Przyzwyczailiśmy się do tego, że każda maszyna wyposażona jest w układ bezpieczeństwa w postaci przekaźników bezpieczeństwa, realizujących funkcje bezpieczeństwa. Czy oznacza to, że stosowanie przekaźników bezpieczeństwa jest koniecznym warunkiem przed wprowadzeniem maszyny do obrotu?

Otóż nie. Nikt nie wymaga, aby przekaźniki bezpieczeństwa stosować. Normy bezpieczeństwa wprowadzają wymagania dotyczące części układu sterowania związanego z bezpieczeństwem skupiając się na zachowaniu się tych elementów w przypadku wystąpienia defektów. W tym celu, jedna z pierwszych norm PN-EN 954-1 (już nieaktualna) wprowadziła podział zachowania się elementów systemu sterowania związanych z bezpieczeństwem na wystąpienie defektów w postaci pięciu kategorii: B, 1, 2, 3, 4. Kategorie te, wybierane przez projektanta za pomocą oceny ryzyka miały stanowić punkt odniesienia dla architektury połączeń i cech funkcjonalnych części sterowania realizującej funkcje bezpieczeństwa. Przekaźniki bezpieczeństwa nie są konieczne do zbudowania architektury kategorii bezpieczeństwa.

Artykuł jest kontynuacją artykułu na temat przekaźników bezpieczeństwa, w którym opisałem zasadę działania oraz zachowanie się przekaźników bezpieczeństwa w przypadku wystąpienia defektów.

Powiązany temat: Przekaźniki bezpieczeństwa

Nowelizacja normy PN-EN 954-1 miała na celu wyposażenie jej w narzędzia probabilistyczne, nieodzowne w przypadku oceny nowoczesnych systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem. Do dziś nie wyklucza się ani wiedzy, ani założeń normy PN-EN 954-1, gdyż uznano, ze pierwotne jej postanowienia są właściwe. W dalszym ciągu, już w zaktualizowanej normie PN-EN ISO 13849-1 jest zatem możliwość używania sprawdzonych już ogólnie kategorii, ale z dodatkową oceną ilościową właściwości dotyczących bezpieczeństwa. Jednak stosowanie przekaźników bezpieczeństwa nie konieczne do realizacji architektury danej kategorii i to postaram się w tym artykule udowodnić.

Aktualny stan wiedzy techniki na temat kategorii opisujących odporność na defekty i zachowanie się w przypadku defektu podany jest w aktualnej normie PN-EN ISO 1389-1.

Kategoria B

Część sterowania odpowiedzialna za bezpieczeństwo powinna być zaprojektowana, zbudowana, dobrana, zmontowana i zestawiona w kombinacje, co naj­mniej zgodnie z wymaganiami stosownych norm i z zastosowaniem podstawowych zasad bezpieczeństwa, w odniesieniu do konkretnych zastosowań, tak aby mogły wytrzymać:

• spodziewane narażenia podczas pracy, np. niezawodność z uwzględnieniem zdolności do przełączeń i ich częstości,
• wpływ przetwarzanych materiałów, np. detergentów w pralce, i
• wpływ innych istotnych czynników zewnętrznych, np. drgań mechanicznych, oddziaływań elektromagne­tycznych, przerw lub zakłóceń w dostawie energii.

Norma PN-EN ISO 13849-1 opisuje architekturę kategorii B w sposób, jak na poniższym rysunku:

 

W praktyce jest to architektura jednokanałowa. Podstawowe zasady bezpieczeństwa oznaczają zaprojektowanie obwodu zgodnie ze sztuka inżynierską. W przypadku obwodów elektrycznych będzie to np. zabezpieczenie obwodów sterowania przed zwarciem, zapobieganie niespodziewanemu uruchomieniu, zastosowanie takich komponentów, które wytrzymują przeciążenia panujące w obwodzie (np. prąd rozruchu silnika, trwałość mechaniczna styków). Podstawowe zasady bezpieczeństwa wg kategorii B mają za zadanie zapewnić, że warunki pracy nie spowodują powstania dodatkowych zagrożeń np. z powodu niewłaściwego doboru i montażu komponentów.

Podstawowe zasady bezpieczeństwa są szczegółowo opisane w normie PN-EN ISO 13849-2 w tablicach A1 (mechanika), B1 (pneumatyka), C1 (hydraulika) i D1 (elektryka).

Układ start-stop z podtrzymaniem jest przykładem architektury kategorii B, jeśli dla tego układu zostały zachowane podstawowe zasady bezpieczeństwa zgodnie z tablicą A1 i D1.

Maksymalny PL osiągalny w kategorii B wynosi PL = b.

Kategoria 1

W przypadku kategorii 1 powinny być spełnione wymagania dotyczące kategorii B. Dodatkowo część sterowania odpowiedzialna za bezpieczeństwo powinna być zaprojektowana i zbudowana z zastosowaniem wypróbowanych części składowych i z wykorzystaniem wypróbowanych zasad bezpieczeństwa. W zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem częścią wypróbowaną jest ta część, która była albo:

• powszechnie używana w przeszłości w podobnych zastosowaniach z dobrymi wynikami, albo
• wytwarzana i zweryfikowana z wykorzystaniem zasad, które wykazały jej odpowiedniość i niezawodność w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem.

Norma PN-EN ISO 13849-1 opisuje architekturę kategorii 1 w taki sam sposób, jak dla kategorii B:

 

Różnica pomiędzy kategorią B i 1 polega jednak na tym, że w przypadku kategorii 1 należy dodatkowo stosować sprawdzone zasady bezpieczeństwa, takie jak zestyki sprzężone mechanicznie z oddziaływaniem wymuszonym, ograniczenie energii, przewymiarowanie. Złożonych elementów elektronicznych (jak np. PLC, mikroprocesor, układ scalony do ściśle określonych zastosowań) nie można uważać za wypróbowane.

Wypróbowane elementy (części składowe) są szczegółowo opisane w normie PN-EN ISO 13849-2 w tablicach A3 i D3.

Wypróbowane zasady bezpieczeństwa są szczegółowo opisane w normie PN-EN ISO 13849-2 w tablicach A2 (mechanika), B2 (pneumatyka), C2 (hydraulika) i D2 (elektryka).

Maksymalny osiągalny PL dla kategorii 1 wynosi PL = c.

Układ start-stop z podtrzymaniem wg kategorii B wyposażony w przycisk zatrzymania awaryjnego ze stykiem NC o mechanicznym prowadzeniu z działaniem wymuszonym jest przykładem architektury kategorii B, jeśli dla tego układu zostały zachowane podstawowe zasady bezpieczeństwa zgodnie z tablicą A2 i D2. Maksymalny PL osiągalny w kategorii 1 wynosi PL = c.

Kategoria 2

W przypadku kategorii 2 powinny być spełnione wymagania dotyczące kategorii B. Dodatkowo część sterowania odpowiedzialna za bezpieczeństwo powinna być zaprojektowana tak, aby ich funkcja bezpieczeństwa była sprawdzana w odpowiednich odstępach czasu przez system sterowania maszyny. Sprawdzenie powinno następować:

• podczas uruchamiania maszyny i
• przed wystąpieniem każdej sytuacji zagrożenia, np. rozpoczęcie nowego cyklu, rozpoczęcie innych ruchów, bezpośrednio przed przywołaniem funkcji bezpieczeństwa i/lub okresowo podczas pracy, jeśli wyniki oceny ryzyka i rodzaj pracy wskazują, że jest to konieczne.

Sprawdzanie może być inicjowane automatycznie. Wynikiem każdego sprawdzenia funkcji bezpieczeństwa powinno być:

• albo zezwolenie na pracę, jeśli nie zostały wykryte żadne defekty, albo
• generowanie sygnałów wyjściowych (OTE) inicjujących odpowiednie działanie sterujące, jeżeli wykryto defekt.

Norma PN-EN ISO 13849-1 opisuje architekturę kategorii 2 w sposób, jak na poniższym rysunku:

 

Jest to nadal architektura jednokanałowa z zastosowaniem wypróbowanych zasad bezpieczeństwa jak dla kategorii 1, ale z wykorzystaniem dodatkowego wyposażenia wykrywającego wszystkie istotne defekty podczas uruchomienia maszyny, okresowo i przed inicjowaniem sytuacji zagrożenia.

Maksymalny osiągalny PL dla kategorii 2 wynosi PL = d.

Przykład kategorii 2 pokazano na schemacie poniżej:

Przy uruchomieniu przycisku ZAŁ S3 poprzez zestyki rozwierne styczników pomocniczych K2 i K3 (21-22) następuje kontrola ich położenia spoczynkowego. K1 zadziała i poprzez swoje zestyki zwierne (23-24 i 33-34) podaje napięcie na styczniki pomocnicze K2 i K3, które podtrzymują się poprzez zestyki 13-14. Dodatkowo K1, poprzez swój zestyk zwierny, podtrzymuje się do momentu zadziałania K2 i K3 i poprzez ich zestyki rozwierne następuje odcięcie napięcia zasilającego stycznik pomocniczy K1. Tym samym obwody zezwolenia zostają zamknięte i stycznik -K1M załącza silnik -M1.

Kategoria 4

Celowo pominąłem kategorię 3, bo aby wyjaśnić, czym różni się kategoria 3 od 4, warto wpierw zacząć od kategorii 4.

W przypadku kategorii 4 powinny być spełnione wymagania dotyczące kategorii B. Dodatkowo część sterowania odpowiedzialna za bezpieczeństwo powinna być zaprojektowana tak, aby:

• pojedynczy defekt w którymkolwiek z elementów związanych z bezpieczeństwem nie spowodował utraty funkcji bezpieczeństwa, oraz
• pojedynczy defekt był wykryty natychmiast lub przed następnym przywołaniem funkcji bezpieczeństwa, np. bezpośrednio po włączeniu albo na zakończenie cyklu pracy maszyny,

Maksymalny (i zarazem jedyny) osiągalny PL dla kategorii 4 wynosi PL = e.

Norma PN-EN ISO 13849-1 opisuje architekturę kategorii 4 w sposób, jak na poniższym rysunku:

 

Jest to architektura dwukanałowa z zastosowaniem wypróbowanych zasad bezpieczeństwa jak dla kategorii 1. Architektura kategorii 3 różni się od kategorii 4 tym, że pokrycie diagnostyczne DC dla kategorii 4 musi wynosić 99%.

Układ kontroli osłony ruchomej jak poniżej jest przykładem wykorzystania architektury kategorii 4.

 

Kiedy osłona bezpieczeństwa jest zamknięta, styki wyłączników krańcowych –S1 oraz –S2 zamkną się. Styczniki –K1 i –K2, będąc w stanie niezałączonym, poprzez ich zestyki NC, za pomocą przycisku –S3 umożliwią załączenie stycznika –K3, którego zestyki załączą styczniki –K1 i –K2. Po zwolnieniu przycisku –S3 stycznik –K3 rozłączy się, umożliwiając załączenie silnika –M1.

Kategoria 3

W przypadku kategorii 3 powinny być spełnione wymagania dotyczące kategorii B. Dodatkowo część sterowania odpowiedzialna za bezpieczeństwo powinna być zaprojektowana tak, aby pojedynczy defekt w którymkolwiek z tych elemen­tów nie spowodował utraty funkcji bezpieczeństwa. Jeśli jest to uzasadnione praktycznie, pojedynczy defekt powinien być wykryty natychmiast lub przed następnym przywołaniem funkcji bezpieczeństwa.

Zachowanie się systemu kategorii 3 charakteryzuje się tym, że:

• w przypadku wystąpienia pojedynczego defektu funkcja bezpieczeństwa jest nadal realizowana,
• niektóre, ale nie wszystkie, defekty zostaną wykryte,
• w wyniku nagromadzenia niewykrytych defektów może wystąpić utrata funkcji bezpieczeństwa.

Maksymalny osiągalny PL dla kategorii 3 wynosi PL = e.

Norma PN-EN ISO 13849-1 opisuje architekturę kategorii 3 w sposób, jak na poniższym rysunku:

 

Jest to architektura dwukanałowa z zastosowaniem wypróbowanych zasad bezpieczeństwa jak dla kategorii 1. Architektura kategorii 3 różni się od kategorii 4 tym, że pokrycie diagnostyczne DC dla kategorii 4 jest niższe niż 99%, ale nie niższe niż 60%.

Kategorię 3 uzyskuje się wówczas, gdy połączy się co najmniej 2 elementy wejściowe szeregowo. W przypadku kontroli osłony jak w kategorii 4, kategorię 3 uzyskamy stosując w obwodzie 2 osłony.

 

We wszystkich pięciu architekturach brak jest jakiejkolwiek wzmianki, że aby zrealizować architekturę danej kategorii, należy użyć przekaźnika bezpieczeństwa. Stosowanie przekaźników bezpieczeństwa ma za zadanie zrealizować w łatwy sposób konkretną architekturę. W dodatku przekaźniki bezpieczeństwa ułatwiają tę realizację. Wyobraźmy sobie bowiem układ z przekaźnikami i stycznikami jak dla kategorii 2 (pokazany wyżej) w szafie elektrycznej. Nie dość, że zajmowałby on sporo miejsca, to wymagałby on znacznego nakładu pracy dla elektryka. W dodatku spore trudności mógłby napotkać ktoś, kto musiałby zewaluować poprawność w programie Sistema. Przekaźnik bezpieczeństwa będący podsystemem funkcji bezpieczeństwa ma już zdefiniowany Performance Level i zestawienie go w programie Sistema oraz uzyskanie wyników jest znacznie łatwiejsze.