Univerzális biztonsági modulok

A modern automatizálás igényeinek kielégítése és a biztonsági rendszerek egyszerűsítése

Az ipari automatizáció növekedése folyamatos, széles körben terjed a csomagolóraktáraktól a CNC-megmunkálásig, és ahogy egyre több alkalmazási területet fed le, egyre magasabb szintű teljesítményt nyújt. Ez a folyamatos növekedés azonban számos kihívással is jár.

Az olyan nagy pontosságú gépipari berendezések, mint például a CNC-forgácsolók, lézervágók és hegesztőrobotok korábban önálló rendszerekként, manapság gyakran automatikus alkatrész-adagolókkal és szállítószalagokkal összekötve működnek a termelékenység növelése érdekében. A disztribúciós raktárakhoz és palackozóüzemekhez hasonló csomagolóipari alkalmazások esetében a gépeknek nemcsak egymással, hanem jelentős létszámú munkaerővel is összehangolva kell működniük. Az automatizálással elért egyre nagyobb és összetettebb lefedettség, valamint a dolgozókkal való növekvő szinergia fokozott igényt teremt a mögöttes biztonsági rendszerek iránt.
Az ipar automatizáltságának fejlődése komoly fejlődést hozott a mögöttes biztonsági rendszerek komplexitásában, ezáltal pedig jelentősen megnövekedett a megoldások megvalósításához és karbantartásához szükséges egyedi alkatrészek száma. Következésképp az automatizálási iparnak egyre nagyobb szüksége van a legújabb biztonsági követelményeknek megfelelő, költséghatékony technológiára, amely lehetővé teszi a tervezési és karbantartási folyamatok leegyszerűsítését.

Erősödő automatizáció és megnövekedett biztonsági követelmények

Az elmúlt évtizedekben az ipari összeszerelő üzemektől kezdve az elektronikai alkatrészek gyártásán és az elosztóraktárokon keresztül a palackozóüzemekig az ipar számos területén jelentősen megemelkedett az automatizáció szintje. Az olyan jelentős disztribúciós igényekkel rendelkező vállalatok számára, mint az Amazon vagy a Walmart, a nagyfokú automatizáció alapvetően az egyetlen módja annak, hogy lépést tudjanak tartani a kereslettel.
Ez a folyamatos igény számos kihívás elé állítja a biztonsági rendszereket. Manapság a csomagolóüzemekben lényegesen több automatikai és robotikai eszköz dolgozik az emberi munkavállalók közvetlen közelében. Mindez megnövelte a kockázatcsökkentés szükségességének szintjét, ami miatt több biztonsági kapcsolóra és funkcióra van szükség, ezáltal pedig növekszik a gépek tervezéséhez és karbantartásához szükséges idő- és költségigény. Hasonlóan fontos szempont az automatizálásra ilyen szinten támaszkodó vállalkozások számára, hogy képesek legyenek minimalizálni az állásidőt és könnyen diagnosztizálható rendszerekkel rendelkezzenek.
A legjelentősebb szempont talán a gépészet és az automatizáció összetettsége. Bármely modern csomagolóüzem esetében a működés kimeneti teljesítményét olyan eszközök határozzák meg, mint függőleges emelőmodulok (vertical lift module – VLM), szállítószalagok, komissiózó gépek, automatikus rakodó és címkézőberendezések. Az ilyen létesítményekben a gépek gyakran egymással összeköttetésben végzik a munkát, biztosítva a feldolgozás folyamatosságát állomásról állomásra.
Ezeknek a kiterjedt, egymással összeköttetésben lévő automatizált megoldásoknak a fejlődése a gépbiztonsági szabványok továbbfejlesztését igényli. Az ilyen rendszerek működési sebessége és teljesítménye hatalmas kockázatot jelent a közelükben dolgozó munkaerőre nézve, ezért ellenőrzés alatt kell tartani őket. Az előírások be nem tartása súlyos sérülésekhez vagy akár halálhoz is vezethet, nem beszélve a termelés kieséséről, a megnövekvő biztosítási költségekről és a negatív sajtóvisszhangról.

Az ISO 13849-1 biztonsági előírások
Az ISO 13849-1 központi szerepet tölt be a gépek biztonságos tervezésében és telepítésében. A szabvány meghatározza a vezérlőrendszerek biztonsággal kapcsolatos részeinek (Safety‐related parts of controls systems – SRP/CS) – biztonsági funkciók, relémodulok és verzérlőeszközök – tervezésével és integrálásával szembeni követelményeket és módszertant. Kiemelten fontos, hogy a szabvány az alkalmazáshoz szükséges teljesítményszint (performance level – PL) kiértékelésének keretét is meghatározza (1. ábra).

1. ábra PL-követelmény munkafolyamat-diagramja a szükséges biztonsági funkciókkal kapcsolatos elvárások meghatározásához (Forrás: Automation IT. hírlevél 15/3. szám [2014. szeptember], újraszerkesztve a Mouser Electronics által)

Az ISO 13849-1 által meghatározott öt PL-szint, a PLa-tól (a legkisebb kockázatcsökkentést biztosító funkciók) a PLe-ig (a legmagasabb szintű kockázathoz kapcsolódó biztonsági funkciók) terjed. A követelményszint az 1. ábrán látható munkafolyamat végrehajtásával határozható meg a 2. ábrán bemutatott lépéseken keresztül.

2. ábra Az ISO 13849-1 szabvány szerinti PL-követelmény meghatározásához használatos súlyossági, gyakorisági és valószínűségi kiértékelési lépések (Forrás: Mouser Electronics)

Számos modern ipari automatizálási rendszer esetében a folyamatos működés, a mozgó alkatrészek száma, a gépek sebessége és teljesítménye szinte minden esetben megköveteli a (d) vagy (e) PL-szinteket. Másik fontos szempont a biztonsági berendezések ISO 13849-1 szerinti B-től Cat. 4. szintig terjedő achitektúra-kategóriája, ahol a B a legalacsonyabb szintű funkcionális biztonsági követelményeket a Cat. 4 pedig a legmagasabb szintű funkcionális biztonsági követelményeket jelenti.

Kifinomult vezérlés
A biztonsági rendszerekkel szembeni követelmények együtt növekedtek az automatizálási alkalmazások teljesítményével és elterjedtségével, ami összetettebb tervezést, magasabb telepítési költségeket és nagyobb karbantartási igényeket eredményezett.
Egy tipikus nagy volumenű elosztóközpontban számtalan pick-and-place berendezés, robotkar, szállítószalag és VLM dolgozik összehangolva. Hogy megelőzzék az alkalmazottak sérülését, javasolt (vagy akár kötelező) a PLe biztonsági és a Cat. 4 architekturális szint alkalmazása, a működés vezérléséhez pedig jelentős számú biztonsági funkcióra van szükség. A biztonsági funkciók aktiválásakor a vezérlőrendszer jelzést kap a működés leállítására. A tipikus biztonsági funkciók és eszközök közé tartozik a vészleállító, az antivalens érintkező, a védőkapcsoló, a mágneskapcsoló, a közelségi biztonsági kapcsoló, a PNP-érzékelő, az RFID biztonsági kapcsoló, a biztonsági fényfüggöny és a kétkezes vezérlőállomás.
Mindezek mellett a biztonsági rendszerek beavatkozási módjának is fejlődnie kellett. Régebben a biztonsági funkciók a gépek azonnali leállításával működtek. Azonban, ahogy az ipar az egyszerű esztergáktól és szövőgépektől továbbfejlődött az egymással összeköttetésben lévő, nagy sebességű gépekből álló nagy teljesítményű összeszerelő- és csomagolórendszerek felé, a teljes folyamat azonnali leállítása akár hihetetlenül veszélyes is lehet. Egy nagy sebességű gép működésének hirtelen megszakítása a termékek vagy alkatrészek visszamozgásával járhat, ami ezek ütközését vagy kilövését eredményezheti, amiáltal nem csupán további veszélyhelyzetek állnak elő, de az így kialakuló helyzet megoldásának szükségessége az állásidőt is növeli. A modern automatizálás esetében intelligensebb biztonsági funkciókra van szükség, amelyek további kockázat teremtése és a termékek, valamint a berendezések sérülése nélkül képesek megállítani a gépeket az eredeti vészhelyzet elhárítása érdekében.
Ez az elvárás jellemzően olyan biztonsági funkciókat jelző relék kiterjedt hálózatával teljesíthető, ahol az egyes modulok előre beállított küszöbértékekkel és késleltetéssel működnek. Egy ilyen hálózat programozható vezérlőkkel (PLC) kombinálva lehetővé teszi az automatizált rendszer intelligens leállítását. A biztonsági elektronika összetettsége révén jelentős költségvonzattal jár, és nem csupán a kezdeti beruházás során, hanem a folyamatos karbantartásból eredően is. Egy tipikus elosztóközpontban több száz, a biztonsági funkciók jelzéseinek megfelelő továbbításához különböző beállításokat igénylő biztonsági modulra lehet szükség.
A modern automatizált rendszerek tervezését és előállítását végző mérnökök számára olyan megoldásokra van szükség, amelyek egyszerre egyszerűsítik a tervezési és karbantartási feladatokat, és csökkentik a költségeket.

Az univerzális megoldás

Napjainkban számos egyedi tervezésű biztonsági modul szükséges a modern automatizálás és robotika által támasztott igények kielégítéséhez. Mivel ez jelentős idő és pénzbeli költséggel jár, ezen a területen innovatív univerzális megoldások segíthetik a felhasznált hardverelemek egyszerűsítését.
Teljes biztonsági láncok gyártójaként a Schneider Electric tisztában van azzal, hogy nagy szükség van a modern automatizáció tervezésének és karbantartásának egyszerűsítésére. A régebbi Preventa termékvonalra épülő Harmony XPS termékcsalád a korábbinál 50%-kal kevesebb modult tartalmaz, mindössze két tápellátási variációban ((24 VDC/AC és 48-240 VAC/DC). A modellek számának csökkenése ellenére a Harmony XPS képes ugyanolyan széles körben lefedni a biztonsági funkciók alkalmazásait, mint a Preventa termékcsalád.

A Harmony XPS Universal képességei
A hagyományos biztonsági relék tervezésükből eredően egyetlen biztonsági funkcióhoz kapcsolódó alkalmazás ellátására képesek. Az automatizált rendszereket tervező mérnökök számára ez a megkötöttség korlátozó és költségnövelő tényező. A karbantartást végzők számára az ilyen eszközökkel felszerelt gépek teljes életciklusukon keresztül történő gondozása rendkívüli nehézséget jelent, mivel a meghibásodó alkatrészek cseréjéhez számtalan modult kell készleten tartani. Ennek az alapvető problémának a megoldását célozzák a Harmony XPS Universal biztonsági modulok (3. ábra), amelyek az előlapjukon található funkcióválasztó tárcsák segítségével konfigurálhatók. Ezáltal egyetlen modul biztonsági funkciók sorát képes ellátni.

3. ábra A 22,5 mm széles XPSUAF és a 45 mm széles XPSUAT modul funkcióválasztó előlapokkal (Forrás: Schneider Electric)

Az XPS Universal modulok akár hat biztonsági funkcióalkalmazás ellátására is képesek, ezáltal lehetővé válik különböző biztonsági funkciók támogatása az elektromosságra érzékeny berendezések (beleértve a 4-es típusú fényfüggönyöket) megfigyelésétől, az ISO 14119/14120 szabvány szerinti elektromos vagy mágneses kapcsolású védőburkolatok felügyeletéig. A Harmony XPS Universal egységek használatával drasztikusan csökkenthető a raktározandó egyedi modulok száma, és lényegesen leegyszerűsíthető a karbantartó csapatok munkája is.

Fejlett diagnosztika és időkésleltetés
A Harmony XPS Universal a gépek működtetését és karbantartását leegyszerűsítve növeli a rendszerek intelligenciáját, további terepbusz-vezetékezés igénye nélkül támogatva a hibadiagnosztikát. Az intelligens kiegészítő szilárdtest-kimenet bármely PLC számára képes digitális bemenetet biztosítani, külön impulzusmintákkal az állapot- és diagnosztikai információkhoz és 40 egyedi üzenet használatát lehetővé téve. A diagnosztikai üzenetek ezt követően egy kompatibilis ember-gép interfészen (human-machine interface – HMI) megjelenítve nagyobb betekintést engednek a berendezés állapotába, segítve a meghibásodások kiváltó okainak elemzését, ezáltal csökkentve a kivizsgáláshoz szükséges időt és az üzemeltetési költségeket.
A Harmony XPS Universal teljes modulcsaládjában lehetséges a modulok részletes állapotjelzéseinek kiolvasása, illetve be- és kimeneti eszközök, valamint a biztonsági modul tesztelési időközeinek és műveleteik számának kijelzése.
Az időzített beavatkozást igénylő, nagy kiterjedésű, összekapcsolt automatizálások biztonsági rendszerei számára az XPSUAT és az XPSBAT modellek 0 és 15 perc közötti késleltetési idő beállítását teszik lehetővé. Ez a funkció könnyen elérhető az előlap tárcsáin keresztül, amiket az előlapot fedő átlátszó borító és egyedi számozású plombaszalagok védenek az elállítástól.

Átfogó specifikáció
A Schneider Electric számos tervezési funkcióval növelte a Harmony XPS termékcsalád könnyű kezelhetőségét. Ezek közé tartozik az előlapon található QR-kód, amellyel egyszerűen elérhető a használati utasítás, a csatlakozók elrendezése és a kapcsolási rajz, egy oldalsó csatlakozó, amely külön vezetékezés nélkül teszi lehetővé a kimenet kiterjesztését és az akár poros és fényszegény környezetben is könnyű tájékozódást biztosító LED-indikátorok. Az oldható csavaros és rugós csatlakozók szintén segítik az eszközök vezetékezés nélküli könnyű telepítését és cseréjét.
A berendezések fejlesztésének és piacra kerülésének gyorsítása érdekében a modulok használatra kész, tanúsított architektúrával rendelkeznek, és támogatják az akár PLe, Cat. 4 és SILCL3 biztonsági szinteket, lehetővé téve a mérnökök számára a legújabb biztonsági szabványoknak való megfelelést.

Összefoglalás

Az automatizáció forradalmasítja az ipart, új szintekre emelve a hatékonyságot, de még a legfejlettebb autonóm létesítményekben is szükség van olyan biztonsági rendszerekre, amelyek működési intelligencia és hatékonyság terén is felveszik a versenyt az általuk felügyelt rendszerekkel. Az olyan rendszerek esetén, ahol nagy teljesítményű gépek és emberek egymás közelségében dolgoznak, a biztonsági megfontolások még inkább nagy jelentőségűek.
A tervezést végző mérnökök és a karbantartó csapatok számára az automatizáció folyamatos növekedése, a rendszerek biztonsági követelményeivel és a működés értékével együtt jelentősen megnövelte a biztonsági vezérlőelektronikához kapcsolódó munka- és költségterheket. Míg a PLC-k és HMI-k fejlődése segítséget jelent ezeknek a problémáknak a csökkentésében, a mögöttes hardvereszközök nyomasztó komplexitása változatlan maradt, és a kiterjedt automatizált rendszerek továbbra is hatalmas számú biztonsági modulra kénytelenek támaszkodni a létfontosságú jelzések továbbításában.
A Harmony XPS Universal termékcsaláddal a Schneider képes volt jelentősen lecsökkenteni termékpalettáját, ami az ügyfelek számára is lehetővé teszi, hogy hasonlóképp járjanak el. A tervezők számára ezáltal lehetővé válik a fejlesztési folyamat egyszerűsítése, a karbantartás során pedig egyaránt csökkenhet a szükséges idő- és költségvonzat. A termékcsalád fejlett diagnosztikai funkciókat, tanúsított architektúrát, illetve PLe, Cat. 4, és SILCL3 támogatást egyesítve egyszerűbbé teszi a mérnökök számára a legfontosabb követelményeknek való megfelelést, emellett költséghatékony és biztonságos megoldást biztosít az automatizálási ipar számára, segítve annak további terjeszkedését.

Szerzők: Mark Patrick – a Mouser Electronics EMEA-területének műszaki tartalmakért felelős igazgatója
Chanakya Gupta – senior ajánlatkezelő, Motion and Control, Schneider Electric

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU