Förr i tiden ansågs maskinsäkerheten vara detsamma som nödstoppsfunktionen. Föreningen av det som är möjligt enligt normer och standarder, nya tekniska lösningar för säkerhetsfunktioner och kombinerat kunnande om tillämpningar gör det möjligt att i större utsträckning även uppfylla krav på maskinernas produktivitet och tillgänglighet. Först med den totala föreningen av sensorteknik, styrsystem och ställdonsteknik får man flexibel och dynamisk säkerhet.

Överallt där människa och maskin samarbetar finns det risk för att maskinen kan göra en riskfylld rörelse. Säkerheten har präglats och präglas fortfarande till stor del av binära händelser som exempelvis manövrering av ett nödstopp, öppning av en skyddsgrind eller av att en ljusridå överträds. Ännu idag är säkerhetskonceptet för många maskiner och anläggningar utformat på ett sådant sätt att strömmen slås av i samtliga drivenheter eller i hela anläggningen när någon råkar beträda ett skyddsområde. I och med att maskiner, anläggningar och processer automatiseras och kopplas ihop i allt högre grad ökar särskilt de funktionella kraven på säkerhetstekniken.

Med tanke på en stadigt ökande produktivitet måste det dock vara möjligt att arbeta i bestämda skyddszoner i en anläggning utan att hela produktionsprocessen lamslås. För: Hårda avstängningar drar för det mesta med sig ytterligare nackdelar. Det kan vara förlust av produktivitet, förlängda stillestånd på grund av komplicerade återstartsprocedurer eller begränsning av manövreringen och underhållet av maskinen.

Säkerheten skall inte betraktas isolerat

Tillverkningsindustrin kännetecknas av en tilltagande automationsgrad och hopkopplade anläggningar och processer. Säkerheten kan därför inte bara betraktas för sig själv och berör bara i mycket sällsynta fall enskilda områden eller komponenter i en anläggning. Tvärtom: Säkerheten har blivit en viktig faktor för hela anläggningens funktion och vid övervägandet av dess sammantagna kostnader. Stillestånds- och revisionstider spelar en allt viktigare roll vid bedömningen av maskinens totala livscykel.

Dessa krav leder till en önskan om dynamisk säkerhet, alltså flexiblare anpassning av säkerhetsfunktionerna till skyddskraven som förändras. Därmed förändras även synens på säkerheten som sådan: den ses alltmindre bara som en produkt utan alltmer som en funktion som berör alla apparater.

Standarder och direktiv utgör ramen

Ramarna för de säkerhetstekniska lösningarna bestäms av gällande lagar, normer och standarder. Inom den Europeiska unionen är maskindirektivet det kriterium som den funktionella säkerheten för maskiner och anläggningar måste rätta sig efter. Väsentlig betydelse i maskindirektivet har standarden EN 62061 (Maskinsäkerhet – Funktionssäkerhet hos elektriska, elektroniska och programmerbara elektroniska säkerhetskritiska styrsystem) såväl som EN ISO 13849-1 (Maskinsäkerhet – Säkerhetsrelaterade delar i styrsystem). I jämförelse med den föregående standarden EN 954-1 ger denna handfast vägledning för genomförandet av säkerhetsföreskrifterna och är således en viktig förutsättning för dynamisk säkerhet.

Ett exempel är driftsättet "drift med öppen skyddsgrind" som inte var definierat på basis av EN 954-1. Hitintills har driftsättsväljaren som varit nödvändig för detta ändamål varit utförd som separat huvudbrytare – ofta utan någon skyddsfunktion. De motsvarande bestämmelserna för säker funktion för driftsättsval ges nu av C-standarden med hänvisning till maskindirektivet 2006/42/EG, EN ISO 12100-2 ("Maskinsäkerhet – Grundläggande begrepp, allmänna konstruktionsprinciper – riskbedömning och riskreducering") och EN 60204-1 ("Maskinsäkerhet – Maskiners elutrustning – del 1: Allmänna fordringar"). Definitionerna som ingår däri möjliggör nu ytterligare särdrag – såsom den "säkra reducerade hastigheten vid öppen skyddsgrind". Vid driftsättet "inställningsdrift" tjänar den säkra övervakningen av hastigheten till att undvika onödiga stillestånds- och återstartstider.

Måttstockar för säkerhetstekniska behov

Noggrann kännedom av vad som är rättsligt tillåtet och tekniskt möjligt är förutsättningen för utformningen av den säkerhetsteknik som erbjuder den bästa möjliga potentialen för produktiv drift av maskinerna. Inom ramen för bestämmelserna i de nya standarderna EN 13849-1 och IEC 62061 gäller det att säkerhetstekniska lösningar måste övervägas med sina egna karakteristiska värden över hela processkedjan från sensorteknik, via styrning till ställdonsteknik, och värderas matematiskt. Detta fordrar emellanåt flerskiktiga tillstånd eller resultat av komplexa beräkningar, på vilka säkerheten måste svara på lämpligt sätt. Automatiseringsuppgifter kan därför alltmer sällan lösas genom vanliga tillvägagångssätt.

Sensorer med vida vyer

Många säkerhetssensorer arbetar enligt en strängt binär modell: En skyddsgrind öppnas, sensorn känner av detta och alstrar en avstängningssignal för den säkra maskinstyrningen. För dynamiska säkerhetskoncept måste sensorerna vara i stånd att betrakta händelser i flera steg på ett tydligt sätt. De bör exempelvis kunna skilja på om en människa uppehåller sig inom den möjliga aktionsradien för en riskfylld rörelse (varningszon) eller redan har beträtt en zon med förhöjd säkerhetsklassning (skyddszon). Dessa zoner måste kunna anpassas dynamiskt och exempelvis en maskins eller robots rörelser måste kunna följas.

Genom nya kamerabaserade förfaranden kan skyddsfält och skyddszoner övervakas tredimensionellt på ett säkert sätt, såsom till exempel med det säkra kamerasystemet SafetyEYE för zonövervakning eller det kamerabaserade, medföljande skyddssystemet PSENvip för kantpressar. Dessa sensorsystem växelverkar via säkra kommunikationskanaler med utvärderingsfunktionen och säkerställer bästa möjliga produktivitet för anläggningen.

Genom ett totalt övervägande av alla säkerhetsfunktioner omkring maskinen "kantpress" kan säkra positionsdata exempelvis även användas till att anpassa sensorns skyddsområde målinriktat till operatörens eller verktygens aktuella skyddsbehov eller till positionsinformationen. Denna funktion möjliggörs först genom föreningen en "dynamisk muting" och åstadkommer således en högre produktivitet för maskinen.

Aktuella elektroniska sensorsystem har väsentligt högre prestanda och tillhandahåller betydligt mer information än en rent binär avstängningssignal. Informationsmängden och -kvaliteten utgör en förutsättning för att det överhuvudtaget skall gå att utforma säkerhetsfunktioner dynamiskt. I SafetyEYE föreligger exempelvis områdesinformationen redan idag som säkra tredimensionella zoner – men när de används reduceras de till standardiserade binära gränssnittssignaler. I framtiden kommer denna zoninformation att kunna utvärderas direkt av den säkra drifttekniken. Maskineriet kommer således att kunna reagera på den flerdimensionella områdesinformationen med att nästan förutse den motsvarande rörelsebanan.

Styrning standard och säkerhet

För närvarande används säkerhetsstyrningar, vilkas funktion kan konfigureras med hjälp av mjukvara. De erbjuder betydligt mer flexibilitet än säkerhetsreläer med fast funktionsomfång. För att säkerställa att programmen förblir översiktliga och begripliga har kommandouppsättningen och antalet tillgängliga redigeringsprogram begränsats i de flesta systemen. Detta var inte något problem så länge som maskiner och anläggningar bara utförde enkla säkerhetsfunktioner.

Säkerhetstekniken fordrar dock i ökande utsträckning omfattande relationer till de enskilda elementen inom den totala processkedjan. Säkerhetsstyrningar måste därför på ett säkert sätt kunna registrera, behandla och ge ut mer komplexa mätstorheter såsom varvtalsbestämningar. Detta gäller inte bara det använda sensor-/ställdonsgränssnittet, utan ställer framför allt nya krav på de logikfunktioner som skall behandlas.

Den säkra styrtekniken har förändrat automationsbranschen i grunden och är idag en viktig förutsättning för att maskiner skall vara såväl säkra som tillgängliga och högproduktiva. Medan utvecklingen av programmerbara styrningar och programmerbara säkerhetsstyrningar skedde efter varandra tidsmässigt, går marknadstrenden idag mot att förena båda områdena – standard och säkerhet – till en styrlösning. Med automationssystemet PSS 4000 från Pilz kan automationslösningar konstrueras, som både omfattar standard- och säkerhetsuppgifter och som är lätta att handha för användaren. Bland de senaste vidareutvecklingarna i systemet kan program-editorn för STL (Structured Text Language) nämnas. Med PAS STL som ytterligare medlem i familjen av IEC 61131-3-editorer gör Pilz det möjligt att programmera säkerhets- och standardfunktioner enhetligt och fullständigt på samma standardiserade bas. För första gången blir det möjligt att lösa säkerhetsuppgifter upp till SIL 3 med STL-editorn.

Ställdonsteknik: Säkerhet medan strömmen förblir påslagen

För att hindra riskfyllda rörelser ligger det nära tillhands att förena säkerhetsteknik med ställdonsteknik. Hitintills har säker rörelsestyrning åstadkommits genom kombination av säker rörelseövervakning, säker frånkoppling av motorn från energitillförseln och ett icke-säkert alstrande av rörelsen. Av både tekniska och ekonomiska skäl har drivelektroniken - servoförstärkaren och frekvensomformaren - förblivit en icke-säker komponent inom automationen. Därför har säkerheten hitintills ombesörjts av kompletterande säkra komponenter, som vid felfunktion överför driften till det energilösa säkra tillståndet eller övervakar den anslutna motorns rörelse på ett säkert sätt. Idag har det blivit möjligt att bygga in dessa kompletterande säkra komponenter i driften. Således kan MotionControl-systemet PMCprimo DriveP förses med säkerhetskortet PMCprotego S, vilket gör att det finns en helhetslösning för drift, styrning och säkerhet tillgänglig.

En säker dynamisk tillämpning kan till exempel se ut på följande sätt: När en skyddsgrind öppnas bromsas motorn på ett säkert sätt via en definierad ramp och står sedan stilla vid aktiv reglering. När lämpliga betingelser föreligger och när ett säkert driftsätt för inställningsdriften aktiveras rör sig motorn med kryphastighet, dvs. en säker reducerad hastighet. När detta driftsätt avslutas och skyddsgrinden har stängts är skyddsfunktionen för varje maskinoperatör åter säkerställd. Med andra ord: Vid en skada under statisk skyddszonsövervakning kommer produktionen att fortsätta med reducerad drifthastighet och säkert övervakade rörelser.

Dynamiska säkerhetskoncept som är anpassade till varandra möjliggör flexibla systemreaktioner: med början vid säkra reducerade varvtal via säker samordning av system med flera axlar till en last- och vridmomentberoende säkerhetsinriktad styrning av driften. En högpresterande och säker koppling av dessa element säkerställer att drivaxlarna redan när de får varningssignaler om att någon beträder området svarar med säker reducering av hastigheten, säker positionsreglering eller säker begränsning av vridmomentet.

En helhetssyn erbjuder fördelar

Genom att förena kännedom om normer, standarder, produkter och tillämpningar uppkommer systemlösningar för säker automation, där funktionerna är anpassade till varandra på ett sådant sätt att enskilda delfunktioner kan växelverka med varandra. Automationssystemet PSS 4000 är ett exempel på att gränserna mellan säkerhets- och styrfunktioner blir alltmer flytande. Användarna fordrar sällan en klar åtskillnad men sätter stor värde på frihet från återverkningar och en klar avgränsning av ansvarsområdena.

Säkerheten blir alltmer en väsentlig beståndsdel i maskiners och anläggningars totala funktion och måste därför övervägas från början. För säker styrteknik innebär ingenting annat än att göra styrfunktionerna säkra i sig.

Hur påverkar detta utvecklingen inom säkerhetstekniken? Det är tydligt att det blir ännu viktigare att tänka i system. Om delfunktionerna skall ingripa i varandra på bästa möjliga sätt kan funktionerna inte byggas på i efterhand på något enkelt sätt. Utmaningen ligger slutligen i att integrera funktionerna i det totala systemet.

Sammanfattning

När det gäller kraven på säkerhetstekniken pågår en strukturell omvandling: Processerna blir alltmer dynamiska, behovet av kontrollerade ingrepp i processen såväl som produktivitetskraven ökar och förändrar således även säkerhetstekniken successivt. Den hittillsvarande strategin för säker avstängning när säkerhet krävs eller vid felfunktion kommer att godtas allt mindre i framtiden. Slutligen ger den säkra föreningen av sensorteknik, styrning och ställdonsteknik ny frihet vid planering av dynamiska processförlopp och arbetsområden där människa och maskin växelverkar och garanterar operatörens säkerhet vid varje tidpunkt – vid varje driftsätt – i hela maskincykeln.

Författare: Armin Glaser, Chef Produktmanagement Pilz GmbH & Co. KG

www.pilz.se

Pilz på Facebook !:
http://www.facebook.com/pilzse
Pilz på YouTube !:
http://www.youtube.com/pilzse