Grunnleggende om sikkerhetsforriglinger

For å holde anleggspersonell trygge, må de beskyttes mot mekaniske trusler som kan føre til personskade. Dette feltet innen sikkerhetsteknikk kalles industriell risikoreduksjon. Lokale lover og bransjestandarder krever ved lov at automatisert utstyr inkluderer ulike mekaniske sikkerhetsfunksjoner for å forhindre farlige maskinoppstarter og utløse sikre nedstengninger hvis det er fare for personskade. Grunnlaget for disse sikkerhetssystemene er veldefinerte grenser rundt maskinen – og sikkerhetstiltak eller maskinbeskyttende komponenter.

Selv om sikkerhetstiltak er et begrep som brukes løst i diverse litteratur, gir standarder fra Den internasjonale standardiseringsorganisasjonen (ISO – International Organization for Standardization) og et økende antall leverandører av automasjonskomponenter den en svært spesifikk definisjon. Disse autoritative industrikildene begrenser vanligvis sikkerhetstiltak til å bety komponenter og delsystemer som omgir potensielt farlige utstyrssegmenter med:

• Blikkplatehus og kjedeledd eller glassgjerder
• Skyvbare glasspaneler, dører og svingbare porter
• Sensorer og lysgardiner
• Spesialbarrierekomponenter for annen elektronisk eller fysisk konstruksjon
• Sikkerhetsforriglinger – fokuset til denne artikkelen

Selv om de beskyttede maskinområdene hovedsakelig består av ubevegelige elementer, kan de bevegelige eller gjennomtrengelige delene som ble nevnt (deriblant vindusskjermer, gardiner og dører) gi operatøren tilgang til strategiske steder for maskintilpasning, -justering eller -service. En praktisk måte å kategorisere disse sikkerhetskomponentene på, er å gruppere dem etter hvorvidt maskinføreren eller annet personell på anlegget kommer i direkte fysisk kontakt med sikkerhetskomponenten (som for eksempel med lysgardiner) eller om en mellomliggende maskindelseksjon kommer i kontakt med komponenten. Sistnevnte inkluderer en rekke maskinaktiverte sikkerhetsbrytere og -sensorer i tillegg til forriglinger.

Figur 1: På hver av dørene til denne maskinen, bekrefter grensebrytere lukking før maskinen kan starte opp. (Bildekilde: Getty Images)

Så, hva er egentlig forriglinger? De er mekaniske, elektriske eller elektromekaniske sikkerhetskomponenter som i det innerste kan beskrives som en nærhets- eller posisjonsbryter. De installeres alltid på maskinens grenser ved bevegelige (gjennomtrengelige) porter. I motsetning til sikkerhetsgardiner eller operatørbrytere, utløses forriglinger gjennom bevegelsen av flyttbare maskin- eller områdeseksjoner. Sikkerhetsforriglinger kan utløses av aktiverte områdeseksjoner eller seksjoner som åpnes manuelt. Navnet stammer fra måten de forrigler (og gjør gjensidig avhengige) tillatte sikkerhetsstyringstilstander og områdeportposisjoner på … enten de er åpne eller lukkede eller noe annet. Med andre ord gir forriglinger feedback til sikkerhetsstyringene, som igjen fremkaller riktig maskinstatus for et gitt sett med maskinvernsposisjoner.

Standarder som styrer inkluderingen av forriglinger

Figur 2: Forriglingsbrytere kan tilpasses ulike orienteringer. Internasjonale sikkerhetsstandarder definerer klassifiseringene for slike forriglingsvariasjoner. (Bildekilde: Design World)

For tiden må konstruksjon og integrering av forriglinger for industriautomasjon oppfylle fem fullstendige standarder – inkludert samsvarsdirektivet for maskiner i Europa (CE – Conformitè Europëenne) 2006/42/EF. ISO 12100 (og innførte ISO 14119-vedtak) definerer forriglinger som innretninger som hindrer farlig maskindrift når portene inn til det vernede området er åpne. Forriglingene som kalles vernelåser (guard locks) eller låseportbrytere (locking gate switches) som går et skritt videre for å låse porter, er underlagt egne krav – inkludert kravet om at de har en rømningslåsemekanisme for teknikere som befinner seg låst inne i en farlig arbeidscelle.

Noen av standardene refererer til kjerneposisjonsbryteren eller nærhetsbryterteknologien som er kjernen i hver forrigling. De skisserer også kravene til hvordan elektronisk aktiverte verneseksjoner for arbeidsceller skal opprette kontakt med utstyrets styringer – vanligvis for å kommandere potensielt farlige bevegelser til å bremse ned eller til og med stanse helt.

Imøtekomme tiden det tar for maskinen å stoppe

De mest pålitelige forriglingene oppfyller spesifikke aksestoppintervaller – definert som tiden en maskin trenger for å bremse ned til en sikker tilstand etter at en stoppkommando har blitt utstedt. Faktisk kan forriglingssystemer legge til rette for disse stoppintervallene, samt tiden det kan ta for en maskinoperatør å nå frem til farlige akser etter utstedelse av en stoppkommando. Optimaliserte forriglingsinstallasjoner:

• Sørge for at en sikker tilstand oppnås lenge før en operatør har mulighet til å berøre eller nærme seg farlige maskinakser.
• Støtte effektiv bruk av maskinen ved å unngå avstengningstilstander som varer veldig lenge.

ISO 12100 beskriver faktisk hvordan dører og paneler beskyttet med forriglinger kan (med lukking) umiddelbart utløse gjenopptakelse av maskindriften. Dette står i sterk kontrast til nødstopp, som krever flere innviklede sekvenser for gjenoppretting av maskindriften. Logikken i slike standarder er at bruken av forriglinger er rutine (de skal ikke hindre daglig drift), men det er ikke nødstopp (e-stopp).

Grunnleggende forriglingsteknologi og -overkommelighet

Automatiserte maskiner må tilfredsstille internasjonale sikkerhetskrav av type A, B og noen ganger C. ISO 12100-1-standarden for funksjonssikkerhet og andre grunnleggende type A-standarder gjelder for alt automasjonsutstyr. Elektroniske styringer som tilfredsstiller ISO 12100 kan håndtere situasjoner som involverer uunngåelig vedlikehold av en eller annen energikilde – det vil si ved å forhindre uventet omstart av maskinen. For dette formålet er e-stopp aldri noen akseptabel løsning … men nøkkelforriglinger kan brukes.

Mellomklassestandarder av type B omfatter standarder for B1-sikkerhetstilnærming (inkludert ISO 13849-1 og 62061) samt spesifikke krav til B2-sikkerhetssystemer (inkludert ISO 13850 og 13851). Type C-standarder er imidlertid svært spesifikke for maskintyper, så de er spesielt strenge og mest brukt av OEM-er for ny utstyrskonstruksjon.

Standarder som er spesifikke for forriglinger, er ISO 14118 og 14119.

ISO 4118 beskriver hvordan uventet maskinoppstart kan forhindres (ved å avlede mekanisk kraft og stenge av elektrisk strøm) når en operatør trer inn i et farlig maskinarbeidsområde. Slike systemer kan koble fra strømforsyninger, stoppe motorer, frigjøre væskedrevne kraftaktuatorer og muliggjøre bruk av all gjenværende kinematisk energi i maskinens bevegelige deler.

I motsetning til andre standarder nevnt i denne artikkelen, dekker NS-EN ISO 14119 de påkrevde spesifikasjonene for verneforriglinger ved å:

• Referere til risikoanalyseteknikker for andre sikkerhetsstandarder.
• Definere forriglingsegenskaper som hindrer utilsiktede og tilsiktede sikkerhetsproblemer.

ISO 14119 definerer forriglinger av type 1 som posisjonsbrytere som bruker lett overkommelig mekanisk hengsel- eller kambevegelse. Utløsende kontakt oppstår mellom utskiftbare (ukodede) halvdeler. Fordelene med type 1-forriglinger er at de er prisgunstige og har høy konfigurerbarhet.

Type 2-forriglinger (som først ble definert av DIN EN 1088) inkluderer mindre omgåelige posisjonsbrytere basert på mekanisk bevegelse. Halvdeler er kodede (parede) kontaktfjærer eller (for sikkerhetsvernlåser) permanente nøkler. Sistnevnte tvinger operatørene til å låse alle vern før styringer tillater oppstart av maskinen … og nøkkelfjerning er kun mulig når vernene er låst. Fullt integrerte områdestyringer går enda lenger for å tvinge operatører til å bruke de samme nøklene i HMI-startbrytere som holder nøkkelen låst på plass under maskindrift.

ISO 14119 klassifiserer alle berøringsfrie sikkerhetsbrytere uten kodet bevegelse som type 3-forriglinger. De som er enklest å overkomme, er de som bruker optisk, ultralyd eller kapasitiv bevegelse. Induksjons- og magnetismebaserte forriglinger er litt mindre overkommelige. I tilfeller der overkommelighet er uakseptabelt, er det berettiget å bruke type 4-forriglinger med samsvarende eller kodede aktuatorhalvdeler i berøringsfri drift (enten de er basert på RFID, magnetisk eller optisk teknologi).

Sammenligne forriglinger med sikkerhetssensorer og områdebrytere

Figur 3: Selve lukkingen av verneforriglingene utløser ikke de farlige maskinprosessene på nytt. Denne jobben går i stedet til en separat styringsforrigling med dobbel funksjon eller en startbryter som den kapasitive fingerbryteren med myk berøring, som vises her. (Bildekilde: Getty Images)

Figur 4: Noen forriglinger med dobbelfunksjon har aktuatorer som fungerer som vernelåser. Dette er posisjonsbrytere med dødbolter eller elektromagnetiske sammenstillinger som kan holde dører sperret helt til den vernede robotarmen eller maskinen opphører sin farlige bevegelse. Dessverre tror noen ingeniører at alle forriglinger er av vernelåstypen, noe som er feil. (Bildekilde: Omron)

Forriglinger har likheter med andre sikkerhetsklassifiserte feedback- og sensorkomponenter basert på de samme kjerneteknologiene. Men for å klargjøre, er ingen av disse andre komponentene forbundet med maskinområder på samme måte som forriglinger. I tillegg krever dagens sikkerhetsstandarder at sikkerhetsforriglinger ikke vil gi klarsignal for gjenopptakelse av handlinger uten en eller annen type korrigerende reverseringsprosess.

Komponenter som leveres som industrielle sikkerhetssensorer, verifiserer (ofte via kontaktfrie induktive eller fotoelektriske midler) maskinelementets eller arbeidsstykkets posisjoner slik at styringer kan kommandere responser som er egnet for de rapporterte forholdene. Industrielle sikkerhetsbrytere slår derimot strømforsyningene av og på når det detekteres maskinelement- eller arbeidsstykkeposisjoner. Ved verifisering av utløserposisjonene, vil slike brytere enten koble fra eller gjenoppta strømtilførselen til den relaterte maskindelen. Det er ikke lenger tilstrekkelig å bruke en vanlig nærhetsbryter som forrigling. Utfordrende krav i IEC 60947 krever nå at komponenter som brukes som forriglinger, har svært spesifikke sikkerhetsrelaterte funksjoner som forhindrer problemer (defeats) og andre feil.

I sikkerhetssystemer finnes også reléer som direkte oppretter eller bryter elektriske kontakter – i de vanligste sammenstillingene kommuniserer disse i hovedsak en liten kommandospenning videre, noe som gjør at en større strøm kan passere gjennom strømkontaktene som kommanderes. Se på to vanlige funksjoner som forriglinger gjør gjensidig avhengig: Åpningen av en vernedør og en motordrevet spindel på et maskinverktøy. Gjensidighet mellom disse gjør at fresestasjonen sannsynligvis ikke vil skade sine egne delsystemer eller operatøren. I denne forbindelsen fungerer forriglinger som brytere i en driftssekvens.

De mest sjeldne, er mekanisk kamslåste forriglinger med armer som dreier på en akse for å låse farlige maskinakser. Langt vanligere er elektromekaniske og elektroniske forriglinger som benytter kretser og mikroprosessorer for å gi kostnadseffektiv pålitelighet og til og med rekonfigurerbarhet. For eksempel inkluderer elektromekaniske hengslede forriglinger på områdedører en mekanisk albue eller arm som åpnes med det hengslede vernet. Utover den angitte brytervinkelen, utløser den kommandoer om å stoppe maskinen i området. Når døren lukkes igjen, vil dørkraften til slutt anmode om at forriglingens solenoid lukker kretsen igjen.

Typiske ledninger og solenoidtyper i forriglinger

Figur 5: Innovative tilkoblingsmuligheter har økt påliteligheten til anlegg med flere vern i løpet av de siste årene. Her kobles en grensesnittmodul til andre sikkerhetskomponenter via T-adapternettverk. (Bildekilde: Banner Engineering)

Forriglinger er som regel konfigurert som normalt lukket eller NC-logikk, slik at maskiner kun kan kjøre hvis kretsen er lukket. De fleste sikkerhetsstandarder krever at sikkerhetskretsens komponenter ledes i serie slik at pålitelige feil og hendelser kan detekteres (opptil et tillatt sensorantall) så nøyaktig som mulig. Overskridelse av dette sensorantallet kan forringe ytelsesnivået (PL – performance level) til en konstruksjon og øke sannsynligheten for tilsløring av feil.

Sikkerhetsforriglinger som bruker en fjæraktivert NC-bryter (enten posisjon eller grense) gir vanligvis positivt brudd – slik at åpning av vernet presser mot forriglingens fjær for å spre de elektriske kontaktene sine fra hverandre. Mer pålitelige forriglinger med to brytere bruker én bryter til å aktivere når vernet åpnes og en annen bryter med elektriske kontakter spredt fra hverandre når vernet lukkes. Elektronisk egenrapportering av kortslutninger (vanligvis ved å overvåke potensialforskjellen mellom to inngangskanaler) er en komplementær funksjon som kan detektere kutt i ledninger på grunn av skjæring, korrosjon eller overoppheting.

Driftspåliteligheten til solenoiden med stempel-og-spole (plunger-and-coil) gjør solenoidbaserte sikkerhetskomponenter egnet for kritiske forriglingsbruksområder. Elektrisk inngang forårsaker vanligvis lineær stempelutgang (med en fjærinnstilt retur når strømmen slås av). Når de er integrert i forriglinger i vern og dødbolter, er solenoider inngangskilden for låsemekanismene. Andre slike solenoidbaserte konstruksjoner kan også sikre riktig mekanisk drift – for eksempel for å sikre konsekvent transportbåndbevegelse selv når behandlingsutstyr håndterer eller bearbeider arbeidsstykker som befinner seg på båndet. Solenoidbaserte redundanser (med seriekoblede og topolede brytere for verifisering av posisjon) kan minimere defekt forriglingssignalering.

Konklusjon

Forriglinger gjør maskinens områdestatus avhengig av sikkerhetsstyringene. Nåtidens feedback fra forriglinger til slike styringer kan faktisk anspore eksepsjonelt sofistikert maskinrespons til forskjellige maskinportposisjoner. De mest avanserte forriglingene kan anta kantdatabehandling, IIoT og pålitelighetsoppgaver med feilsikring, utover det som er mulig med tradisjonelle industrielle brytere og sensorer. Det viktigste forbeholdet er at verneforriglinger ikke må være tungvinne å bruke for maskinoperatører. Automatiske funksjoner og betinget opplåsing på verndørene som brukes oftest, kan forbedre funksjonaliteten ved å minimere udetekterte feil.