Передмова до перекладу:
Дана стаття - це черговий слід нових можливостей автоматизації промисловості: повсюдно впроваджується автоматизовані системи, де на ряду з управлінням технологічних машин і агрегатів «драбинкою» паралельно діє програмування в реальному часі, коли в роботу керуючої програми в будь-який момент може вклинитися команда з, наприклад, модуля або реле безпеки і перевести роботу обладнання в режим «очікування поки в небезпечній зоні знаходиться людина».
Систематика автоматизації виробничих процесів на сьогоднішньому етапі розвитку може дозволити управління устаткуванням в більш складних виробничих умовах, ніж просте управління механізмами машини - «стій-чекай поки закінчиться-технологічний-цикл».
Така виникла здатність автоматики дозволяє реагувати на ситуації, які прийнято вважати аварійними (хоча від розробників потрібно скласти перелік таких ситуацій, які можуть виникнути і мають право негайно змінювати роботу лінійно працює керуючої програми технологічних циклів).
Іноді від аналітиків можна почути, мовляв все слід перевести в режим програмування реального часу. Однак на сьогоднішній день реалізація таких систем дорого обійдеться користувачам, так і при модернізації діє дуже, на наш погляд, авторитетний рада: модернізувати автоматизовану систему поступово, а не вибухом.
Таким чином, в арсеналі сучасних систем автоматизації вже відпрацьовані можливості вклинювання в драбинку циклічної програми і переведення її в відпрацювання підпрограм-модулів, передбачених для раптової (не будемо говорити «екстреної») ситуації на діючому виробничому ділянці.
Назва статті:
Безпека машин - елементарно для нових автоматизованих систем
Анотація: Після заходів удосконалення конструкції, безпека є головним, об'єднуючим будівництво і сучасне проектування обладнання.
Джим Монтегю
16 травня 2014р.
Про автора: Джим Монтегю є виконавчим редактором управління, контролю та проектування промислових мереж. Напишіть йому jmontague@putman.net або шукайте його профіль у Google+.
Машинна безпека рухається по напрямку зовні всередину. Традиційно оберігаючі та інші засоби захисту замінюються або, принаймні, доповнюються інтелектуальними, автоматизованими ПЛК (програмний лінейний контролер) безпеки, добре скоординованими мережами та іншими допоміжними пристроями. Інтегровані в машини на ранніх етапах проектування і складання, ці компоненти безпеки і програмного забезпечення можуть встановлювати зони безпеки, гарантувати безпечні швидкості і не шкідливі рухи, що дозволяє операторам залишатися в безпеці навіть при більш тісній взаємодії зі своїми верстатами. Крім того, вітчизняні та міжнародні стандарти з безпеки машин гармонізуються, щоб краще допомогти будівельникам і користувачам застосовувати єдині, уніфіковані компоненти безпеки.
- Про Адміністративні Правила професійної безпеки та гігієни праці всім відомо, протягом більш ніж 40 років, тому більшість компаній мають деякі гарантії на свої машини, але більшість з цих гарантій є дорогими, фізичний бар'єр, яких швидше за все межа продуктивності, - говорить Джефф Вінтер, менеджер безпеки бізнесу Grantek Systems Integration (www.grantek.com) по Північній Америці в ОАК-Брук, штат Іллінойс. - Однак, нещодавні зміни в міжнародних стандартах безпеки відкрили дорогу решті світу для інтеграції технології безпеки в стандартні процеси автоматизації. Порівняно із звичайною охороною, тепер ми можемо скоротити витрати на апаратне забезпечення, спростити архітектуру системи управління, скоротити час проектування та інженерії, поліпшити діагностику і, в кінцевому підсумку, зробити більш безпечними умови роботи. Так що, навіть якщо машина є умовно безпечною, поліпшення своєї системи безпеки може підвищити її безпеку та загальну ефективність використання обладнання (OEE).
Наприклад, Sandvik Materials Technology, що є світовим розробником та виробником передових нержавіючих сталей, сплавів титану й високоякісних матеріалів з її холодною прокаткою в Сандвикене, Швеція, мав одним з ключових циклів виробничу лінію точного дозування газ-сталь, побудовану в 1930-х роках. Ділянка має 20 метрів в довжину, виробляє високовуглецеву сталь і нержавіючі сплави, випускаючи смуги до 400 мм в ширину і товщиною від 1 до 6 мм.
Певна річ, механічне обладнання, електронні та керуючі системи оновлювалися протягом багатьох років, і Sandvik нещодавно додав сервомотори, стандартний ПЛК і сенсорний екран HMI (людино машинний інтерфейс) від компанії ABB. Тим не менш, компанія доклала останні зусилля, щоб замінити жорстко-дротову систему безпеки для зональних запобіжних пристроїв, з метою охопити ще більше обладнання. «Нам потрібно було розширити завод і виробничу лінію безпеки, тому ми вирішили встановити нову систему управління із запобіжним центральним процесором (ЦП) на стан холодної прокатки, але це також означало, що треба замінити і безпеки, що пов'язані з електронікою та контролем, додавши декілька автоматичних функцій», - говорить Торбйорн Петтерссон, фахівець Інженерного розвитку Сандвік.
Визначення зон ризиків
Для знаходження найбільш оптимального рішення для безпеки і контролю стана холодної прокатки компанії Sandvik в галузі інжинірингу та виробництва співробітниками проводилася оцінка ризику (RA) відповідно до Swedish directive 2006:4, anv;ndning АВ arbetsutrustning (засобів праці), і визначилося, що в цеху потрібно шість різних зон безпеки, що включають задаючу частину, прокатку та секції вивантаження.
- Важливо мати оцінку ризику, щоб з чогось почати, - пояснює Петтерссон. - Після цього, ви повинні розробити опис функцій та інструкцію по експлуатації. У нас, це зайняло багато часу, щоб знайти рішення для нових функцій безпеки, таких щоб були безпечними й продуктивними. Як тільки опрацювання інструкцій буде закінчена, набагато легше писати програму безпеки. Це важливо при введенні в експлуатацію, тому що, якщо початкові рішення не працюють, багато часу може зайняти розробка нового RА та зміна функцій безпеки з програмами. Важливо також відокремити безпеку і небезпеку програм в блоці управління. Це дозволить полегшити впровадження і протестувати функції безпеки, у подальшому ці системи набагато легше буде супроводжувати, тому що чітка, чітаємая програма дозволить звести до мінімуму ризик виникнення будь-яких непорозумінь.
Компанія Sandvik також встановила ПЛК безпеки фірми ABB з мережею Profinet, з архітектурою Profisafe, протоколом мережного зв'язку, самостійно контролюючей шість зон безпеки. Новий двоядерний процесор, модуль процесора безпеки і канали вводу/виводу безпеки інтегровані в існуючі на комбінаті ПЛК, які контролюють шість електроприводів постійного та змінного струму та електродвигуни. Двигуни постійного струму тягнуть сталеву стрічку і обертають валки, а двигуни змінного струму регулюють обтиснення валків для досягнення необхідного тиску під час прокатки.
Цей новий механізм безпеки з ПЛК дозволяє деякої частини стану перебувати в роботі, у той час, як оператор отримує безпечний доступ в деякі інші зони, де безпека забезпечується шляхом відключення живлення. ПЛК безпеки має близько 50 каналів вводу/виводу, також посилання на ворота, вимикачі, світлові завіси і кнопки Е-стоп. Також від точок вводу/виводу монітор тиску отримує підтвердження, що гідравлічний підсилювач відключений для обслуговування.
- Створення безпечних зон усередині машини дозволяє довести напругу до безпечного рівня без виключення і повторної синхронізації всього стану, - говорить Гері Трал, старший інженер технічної підтримки продукту та сертифікації T;V щодо функціональної безпеки в ТОВ Бош Рексрот (www.boschrexroth-us.com). - Аналогічно, функції безпечного напрямку можна налаштувати в інших зонах безпеки, так що всі напруги не будуть вимкнені, коли оператори завантажують або вивантажують матеріали. Це може заощадити більше 10% на виробничих циклах.
Прості Стандарти, Ініціативне Мислення
Для проведення ретельного, рівномірного RA і досягнення найбільшої практичної безпеки на стадії проектування, існують різні внутрішні, регіональні та міжнародні стандарти машинної безпеки, які можуть використовувати будівельники. Найбільший за значенням стандарт ISO 13849 штовхає машинобудівників та користувачів працювати з дотриманням традиційних категорій безпеки, з втратою розрахункової і досягнутої продуктивності.
Грантек Вінтер додає, що, «оцінка ризику - як резюме. Вони є у кожного, але вони всі виглядають трохи по-іншому. Важливо те, що вони все ж в основному досягають мети і містять однакову базову інформацію. З цієї причини, важливо використовувати RА і процес зниження ризику, який працює для Вашої організації. Перший і найбільш важливий крок - це процес на базі національно визнаних, консенсусних стандартів, таких як ISO 12100, стандарт ANSI В11.0 або інші галузеві стандарти. Другим і найбільш складним кроком є розробка процедури і правил підтримки процесу, щоб забезпечити Вам стабільні результати від одного RА до іншого.»
Вінтер повідомляє, що рішення, яким стандартам безпеки слідувати, починається з розташування кінцевого користувача на виробничому об'єкті, а потім з вендорами, інтеграторами, підрядниками та всіма іншими, хто стежить за процесом. «У США ви починаєте з федеральних і державних правил OSHA, а потім використовуєте включені через посилання на стандарти, це в першу чергу стандарти американського Національного Інституту національної протипожежної Асоціації». Вінтер каже, що оскільки нещодавно переглянуті стандарти ANSI починають гармонізувати з Міжнародною організацією по стандартизації (www.iso.org) і стандартів Міжнародної електротехнічної комісії, важливо бути в курсі і їх змісту теж. В Європі, це навантаження лягає на розробників обладнання та будівельників.
- Американські і канадські Машинобудівники та системні інтератори працюють за запитах клієнтів, тому вони здебільшого слідують національним або внутрішнім стандартам, - продовжує Вінтер. - Тим не менш, не рідко вони також охоплюють унікальні, специфічні для замовників домашні вимоги. У Європі набагато більш обмежувальний підхід і, дотримуючись «презумпції відповідності» EHS вимогам Директиви по машинного устаткування 2006/42/ЄС, необхідно виконати один або кілька з сотень гармонізованих стандартів, зазначених в офіційному журналі Європейського Союзу. Замість специфікації замовника, вкрай бажано мати внутрішню Специфікацію мінімальних вимог до безпеки та список стандартів, обраних для опрацювання на їх відповідність.
В арсеналі у машинобудівників вивчення і виконання розрахунків по ІСО 13849-1, безкоштовно «Safety Integrity Software Tool for the Evaluation of Machine Applications» (SISTEMA) German Social Accident Insurance organization's Institute for Occupational Safety and Health запропонованим німецьким Інститутом професійної безпеки і здоров'я - організації соціального страхування від нещасних випадків. Такий інструментарій надає всебічну підтримку в проведенні оцінки безпеки в контексті ІСО 13849-1.
Безпечне Рух, Нові Інструменти
Крім створення безпечних операційних зон, важливою перевагою інтеграції ПЛК безпеки до конструкції машин є також керування швидкістю та іншими рухами, яке не дозволяє операторам отримати травму.
Знову ж таки, в холодній прокатці Sandvik ПЛК безпеки забезпечує безпечне керування швидкістю, яка гарантує, що руки або пальці не можуть бути затиснуті між валками або роликами. ПЛК безпеки також дозволяє інженерам використовувати числа з плаваючою комою, що спрощує завдання програмування необхідні для розрахунку безпечної, наприклад, швидкості стану. Програмування було ще більш спрощено за рахунок інтегрованого інструменту розробки ПЛК від фірми ABB, який підтримує програмування ПЛК безпеки в CoDeSys - інтегрованому середовищі розробки з відкритими бібліотеками безпеки ПЛК. ABB також представила свій власний код аналізатора безпеки, який перевіряє правила програмування безпеки.
- Встановлення зон безпеки і з допомогою ПЛК покращує безпеку стана холодної прокатки, але це також сприяло й ефективності нашої роботи, тому що ми розробили для окремого оператора і машини нові функції захоплення шпальти, що дозволило комбінату підвищити ефективність роботи разом з безопаснотью, - каже Петтерссон.
Щоб допомогти більшій кількості користувачів отримати ці захисні можливості, деякі розробники виходять за рамки звичайних ПЛК безпеки. Наприклад, B&R Industrial Automation просто представила свій ПЛК безпеки, який поставляється у вигляді модуля вводу/виводу, в той час як «софт» його віртуальний, чисто програмні версії, які можуть виконуватися, при необхідності, на інших пристроях. ПЛК забезпечує функціональну і мережеву безпеки для обладнання, яке не потребують великої комплексній системі безпеки, за словами Кору Мортон, технологічного директора B&R. «У застосуванні безпеки руху, безпечно-обмеженої швидкості і позиціонування може вийде великий приріст продуктивності, оскільки користувачі можуть регулювати міцність в обраному агрегаті і осях в своїх машин», - додає він. - «Все це можна зробити з одного робочого місця».
Точно так само, як давній практик управління на базі ПК, компанія Beckhoff Automation включає T;V-узгоджені Functional Safety за EtherCAT (FSOE) можливості в існуючі системи управління, які досягають ІСО 13849 рівня Е і класу за рівнем безпеки Sil 3. «ІСО 13849 вступив в силу в січні 2012 року, так що машина безпеки була з тих пір в центрі уваги, і її усвідомлення росте швидко,» - говорить Тоні Рігоні, Регіональний менеджер з продажу в Північній Каліфорнії і експерт з безпеки в компанії Beckhoff Automation.
На Автозаводах
Звичайно, будівельники, як і користувачі пізнають смак проектування та інтеграції технологій безпеки в машинах, багато хто захоче розгорнути його в більш великих виробничих лініях та в цехах.
Наприклад, Компанія Ауді А3 нещодавно модернізувала свою модель і збудувала двоповерхову виробничу будівлю на своєму заводі в Інгольштадті, Німеччина, під складальний конвеєр свого нового кузову, де працює до 800 роботів в 130 робочих клітинах (рис. 3). А3 легкий, третього покоління, кузову потрібен був більш високий рівень продуктивності виробничої лінії, яка була б гнучкою, регульованою і в змозі поставити більш складну діагностику в клітинах і на конвеєрах, так що інженери Ауді підбирають і мережі Profinet Компресори і ПЛК безпеки від Phoenix Contact.
ПЛК безпеки є незвичайним, оскільки він складається з двох незалежних контролерів. Один - стандартний, програмований МЕК 61131-сумісний ПЛК, а другий - SIL-3 - номінальна керуюча система безпеки. Хоча одна Платформа відповідає за стандартні програми та комунікацій Profinet, інший готує передачу у Profisafe і виконує свої завдання безпеки. Це означає, що ПЛК виконує свої стандартні системи і програму безпеки паралельно, але окремо один від одного, що забезпечує незалежний контроль і таймінг для кожної функції, займає короткий час циклу для контролю і безпеки програм. Короткі програмні такти мають вирішальне значення для підтримки оптимального виробничого циклу при різних етапах робіт в клітинах Ауді. Знову ж таки, контроль окремих командних приладів, таких як роботи або перетворювачі частоти вимагає обслуговування техніками, що означає, додані такти в ПЛК необхідні. Тим не менш, фахівці Audi повідомляють, що це рішення допомогло зменшити час опитування ПЛК в середньому 12 мілісекунд, що означає, що час циклу великих клітин може бути зменшено до однієї секунди.
Контролери програмуються двома взаємопов'язаними інструментами. Інженерний інструмент налаштований на апаратну систему протоколу Profinet і створює додаток стандарту IEC 61131, а програмне забезпечення безпеки обробляє ПЛК безпеки. Захисні функції кожної клітини, в тому числі аварійну зупинку, захисні контакти дверей, охороняють датчики на завантаженні і зонах входу, і функції, пов'язані з безпекою робот і приводу, всі запрограмовані в контролер безпеки. Також, після того, як ПЛК програми перевірені, вони захищені паролем для запобігання несанкціонованих змін, в той час як доступ до компонентів ПЛК безпеки також може бути захищений паролем для додаткової безпеки під час запуску.
Аналогічно, Кіа Моторс (КМК) будує три моделі SUV, які складають більше половини з майже 230 000 автомобілів, вироблених кожен рік, на своїй Kia Motor Slovakia (KMS) відділу в Teplika nad Вагоме. Цех кузовних комплектуючих KMS і лінія складання кузовів, всі рухомі деталі з ручною обробкою бригадою в 20 робочих та обладнання управляється контролерами та програмним забезпеченням компанії Rockwell Automation.
На жаль, лінія складання кузовів також страждала від частих поломок, від чого знижувалася продуктивність, а іноді доводилося всю лінію зупиняти.
KMS повідомляє, що складальні лінії до реконструкції використовували недосконалі реле безпеки та сканери, які, за їх словами ускладнили розведення і довжину проводів маршрутизації від запобіжних пристроїв і реле до головного кабінету, і була відсутня функція відключатися від сканерів. Хоча традиційні реле часу запобігають небезпечні взаємодії між операторами і машинами, KMS додає своє реле безпеки, що також викликало багато дрібних зупинок, і часто складно було визначити, чому і де вони відбувалися.
Отже, KMS вирішив додати ПЛК безпеки Allen-Bradley для своєї системи управління ControlLogix. В BC додано рядок модуля вводу/виводу віддаленої безпеки і його підключили до заводської мережі Ethernet/IP-мережі, що дозволило візуалізувати умови безпеки, сигналізації, аварійних подій і програмування, розробленого для ЧМІ.
Раніше, якщо людина входив в камеру, або, якщо пристрій виявлялося не в процесі виробництва, вся лінія зупинилась, і слід було перевіряти кожну область, щоб знайти джерело несправності. Тепер, лінія BC поділена на п'ять зон, кожна з шафою захисної компоненти точки вводу/виводу і тільки два або три метри електропроводки. Кожен ввід-висновок безпеки підключений до ПЛК безпеки через Ethernet/IP-мережу. Тому, коли лінія BC переривається, зупиняються тільки відповідні зони, що вказує на її розташування і дозволяє швидко відновити в той час як інші зони залишаються робочими.
- З можливістю виявляти збої і швидко вирішувати проблеми, ми збільшили продуктивність до 70%, за рахунок зниження індукційного періоду безпеки, - пояснює Андрій Басік, менеджер технічного обслуговування кузовного цеху в KMS. - Така оснастка лінії спрощує обслуговування і робить наше життя простіше.
Висновки:
- Важливо, на початку оцінити ризики. Після цього, ви повинні витратити багато часу, щоб розробити опис функцій і інструкції по експлуатації. У вас заміт багато часу, щоб знайти рішення для наших нових функцій безпеки, так щоб вони були безпечними і продуктивними.
- Замість специфікації замовника, вкрай бажано мати внутрішню Специфікацію мінімальних вимог до безпеки та список стандартів, обраних для демонстрації відповідності. Чим більше інженерів, які працюють на безпеку проекту, тим важливіше мати набір вимог до конструкції, специфікації і шаблонів, щоб гарантувати всі інтерпретації стандартів без різночитань.
- Кращим в автоматизації безпеки машин є те, що вона відкриває простір для інженерного творчості, а стандарти дають інженерам можливість оцінити, визначити та затвердити показники безпеки для їх користувачів.