Уявіть реле безпеки як унікальних помічників, які відіграють ключову роль у створенні захисної схеми для машин. Це критично важливо у проектуванні машин, тому розуміння основ роботи таких реле та їх значення для безпечної експлуатації є обов’язковим.

Проте поняття безпеки часто заплутане через велику кількість термінів. Усі ці терміни беруть свій початок зі стандартів, які описують захисні схеми, функціональну безпеку, а отже, і реле безпеки.

На прикладі реле безпеки я продемонструю, коли варто застосовувати засоби безпеки для вашого обладнання. Дуже важливо зрозуміти, що реле безпеки існують не просто так. Вони покликані усувати або знижувати ризики.

Застосовуючи заходи безпеки на промисловому обладнанні, часто доводиться створювати схему захисту. Залежно від бажаного рівня безпеки можна створити різні типи таких схем. Я покажу вам, як працюють реле безпеки та які методи використовуються для побудови захисних схем.

Навіщо використовувати реле безпеки?

Машини та автоматизація можуть бути небезпечними. Навіть невеликі двигуни мають значну потужність і можуть створити небезпечні ситуації. Але справа не лише в потужності. Гострі предмети, як-от ножі, важкі об’єкти, шум і вібрації, також становлять загрозу. Насправді все, що може завдати шкоди або негативно вплинути на здоров’я, є потенційним ризиком.

Це означає, що кожного разу, коли ви розробляєте нову машину чи систему автоматизації, потрібно виявити такі ризики та небезпечні ситуації. Тільки таким чином можна знизити ці ризики.

Машини можуть становити серйозну небезпеку, і саме тому існують суворі законодавчі вимоги. У США ці стандарти встановлює OSHA, а в Європейському Союзі – Директива з безпеки машин. Усе це спрямоване на забезпечення найвищого рівня безпеки.

Проте, навіть попри це, виявлення всіх ризиків і небезпечних ситуацій у процесі проектування машини може бути непростим завданням. Лише виявивши ризики, ви зможете вжити заходів, як-от встановлення реле безпеки та захисних пристроїв, для їх усунення.

Оцінка ризиків

Оцінка ризиків — це перший крок, який допомагає виявити всі потенційні небезпеки, пов’язані з роботою машини. Основна мета — визначити та оцінити всі можливі ризики і небезпечні ситуації.

Щоб провести оцінку ризиків не поверхово, а систематично, можна скористатися стандартом ISO 12100:

ISO 12100 Безпека машин — Загальні принципи проектування — Оцінка ризиків та зниження ризиків

Цей стандарт ISO розроблений, щоб допомогти з оцінкою ризиків і, таким чином, виявити всі можливі загрози. Він містить низку логічних кроків, які можна використовувати для оцінювання ризиків. Це не лише полегшує пошук ризиків, а й робить оцінку систематичним процесом, що дозволяє впевнитися, що всі ризики враховано.

Ось як виглядають логічні кроки в процедурі оцінки ризиків:

Зниження ризиків

Стандарт ISO 12100 також описує процес зниження ризиків. Це буквально процес зменшення або усунення ризиків, які ви визначили під час оцінки. Для кожного ризику можна вжити одну або кілька дій, щоб знизити його до мінімуму або навіть повністю усунути. Суть зниження ризиків полягає в тому, щоб максимально усунути загрози.

Дії для зниження ризиків залежать від їхнього типу. Одним із найефективніших методів зниження ризиків є застосування принципів безпечного проектування. Простий приклад — видалення гострих країв. Це не лише знижує ризик порізів, але й повністю усуває його, позбавляючи джерела небезпеки. Саме це й називається безпечним проектуванням.

Безпечне проектування є першим кроком у процесі зниження ризиків, тобто завжди слід спочатку намагатися усунути ризик шляхом впровадження безпечних конструкцій.

Захисні заходи

Іноді безпечного проектування недостатньо для усунення всіх ризиків. Деякі небезпеки неможливо повністю виключити, оскільки завжди існує ймовірність помилок оператора. Наприклад, небезпеку рухомих частин можна зменшити, встановивши один або кілька захисних огороджень навколо них, щоб запобігти нещасним випадкам. Це називається захисними заходами.

Захисні заходи спрямовані на те, щоб або запобігти контакту людини з небезпекою, або усунути небезпеку до того, як людина може з нею стикнутися.

У багатьох випадках доступ до рухомої частини необхідний для технічного обслуговування, ремонту та навіть для роботи. Залежно від різних факторів існує декілька рішень для захисту. Ось деякі з найбільш поширених видів захисту:

• Захисні огородження
• Світлові бар’єри
• Захисні мати
• Керування двома руками

Почнемо з огороджень. Вони бувають трьох основних типів:

1. Стаціонарні огородження

2. Знімні огородження

3. Огородження з автоматичним керуванням

Стаціонарні огородження

Стаціонарні огородження закріплюються зварюванням або фіксуються гвинтами чи гайками так, що їх неможливо відкрити без використання інструментів. Використання таких огороджень є відмінним рішенням для місць, де доступ потрібен лише технічним спеціалістам.

Знімні огородження

Другий тип — знімні огородження. Вони дозволяють відкривати та закривати доступ до обладнання. Однак це створює ризик того, що хтось може відкрити огородження, коли рухома частина машини працює.

Щоб повністю усунути цей ризик, необхідно вжити додаткових заходів. Йдеться про безпеку та здоров'я людей, тому важливо повністю виключити небезпеку. Один зі способів зменшити ризик — зупиняти машину при відкритті огородження. Насправді це є однією з вимог для знімних огороджень.

Ось цитата зі стандарту ISO 12100, що описує зниження ризиків у машинах:

6.3.3.2.3 Вимоги до знімних огороджень
Знімні огородження, що забезпечують захист від небезпек, спричинених рухомими частинами, повинні:
a) наскільки це можливо, у відкритому стані залишатися закріпленими на механізмі чи іншій конструкції (зазвичай за допомогою петель або напрямних), і
b) блокувати роботу обладання (з блокуванням огородження, коли це необхідно) (див. ISO 14119).

Зверніть увагу на останню частину, де сказано, що слід використовувати взаємоблоковані захисні пристрої. Взаємоблокування означає, що обладнання не зможе запуститися, поки захисний пристрій відкритий. Функцію взаємоблокування можна реалізувати за допомогою кінцевиків безпеки, які виявляють, коли захисний пристрій відкритий.

Всі кінцевикі безпеки мають своє призначення. Деякі з них використовуються як запобіжні вимикачі в стилі петлі, встановлені на петлі, щоб визначити, коли щиток відкритий. Деякі з них є запобіжними перемикачами положення, і їх можна використовувати як приклад для розсувних огорож.

Огородження з автоматичним керуванням

Іноді вашій машині не вистачає часу, щоб зупинитися до того, як оператор зможе відкрити огородження і отримати доступ до небезпеки. Маніпулятору, роботу або потужному двигуну з великим навантаженням потрібно певний час для зупинки, навіть коли активуються гальма. Саме тут можуть виникати небезпеки, навіть якщо використовується безпечний замок з блокуванням роботи обладання.

Рішенням може бути огородження з автоматичним керуванням або блоковане огородження. Це знімне огородження, але з безпечним замком, який може блокувати огородження. Таким чином, ви можете заблокувати огородження, поки не переконаєтеся, що рух зупинився і небезпека усунена.

Всередині блокуючих безпечних вимикачів знаходиться соленоїд. Зазвичай ви можете знайти два типи блокуючих безпечних замків: один, де соленоїд активується для блокування вимикача, і інший, де соленоїд активується для розблокування вимикача.

Компоненти керування систем безпеки

Яку роль відіграють реле безпеки в системах захисту? Давайте розглянемо їхнє значення в контексті компонентів безпеки систем керування.

Коли ви хочете використовувати захист з блокуванням, до системи керування висуваються певні вимоги. Адже реалізація блокування здійснюється за допомогою замків безпеки (та інших безпечних пристроїв, які я опишу далі) у вашій електричній системі керування. Система безпеки — це використання елементів захисту в електричній системі керування для усунення ризику.

Основна мета при створенні такої системи керування або просто системи безпеки — забезпечити, щоб система була аварійно безпечною. Це означає, що вам слід розуміти, що відбувається, коли один або кілька елементів у системі виходять з ладу.

Категорії контролю

Перед тим як почати створювати свою систему безпеки , необхідно класифікувати її. Причина цього проста: завжди існує можливість відмови системи. Якщо оператор відкриває огородження, а машина не зупиняється, це означає, що система безпеки не змогла усунути ризик.

Отже, вам потрібно проаналізувати ризики, пов’язані з відмовою системи.

Навіть у разі збою системи безпеки ви все ще хочете, щоб машина залишалася безпечною і без ризиків. Існує стандарт, який описує процес аналізу частин систем керування безпекою:

ISO 13849-1 Безпека машин — Безпечні частини систем керування

У стандарті представлені п’ять різних категорій систем керування. Аналізуючи тяжкість травми, час підвищеного ризику та можливість уникнення небезпеки, ви можете віднести систему керування до однієї з цих категорій.

Я не буду вдаватися в подробиці цих п’яти категорій. Machinery Safety 101 написав відмінну серію статей про архітектуру блокування та п’ять категорій контролю.

Ви можете запитати, яке відношення має цей стандарт до реле безпеки. Справа в тому, що, по-перше, використовуючи категорію 1, ви повинні застосовувати «перевірені компоненти та перевірені принципи безпеки». Знову ж, Machinery Safety 101 має дуже хороший матеріал на цю тему.

Отже, реле безпеки — це, іншими словами, перевірений компонент, і саме тому ви повинні використовувати його для створення своєї системи безпеки.

З іншого боку, PLC (програмований логічний контролер), наприклад, не є перевіреним компонентом. Тому, коли ви будуєте автоматизовану систему або машину, ви не можете використовувати PLC для безпечних частин машини. За вийнятком PLC які мають інтегровані функції безпеки(наприклад Fail-safe SIMATIC controllers with integrated safety functions) і пройшли сертифікацію.

Як працює реле безпеки?

Тепер, коли ви знаєте, чому важливо використовувати реле безпеки, час детальніше розглянути, як вони працюють. Реле безпеки представлені в багатьох варіантах і для різних цілей, тому розуміння їхньої роботи допоможе вам обрати правильне реле для вашого проєкту.

Реле безпеки — це не лише перевірені компоненти. Вони розроблені для відповідності вимогам до частин керування систем безпеки . Коли ви заглянете в технічний паспорт реле безпеки, ви виявите, що його можна використовувати до певного рівня безпеки.

Наприклад, реле безпеки, оцінене до категорії 3, означає, що ви можете використовувати його в безпечних частинах вашої системи керування до категорії 3. Таке реле також можна використовувати в схемах категорії B, 1 і 2.

Еволюція реле безпеки

До розробки реле безпеки, безпека реалізувалася за допомогою окремих реле/контакторів у. Однак з часом ці схеми безпеки еволюціонували в реле безпеки, щоб усе було в одному пристрої для зручності.

Типовий дизайн реле безпеки першого покоління базується на класичному поєднанні з трьох контакторів.

Однак існує багато різних типів реле безпеки, і вибір залежить від того, які функції потрібні в конкретному застосуванні.

Реле безпеки проти звичайного реле

Поширене запитання, яке виникає: чому просто не використовувати звичайне реле замість реле безпеки? Давайте розглянемо відмінності, які роблять реле безпеки незамінними.

Чому ми повинні контролювати функції за допомогою реле безпеки, якщо ті ж функції можна контролювати за допомогою звичайних реле, які дешевші? Щоб відповісти на це запитання, вам потрібно знати, в чому різниця між звичайним реле та безпечним реле. Іншими словами, вам потрібно зрозуміти, що робить реле безпеки таким особливим.

Але перш ніж перейти до функцій реле безпеки, давайте знову поглянемо на категорії безпеки.

Категорії безпеки та реле

Ви можете використовувати звичайні реле лише в категорії безпеки B. У цій категорії, якщо виникає несправність, це може призвести до втрати безпекової функції. Але в інших категоріях використання звичайних реле заборонено, оскільки вам потрібно застосовувати перевірені безпечні компоненти, і несправність не повинна призводити до втрати безпекової функції. Починаючи з категорії 1, ви зобов'язані використовувати перевірені компоненти.

Це означає, що для перших двох категорій ви дійсно можете використовувати звичайні реле та контактори, оскільки в даному випадку несправність, що відключає захисну функцію, допускається. Але далі вам потрібно враховувати не лише безпечну схему в нормальних умовах, а й у випадку виходу компонентів з ладу.

Розглянемо категорію 2, оскільки це перша категорія, в якій потрібно перевіряти наявність втрат безпекових функцій.

Саме тут на допомогу приходить використання реле безпеки! Компанія PILZ створила перші реле безпеки, які називаються PNOZ. Вони значно вдосконалилися з тих пір, і багато з них тепер також є програмованими.

Але як перевірити, чи насправді працюють безпекові функції?

Відповідь — функція моніторингу в реле безпеки.

Функція моніторингу реле безпеки

Існує кілька способів, якими реле може моніторити схему для виявлення будь-яких втрат у безпекових функціях.

Нам потрібно перевіряти наявність втрат у безпекових функціях. Це надзвичайно важливо, оскільки ми хочемо, щоб безпека працювала навіть у випадку відмови системи.

Функція моніторингу реле безпеки контролює безпекову функцію і, таким чином, перевіряє наявність втрат. Саме тому в більшості випадків має сенс використовувати реле безпеки, оскільки воно може задовольнити всі вимоги до функціональності безпечних схем.

Виявлення несправностей

Загалом, реле безпеки можуть виявляти чотири типи несправностей:

1. Обрив проводу
2. Несправний контактор
3. Несправний безпечний актуатор
4. Таймінг

Можна знайти й інші типи несправностей, але ці чотири складають основну частину. Принаймні методи, які використовуються для виявлення перших трьох, однакові. Вони реалізуються за допомогою невеликих імпульсів.

Реле безпеки виявляє обриви проводу та несправні контактори/актуатори, відправляючи електричні імпульси через них. Вимірюючи протікання струму, реле перевіряє наявність зварених контактних груп та обривів проводів.

Це все відбувається за допомогою таймінгу. Тайминг — це ще один метод виявлення несправностей, який використовують реле безпеки. Гарним прикладом цього є резервування в контактних групах безпечного актуатора.

Коли двоканальний пристрій безпеки(аварійна кнопка, кінцевик безпеки...) відкривається або закривається, обидва канали мають спрацьовувати одночасно. Однак, якщо один із контактів виходить з ладу та залишається в небезпечному стані (наприклад, один з каналів магнітного кінцекика безпеки не відкривається), перевірка на розбіжність між двома каналами може це виявити. Це гарантує, що коли один канал відкривається, інший спрацьовує за певний час, залежно від того, чи канали еквівалентні (NO+NO виконують те ж саме) чи антивалентні (NO + NC виконують протилежне). На малюнку показана типова діаграма часу для перевірки на розбіжність для еквівалентного двоканального пристрою

У наведеному прикладі:

• Вихід вимикається, як тільки один із каналів переходить у вимкнений стан (Безпечний стан).
• Виявляється помилка, оскільки обидва канали не вимикаються в межах T(Disc) (часу розбіжності).
• Вихід переходить у високий стан лише тоді, коли обидва канали набувають високого стану в межах T(Disc).

Згідно з Додатком E стандарту ISO 13849, при використанні як тестових імпульсів, так і перевірки розбіжності для вхідного пристрою, досяжний рівень діагностичного покриття (DC) зазвичай становить 90% або більше.

Автоматичне скидання не дозволяється, якщо дві контактні групи в вимикачі не закриваються протягом часу T(Disc)..

Внутрішня діагностика

Те, що відбувається всередині реле безпеки, також є важливою частиною безпечної схеми. Так само, як важливо контролювати зовнішні компоненти, не менш важливо стежити за внутрішніми компонентами самого реле.

Багато безпекових реле мають внутрішню діагностику, яка включає моніторинг збоїв у внутрішніх реле та інших елементах.

Приклади використання реле безпеки

Ось кілька прикладів схем, що містять реле безпеки SICK. Це лише приклади, що демонструють різні характеристики в схемі, і для кожного застосування має бути проведено оцінювання ризиків кваліфікованою особою для визначення відповідної концепції безпеки, яка потім повинна бути перевірена та підтверджена проектувальником.

Приклад 1

Наведено приклад використання безпечної світлової завіси, підключеної до реле безпеки (SICK RELY3-OSSD), яке має три NO канали, що вмикають три контактори (K1, K2 і K3). Контактори перевіряються через схему скидання (якщо NO канал контактора залишається замкненим, то комплементарний канал залишається розімкнутим, і скидання неможливе). 

Приклад 2

Приклад кнопки аварійного зупинення (E-Stop), підключеної до реле безпеки, здатного до тестових імпульсів (X1 і X2) та перевірки на розбіжності. Реле моніторить NC канали контакторів K1 і K2 через R1 до S1. Однак реле не виконує скидання, це потрібно реалізувати або на кнопці аварійного зупинення, або в іншому місці.

Наприкінці 

Реле безпеки є критичними компонентами промислових систем, що забезпечують захист персоналу та обладнання, але охопити всі їхні аспекти в межах однієї статті неможливо. Це багатогранна тема, що включає принципи роботи, вимоги до надійності, стандарти безпеки та специфічні методи діагностики несправностей. У цьому огляді ми розглянули лише основи: роль реле безпеки у контролі ризиків, функції моніторингу та принципи взаємоблокування. Для глибшого розуміння потрібне детальне вивчення, яке охоплює широкий спектр стандартів та індивідуальні вимоги для різних систем.