Bezpieczeństwo maszyn: jak dobrać zabezpieczenia do zautomatyzowanej linii?

Bezpieczeństwo maszyn nie polega na dołożeniu wygrodzenia lub kurtyny świetlnej po uruchomieniu linii. Zabezpieczenia trzeba dobrać już na etapie projektowania, po rozpoznaniu zagrożeń przy każdej stacji, w trybie produkcji, przezbrojenia, czyszczenia i serwisu.

Od czego zacząć dobór zabezpieczeń?

Zautomatyzowana linia może łączyć roboty, prasy, transportery, systemy wizyjne, podajniki, narzędzia montażowe i stanowiska testowe. Każdy z tych elementów generuje inne zagrożenia. Operator może zostać uderzony przez ramię robota, wciągnięty przez napęd przenośnika, skaleczony ostrą krawędzią obrabianego elementu albo wejść do strefy pracy podczas automatycznego wznowienia cyklu.

Dlatego dobór zabezpieczeń powinien wynikać z przeprowadzonej oceny ryzyka dla konkretnej linii produkcyjnej. Norma PN-EN ISO 12100 opisuje metody identyfikowania zagrożeń, szacowania ryzyka i jego zmniejszania na wszystkich etapach życia maszyny. Obejmuje to nie tylko normalną produkcję, lecz także transport, montaż, regulację, usuwanie zakleszczeń, konserwację i przewidywalne nieprawidłowe użycie.

Podczas analizy linii warto przejść przez nią stanowisko po stanowisku i dla każdego z nich określić:

• osoby mające dostęp do strefy zagrożenia oraz momenty, w których dostęp może wystąpić;
• ruchy maszyny, elementy robocze i źródła energii mogące spowodować uraz;
• czynności wykonywane ręcznie przez operatora, w tym podawanie komponentów, odbieranie wyrobów i usuwanie zacięć;
• czas potrzebny maszynie na osiągnięcie stanu bezpiecznego po wydaniu sygnału zatrzymania;
• sposób reakcji układu po otwarciu osłony albo przerwaniu wiązki czujnika, ze szczególnym uwzględnieniem ochrony przed samoczynnym rozruchem.

Ocena ryzyka nie jest dokumentem przygotowanym wyłącznie na potrzeby odbioru. Stanowi podstawę decyzji technicznych. To z niej wynika, czy wystarczy osłona stała, czy potrzebne są drzwi ryglowane, skaner laserowy, sterowanie oburęczne albo bezpieczne ograniczenie prędkości robota.

Jak stosować hierarchię środków ochronnych?

Najlepsze zabezpieczenie to takie, które usuwa zagrożenie u źródła. Jeżeli nie da się tego osiągnąć konstrukcyjnie, należy zastosować środki techniczne. Dopiero później projektuje się informacje dla użytkownika, instrukcje i organizację pracy.

W zautomatyzowanej linii oznacza to najczęściej 3 poziomy działań.

1. Najpierw zmień proces lub konstrukcję

Warto ograniczyć energię ruchu, zmniejszyć skok elementu, odsunąć punkt niebezpieczny od miejsca podawania komponentu albo zaprojektować automatyczne odprowadzanie odpadu. Przykładowo, jeżeli operator musi regularnie usuwać odpad spod prasy, sama kurtyna świetlna nie rozwiąże całego problemu. Należy ocenić także procedurę zatrzymania, odłączenia energii i bezpiecznego dostępu do strefy.

2. Następnie zastosuj osłony i urządzenia ochronne

Dobór konkretnego rozwiązania zależy od sposobu dostępu do strefy niebezpiecznej oraz czasu zatrzymania maszyny. Wśród najczęściej stosowanych zabezpieczeń znajdują się:

• osłony stałe, gdy dostęp w czasie pracy nie jest potrzebny;
• osłony ruchome z wyłącznikiem bezpieczeństwa, gdy operator musi wejść do strefy, na przykład podczas przezbrojenia;
• ryglowanie osłon, jeżeli niebezpieczny ruch trwa jeszcze po otwarciu drzwi;
• kurtyny świetlne i skanery bezpieczeństwa przy częstym podawaniu lub odbiorze wyrobu;
• sterowanie oburęczne przy ręcznej obsłudze pojedynczych cykli;
• linkowe wyłączniki awaryjne przy długich przenośnikach;
• przyciski zatrzymania awaryjnego, umieszczone w miejscach dostępnych dla operatorów.

Kurtyna świetlna nie zastępuje wygrodzenia w każdej sytuacji. Jeśli można obejść jej pole detekcji, sięgnąć ponad nią albo wejść do strefy od strony przenośnika, układ nie zapewni oczekiwanego poziomu ochrony. Trzeba także uwzględnić bezpieczną odległość między urządzeniem ochronnym a miejscem zagrożenia. Jest ona powiązana z czasem zatrzymania maszyny i sposobem, w jaki człowiek może dostać się do strefy.

3. Ustal zasady bezpiecznej eksploatacji

Instrukcja, oznaczenia i szkolenia są potrzebne, ale nie powinny być jedyną barierą przed urazem. Dotyczy to szczególnie czynności nieprodukcyjnych, takich jak czyszczenie czujników, wymiana chwytaka robota, regulacja prowadnic czy usuwanie zakleszczonego komponentu.

W procedurach należy jasno wskazać, kto może wykonywać te prace, jak odłączyć i zabezpieczyć źródła energii oraz jak potwierdzić brak możliwości rozruchu. W przypadku rozbudowy istniejącej linii trzeba ponownie sprawdzić ocenę ryzyka. Nowy robot, dodatkowy transporter albo zmieniona logika PLC mogą stworzyć zagrożenia, których nie było w pierwotnym układzie.

Bezpieczeństwo funkcjonalne maszyn a zwykłe zabezpieczenia

Bezpieczeństwo funkcjonalne maszyn dotyczy tego, czy układ sterowania poprawnie wykona funkcję ochronną także wtedy, gdy wystąpi uszkodzenie pojedynczego elementu. Nie chodzi więc wyłącznie o obecność wyłącznika w drzwiach, lecz o całą drogę sygnału: od czujnika, przez moduł lub sterownik bezpieczeństwa, po styczniki, napęd lub zawór odcinający energię.

Przykładem funkcji bezpieczeństwa jest zatrzymanie ruchu robota po otwarciu drzwi w wygrodzeniu zrobotyzowanego stanowiska. Taka funkcja obejmuje wyłącznik osłonowy, przewody, wejścia sterownika bezpieczeństwa, program, wyjścia oraz element wykonawczy. Należy sprawdzić, czy zwarcie przewodu, uszkodzenie stycznika lub błąd jednego kanału nie spowoduje utraty zdolności do zatrzymania maszyny.

PN-EN ISO 13849-1 odnosi się do części systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem, niezależnie od rodzaju zastosowanej energii, w tym elektrycznej, pneumatycznej, hydraulicznej i mechanicznej. Norma prowadzi od określenia wymaganego poziomu zapewnienia bezpieczeństwa PLr do projektu oraz realizacji funkcji bezpieczeństwa.

W projektach spotyka się pojęcia PL i PLr:

• PLr to wymagany poziom zapewnienia bezpieczeństwa, wynikający z oceny ryzyka.
• PL oznacza poziom osiągnięty przez zaprojektowany układ. Projektant powinien wykazać, że wynik osiągnięty przez system spełnia co najmniej wymagany poziom.

Potrzebna jest także walidacja, czyli potwierdzenie na dokumentacji, w obliczeniach i podczas testów, że funkcja działa zgodnie z założeniami.

Bezpieczeństwo maszyn – istotne normy dla integratora

Bezpieczeństwo maszyn i odpowiednie normy nie oznaczają jednej listy, którą można mechanicznie zastosować do każdego projektu. Normy dobiera się do rodzaju maszyny, zastosowanej technologii oraz zidentyfikowanych zagrożeń. W pierwszej kolejności trzeba sprawdzić, czy dla danej grupy urządzeń istnieje norma typu C, czyli norma szczegółowa dla konkretnego rodzaju maszyny.

Jeżeli norma typu C nie obejmuje danego zagadnienia, pomocne są normy ogólne i grupowe. W wielu projektach pojawiają się między innymi PN-EN ISO 12100 dotycząca oceny ryzyka, PN-EN ISO 13849-1 i PN-EN ISO 13849-2 dla części systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem oraz PN-EN 60204-1 dla wyposażenia elektrycznego maszyn. CIOP-PIB wskazuje również na potrzebę dokumentowania zastosowanych środków ochronnych, ryzyka resztkowego, wyników badań oraz wykorzystanych norm.

Jak zaprojektować zabezpieczenia dla całej linii?

Linia produkcyjna powinna być analizowana jako jeden układ, nawet jeżeli składa się z maszyn od różnych dostawców. Zagrożenia często ujawniają się podczas przekazywania komponentów między stanowiskami albo wtedy, gdy urządzenia wykonują wzajemnie zależne ruchy. Przykładem jest sytuacja, w której robot zatrzymał się po otwarciu drzwi swojej celi, ale transporter nadal podaje wyrób w kierunku stanowiska. Podobne problemy pojawiają się przy wspólnym zatrzymaniu awaryjnym, wznowieniu pracy po awarii i przekazywaniu sygnałów gotowości między sterownikami.

Dobry projekt obejmuje:

• mapę stref bezpieczeństwa, 
• opis funkcji bezpieczeństwa, 
• schematy elektryczne,
• sekwencję zachowania linii po otwarciu osłony, użyciu E-STOP-u lub utracie sygnału z czujnika. 

Warto też określić, które urządzenia mają się zatrzymać natychmiast, a które mogą wykonać kontrolowane hamowanie.

Bezpieczne rozwiązania powinny powstawać równolegle z projektem sterowania, mechaniki i organizacji przepływu materiału. Właśnie dlatego automatyzacja procesów produkcyjnych wymaga spojrzenia na całą linię, a nie na pojedynczy czujnik lub wygrodzenie. ELPLC realizuje rozwiązania obejmujące m.in. montaż, paletyzację, testowanie, transport wewnętrzny i kontrolę wizyjną, gdzie sposób dostępu operatora trzeba ustalić osobno dla każdego procesu.

FAQ – najczęściej zadawane pytania

Kiedy wystarczy osłona stała?

Osłona stała sprawdza się wtedy, gdy dostęp do strefy niebezpiecznej nie jest potrzebny podczas normalnej pracy. Osłona stała powinna być zamocowana w sposób wymagający użycia narzędzia do demontażu oraz skutecznie oddzielać pracownika od niebezpiecznych części maszyny.

Czy przycisk E-STOP zastępuje kurtynę świetlną?

Nie. Zatrzymanie awaryjne służy do reakcji na sytuację zagrożenia, ale nie zabezpiecza automatycznie strefy podczas rutynowego podawania materiału wsadowego. Kurtyna świetlna może wykryć wejście operatora do strefy i wywołać zaprojektowaną funkcję bezpieczeństwa.

Czy po modernizacji starej linii trzeba wykonać ocenę ryzyka?

Tak, gdy modernizacja zmienia funkcję maszyny, jej parametry, sposób sterowania, dostęp do strefy pracy lub poziom zagrożeń. Ocena powinna objąć także połączenia między nowym i istniejącym wyposażeniem.

Od kiedy obowiązuje rozporządzenie UE w sprawie maszyn?

Nowe rozporządzenie będzie obowiązywać (w większości swoich zapisów, w tym uchylenia dyrektywy 2006/42/WE) od 20 stycznia 2027 roku (dokładnie 42 miesiące po jego wejściu w życie, które miało miejsce 19 lipca 2023 r.). Zastąpi dotychczasową dyrektywę maszynową 2006/42/WE.

Przed zamówieniem komponentów przygotuj listę wszystkich trybów pracy linii oraz czynności wykonywanych przez operatora i serwis. Następnie skonsultuj projekt zabezpieczeń z zespołem automatyki ELPLC, zanim zostaną zamknięte założenia mechaniczne i program sterownika.

Źródła

• https://www.gov.pl/web/rozwoj-technologia/nowe-przepisy-dotyczace-maszyn
• CIOP-PIB, Obowiązki producentów maszyn 
• https://zpe.gov.pl/pobierz/RtXXBgQSP9pUr