Czujniki bezpieczeństwa

Czy wiesz, że każdy czujnik – od indukcyjnego, przez ciśnieniowy, aż po zamki RFID – może pełnić funkcję bezpieczeństwa, jeżeli tylko zapewnimy mu właściwą redundancję i diagnostykę? W powszechnym użyciu utarło się sformułowanie „czujnik bezpieczeństwa”, jednak formalnie nie istnieje uniwersalna kategoria takich czujników. Kluczowe jest to, jak dany sensor zostaje włączony w układ sterowania i czy spełnia wymogi norm PN-EN ISO 13849-1 (Performance Level) oraz PN-EN 62061 (SIL). Niniejszy artykuł pokazuje od ogółu do szczegółu, jak różne typy czujników (np. indukcyjne, ciśnieniowe, krańcówki, RFID, wyłączniki bezpieczeństwa) mogą wspomagać lub pełnić funkcję bezpieczeństwa maszyn.

Czujniki i bezpieczeństwo maszyn

Zgodnie z dyrektywą maszynową (a także nowym z rozporządzeniem (UE) ws. maszyn 2023/1230, które zastępuje obecną dyrektywę), producent lub integrator automatyki przemysłowej jest zobowiązany do zapewnienia, że maszyna jest bezpieczna dla użytkowników. Częścią tego procesu jest ocena ryzyka maszyn i zaprojektowanie odpowiednich układów bezpieczeństwa.

Wiele osób utożsamia bezpieczeństwo z samymi wyłącznikami bezpieczeństwa (np. zamkami przy osłonach), ale w praktyce każdy czujnik, jeśli zostanie zastosowany w obwodzie bezpieczeństwa, może wspomagać funkcję bezpieczeńśtwa. Warunkiem jest spełnienie wymagań, które pozwalają osiągnąć odpowiedni Performance Level (PL) lub Safety Integrity Level (SIL).

Czujniki bezpieczeństwa: Kryteria oceny bezpieczeństwa: PL i SIL

PN-EN ISO 13849-1 (Performance Level)

• Określa poziomy bezpieczeństwa od PL a do PL e.
• Im wyższy poziom (np. PL e), tym mniejsze dopuszczalne prawdopodobieństwo awarii funkcji bezpieczeństwa.
• Aby osiągnąć PL e, konieczne są m.in. redundancja, pokrycie diagnostyczne (DC, Diagnostic Coverage) oraz potwierdzony poziom niezawodności poszczególnych elementów (MTTFd).

PN-EN 62061 (SIL) / EN 61508

• Wskazuje poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa od SIL 1 do SIL 4.
• Dla maszyn przemysłowych typowe wymagania to SIL 2 lub SIL 3.
• Przy projektowaniu funkcji bezpieczeństwa dla SIL 3 nie wystarczy sam czujnik z wyjściem sygnału – potrzeba także rozbudowanej architektury kontrolnej (sterownik bezpieczeństwa, przekaźnik bezpieczeństwa lub moduł wejść/wyjść safety).

Ważne: W obu podejściach bardzo ważnym aspektem jest, czy układ potrafi wykryć i zareagować na ewentualną usterkę czujnika, czy np. zapewnia dublowanie torów sygnałowych (redundancję).

Przykładowe czujniki w roli elementów safety

Czujniki dzielimy zwykle wg zasady pomiaru (indukcyjne, optyczne, ciśnieniowe itd.), jednak z perspektywy bezpieczeństwa ważniejsze jest to, jak projektant włącza je w system sterowania oraz jakie mają parametry niezawodności.

Czujnik indukcyjny

• Zastosowanie: Detekcja obecności elementu metalowego (np. położenie siłownika, blokady mechanicznej).
• Funkcja w systemie bezpieczeństwa: Jeżeli musimy monitorować położenie kluczowej części maszyny (np. zatrzymany stempel), dwa czujniki indukcyjne w układzie dwukanałowym pozwolą na wykrycie błędu jednego z nich.
• Wersje „safety”: Niektórzy producenci oferują czujniki indukcyjne z dodatkowymi przewodami diagnostycznymi, co ułatwia uzyskanie PL d/e lub SIL 2/3.

Czujnik ciśnienia

• Zastosowanie: Monitorowanie ciśnienia w układach hydraulicznych lub pneumatycznych.
• Funkcja w systemie bezpieczeństwa: Może wyłączyć maszynę lub zainicjować bezpieczny stan, gdy ciśnienie przekracza dopuszczalny poziom.
• Ograniczenia: Aby sensor ciśnienia mógł uchodzić za element obwodu bezpieczeństwa, musi mieć deklarowane wskaźniki niezawodności i umożliwiać (przynajmniej na poziomie układu) monitorowanie ewentualnych awarii lub odchyleń od normy.

Wyłączniki bezpieczeństwa przy osłonach

• Klasyka bezpieczeństwa: Krańcówki z wymuszonym otwarciem, zamki bezpieczeństwa z ryglowaniem, wyłączniki linkowe przy taśmach transportowych.
• Redundancja: Coraz częściej producenci oferują dwukanałowe wyjścia (4-6 przewodów) i wewnętrzną diagnostykę.
• Kodowanie RFID: Nowoczesne zamki i krańcówki bezstykowe są często wyposażone w identyfikację RFID, co utrudnia manipulację (zastąpienie elementu innym).

Kurtyny i bariery świetlne

• Zastosowanie: Zabezpieczenie stref dostępu, np. wokół prasy czy robota przemysłowego.
• Poziom bezpieczeństwa: Większość barier dostępnych na rynku deklaruje osiągnięcie PL e / SIL 3, pod warunkiem prawidłowego montażu i konfiguracji.
• Funkcje dodatkowe: Niektóre mają zaawansowaną autodiagnostykę, rozróżnienie blanking lub muting (dopasowanie do procesu), co zwiększa funkcjonalność bez obniżania poziomu bezpieczeństwa.

Czujniki z kodowaniem RFID

• Największy atut: Trudne do zmanipulowania, bo każdy aktor RFID jest „sparowany” z konkretnym czytnikiem.
• Możliwość łączenia szeregowego: Wiele z nich pozwala na tzw. daisy chain, czyli podłączenie kilku czujników kolejno jeden do drugiego przy zachowaniu wysokiego poziomu diagnostyki.
• Zastosowanie: Głównie przy osłonach i drzwiczkach, ale też w bardziej złożonych projektach (np. nadzór pozycji wymiennych modułów w maszynach).

Czujniki bezpieczeństwa: Jak osiągnąć wysoki poziom bezpieczeństwa (PL e / SIL 3)?

1. Redundancja (dwukanałowość)
   • Dwa niezależne tory sygnałowe pozwalają na wykrycie awarii jednego z czujników.
   • Przykład: Zamiast jednego czujnika indukcyjnego, dwa równolegle monitorujące to samo zdarzenie; czujnik bezpieczeństwa z dwoma kanałami OSSD w jednej obudowie.
2. Zaawansowana diagnostyka (DC – Diagnostic Coverage)
   • Czujnik powinien sygnalizować zwarcia, rozwarcia czy blokadę sygnału.
   • W praktyce: Wyjścia OSSD, protokoły transmisji (np. IO-Link Safety), linie testowe.
3. Parametry niezawodności
   • Producent musi dostarczyć dane takie jak MTTFd, PFH, ewentualnie wskaźniki SIL, by można je było wprowadzić do narzędzi obliczeniowych (np. SISTEMA).
   • Im lepiej udokumentowane jest urządzenie, tym łatwiejsze udowodnienie osiągnięcia PL e / SIL 3 w ocenie ryzyka maszyny.
4. Odpowiednia architektura systemu sterowania
   • Nawet najdoskonalszy czujnik nie zagwarantuje bezpieczeństwa, jeżeli nie współpracuje ze sterownikiem bezpieczeństwa lub przekaźnikiem safety dostosowanym do wymagań normy.
   • Trzeba też zapewnić zgodne z normami elementy wykonawcze (np. styczniki z wymuszonym rozwieraniem).

Kodowanie RFID i łączenie szeregowe – nowoczesne trendy

Kodowanie RFID

• Poziom kodowania: W normie PN-EN ISO 14119 wyróżniono niski, średni i wysoki poziom zabezpieczenia. RFID często zalicza się do wyższego poziomu, bo sensor rozpoznaje unikalny kod nadajnika.
• Korzyści: Utrudnienie obejścia systemu (tampering), wyższa zgodność z kategoriami 3 lub 4 (PL d/e).

Łączenie szeregowe (tzw. daisy chain)

• Dlaczego popularne? Pozwala zmniejszyć liczbę przewodów i wejść sterownika bezpieczeństwa. Zamiast 10 kabli do 10 czujników, prowadzi się jeden łańcuch.
• Czy nie obniża bezpieczeństwa? W nowoczesnych rozwiązaniach nie – każdy czujnik w szeregu potrafi zasygnalizować swój stan, dzięki czemu nadal mamy wysoką diagnostykę (np. PL e / SIL 3).

Czujniki bezpieczeństwa: Wdrażanie i praktyczne wskazówki

1. Przeprowadź analizę ryzyka
   • Sprawdź, czy maszyna potrzebuje PL e / SIL 3, czy wystarczy niższy poziom (np. PL d / SIL 2).
   • Nadmierne wymogi mogą zwiększyć koszty, ale niedoszacowanie grozi niewystarczającym zabezpieczeniem.
2. Dobierz odpowiednie czujniki
   • Upewnij się, że producent udostępnia parametry do obliczeń (MTTFd, DC, PFH).
   • Rozważ czujniki RFID lub wzmocnione konstrukcje dedykowane do bezpieczeństwa – z reguły mają gotowe certyfikaty jednostek notyfikowanych.
3. Zaprojektuj redundancję i diagnostykę
   • Wysoki poziom bezpieczeństwa wymaga dwukanałowego rozwiązania (kategoria 3, 4 wg ISO 13849-1).
   • W sterowniku bezpieczeństwa (lub przekaźniku) ustaw funkcje diagnostyczne, by natychmiast wykrywać usterkę.
4. Korzystaj z narzędzi inżynierskich
   • Oprogramowanie SISTEMA (lub podobne) pozwala na weryfikację, czy uzyskane są założone poziomy PL.
   • W przypadku SIL (EN 62061) konieczne jest oszacowanie parametru PFH dla całej funkcji bezpieczeństwa.
5. Zadbaj o szkolenia i audyty
   • Szkolenia z bezpieczeństwa maszyn pomagają poznać praktyczne przykłady, uniknąć błędów i wdrożyć skuteczne rozwiązania.
   • Regularny audyt bezpieczeństwa pozwala utrzymać maszynę w zgodzie z przepisami (także w kontekście przyszłych zmian norm zharmonizowanych i dyrektyw).

Wbrew powszechnym wyobrażeniom nie ma jednego uniwersalnego „czujnika bezpieczeństwa” – istnieją dowolne czujniki, które mogą pełnić funkcję bezpieczeństwa, jeśli zapewnimy im właściwe warunki: redundancję, diagnostykę i odpowiednio zaprojektowaną architekturę sterowania. Stawka jest wysoka, bo chodzi o bezpieczeństwo operatorów, a także o zgodność maszyny z obowiązującymi przepisami i normami.

• Czujniki indukcyjne, ciśnieniowe czy wyłączniki krańcowe mogą stać się krytycznym elementem safety, gdy zadbasz o dwukanałowość i monitorowanie uszkodzeń.
• RFID i nowoczesne technologie pozwalają skutecznie przeciwdziałać manipulacji i fałszywym sygnałom.
• Łączenie szeregowe (daisy chain) przy zachowaniu odpowiedniego poziomu diagnostyki upraszcza instalację i pozwala zachować PL e / SIL 3.

Ostatecznie dobór i wdrożenie właściwych czujników to nie tylko wymóg formalny (np. uzyskanie deklaracji zgodności czy spełnienie wymogów dyrektywy maszynowej), ale też realna inwestycja w bezpieczeństwo i wydajność parku maszynowego. Chcesz mieć pewność, że projekt jest odporny na awarie? Rozważ konsultacje z doświadczonym integratorem automatyki przemysłowej, skorzystaj z audytu bezpieczeństwa i pamiętaj o ciągłym doskonaleniu wiedzy – to się naprawdę opłaca.