezpieczeństwa”.

Kiedyś do zapewnienia bezpieczeństwa stosowano pojedynczy stycznik elektromechaniczny, w którego obwód zasilania cewki był wpięty jeden lub więcej aktywatorów bezpieczeństwa (przyciski stopu awaryjnego, zamki bezpieczeństwa itp.). Jeśli styki takiego stycznika załączały napięcia sterujące innymi elementami wykonawczymi, to stycznik był załączony w przypadku, gdy żaden z aktywatorów bezpieczeństwa nie wykrył stanu zagrożenia (wciśniecie przycisku stopu awaryjnego, otwarte drzwi itp.). W momencie uszkodzenia stycznika np. w przypadku sklejenia się jego styków, bezpieczeństwo maszyny nie było już zapewnione, ale praca maszyny wciąż była możliwa.

Przekaźniki bezpieczeństwa - kiedyś

Aby zapewnić większy poziom bezpieczeństwa, do istniejącego stycznika był równolegle dołączany drugi, a napięcia sterujące innymi elementami wykonawczymi były szeregowo doprowadzane przez styki obydwu styczników.

Przekaźniki bezpieczeństwa - kiedyś

Poprawiło to poziom bezpieczeństwa, ale wciąż niedostatecznie, gdyż brakowało funkcjonalności polegającej na sprawdzaniu stanu uszkodzenia komponentów bezpieczeństwa. Stąd pojawiła się konieczność zdefiniowania elementów wchodzących w skład systemu bezpieczeństwa oraz przypasania im podstawowych cech, które zapewniłyby tak wysoki poziom zapewnienia bezpieczeństwa, na ile zezwala na to aktualny stan wiedzy technicznej. Elementy takiego systemu to:

  • Urządzenia wejściowe – są to wszelkie aktywatory bezpieczeństwa, takie jak wyłączniki awaryjne, skanery bezpieczeństwa, kurtyny i bariery świetlne, urządzenia blokujące sprzężone z osłonami (rygle i zamki bezpieczeństwa), przyciski sterowania oburęcznego oraz inne
  • Urządzenie logiczne – układ będący sercem systemu bezpieczeństwa, przetwarzający informacje z urządzeń wejściowych i sterujący urządzeniami wyjściowymi (jest to np. przekaźnik bezpieczeństwa);
  • Urządzenie wyjściowe – to elektromechaniczne lub elektroniczne styczniki lub przekaźniki oraz cewki zaworów, czyli wszystkie aktuatory będące wyposażeniem przekazującym energię dla elementów ruchomych, sterujące bezpośrednio lub pośrednio silnikami i siłownikami maszyny.

Aby udoskonalić poziom zapewnienia bezpieczeństwa, cechy całego systemu zdefiniowano tak, aby system zapewniał:

  • kontrolę stanu urządzeń wejściowych, rodzaju połączeń, i w przypadku kontroli redundantnej – kontrolę czasu przełączania oraz zwarć pomiędzy kanałami;
  • kontrolę stanu urządzeń wyjściowych polegającą na sprawdzaniu stanu zestyków oraz czasu przełączania obwodów; kontrola sprawdzania zestyków polega na użyciu styku pomocniczego NC w sprzężeniu zwrotnym obwodu urządzenia logicznego. Jakiekolwiek sklejenie się zestyku zostanie wykryte przez urządzenie logiczne i nie będzie możliwości uzbrojenia systemu bezpieczeństwa bez uprzedniej wymiany urządzenia wyjściowego na sprawny.

Współczesny stan wiedzy techniki pozwala na budowę urządzeń opartych o mikroprocesory, które mogą realizować zadania zwiększające niezawodność urządzeń bezpieczeństwa, stąd dziś nazwa „przekaźnik bezpieczeństwa”, aczkolwiek wciąż używana, jest już nieaktualna. Nie jest to bowiem zwykły przekaźnik, a urządzenie elektroniczne wyposażone w co najmniej dwa przekaźniki i układ mikroprocesorowy, który umożliwia monitorowanie stanu urządzeń wejściowych i wyjściowych. Urządzenie logiczne po załączeniu zasilania wykonuje test elementów wejściowych. Jeśli test wykazuje osiągnięcie stanu bezpiecznego (zamknięte obwody urządzeń wejściowych), urządzenie logiczne sprawdza elementy wyjściowe. Jeśli stan tych elementów jest prawidłowy, urządzenie logiczne oczekuje na sygnał zresetowania, aby aktywować urządzenia wyjściowe. Kontrola dodatkowych obwodów zapewnia prawidłowe działanie całej funkcji zapewnienia bezpieczeństwa poprzez monitorowanie takich wielkości jak:

  • zwarcia międzykanałowe;
  • czas przełączania styków pomiędzy jednym i drugim kanałem;
  • ciągłość obwodu podłączonego do wyjść układu logicznego.
Przekaźniki bezpieczeństwa - opis defektów
Rys. 1. Najczęstsze defekty wykrywane przez przekaźnik bezpieczeństwa
Na Rys. 1 pokazano przykład prezentacji przekaźnika bezpieczeństwa na schematach elektrycznych oraz typowe błędy, które układ mikroprocesorowy przekaźnika bezpieczeństwa jest w stanie wykryć. Dla pełnego zrozumienia zasady wykrywania i reakcji urządzenia logicznego na powstanie błędów, należy zdefiniować nast. pojęcia:
  • Pojęcie tzw. „kanału” – jest to obwód urządzenia wejściowego. Przekaźnik bezpieczeństwa musi posiadać jeden lub dwa kanały, a w konfiguracji dwukanałowej musi zapewniać wykrywanie zwarć międzykanałowych. Na Rys. 1 kanały przekaźnika bezpieczeństwa przedstawiono jako obwody S11-S12 oraz S21-S22. Są to oznaczenia stosowane przez większość producentów przekaźników bezpieczeństwa.
  • Pojęcie tzw. „Resetu”, czyli kasowania (lub w bardziej uogólnionym znaczeniu – uzbrojenia) przekaźnika bezpieczeństwa. Na Rys. 1 kasowanie realizowane jest w obwodzie S33-S34 i może się odbywać „ręcznie” lub „automatycznie”. W przypadku kasowania ręcznego w obwód S33-S34 podłącza się przycisk ze stykiem NO (przy czym niektóre przekaźniki realizują zadanie resetu nie tylko po wykryciu stanu wysokiego w przypadku wciśnięcia przycisku, ale również po wykryciu stanu zwolnienia, gdy przycisk został wcześniej wciśnięty; funkcja reagująca na stan zwolnienia może być przydatna w przypadku realizacji selektywności uzbrojenia układów bezpieczeństwa), a w przypadku konieczności kasowania automatycznego zwiera się na stałe obwód S33-S34.
  • Pojęcie „stanu bezpiecznego” przekaźnika bezpieczeństwa. Jest to stan, w którym styki załączające urządzenia wyjściowe (na Rys. 1 są to styki: 13-14, 23-24) znajdują się w stanie początkowym (nieprzełączonym). Wszystkie układy wyjściowe (cewki przekaźników, styczników czy elektrozaworów) są w stanie odłączonym od źródła energii elektrycznej.
Konfiguracja dwukanałowa pozwala kontrolować dwa styki urządzenia wejściowego, sprzężone ze sobą mechanicznie. W tej konfiguracji ważny jest czas pomiędzy przełączeniami obydwu styków. Układ mikroprocesorowy wykrywa uszkodzenia układów wejściowych polegające zarówno na nieprzełączaniu się styków jednego z kanałów, jak również zbyt długim czasem przełączania styku jednego kanału względem drugiego w przypadku, gdy urządzenie wejściowe ma cechy zróżnicowania (stosowane w celu ograniczania możliwości uszkodzeń spowodowanych wspólnymi przyczynami). Obydwa te błędy zaznaczono na Rys. 1 jako błąd 1 i błąd 2, a ich wystąpienie musi spowodować przełączenie się wyjść przekaźnika bezpieczeństwa w stan bezpieczny.
Typowym sposobem wykrywania zwarć międzykanałowych jest różnicowe testowanie impulsowe. Na Rys. 1 przedstawiono to, jako błąd 3. Sygnały kanałów pierwszego i drugiego są impulsowane z wysoką częstotliwością, będąc jednocześnie przesunięte względem siebie. W przypadku wykrycia zwarcia miedzykanałowego, impulsy z jednego kanału pojawią się jednocześnie w drugim, a stan ten jest wykrywany przez urządzenie mikroprocesorowe przekaźnika bezpieczeństwa.
Błąd 4, który może wystąpić w przypadku uszkodzenia przycisku Reset może zostać wykryty tylko w przypadku jego użycia (przywołania funkcji bezpieczeństwa). Uszkodzenie styku NO przycisku nie pozwoli zresetować systemu bezpieczeństwa, jeśli system bezpieczeństwa pozostaje w stanie bezpiecznym.
W niektórych rozwiązaniach układ mikroprocesorowy przekaźnika bezpieczeństwa nadzoruje ciągłość obwodów urządzeń wyjściowych. Błąd 5 przekaźnika bezpieczeństwa powstanie wówczas, gdy nastąpi przerwanie obwodu urządzenia wyjściowego lub urządzenie wyjściowe ulegnie uszkodzeniu, wskutek którego zostanie przerwany obwód zasilania tego urządzenia. W takim przypadku błąd powinien być wykryty natychmiast po wystąpieniu, a przekaźnik bezpieczeństwa powinien przejść do stanu bezpiecznego. Ten sposób nadzorowania urządzeń wyjściowych dotyczy wąskiej grupy przekaźników bezpieczeństwa i jest stosowany m.in. w przekaźnikach, których producenci dostarczają schemat połączeń z urządzeniami wejściowymi i wyjściowymi, a zadaniem użytkownika jest dostosowanie się do zaleceń producenta. Poprawne połączenie wszystkich elementów systemu bezpieczeństwa wg schematu producenta pozwala na wykonanie testu połączeń (zwykle za pomocą dodatkowego przycisku na obudowie przekaźnika bezpieczeństwa) i gdy test systemu bezpieczeństwa przebiegnie prawidłowo, przekaźnik bezpieczeństwa jest gotowy do pracy.
Błąd 6, czyli zwarcie pomiędzy obwodami urządzeń wyjściowych nie jest kontrolowany w tradycyjnych przekaźnikach bezpieczeństwa. Błąd tego rodzaju nie jest błędem krytycznym dla zapewnienia bezpieczeństwa, gdyż i tak w momencie przywołania stanu bezpiecznego (wciśnięcia przycisku awaryjnego, otwarciu drzwi) styki 13-14 oraz 23-24 rozłączą się powodując przerwanie zasilania obwodów urządzeń wyjściowych. W przypadku defektu urządzenia wyjściowego polegającego na sklejeniu się jego zestyków, informację o stanie urządzenia wyjściowego w postaci sprzężenia zwrotnego często kontroluje się w obwodzie resetu przekaźnika bezpieczeństwa. Błąd 7 zostanie wykryty przy próbie zresetowania przekaźnika bezpieczeństwa za pomocą przycisku reset. Jeśli zestyki urządzenia wyjściowego zostały sklejone, styk pomocniczy urządzenia wyjściowego zostanie rozwarty i nie będzie możliwości zresetowania układu.

Kliknij poniżej, aby wyświetlić dalszą część artykułu