Jste zde

Bezpečnost strojů realizovaná světelnými závorami

Antonín Vojáček, 29. Květen 2014 - 22:34

Bezpečnost strojních zařízení je v moderní vyspělé společnosti nejdůležitější částí každého stroje. Mezi nezastupitelné prvky u moderních automatických robotických pracovišť patří bezpečnostní optozávory a hlavně světelné závěsy. Pojďme se blíže podívat, jak je použít a jakými pravidly se řídí jejich instalace.

Proč se starat o bezpečnost strojů?

Bezpečnost strojních zařízení je v moderní vyspělé společnosti nejdůležitější částí každého stroje, zařízení a systému, kde nějaká jeho část vykonává mechanický pohyb. Jde o sadu opatření pro zamezení kontaktu / kolizi stroje během tohoto pohybu s jakoukoliv částí lidské obsluhy. Dá se říct, že je o jakýsi "mechanický" ekvivalent bezpečnosti elektrických zařízení, kde je nutné chránit lidskou obsluhu před nebezpečím elektrického proudu. Zatímco požadavky zajištění bezpečnosti proti elektrickému proudu jsou všeobecně chápány jako velmi důležité, bezpečnost proti mechanickým pohybům strojů se poměrně dlouho dost často zanedbávala, i když může způsobit stejně závažné úrazy jako úrazy elektrickým proudem. Ne vždy je chování moderních automatických či poloautomatických strojních zařízení předvídatelné, protože jejich pohyb je dnes obvykle řízen programem řídicí jednotky, jehož strukturu zná čistě jen programátor výrobce. Nehledě na neočekávaná chování způsobená chybami či nedořešenými chybovými stavy řízení stroje. Ne vždy tak lze využít čistě "selský přístup": "Když si dám pozor, nic se mi přece nemůže stát".

Proč používat pevné bezpečnostní ochranné prvky?

Tzv. pevné ochranné prvky, mezi které patří i elektronické bezpečnostní optoelektrické ochrany (tj. bezpečnostní optozávory a světelné závěsy), musí být použity vždy, když přístup do člověku nebezpečné oblasti zařízení není požadován během normálního provozu zařízení. To prakticky znamená všude tam, kde při standardním běhu či funkci zařízení nebo i rozsáhlého systému není trvale aktivně nutná fyzická přítomnost lidské obsluhy. Nejde zde však pouze o plně automatické systémy typu na dopravníku přijede produkt a robotická ruka jej automaticky přesune na jiný dopravník apod., ale i o situace, kde sice přítomnost práce lidské obsluhy sice hraje nezastupitelnou roli ve výrobním procesu, ale přímo nezasahuje do některých částí chráněného zařízení během jeho automatické funkce. Například lze uvést automatický obráběcí CNC stroj, který sice sám obrábí, ale je nutné do něj na začátku ručně vložit a poté ručně vyjmout obráběný materiál / produkt.

Mezi tzv. pevné ochranné prvky patří jak mechanické prvky, které samy o sobě omezují přístup obsluhy do člověku nebezpečných částí zařízení, tak i elektromechanické a čistě elektronické bezpečnostní prvky, které jsou napevno připevněny k struktuře rámu stroje či podlaze (nejsou mobilní). Jmenovat lze například ochranné bezpečnostní sítě, ploty, bariéry, kryty použité samostatně nebo v kombinaci s optoelektrickými (světelnými) ochrannými prvky v podobně doplňkových ochranných zařízení. Mezi ně patří bezpečnostní jednopaprskové optozávory, plošné multipaprskové optozávory (tzv. světelné záclony z ang. Light curtains), bezpečnostní laserové plošné skenery (laser scanners).

Co jsou bezpečnostní světelné závěsy?

Jako bezpečnostní ochranná optická elektrozařízení se nejčastěji využívají vícepaprskové (multipaprskové) optické závory ve formě optické "stěny", tzv. světelné závěsy z anglického překladu "light curtains". Toto označení pěkně vystihuje provedení a funkci těchto světelných ochran, které vytvářejí plošnou detekci přítomnosti osoby či libovolného objektu prostřednictvím soustavy nejčastěji mnoha rovnoběžných paprsků mezi vysílačem a přijímačem ve formě úzkých, ale dlouhých "sloupků". Ty se obecně vyrábějí v různě dlouhých provedeních a s různým tzv. rozlišením, což není nic jiného než vzdálenost mezi nebližšími paralelními paprsky, tedy prostor, který není hlídán. Správná volba světelných záclon na základě těchto dvou parametrů je určena několika několika normami, které je nutné dodržet, pokud použití bezpečnostních světelných záclon má mít právní i bezpečnostní smysl.

Upevnění pevných bezpečnostních ochranných prvků

Norma ČSN EN ISO 12100 "Bezpečnost strojních zařízení - Základní pojmy, všeobecné zásady pro konstrukci " vyžaduje pro pevné ochranné bezpečnostní prvky pevné upevnění ke konstrukci zařízení, stroji či například k podlaze prostřednictvím přivaření nebo použitím upevňovacích prvků vyžadující použití nářadí (šrouby, nýty apod.). V případě nemožnosti použít předchozí volby, je možné použít poziční monitorovací bezpečnostní systém s bezpečnostními spínači (viz norma EN 1088).

Výška a pozice pevných bezpečnostních ochranných prvků

Norma ČSN EN ISO 13857 s názvem "Bezpečnost strojních zařízení - Bezpečné vzdálenosti k zamezení dosahu do nebezpečných prostor horními a dolními končetinami" (EN ISO 13857 "Safety of machinery - Safety distances to prevent danger zones being reached") obsahuje dvě tabulky pro definování požadované výšky "c" a "b" vs. vzdálenost "a" bezpečnostních pevných ochranných prvků / optozávor od člověku nebezpečného provozního místa zařízení (point of operation) "d". V těchto dvou tabulkách lze na základě maximální výšky nebezpečného provozního místa určit požadovanou kombinaci minimální vzdálenosti a výšky ochranných prvků, tj. včetně snímané plochy světelnými závorami. Podle konkrétních místních podmínek je vždy nutné zvolit buď min. realizovatelnou výšku či vzdálenost a na základě toho z tabulky určit příslušný druhý parametr (např. viz tabulka na webu http://www.leuze.com/en/deutschland/loesungen... společnosti Leuze electronic GmbH).

Pro zjednodušení života konstruktérům a uživatelům pak výrobci bezpečnostních prvků / optozávor nabízejí na svých webových stránkách interaktivní kalkulačky s obrázeky a popisy řešené situace. Například výrobce kompletního sortimentu bezpečnostích ochranných prvků / zařízení, německá společnost Leuze electronic GmbH, nabízí tyto služby na své webové stránce www.safety-at-work.leuze.de.

Vzdálenosti instalace bezpečnostních světelných závěsů

Optoelektrická (světelná) ochranná zařízení, tedy nejčastěji světelné záclony, mohou správně plnit svojí ochranou funkci jen v případě, že jsou instalovány v dostatečné vzdálenosti od nejbližšího nebezpečného provozního místa chráněného stroje či zařízení, které může způsobit újmu libovolného člověka (point of operation). Bezpečná vzdálenost od chráněného zařízení, resp. jeho nejbližšího provozního místa, musí být dostatečně veliká, aby nebezpečný pohyb stroje byl spolehlivě zastaven od aktivace optoelektrické ochrany dříve, než některá část lidského těla se může jakkoliv dostat do této nebezpečné provozní oblasti (point of operation). Tato minimální bezpečná vzdálenost se nejdříve počítá na základě standardizovaných vzorců v EU dle normy: ČSN EN ISO 13855: Bezpečnost strojních zařízení - Umístění ochranných zařízení s ohledem na rychlosti přiblížení částí lidského těla (EN ISO 13855: Safety of machinery – Positioning of protective equipment with respect to the approach speeds of parts of the human body) s ohledem na doporučení IEC TS 62046.

Následně se musí ještě v praxi zkontrolovat, zda tato vzdálenost současně umožňuje ergonomický provoz zařízení z pohledu jeho obsluhy. Rychlost reakce / vypnutí nebezpečných částí zařízení však musí být taková, aby v kombinaci se vzdáleností optoelektrické ochrany nenastal stav, že část lidského těla se přiblíží dříve k nebezpečnému místu, než je příslušná část stroje zastavena.

Základní výpočet bezpečné vzdálenosti dle uvedené normy je: S = (K x T) + C,

kde S = min. bezpečná vzdálenost, K=přístupová rychlost lidského těla (1600 nebo 2000 mm/s), T = čas zastavení celého systému zařízení, C = dodatečná vzdálenost daná rozlišením optoelektrického ochranného zařízení a dalších okolnosti (hodnota 0 až 1200 mm - volba hodnoty viz popis norma EN ISO 13855).

Základní výpočet bezpečné vzdálenosti S dle normy EN ISO 13855: zahrnuje část "KxT" zohledňující max. rychlost přístupu a čas zastavení stroje a dodatečnou vzdálenost C (a = výška pracovního bodu, b = výška ochrany, 1 = bezpečnostní světelný závěs, 2 = nebezpečná zóna, 3 = podlaha).

Podle normy EN ISO 13855 je však k uvedenému výpočtu mnoho různých výjimek a doplňků pro různé provozní režimy, pozice umístění / montáže a snímací rozlišení bezpečnostních detekčních ochranných světelných závor, které v sobě také zahrnuje proměnná "C". Například je nutné posuzovat směr pohybu nejen kolmo na pozici bezpečnostních optoelektrických detekčních ochranných zařízení (tzv. přístup skrz "SRT = Reach Through"), ale také nutné zahrnout ostatní okolnosti možného přístupu, jakými jsou přechod přes nebo pod (tzv. přístup pod a nad "SRO = Reach Over"), nebo možnost přístupu překročení snímacích paprsků u horizontální (vodorovné) detekce. To však souvisí i s volbou pozice / natočení bezpečnostních optozávor (světelných závěsů).

Základní pozice montáže světelných závěsů

S ohledem na výše uvedené se optoelektronické bezpečnostní světelné závěsy instalují v jednom z následujících režimů:

vertikálně (kolmo k zemi či případně pod úhlem větším než 30° až do 90° ) pro detekci průniku ruky nebo prstů do nebezpečné oblasti,
horizontálně (vodorovně se zemi či pod úhlem blížící do 30°) pro detekci přítomnosti osoby v nebezpečné oblasti,
šikmo (montáž pod sklonem okolo 30°) pro speciální funkce současně za určitých podmínek detekující vertikální i horizontální průnik.

Tři definované možnosti pozice umístění bezpečnostních světelných závěsů či optozávor chránící přístup ke stroji.

Na základě odhadnutého rozlišení (vzdálenosti sousedních paprsků), odezvy závěsu, odezvy bezpečnostního spínacího relé a doběhového času stroje je tedy možné dle normy EN ISO 13855 vypočítat minimální bezpečnou vzdálenost pro umístění závěsu (u horizontální montáže do výpočtu vstupuje ještě výška umístění závěsu nad zemí). Protože výpočet není zcela jednoduchý, výrobci bezpečnostních světelných závěsů někdy poskytují službu v podobě online kalkulačky na svých webových stránkách pro dané případy použití. Například konkrétně výrobce světelných závěsů řady MLC, společnost Leuze electronic GmbH, tyto výpočty také poskytuje na své webové stránce: http://www.leuze.com/en/deutschland/loesungen...

Kromě bezpečnostní kategorie, rozlišení, výšky chráněného pole a dosahu mohou být závěsy charakterizovány také speciálními funkcemi jako muting (pro volný pohyb materiálu, ale zabránění vstupu osob), blanking (umožní přesah materiálu do závěsu, ale detekuje osobu) a jedno-/dvoutakt (pro zakládání materiálu s automatickým restartem) a další. Existují také kaskádovatelné varianty, které lze propojit do série.

Bezpečností světelné závěsy Leuze MLC

Bezpečností světelné závěsy Leuze řady MLC jsou nejnovější přírůstek v nabídce do oblasti bezpečnosti strojů. Konkrétně jde o dvě výkonnostní řady:

MLC300, která je v provedení Type 2 (dle bezpečnostní normy EN IEC 61496) a dále splňuje bezpečnostní kategorii Cat. 2, resp. výkonnostní úroveň PL c (dle normy EN ISO 13849), a SIL 1 dle normy EN IEC 61508. Nabízená rozlišení jsou 20, 30, 40 pro délky 150 až 3000 mm a 90 mm pro délky 450 až 3000 mm.
MLC500 určena pro "bezpečnější řešení", která je v provedení Type 4 (dle bezpečnostní normy EN IEC 61496) a dále splňuje bezpečnostní kategorii Cat. 4, resp. výkonnostní úroveň PL e (dle normy EN ISO 13849), a SIL 3 dle normy EN IEC 61508. Nabízená rozlišení jsou 14, 20, 30, 40 a 90 mm.

Obě řady však mají společné úzké, ale velmi odolné tělo o průřezu jen 29 x 35 mm, které má zesílené boky pro větší mechanickou odolnost a odsazené clony. Zakončeny jsou pak masivním kovovým pouzdrem, které zároveň slouží jako hlavní nosný a upevňovací bod vysílače i přijímače každého světelného závěsu.

K montáži se zde totiž využívá zajímavého speciálního držáku, který umožňuje velmi snadné a přesné natočení přijímače i vysílače světelného závěsu do požadovaného náklonu. Držák se na jedné straně pevně přišroubuje k nosnému prvku, zatímco na straně vysílače či přijímače světelného závěsu se nasune na koncový kulatý závit, zároveň slouží jako vývod elektrického připojovacího konektoru M12. Moderní novinkou je pak 2D kód natištěný na každém světelném závěsu, jehož pomocí za použití chytrého mobilního telefonu s internetem lze snadno okamžitě získat technické informace o zařízení z webu výrobce.

Z pohledu rozlišení detekce obě řady MLC300 i MLC500 nabízejí hodnoty 20, 30 a 40 mm pro délky 150 až 3000 mm a 90 mm pro délky 450 až 3000 mm. Řada MLC500 pak navíc ještě nabízí volbu rozlišení 14 mm u délek 150 až 3000 mm.

Podle svých vestavěných funkcí jsou pak řady MLC300 i MLC500 jsou dále děleny na verze:

Basic (řada MLC300 i MLC500) = univerzální základní provedení poskytující mimo jiné funkci automatického startu/restartu, volbu vysílacího kanálu a nastavení redukce dosahu pro eliminaci vlivu rušení a okolních blízkých světelných závěsů.
Standard (řada MLC300 i MLC500) = basic verze navíc doplněná o funkci start/restart interlocku RES, monitorování připojení kontaktů EMD (contact monitoring EMD), 7segmentový LED displej a teach-in nastavení bez nutnosti připojení k PC a přiřazení závěsu do 1 ze 3 bezpečnostních zón.
Extended (pouze řady MLC500) = nadstandardně vybavená verze doplněná proti verzi Standard o funkce dočasného časového vyřazení (muting), 5 provozních režimů, skenovací režim SingleScan/DoubleScan/MaxiScan, možnost nastavení fixního či plovoucího clonění (blanking) části paprsků učením bez PC.

Závěr

Světelné závěsy patří obecně dnes mezi nejpoužívanější čistě elektrická bezpečnostní zařízení. Umožňují účinně ochránit takové prostory, kde nelze instalovat mechanické zábrany typu oplocení či různé stěny a zábradlí. Například v místech, kde do nebezpečného prostoru automaticky vjíždějí nebo jej opouštějí produkty nebo výrobní materiál, nebo kde je požadován či očekáván častý přístup obsluhy a odnímatelné mechanické zábrany typu dveře či závory by nejen obsluhu nadměrně unavovaly, ale současně by se jejich častým používáním výrazně snižovala jejich životnost opotřebením. Najdete je tedy prakticky na většině rozsáhlých průmyslových robotických pracovištích, velkých automatických obráběcích strojích či v automatických či poloautomatických skladech a zásobnících. Jejich role v zajištění bezpečnosti strojních pracovišť je tedy nezastupitelná.