Bezpieczeństwo funkcjonalne

Czy wiesz, że większość maszyn nie tylko działa, ale także zatrzymuje się bezpiecznie dzięki zaawansowanym systemom sterowania? Bezpieczeństwo funkcjonalne to nie tylko zestaw norm, lecz także efekt przemyślanej inżynierii, która pozwala maszynom przewidywać i reagować na sytuacje krytyczne. W normie PN-EN 61508 definiuje się je jako zdolność systemu do wykonywania funkcji ochronnych, które minimalizują ryzyko awarii prowadzących do zagrożeń. Mechanizmy takie jak STO (Safe Torque Off), SS1 (Safe Stop 1) czy SLS (Safe Limited Speed) opisane w PN-EN 61800-5-2 są doskonałym przykładem technologii, które czynią pracę z maszynami bezpieczniejszą i bardziej przewidywalną. W tym artykule przyjrzymy się, jak te rozwiązania wpływają na projektowanie i eksploatację systemów przemysłowych.

Co oznacza bezpieczeństwo funkcjonalne?

Bezpieczeństwo funkcjonalne to podejście, które skupia się na niezawodnym działaniu systemów automatyki przemysłowej odpowiedzialnych za ochronę w sytuacjach awaryjnych. Jego zadaniem jest nie tylko eliminacja zagrożeń, ale także ograniczenie skutków tych, których nie można w pełni wykluczyć. W praktyce oznacza to projektowanie systemów, które potrafią wykrywać problemy i reagować w sposób przewidywalny. Przykładem są funkcje takie jak STO, które natychmiast odłączają moment obrotowy, czy SS1, które zapewniają kontrolowane zatrzymanie maszyny. Dzięki temu minimalizuje się ryzyko zarówno dla ludzi, jak i samego sprzętu.

Dlaczego bezpieczeństwo funkcjonalne jest ważne?

Wyobraź sobie system, który nie potrafi wykryć awarii lub nie reaguje na nią wystarczająco szybko. Skutki mogą być poważne – od wypadków wśród operatorów, przez uszkodzenie sprzętu, aż po przestoje kosztujące setki tysięcy złotych. Bezpieczeństwo funkcjonalne to odpowiedź na te zagrożenia. Jego rolą jest przewidywanie ryzyka i zarządzanie nim na każdym etapie – od projektowania maszyn, przez ich działanie, aż po konserwację. Dzięki takim funkcjom jak SLS, które monitoruje i ogranicza prędkość maszyny, lub SS2, które utrzymuje stabilną pozycję po zatrzymaniu, można unikać sytuacji krytycznych i zapewniać ciągłość produkcji.

Kategorie bezpiecznego zatrzymania

W normie PN-EN 61800-5-2 (która jako norma zharmonizowana pomaga spełnić wymagania zasadnicze) funkcje bezpieczeństwa takie jak STO, SS1 i SS2 są zgrupowane w ramach kategorii bezpiecznego zatrzymania. Każda z tych funkcji odpowiada innemu scenariuszowi zatrzymania maszyny:

1. Kategoria 0 (STO):
   Zatrzymanie w wyniku natychmiastowego odłączenia zasilania napędu, bez kontrolowanego hamowania. To podejście jest szybkie, ale nie pozwala na ochronę mechanizmów, które mogą ulec uszkodzeniu przy gwałtownym zatrzymaniu. Typowe zastosowanie to aktywacja przycisku awaryjnego.
2. Kategoria 1 (SS1):
   Zatrzymanie kontrolowane, które polega na aktywnym hamowaniu maszyny, a następnie przejściu do funkcji STO. Wykorzystywane tam, gdzie bezpieczeństwo wymaga spowolnienia ruchu, np. w liniach produkcyjnych z elementami delikatnymi.
3. Kategoria 2 (SS2):
   Zatrzymanie kontrolowane z utrzymaniem momentu obrotowego po zakończeniu hamowania. To rozwiązanie jest niezbędne w systemach, które wymagają stabilizacji pozycji, np. w windach przemysłowych lub maszynach z elementami zawieszonymi.

Ten wyraźny podział pozwala projektantom i integratorom automatyki przemysłowej dopasować sposób zatrzymania do specyfiki maszyny i wymagań bezpieczeństwa. Dzięki temu można uniknąć zarówno zagrożeń dla operatorów, jak i potencjalnych uszkodzeń mechanicznych.

Kategoria zatrzymania	Funkcja	Opis działania	Przykładowe zastosowanie
Kategoria 0 (STO)	Bezpieczne wyłączenie momentu (Safe Torque Off)	Natychmiastowe odłączenie momentu obrotowego, brak kontrolowanego hamowania.	Awaryjne zatrzymanie przenośników, wyłączniki awaryjne.
Kategoria 1 (SS1)	Bezpieczne zatrzymanie 1 (Safe Stop 1)	Kontrolowane hamowanie napędu, po którym następuje bezpieczne wyłączenie momentu (STO).	Linie produkcyjne z delikatnymi elementami, suwnice.
Kategoria 2 (SS2)	Bezpieczne zatrzymanie 2 (Safe Stop 2)	Kontrolowane hamowanie z utrzymaniem momentu obrotowego po zatrzymaniu.	Windy przemysłowe, maszyny z elementami zawieszonymi.

Bezpieczeństwo funkcjonalne – Funkcje monitorowania i kontroli

Funkcje monitorowania i kontroli to kolejny aspekt bezpieczeństwa funkcjonalnego tam, gdzie zatrzymanie maszyny nie wystarcza, a precyzyjne zarządzanie jej ruchem jest koniecznością. Dzięki nim maszyny mogą działać w ściśle określonych warunkach, zapewniając maksymalną ochronę operatorom i procesom.

• SLS (Safe Limited Speed) – Bezpieczne ograniczenie prędkości pozwala na stałe monitorowanie szybkości ruchu maszyny i natychmiastową reakcję, jeśli zostanie przekroczony ustalony limit. To rozwiązanie idealnie sprawdza się w robotach przemysłowych, gdzie podczas współpracy z człowiekiem maszyna musi działać wolniej.
• SOS (Safe Operating Stop) – Bezpieczne zatrzymanie operacyjne pozwala na zatrzymanie maszyny w stanie gotowości do natychmiastowego wznowienia pracy. Dzięki temu procesy wymagające ciągłości działania, jak linie montażowe, mogą funkcjonować bez zbędnych przestojów.
• SLP (Safe Limited Position) – Funkcja bezpiecznego ograniczenia pozycji kontroluje zakres ruchu maszyny, co pozwala uniknąć kolizji. To rozwiązanie jest niezastąpione w systemach transportowych, gdzie ruch odbywa się w ograniczonej przestrzeni.
• SBC (Safe Brake Control) – Bezpieczne sterowanie hamulcem dodaje dodatkową warstwę ochrony w aplikacjach, gdzie zatrzymanie napędu wymaga wsparcia mechanicznych układów hamulcowych. Jest to szczególnie przydatne w suwnicach czy przenośnikach wielkogabarytowych, gdzie masa i bezwładność stanowią wyzwanie.

Funkcje te pozwalają maszynom działać w sposób przewidywalny, dopasowany do specyfiki aplikacji, i sprawiają, że praca z nimi jest nie tylko bardziej efektywna, ale przede wszystkim bezpieczna.

Skrót funkcji	Pełna nazwa	Opis działania	Przykładowe zastosowanie
SOS	Bezpieczne zatrzymanie operacyjne (Safe Operating Stop)	Zatrzymanie operacyjne z utrzymaniem gotowości do natychmiastowego wznowienia pracy.	Systemy montażowe, automatyzacja produkcji.
SLS	Bezpieczne ograniczenie prędkości (Safe Limited Speed)	Monitorowanie prędkości i zapobieganie jej przekroczeniu.	Roboty przemysłowe, tryb teach maszyn współpracujących.
SSR	Bezpieczny zakres prędkości (Safe Speed Range)	Kontrola prędkości, aby mieściła się w określonym bezpiecznym zakresie.	Prasy, systemy transportowe.
SDI	Bezpieczny kierunek ruchu (Safe Direction)	Zapewnienie ruchu maszyny wyłącznie w dozwolonym kierunku.	Suwnice, maszyny CNC.
SLP	Bezpieczne ograniczenie pozycji (Safe Limited Position)	Monitorowanie pozycji maszyny i zapobieganie jej przekroczeniu ustalonych granic.	Precyzyjne systemy pozycjonowania, maszyny do obróbki materiałów.
SLA	Bezpieczne ograniczenie przyspieszenia (Safe Limited Acceleration)	Kontrola maksymalnego przyspieszenia napędu.	Maszyny z dużymi przeciążeniami, linie montażowe.
SAR	Bezpieczny zakres przyspieszenia (Safe Acceleration Range)	Utrzymanie przyspieszenia w określonym zakresie.	Systemy transportowe, dynamiczne maszyny przemysłowe.
SBC	Bezpieczne sterowanie hamulcem (Safe Brake Control)	Zarządzanie działaniem hamulców w celu kontrolowanego zatrzymania maszyny.	Suwnice, przenośniki taśmowe, windy przemysłowe.
SBT	Bezpieczny test hamulca (Safe Brake Test)	Przeprowadzanie bezpiecznych testów hamulców w celu ich weryfikacji i niezawodności.	Maszyny wymagające częstych przeglądów hamulców, suwnice.

Praktyczne aspekty wdrożenia funkcji bezpieczeństwa

Wdrażanie funkcji bezpieczeństwa w systemach przemysłowych wymaga zrozumienia zarówno norm, jak i specyfiki danej aplikacji. Oto kluczowe kroki:

• Analiza ryzyka
  Zaczynamy od pytania: „Co może pójść nie tak?”. Każdy etap działania maszyny musi być przeanalizowany pod kątem potencjalnych zagrożeń. Na przykład, w linii produkcyjnej z robotem przemysłowym, zagrożeniem może być niekontrolowany ruch w trybie serwisowym. Dobór funkcji, takich jak SLS czy SOS, zależy właśnie od wyników tej analizy.
• Dobór komponentów
  Gdy wiemy, jakie zagrożenia chcemy wyeliminować, przechodzimy do wyboru odpowiednich elementów. Przykładowo:
  • STO wymaga sterownika bezpieczeństwa i kompatybilnych napędów, które realizują tę funkcję.
  • SLS wymaga czujników prędkości i systemów monitorowania zintegrowanych z falownikami.
• Testowanie i walidacja
  Nawet najlepszy projekt wymaga weryfikacji. Testowanie powinno obejmować symulacje awarii, takie jak aktywacja E-STOP i sprawdzenie, czy wszystkie funkcje (np. STO lub SS1) działają zgodnie z założeniami. Nie chodzi tylko o zgodność z normą, ale o praktyczne bezpieczeństwo ludzi i procesów.

Wymagania dotyczące diagnostyki i niezawodności

Normy, takie jak PN-EN ISO 13849-1 i PN-EN 61508, podkreślają znaczenie niezawodności systemów bezpieczeństwa. Dlaczego to istotne? Każda awaria w systemie bezpieczeństwa może skutkować nie tylko przestojem, ale przede wszystkim zagrożeniem życia lub zdrowia.

• Poziomy wydajności (Performance Level – PL)
  Norma PN-EN ISO 13849-1 wprowadza poziomy wydajności (PL) od PLa do PLe, które określają, jak niezawodny musi być system w zależności od ryzyka. Przykładowo, SLS w robotach współpracujących często wymaga PLd, co oznacza, że musi być odporny na pojedyncze awarie.
• Diagnostyka systemów bezpieczeństwa
  Funkcje bezpieczeństwa, takie jak SBT (Safe Brake Test), są istotne w systemach, gdzie niezawodność hamulców odgrywa kluczową rolę. Przykład? Suwnice, gdzie regularne testy zapobiegają awariom mechanizmów hamujących.
• Cykle życia systemu (SIL)
  PN-EN 61508 opisuje koncepcję SIL (Safety Integrity Level), która dotyczy całego cyklu życia systemu. Przykładowo, system z SIL2 musi być zaprojektowany, aby jego prawdopodobieństwo awarii było ekstremalnie niskie, ale dopuszcza stosunkowo prostsze procedury diagnostyczne w porównaniu z SIL3.

Przykład zastosowania funkcji bezpieczeństwa

Scenariusz: Robot przemysłowy w linii produkcyjnej

W zakładzie produkcyjnym zastosowano robota, który współpracuje z ludźmi w trybie teach. Jakie funkcje bezpieczeństwa są wymagane?

• STO (Safe Torque Off):
  Kiedy operator wchodzi do strefy pracy robota, funkcja STOP natychmiast odłącza moment obrotowy napędu, eliminując ryzyko niekontrolowanego ruchu.
• SLS (Safe Limited Speed):
  Podczas programowania (teach mode) prędkość ramienia robota jest ograniczana do 250 mm/s, zgodnie z wymogami normy zharmonizowanej z Dyrektywą Maszynową PN-EN ISO 10218-1. SLS jest realizowane za pomocą enkoderów i sterowników bezpieczeństwa, które stale monitorują ruch.
• SOS (Safe Operating Stop):
  W czasie zmiany narzędzia na ramieniu robota, SOS pozwala zatrzymać ruch, ale utrzymać maszynę w stanie gotowości. Dzięki temu proces jest płynny i szybki – nie wymaga pełnego resetu systemu.

Efekt:

Dzięki integracji tych funkcji linia produkcyjna spełnia wymagania norm bezpieczeństwa, a operatorzy mogą pracować blisko maszyny bez ryzyka wypadku.

FAQ: Bezpieczeństwo funkcjonalne

analiza ryzyka automatyka przemysłowa automatyzacja procesów produkcyjnych automatyzacja produkcji dokumentacja techniczna dyrektywa EMC dyrektywa LVD dyrektywa maszynowa 2006/42/WE Instrukcja obsługi integrator automatyki przemysłowej KPI maszyna nieukończona normy zharmonizowane ocena ryzyka OEE oznakowanie CE projektowanie maszyn rozporządzenie w sprawie maszyn 2023/1230 zarządzanie projektami Znak CE