Cum să abordați complexitatea selectării unui controler de siguranță potrivit

Siguranța sistemelor industriale este un subiect esențial și complex, ceea ce face dificilă specificarea celui mai bun controler de siguranță pentru o anumită aplicație. Printre considerente se numără aplicabilitatea numeroaselor standarde internaționale legate de controlerele de siguranță, cum ar fi 60947-5-1, 61508-1/2/3, 61810-3, 62061 de la Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) și 13849-1 de la Organizația Internațională de Standardizare (ISO).

Există, de asemenea, o gamă largă de protocoale de comunicații din care puteți alege, cum ar fi Safety over EtherCAT, numit și FailSafe over EtherCAT (FSoE), care combină funcții de control și de siguranță. Există și protocoale de comunicații Ethernet/IP, PROFIsafe și Modbus/TCP industrial Ethernet. În plus, aveți posibilitatea de a alege între soluții independente sau integrate. Unele platforme au diverse combinații de ieșiri cu și fără clasă de siguranță, unele au funcționalitate fixă, iar altele sunt reconfigurabile și extensibile.

Acest articol trece în revistă standardele internaționale de siguranță și aplicabilitatea lor. De asemenea, examinează utilizările diferitelor protocoale de comunicații înainte de a analiza cazurile de utilizare, de la stații de asamblare cu masă la fabrici întregi, pentru tipuri de controlere de siguranță precum cele cu funcție fixă, reconfigurabile și extensibile. Se prezintă exemple specifice care utilizează produse Banner Engineering, Phoenix Contact, Schneider Electric și Omron Automation.

Standarde

Siguranța funcțională a sistemelor electrice/electronice/electronice programabile legate de siguranță (E/E/PE sau E/E/PES), sau IEC 61508, este standardul de bază privind siguranța funcțională aplicabil tuturor industriilor. Acesta include metode de aplicare, proiectare, implementare și întreținere a sistemelor automate de protecție, denumite sisteme de siguranță. Standardul se bazează pe ideea că orice sistem de siguranță trebuie să cedeze într-un mod previzibil, care este în mod inerent sigur. Pentru a evalua eficacitatea proiectelor de siguranță funcțională, standardul definește nivelurile de integritate a siguranței (SIL) de la 1 la 4, SIL4 indicând cel mai înalt nivel de reducere a riscurilor, iar SIL1 indicând cel mai scăzut nivel. Conceptul de SIL se aplică și în alte standarde de siguranță, dar numărul de SIL și definițiile acestora pot varia în funcție de necesitățile mediului de operare.

Există multe standarde de siguranță bazate pe IEC 61508. Câteva dintre standardele legate de controlerele de siguranță includ:

IEC 60947-5-1:2016, Aparataj de comutare și de control de joasă tensiune – Partea 5-1: Aparate și elemente de comutație pentru circuite de comandă – Aparate electromecanice pentru circuite de comandă, se aplică pentru tipuri specifice de dispozitive, inclusiv:

• Întrerupătoare de comandă manuală, cum ar fi butoane, întrerupătoare de picior, comutatoare rotative și așa mai departe
• Întrerupătoare de comandă cu acționare electromagnetică, cum ar fi relee sau contactoare, care sunt temporizate sau instantanee
• Comutatoare de poziție care sunt incluse într-un utilaj
• Întrerupătoare pilot, cum ar fi întrerupătoarele sensibile la temperatură sau la presiune

IEC 62061:2021, Securitatea mașinilor - Securitatea funcțională a sistemelor de comandă de securitate este versiunea IEC 61508 referitoare la utilaje. Acesta specifică cerințele pentru proiectarea, integrarea și validarea sistemelor de control legate de siguranță. Se aplică pentru proiectarea la nivel de sistem a sistemelor de comandă de securitate a utilajelor, a subsistemelor și a dispozitivelor de siguranță utilizate individual sau în combinație pentru a pune în aplicare funcțiile de siguranță ale utilajelor.

IEC 61810-3:2015, Relee cu contacte ghidate forțat (legate mecanic), este un alt standard important pentru controlerele de siguranță. Acesta definește cerințele și încercările speciale pentru relee elementare cu contacte ghidate forțat, cunoscute și sub denumirea de contacte legate mecanic. Aceste cerințe speciale se aplică pe lângă cerințele generale din IEC 61810-1. Releele ghidate forțat sunt componente de bază în multe module de relee de siguranță. La un releu de siguranță de clasă A, toate contactele sunt ghidate forțat. Standardul prevede că, în cazul în care un contact normal deschis (NO) se sudează, toate contactele normal închise (NC) trebuie să mențină o deschidere minimă de 0,5 mm atunci când bobina nu este sub tensiune (Figura 1).

Figura 1: Dacă un contact NO (sau NC) se sudează, toate contactele NC (sau NO) trebuie să mențină o deschidere minimă de 0,5 mm atunci când bobina nu este sub tensiune. (Sursa imaginii: Omron Automation)

ISO 13849-1:2023, Securitatea mașinilor. Părți referitoare la securitate ale sistemelor de comandă, include orientări pentru proiectarea și integrarea părților sistemelor de comandă legate de siguranță (SRP/CS) și a subsistemelor acestora, inclusiv măsurile mecanice, cum ar fi funcțiile de protecție sau de interblocare, și software-ul aferent. Se aplică pentru SRP/CS electrice, hidraulice, pneumatice și mecanice utilizate în regimuri de funcționare continuă și cu cerere ridicată.

Revenind la IEC 61508, standardul definește, de asemenea, așa-numitele „black channels” (canale negre) pentru comunicațiile legate de siguranță.

Canalele negre și protocoalele de comunicații

IEC 61508 oferă doar o definiție generală a canalelor negre și face trimitere la standarde precum IEC 61784-3 pentru aplicații fieldbus și IEC 62280 pentru semnalizare feroviară. Conceptul de comunicații pe canal negru derivă din termenul „cutie neagră”. În cazul comunicațiilor pe canalul negru, rețeaua este cutia neagră și este utilizată doar ca mijloc de transmisie; canalul nu este securizat, iar siguranța este furnizată printr-un strat de securitate dedicat în software-ul aplicației.

Canalele negre pot fi implementate pe orice rețea standard, cum ar fi diverse implementări ale Ethernet, precum PROFIsafe sau tehnologiile de rețea locală wireless (WLAN). În ceea ce privește canalul de comunicații primar dintr-o aplicație cu canal negru, se presupune că acesta nu este suficient de sigur pentru comunicațiile legate de siguranță și se adaugă un strat de securitate suplimentar pentru a identifica și elimina orice erori de comunicații (Figura 2).

Figura 2: PROFIsafe poate fi utilizat pentru a implementa stratul de securitate pentru comunicațiile pe canal negru. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Pe lângă PROFIsafe, canalele negre pot fi implementate și cu alte protocoale, cum ar fi protocolul industrial comun de siguranță (CIP safety) și FSoE. Aceste protocoale sunt conforme cu IEC 61784-3:2021, incluzând îmbunătățiri care abordează erorile de punctualitate, autenticitate, mascare și integritate a datelor.

Siguranța pentru mesele de lucru

Preocupările legate de siguranță nu se limitează la mașinile mari sau puternice; și stațiile de asamblare cu masă pot necesita sisteme de siguranță. Într-un caz, stațiile de asamblare semiautomate cu masă sunt utilizate pentru a produce componente electronice. Fiecare stație are o ușă de siguranță rezistentă cu un întrerupător de siguranță fără contact, o barieră luminoasă de siguranță la avansul pieselor și un buton de oprire de urgență pentru a proteja operatorii de echipamentele semiautomate. Controlerele cu releu de siguranță cu o singură funcție pot fi utilizate pe utilaje mici, cum ar fi această stație de asamblare cu masă, pentru a conecta dispozitivele de siguranță și utilajul, în scopul de a asigura funcții de pornire și oprire sigure.

În acest caz, un model SC10-2ROE din seria SC10 de controlere de siguranță de la Banner Engineering a fost instalat în dulapul fiecărei stații de asamblare cu masă (Figura 3). Acest controler de siguranță combină funcțiile mai multor module de relee de siguranță într-un singur dispozitiv, simplificând cablarea și reducând spațiul necesar pentru instalare. Pe lângă faptul că susțin siguranța în utilajele mașinile mici, aceste controlere sunt potrivite pentru utilizarea în dulapuri de control aglomerate. Chiar și controlerele de siguranță mici, cum ar fi cele din seria SC10, pot avea o gamă largă de caracteristici:

• Sistemul de diagnosticare în serie (ISD) poate conecta până la 70 de dispozitive de siguranță. ISD oferă date detaliate privind starea și performanța fiecărui dispozitiv de siguranță accesibil cu o interfață om-mașină (HMI), un PLC sau un dispozitiv similar, permițând utilizatorilor să depaneze sistemele de siguranță ale utilajelor, să prevină defecțiunile și să reducă timpii morți.
• Programarea prin glisare și fixare bazată pe pictograme rulează pe un PC și simplifică configurarea și gestionarea dispozitivelor.
• Se poate utiliza un card de memorie extern pentru a configura dispozitivul fără a fi nevoie de o conexiune la un PC, ceea ce accelerează modificările de configurare.
• Zece intrări, inclusiv patru care pot fi configurate ca ieșiri de nesiguranță. Funcția de optimizare automată a terminalelor (ATO) poate fi utilizată pentru a crește numărul total de intrări la 14.
• Două ieșiri de releu de siguranță de 6 A sunt disponibile cu trei seturi NO de contacte de siguranță controlate independent.
• Capacitatea de a efectua două tipuri de opriri funcționale:
  • Categoria 0 reprezintă o oprire necontrolată, cu întreruperea imediată a alimentării cu energie electrică.
  • Categoria 1 este o oprire controlată, cu o întârziere înainte de a se întrerupe alimentarea cu energie electrică. Opririle întârziate pot fi utile în cazurile în care utilajele au nevoie de energie pentru un mecanism de frânare.
• Compatibilitate pentru protocoalele de comunicare Ethernet/IP, PROFINET și Modbus/TCP.

Figura 3: Această stație de asamblare cu masă include un controler de siguranță model SC10-2ROE (dispozitivul galben de sub stația de asamblare). (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Siguranță scalabilă pe toate liniile de producție

Fiind la capătul opus al spectrului de complexitate față de asamblarea pe masă, siguranța integrată poate fi implementată în liniile de asamblare dintr-o fabrică. De exemplu, controlerele Sysmac NX102 de la Omron Automation integrează mai multe protocoale industriale deschise, cum ar fi EtherNET I/P, EtherCAT, IO-Link și CIP Safety. Controlerul de automatizare model NX102-1020 include trei porturi de comunicații și poate integra siguranța la viteză ridicată în controlul utilajelor în liniile care necesită cicluri de funcționare rapide. În plus, controlerele de siguranță integrate NX de la Omron sunt certificate SIL3 și includ conectivitate FSoE. Controlerele NX-SL5, cum ar fi modelul NX-SL5500, pot comunica simultan prin FSoE over EtherCAT și CIP Safety pe Ethernet/IP, permițând aplicații care implică mișcare sincronă de mare viteză, control de la utilaj la utilaj sau comunicare cu dispozitive de la distanță care utilizează CIP Safety (Figura 4).

Figura 4: Controlerele de siguranță integrate NX de la Omron pot comunica simultan prin FSoE și CIP Safety pentru a implementa siguranța integrată pe toate liniile de asamblare. (Sursa imaginii: Omron Automation)

Configurabil și extensibil

Atunci când circumstanțele necesită o soluție de siguranță configurabilă și extensibilă, Phoenix Contact oferă sistemul de siguranță PSRmodular. Sistemul poate fi configurat pentru aplicații mici cu doar trei funcții de siguranță și pentru sisteme mari cu până la 160 de intrări/ieșiri. Sistemul include o varietate de funcții de siguranță, cum ar fi un modul analogic pentru monitorizarea semnalelor de la 0 la 20 mA sau de la 0 la 10 V, module pentru monitorizarea mișcării comutatoarelor de proximitate și diferite tipuri de codificatoare de mișcare. Releele instalate în modulul cu relee de siguranță au contacte ghidate forțat (Figura 5). Sistemul poate pune în aplicare o serie de funcții de siguranță, inclusiv:

• Echipament de protecție sensibil la electricitate
• Oprire de urgență
• Monitorizarea dispozitivelor de protecție mobile, cum ar fi ușile de siguranță
• Dispozitive de control cu două mâini
• Monitorizarea vitezei zero și monitorizarea vitezei

Figura 5: Modulul cu relee de siguranță al sistemului PSRmodular cu contacte ghidate forțat. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Sistemul de siguranță PSRmodular este format din mai multe module elementare cu funcționalitate de bază, cum ar fi modelul 1104981, și module de extensie pentru funcții îmbunătățite de I/O și de protecție, cum ar fi modelul 1104884. Modulele sunt configurabile prin software, iar sistemul poate fi extins cu ajutorul unei conexiuni PSR-TBUS pe șină DIN.

Siguranță pentru utilaje de la cele simple la cele de complexitate medie

Modulele de siguranță Harmony de la Schneider Electric sunt concepute pentru utilaje de complexitate simplă până la medie, cum ar fi cele utilizate în procesarea alimentelor și băuturilor, ridicare, manipularea materialelor și ambalare. Acestea sunt oferite în două serii (Figura 6):

• Harmony XPS Basic oferă o soluție optimizată pentru aplicațiile care utilizează module de siguranță cablate.
• Harmony XPS Universal combină aplicarea simplă a modulelor de siguranță cablate cu diverse mesaje care, de obicei, necesită tehnologia fieldbus pentru a fi implementate.

Figura 6: Releele de siguranță Harmony XPS Basic și Universal sunt ideale pentru gestionarea ușoară a funcțiilor de siguranță unice. (Sursa imaginii: Schneider Electric)

Modulele de siguranță de bază XPSBAT, precum XPSBAT12A1AP, sunt utilizate pentru monitorizarea circuitelor de oprire de urgență și oferă opțiuni de control de categoria 0 și categoria 1. Categoria 0 implementează opriri instantanee, în timp ce categoria 1 implementează opriri întârziate, cu o întârziere reglabilă de la 0 la 15 minute (900 de secunde).

Modulele de siguranță universale XPSUAK, precum modelul XPSUAK12AP, pot implementa, de asemenea, opriri de categoria 0 și 1. Aceste module de siguranță se pot conecta la o gamă mai largă de dispozitive de siguranță, inclusiv:

• Circuite de oprire de urgență
• Întrerupătoare activate de dispozitive de protecție, cum ar fi întrerupătoarele mecanice de protecție și întrerupătoarele de siguranță RFID
• Bariere luminoase
• Covorașe de detecție cu 4 fire

Concluzie

Atunci când selectați întrerupătoare de siguranță pentru sistemele industriale, trebuie să luați în considerare o gamă largă de standarde internaționale, precum și protocoale de comunicații, inclusiv comunicații pe canal negru. Dar, acesta este doar începutul; există întrerupătoare de siguranță optimizate pentru sisteme mici, cum ar fi pentru operațiunile de asamblare pe masă, pentru instalații cablate utilizate la procesarea alimentelor și băuturilor și manipularea materialelor, pentru sisteme care necesită soluții configurabile sau extensibile, și dispozitive optimizate pentru a susține soluții scalabile în fabrici întregi.