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.

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

13 thoughts on “Przekaźniki bezpieczeństwa13 min read

  1. Witam, bardzo ciekawy artykuł jak i cała strona. Mam pytanie odnośnie sterowani przekaźnika bezpieczeństwa. Załóżmy sytuacje przekaźnika jednokanałowego z przyciskiem bezpieczeństwa w obwodzie wejściowym. Czy można zastosować przekaźnik lub stycznik ze stykiem NO w obwodzie wejściowym. Cewka stycznika sterowana byłaby przyciskiem bezpieczeństwa.

    1. Tak, jest taka możliwość. Opiszę to dokładnie w najbliższych postach, ale pokrótce wytłumaczę, kiedy zastosowanie przekaźnika lub stycznika ze stykiem NO w obwodzie wejściowym jest możliwe. Załóżmy, że funkcjonalność maszyny jest podzielona na 2 szafy elektryczne, które są wyposażone w odseparowane od siebie 2 zasilacze 24V DC. W pierwszej szafie będzie sterowanie centralne wyposażone w sterownik PLC i oczywiście obwód główny bezpieczeństwa. W drugiej szafie będą peryferia we/wy połączone z szafą pierwszą za pomocą sieci przemysłowej i zależny od pierwszej szafy obwód bezpieczeństwa. Załóżmy również, że obwód sterowania maszyny został rozdzielony w taki sposób, że nie możemy dopuścić do sytuacji, w której zakłócenie zasilania szafy drugiej nie będzie zauważone przez główny obwód bezpieczeństwa szafy pierwszej ze względu na działania niszczące. Jeśli całościowy obwód bezpieczeństwa zostanie zaprojektowany w taki sposób, że styki NC wyłącznika awaryjnego pierwszej szafy będą (beznapięciowo) sprawdzane przez obwód wejściowy przekaźnika bezpieczeństwa drugiej szafy, to w przypadku zakłócenia zasilania drugiej szafy, obwód bezpieczeństwa szafy 1 może tego nie zauważyć! Można w takim wypadku polegać na software'owych zabezpieczeniach, które nie zawsze – z punktu widzenia standardowych we/wy – jest dopuszczalne.
      Problem rozwiązuje tzw. dywersyfikacja, inaczej mówiąc rozdzielenie funkcjonalności bezpieczeństwa w taki sposób, aby przeciwdziałać tzw. zakłóceniom powodowanym wspólnymi przyczynami. Można zaprojektować obwód bezpieczeństwa szafy pierwszej, który będzie sprawdzał styki NO dwóch (zwykłych) przekaźników, zasilanych z szafy drugiej i zależnych jednocześnie od obwodu bezpieczeństwa drugiej szafy. Oczywiście należy pamiętać o tym, że przekaźniki te powinny być przekaźnikami o wymuszonym prowadzeniu styków, o czym również napiszę w kolejnych postach.

    1. Proszę o sprecyzowanie pytania, bo nie bardzo rozumiem. Czy chodzi o tzw. strefę niebezpieczną? Bo jeśli tak, to strefa niebezpieczna była omówiona już w pierwszej dyrektywie maszynowej 98/37/WE, a jej definicja brzmi: „strefa niebezpieczna oznacza strefę w obrębie i/lub wokół maszyny, w której występuje zagrożenie zdrowia lub bezpieczeństwa osoby narażonej". Praktycznie każda maszyna musi mieć taką strefę zidentyfikowaną, aby maksymalnie obniżyć ryzyko związane z narażeniem na utratę zdrowia osoby obsługującej maszynę. Opiszę jeszcze proces redukcji ryzyka w następnych postach, powiem tylko w skrócie, że najczęściej osoba narażona nie skupia swojej uwagi na zagrożenie i zadaniem producenta maszyny jest maksymalnie zabezpieczyć strefę zagrożenia, z wykorzystaniem wiedzy inżynierskiej i tzw. aktualnego stanu wiedzy techniki.

  2. Bardzo fajny artykół.
    Mam pytanie:
    W ukł.sys.bezp. został wymieniony przekaźnik bezp. na innego typu. Jak mogę sprawdzić (jakie parametry porównać) czy jest on nie gorszy (nie pogarsza bezp.) ?

  3. Z przekaźnikiem bezpieczeństwa jest zazwyczaj najmniejszy problem. Należy porównać noty katalogowe obydwu przekaźników. Producenci podają maksymalny Performance Level (PL) dla przekaźników bezpieczeństwa. Jeśli nowy przekaźnik będzie miał taki sam, lub większy PL, powinno być dobrze pod warunkiem, że przy okazji wymiany nie została zmieniona architektura połączeń (tzw. kategoria).

  4. Witam,
    a jak wygląda kwestia układu bezpieczeństwa dla przenośnika taśmowego. Czy można można w przekaźniku bezpieczeństwa zrobić mostek pomiędzy stykami S21 S22 natomiast pomiedzy stykami s11 i s12 szeregowo podłączyć wszystkie wyłączniki linkowe na taśmie.

    1. Na to pytanie można odpowiedzieć i tak i nie. Mam na myśli to, że nie da się określić i z góry założyć, że takie rozwiązanie jest dobre, czy złe, bo od tego, w jaki sposób dobierzemy i wykonamy część sterowania związaną z bezpieczeństwem, zależy ocena ryzyka stwarzana przez elementy niebezpieczne maszyny. Oznacza to, że wpierw musi zostać oceniony poziom zapewnienia bezpieczeństwa (tzw. Performance Level PL), a później musimy do niego dążyć. Trudno odpowiedzieć na tego typu pytanie, bo temat jest bardzo złożony i postaram się go opisać w najbliższym czasie, ale pokrótce powiem tak: w przypadku, gdy operator jest często narażony na zagrożenie, a zagrożenie to – w przypadku gdy spowoduje wypadek – może być przyczyną nieodwracalnej utraty zdrowia, łącznie ze śmiercią, to takie połączenie, o które pyta czytelnik, może być niewystarczające z powodu nieodporności na uszkodzenia elementów sterowania związanych z bezpieczeństwem (w tym przypadku połączonych wyłączników linkowych), w szczególności spowodowanych jednokanałowym połączeniem tychże elementów. Ale jeśli czytelnik może ocenić zagrożenie inaczej, to może się okazać, że owe połączenie może być wystarczające. Oczywiście każde rozumowanie należy udokumentować i udowodnić, odsyłam do normy PN-EN ISO 13849-1. Ja postaram się opisać wkrótce temat nieco szerzej.

  5. witam
    W maszynie zaczął mi się zawieszać przekaźnik bezpieczeństwa Dold BE5982, nie mogłem kupić takiego samego więc sprzedano mi zamiennik PILZ PNOZ s1. W tym pierwszym są zaciski Y1 i Y2 a w przekaźniku PILZ nie ma takowych, jedyne wolne które pozostały to S34 oraz Y32.
    Jak podłączyć przewody które są w zaciskach przekaźnika Dold Y1 i Y2 do przekaźnika Pilz?
    pozdrawiam

Dodaj komentarz