Czym są przekaźniki bezpieczeństwa i jak działają?

W dynamicznym środowisku produkcyjnym absolutnym priorytetem jest bezpieczeństwo operatorów i maszyn. Niezawodność systemów ochronnych gwarantuje specjalistyczny komponent, jakim jest przekaźnik bezpieczeństwa. Zrozumienie jego budowy oraz zasady działania pozwala na ograniczenie ryzyka i zapewnienie ciągłości pracy w zakładzie.

Czym są przekaźniki bezpieczeństwa?

Przekaźnik bezpieczeństwa stanowi wyspecjalizowane urządzenie przeznaczone do realizacji funkcji bezpieczeństwa w maszynach i systemach zautomatyzowanych. Jego głównym celem jest niezawodne monitorowanie stanu urządzeń wejściowych, takich jak przyciski zatrzymania awaryjnego, kurtyny świetlne, czujniki otwarcia osłon czy maty naciskowe. W odróżnieniu od standardowych przekaźników elektromechanicznych, jego konstrukcja opiera się na redundancji oraz autodiagnostyce. Oznacza to, że posiada co najmniej dwa wewnętrzne kanały przetwarzania sygnału i stale kontroluje własne działanie, aby wykryć ewentualne usterki, na przykład sklejenie styków.

Zasada działania opiera się na koncepcji wymuszonego prowadzenia styków, co gwarantuje, że w przypadku awarii jednego obwodu, drugi pozostaje sprawny lub cały system przechodzi w stan bezpieczny. Każde uruchomienie cyklu pracy maszyny jest poprzedzone testem diagnostycznym, podczas którego przekaźnik sprawdza poprawność podłączonych obwodów i własnych komponentów. Jak działa przekaźnik bezpieczeństwa w praktyce? Po otrzymaniu sygnału z urządzenia wejściowego, na przykład po naciśnięciu grzybka awaryjnego, jego wewnętrzna logika analizuje sygnał i, jeśli jest on prawidłowy, otwiera swoje styki wyjściowe. To z kolei powoduje odcięcie zasilania od elementów wykonawczych maszyny, takich jak silniki czy siłowniki, co prowadzi do jej bezpiecznego zatrzymania.

Rodzaje przekaźników bezpieczeństwa i ich zastosowanie

Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów przekaźników bezpieczeństwa, które można podzielić ze względu na funkcje, jakie pełnią w systemie. Podstawowy podział obejmuje jednofunkcyjne i wielofunkcyjne przekaźniki.

Jednofunkcyjne przekaźniki bezpieczeństwa to wyspecjalizowane moduły, z których każdy jest dedykowany do realizacji jednej, konkretnej funkcji ochronnej. Oznacza to, że pojedyncze urządzenie jest fabrycznie zaprojektowane do monitorowania wyłącznie określonego typu sygnału. Ich logika działania jest stała i niezmienna, co upraszcza proces projektowania i wdrożenia w prostych maszynach. Zastosowanie tego typu przekaźników jest idealnym rozwiązaniem dla aplikacji o niewielkiej liczbie obwodów bezpieczeństwa, jednak w przypadku bardziej rozbudowanych systemów, konieczność instalacji oddzielnego modułu dla każdej funkcji prowadzi do zwiększenia ilości okablowania i zajmuje cenną przestrzeń w szafie sterowniczej.

Wielofunkcyjne przekaźniki bezpieczeństwa, znane również jako modułowe lub programowalne, stanowią elastyczną alternatywę, która pozwala na zintegrowanie wielu zadań w jednym urządzeniu. Charakteryzują się one zdolnością do jednoczesnego monitorowania i zarządzania kilkoma różnorodnymi sygnałami bezpieczeństwa, takimi jak sygnały z przycisków E-stop, osłon i kurtyn świetlnych. Użytkownik, za pomocą dedykowanego oprogramowania lub prostych przełączników, może tworzyć niestandardowe powiązania logiczne między wejściami a wyjściami, precyzyjnie dopasowując działanie systemu do wymagań maszyny.

Zastosowanie przekaźników bezpieczeństwa w przemyśle

Aplikacje dla przekaźników bezpieczeństwa są niezwykle szerokie i obejmują praktycznie każdą gałąź przemysłu, gdzie operatorzy mają kontakt z ruchomymi częściami maszyn: 

• znajdują one zastosowanie w monitorowaniu osłon i drzwi dostępowych, które muszą być zamknięte podczas pracy maszyny;
• stosuje się je również do obsługi przycisków zatrzymania awaryjnego (E-Stop), które muszą działać niezawodnie w każdej sytuacji;
• innym popularnym zastosowaniem jest nadzorowanie kurtyn i barier świetlnych, które tworzą niewidzialną strefę ochronną wokół niebezpiecznego obszaru. 

W bardziej złożonych aplikacjach przekaźniki bezpieczeństwa kontrolują pulpity sterownicze, wymagające od operatora użycia obu rąk do zainicjowania cyklu maszyny, co chroni go przed przypadkowym włożeniem dłoni w strefę roboczą. Nadzorują również maty i skanery bezpieczeństwa, wykrywające obecność osoby w strefie zagrożenia. Firmy takie jak ELPLC specjalizują się we wdrażaniu kompleksowych systemów automatyki, gdzie istotna jest prawidłowa implementacja i konfiguracja przekaźników bezpieczeństwa.

Praktyczne aspekty podłączenia i diagnostyki

Jak podłączyć przekaźnik bezpieczeństwa? Należy bezwzględnie kierować się dokumentacją producenta, a w szczególności schematem, który określa, do jakich zacisków należy podłączyć urządzenia wejściowe (np. styki przycisku awaryjnego), zasilanie oraz wyjścia sterujące elementami wykonawczymi. Ważne jest rozróżnienie między wejściami jednokanałowymi a dwukanałowymi. Systemy o wyższym poziomie bezpieczeństwa wymagają podłączenia dwukanałowego, często z detekcją zwarć międzykanałowych.

Istotnym elementem jest również obwód sprzężenia zwrotnego (EDM – External Device Monitoring). Służy on do monitorowania stanu zewnętrznych styczników, które bezpośrednio odłączają zasilanie od maszyny. Przekaźnik, zanim pozwoli na ponowne uruchomienie, sprawdza, czy styki tych styczników faktycznie się otworzyły po ostatnim zatrzymaniu. Zapobiega to sytuacji, w której uszkodzony (sklejony) stycznik uniemożliwiłby zatrzymanie maszyny pomimo prawidłowego zadziałania przekaźnika.

Jak wybrać odpowiedni przekaźnik bezpieczeństwa?

Wybór właściwego modułu musi być poprzedzony dokładną oceną ryzyka dla danej maszyny lub stanowiska. To właśnie wyniki tej analizy określają wymagany Poziom Niezawodności (PLr – Performance Level required) zgodnie z normą PN-EN ISO 13849-1 lub Poziom Nienaruszalności Bezpieczeństwa (SIL) według normy PN-EN 62061. Na podstawie wymaganego poziomu bezpieczeństwa dobiera się urządzenie o odpowiednich parametrach. Należy również uwzględnić rodzaj monitorowanego sygnału – czy będzie to prosty przycisk, czy zaawansowana kurtyna świetlna z funkcją mutingu.

Kolejnymi kryteriami wyboru są między innymi:

• liczba i rodzaj wymaganych wyjść (natychmiastowe lub opóźnione);
• funkcje diagnostyczne;
• typ resetu (automatyczny czy manualny). 

W większości aplikacji jest wymagany reset manualny, ponieważ zmusza operatora do świadomego potwierdzenia usunięcia zagrożenia przed ponownym uruchomieniem maszyny. Istotna jest także kategoria zatrzymania (0, 1 lub 2), którą przekaźnik ma realizować. Kategoria 0 oznacza natychmiastowe odcięcie energii, podczas gdy kategoria 1 pozwala na kontrolowane zatrzymanie maszyny, a dopiero później odcięcie zasilania.