Integracja robotów przemysłowych – jak robić to dobrze?

Integracja robotów przemysłowych: Bezpieczeństwo systemów zrobotyzowanych nie kończy się na zakupie urządzenia. Dopiero właściwa integracja z linią produkcyjną pozwala osiągnąć pełną funkcjonalność przy jednoczesnym spełnieniu rygorystycznych wymagań bezpieczeństwa. Norma PN-EN ISO 10218-2, jako zharmonizowana norma typu C, precyzyjnie opisuje, jak minimalizować ryzyko związane z wdrożeniem robotów przemysłowych.

W tym artykule skupimy się na kluczowych elementach integracji: od analizy ryzyka, przez projektowanie systemu i układów sterowania, aż po procedury FAT i SAT oraz walidację zgodności systemu. Szczegółowo omówimy również środki techniczne ochrony, które muszą towarzyszyć każdemu robotowi, aby mógł bezpiecznie współpracować z ludźmi i innymi maszynami.

Bezpieczna integracja to nie tylko zgodność z normami – to realne ograniczenie ryzyka i gwarancja stabilnej pracy systemu.

Analiza ryzyka dla zintegrowanego systemu zrobotyzowanego

Każdy proces integracji robotów przemysłowych i systemu automatyki przemysłowej w tym stanowiska zrobotyzowanego musi rozpocząć się od analizy ryzyka, której celem jest identyfikacja wszystkich potencjalnych zagrożeń związanych z pracą robota oraz wdrożenie odpowiednich środków ochronnych. Norma PN-EN ISO 10218-2 wskazuje, że analiza ryzyka jest fundamentem bezpiecznej integracji i odnosi się do wymagań z ISO 12100, czyli ogólnych zasad oceny ryzyka.

Identyfikacja zagrożeń

Podstawą analizy ryzyka jest zidentyfikowanie zagrożeń wynikających z:

• ruchów robota, zarówno zamierzonych, jak i niekontrolowanych,
• pracy człowieka w pobliżu robota (dostęp do strefy zagrożenia),
• czynności konserwacyjnych i serwisowych,
• współpracy robota z innymi maszynami i urządzeniami.

W zintegrowanym systemie szczególną uwagę należy zwrócić na:

• przestrzeń pracy robota – jej fizyczne ograniczenie oraz możliwość wtargnięcia człowieka,
• punkty kolizyjne – miejsca, gdzie może dojść do pochwycenia, zmiażdżenia lub uderzenia,
• układy sterowania – ryzyko wynikające z awarii lub błędów w komunikacji.

Ocena ryzyka

Zidentyfikowane zagrożenia należy poddać ocenie pod kątem:

• prawdopodobieństwa wystąpienia,
• skutków wypadku (od niewielkich obrażeń po poważne uszkodzenia ciała lub zagrożenie życia),
• częstotliwości narażenia człowieka na dane zagrożenie.

Na podstawie wyników oceny ryzyka określa się priorytety oraz środki techniczne i organizacyjne, które pozwolą to ryzyko zminimalizować.

Eliminacja zagrożeń i redukcja ryzyka

Norma PN-EN ISO 10218-2 podkreśla, że redukcja ryzyka powinna odbywać się zgodnie z tzw. hierarchią środków ochronnych:

1. Eliminacja zagrożeń na etapie projektowania (np. poprzez odpowiednie ograniczenie strefy pracy robota).
2. Środki techniczne ochrony, takie jak osłony stałe, ruchome z blokadą lub systemy detekcji obecności człowieka.
3. Środki organizacyjne – odpowiednie szkolenia, procedury pracy i oznakowanie strefy roboczej.

Przykład: Jeśli analiza ryzyka wykaże ryzyko pochwycenia operatora przez robota podczas interwencji serwisowej, można:

• wyposażyć system w czujniki obecności,
• zastosować blokady bezpieczeństwa uniemożliwiające uruchomienie robota przy otwartej osłonie,
• zaprojektować strefy ograniczonego dostępu.

Dokumentacja analizy ryzyka

Wszystkie etapy analizy ryzyka powinny zostać udokumentowane. Dokumentacja musi zawierać:

• identyfikację zagrożeń,
• ocenę poziomu ryzyka,
• opis zastosowanych środków ochronnych,
• dowody na zgodność systemu z wymaganiami bezpieczeństwa.

Ostateczna analiza ryzyka staje się podstawą do dalszego projektowania i Integracji robotów przemysłowych oraz stanowi ważną część dokumentacji technicznej wymaganej przez Dyrektywę Maszynową i Rozporządzenie ws. Maszyn 2023/1230/UE.

Bezpieczne projektowanie systemu zrobotyzowanego

Bezpieczne zaprojektowanie systemu z robotem przemysłowym to etap, który łączy wyniki analizy ryzyka z praktycznymi rozwiązaniami technicznymi. Norma PN-EN ISO 10218-2 szczegółowo określa wymagania dotyczące układu sterowania, dostępu do strefy roboczej oraz zastosowania środków ochronnych. Projektując system, należy uwzględnić nie tylko fizyczną ochronę, ale także sposób, w jaki operatorzy będą z nim współpracować.

1. Podział stref pracy robota

Projektowanie zaczyna się od wyznaczenia strefy zagrożenia oraz stref dostępu:

• Strefa pracy robota: Obszar, w którym poruszają się ramiona robota i narzędzia końcowe. Musi być fizycznie ograniczony za pomocą osłon stałych lub ruchomych.
• Strefa monitorowana: Obszar, w którym pracują systemy detekcji obecności (np. skanery, kurtyny świetlne).
• Strefa bezpieczna: Miejsce poza obszarem zagrożenia, które służy operatorom do monitorowania pracy robota lub przeprowadzania interwencji.

Norma wymaga, aby dostęp do strefy pracy robota był możliwy tylko wtedy, gdy zagrożenie zostało wyeliminowane, na przykład poprzez:

• wyłączenie zasilania,
• blokady z funkcją ryglowania (zgodnie z ISO 14119),
• użycie technicznych środków detekcji.

2. Środki ochronne

Środki ochronne są integralną częścią bezpiecznego systemu. Ich dobór zależy od rodzaju zagrożeń zidentyfikowanych w analizie ryzyka. Norma PN-EN ISO 10218-2 szczególnie podkreśla znaczenie:

• Osłon stałych – dla miejsc, gdzie dostęp nie jest konieczny w trakcie normalnej pracy.
• Osłon ruchomych z blokadą – zapobiegających uruchomieniu robota, gdy osłona jest otwarta.
• Systemów detekcji obecności – skanery, kurtyny świetlne czy maty czułe na nacisk, które zatrzymują robota w momencie wykrycia człowieka w strefie monitorowanej.

Ważne: Projektując środki ochronne, należy pamiętać, że każdy z nich ma swoje ograniczenia.

Przykład: Kurtyny świetlne nie zabezpieczą strefy przed wyrzucanymi elementami, dlatego mogą wymagać dodatkowych osłon fizycznych.

3. Bezpieczny dostęp do robota

Norma szczegółowo omawia kwestie związane z dostępem do robota:

• Dostęp serwisowy: Powinien być możliwy tylko przy wyłączonym zasilaniu i w warunkach bezpiecznych.
• Czynności interwencyjne: Muszą być realizowane z użyciem systemów kontrolowanych przez integratora, np. przerywacze obwodu z blokadą.
• Widoczność: Operator powinien mieć możliwość monitorowania pracy robota z bezpiecznej odległości, np. za pomocą paneli sterujących.

Środki techniczne ochrony dla systemów zrobotyzowanych

Środki techniczne ochrony to podstawa bezpiecznego stanowiska zrobotyzowanego. Ich dobór zależy od wyników analizy ryzyka, a PN-EN ISO 10218-2 wskazuje, jak je właściwie zaprojektować i zintegrować. To nie tylko kwestia formalności – każde zaniedbanie może prowadzić do poważnych wypadków.

1. Osłony i urządzenia blokujące

Osłony oddzielają człowieka od strefy zagrożenia i mogą przyjmować różne formy:

• Osłony stałe – montowane tam, gdzie dostęp jest potrzebny wyłącznie podczas serwisu. Ich demontaż wymaga użycia narzędzi.
• Osłony ruchome z blokadą – stosowane tam, gdzie dostęp do robota jest niezbędny w czasie pracy. Otworzenie osłony automatycznie blokuje działanie robota.

Dla bardziej wymagających sytuacji, gdzie zatrzymanie robota trwa zbyt długo, norma zaleca osłony z ryglowaniem. Mechanizm ryglujący uniemożliwia dostęp do strefy pracy, dopóki zagrożenie nie zostanie całkowicie wyeliminowane. To szczególnie ważne przy robotach o dużej bezwładności, gdzie czas zatrzymania jest wydłużony.

Wskazówka: Wymagania dla urządzeń blokujących i ryglujących są szczegółowo opisane w ISO 14119. To jedna z norm zharmonizowanych typu B podstawowa dla integratora automatyki przemysłowej.

2. Systemy detekcji obecności

Tam, gdzie osłony nie wystarczają, stosuje się systemy detekcji obecności człowieka. Do najczęściej używanych należą:

• Kurtyny świetlne – wykrywają przerwanie wiązki światła i natychmiast zatrzymują ruch robota.
• Skanery laserowe – monitorują strefę wokół robota, dynamicznie dostosowując obszar ochronny do sytuacji.
• Maty naciskowe – reagują na obecność człowieka, gdy jego stopa wejdzie na powierzchnię maty.

Dobór systemu detekcji zależy od prędkości, z jaką człowiek może zbliżyć się do robota. W tym celu stosuje się wytyczne z normy ISO 13855, która określa zasady obliczania odległości bezpieczeństwa oraz sposób badania dobiegów.

3. Funkcja zatrzymania awaryjnego (E-Stop)

Na każdym stanowisku zrobotyzowanym musi być zapewniona funkcja zatrzymania awaryjnego. Przycisk E-Stop pozwala na natychmiastowe wstrzymanie pracy robota w sytuacjach kryzysowych, ale – i to bardzo ważne – nie jest urządzeniem bezpieczeństwa.

• E-Stop działa reaktywnie – zatrzymuje pracę, ale nie zapobiega zagrożeniom.
• Nie może być traktowany jako główny środek ochronny.

Funkcja zatrzymania awaryjnego musi być zgodna z normą ISO 13850, która określa wymagania projektowe oraz rozmieszczenie przycisków awaryjnych.

4. Ograniczenia ruchu robota

Aby zminimalizować ryzyko związane z ruchem robota, stosuje się:

• Ograniczniki programowe – definiują zakres ruchu robota w układzie sterowania.
• Ograniczniki mechaniczne – fizyczne blokady uniemożliwiające przekroczenie bezpiecznego obszaru pracy.

Odpowiednie ograniczenie ruchu robota jest jednym z podstawowych sposobów zapobiegania sytuacjom, w których człowiek mógłby znaleźć się w zasięgu jego działania.

Środki techniczne ochrony powinny być przemyślane i dostosowane do realnych zagrożeń na stanowisku zrobotyzowanym. Ich skuteczność zależy nie tylko od jakości wykonania, ale przede wszystkim od właściwej integracji z układami sterowania.

Integracja robotów przemysłowych: układy sterowania

Integracja układów sterowania na stanowisku zrobotyzowanym jest jednym z najbardziej wymagających etapów pracy integratora. System sterowania musi zapewniać pełną kontrolę nad robotem oraz współpracującymi z nim maszynami, a jednocześnie gwarantować bezpieczeństwo użytkownikom. Norma PN-EN ISO 10218-2 podkreśla, że układy sterowania odpowiadają za eliminację ryzyka wynikającego z awarii, błędów operatora oraz niekontrolowanych ruchów.

1. Wymagania dla układów sterowania

Zintegrowany system sterowania musi spełniać wymagania funkcjonalne i bezpieczeństwa zgodnie z ISO 13849-1 i IEC 62061. Kluczowe aspekty to:

• Niezawodność: System musi być odporny na pojedyncze defekty oraz błędy w oprogramowaniu.
• Redundancja: W przypadku awarii jednego komponentu funkcje bezpieczeństwa muszą być podtrzymane przez redundantne elementy układu.
• Detekcja błędów: Układ sterowania powinien automatycznie wykrywać błędy i przechodzić do bezpiecznego stanu (np. zatrzymania pracy).

Przykład: Jeśli system wykryje awarię czujnika położenia robota, układ sterowania musi wstrzymać pracę robota i zablokować jego dalszy ruch do momentu rozwiązania problemu.

2. Integracja z innymi urządzeniami

Robot rzadko działa jako samodzielne urządzenie. W większości przypadków współpracuje z innymi maszynami, przenośnikami lub systemami wizyjnymi. Integracja układów sterowania powinna:

• Zapewnić koordynację ruchów pomiędzy robotem a innymi urządzeniami.
• Gwarantować synchronizację funkcji bezpieczeństwa, np. wspólne zatrzymanie awaryjne dla wszystkich urządzeń.
• Wyeliminować ryzyko wynikające z przecięcia stref pracy różnych maszyn.

Wskazówka: Dobrą praktyką jest stosowanie zdecentralizowanych układów sterowania, które umożliwiają szybszą reakcję na lokalne zagrożenia.

3. Komunikacja i diagnostyka

Nowoczesne stanowiska zrobotyzowane wykorzystują zaawansowane systemy komunikacji. Kluczowe znaczenie ma:

• Bezpieczna transmisja danych: Przesyłanie sygnałów sterujących i informacji o stanie robota musi odbywać się z zachowaniem bezpieczeństwa funkcjonalnego.
• Diagnostyka w czasie rzeczywistym: System powinien monitorować działanie robota i urządzeń współpracujących, zgłaszać błędy oraz umożliwiać szybką lokalizację usterek.

Przykład: Informacja o otwarciu osłony ruchomej powinna natychmiast trafić do układu sterowania robota, aby uruchomić funkcję zatrzymania.

4. Integracja funkcji bezpieczeństwa

Funkcje bezpieczeństwa muszą być zintegrowane z układem sterowania w sposób, który nie pozostawia miejsca na błędy. Przykłady funkcji bezpieczeństwa na stanowisku zrobotyzowanym:

• Bezpieczne zatrzymanie (Stop Category 0 i 1): Zgodne z ISO 13850, umożliwia szybkie odcięcie energii lub kontrolowane zatrzymanie robota.
• Monitorowanie prędkości i pozycji: Funkcja, która zapobiega przekroczeniu bezpiecznych wartości ruchu robota.
• Blokada dostępu: Zatrzymanie robota przy otwarciu osłony z blokadą.

Integracja układów sterowania wymaga precyzji i zgodności z normami. Każdy błąd może prowadzić do niekontrolowanych ruchów robota, co stanowi poważne zagrożenie.

Integracja robotów przemysłowych: Zapobieganie niekontrolowanym ruchom robota

Niekontrolowane ruchy robota to jedno z największych zagrożeń na stanowisku zrobotyzowanym. Mogą wystąpić na skutek awarii układów sterowania, błędów programowych lub niewłaściwej integracji systemu. Norma PN-EN ISO 10218-2 szczegółowo opisuje, jak zapobiegać takim sytuacjom, uwzględniając dwa warianty zabezpieczeń, które odpowiadają różnym poziomom ryzyka i charakterystyce pracy robota.

1. Wariant pierwszy – Bezpieczne zatrzymanie robota

Ten wariant opiera się na natychmiastowym zatrzymaniu robota w momencie wykrycia zagrożenia lub błędu w układzie sterowania. Istotne są tu dwie kategorie zatrzymania, zgodne z ISO 13850:

• Stop Category 0 – natychmiastowe odcięcie zasilania i zatrzymanie robota na drodze naturalnej bezwładności.
• Stop Category 1 – kontrolowane zatrzymanie robota, przy zachowaniu zasilania, a następnie odcięcie energii.

Kluczowe zasady:

• Funkcja zatrzymania musi być niezawodna i spełniać wymagania dla układów sterowania opisane w ISO 13849-1.
• Należy stosować mechaniczne ograniczniki ruchu lub inne fizyczne środki, które zapobiegają niekontrolowanemu przemieszczaniu się robota po zatrzymaniu.
• Zastosowanie monitorowania pozycji i prędkości w czasie rzeczywistym, aby natychmiast wykrywać odchylenia od zadanych wartości.

Przykład: W przypadku utraty sygnału ze skanera bezpieczeństwa lub otwarcia osłony ruchomej, robot przechodzi w stan bezpiecznego zatrzymania, uniemożliwiając jego dalszy ruch do czasu usunięcia zagrożenia.

2. Wariant drugi – Zapobieganie niekontrolowanemu uruchomieniu

Drugi wariant skupia się na eliminacji ryzyka ponownego uruchomienia robota w sposób niekontrolowany, na przykład po usunięciu awarii lub przerwie w zasilaniu. Aby to osiągnąć, należy:

• Zastosować funkcje zabezpieczeń układów sterowania, które wymagają potwierdzenia ze strony operatora przed ponownym uruchomieniem systemu.
• Wprowadzić blokady bezpieczeństwa – na przykład, robot nie może zostać uruchomiony, jeśli osłona ruchoma pozostaje otwarta lub nie jest poprawnie zablokowana.
• Zapewnić automatyczną diagnostykę systemu, która wykrywa i zgłasza wszelkie błędy w układach sterowania.

Przykład: Po przerwaniu pracy robota, np. w wyniku zatrzymania awaryjnego, jego ponowne uruchomienie wymaga świadomego działania operatora i potwierdzenia, że warunki pracy są bezpieczne (zamknięte osłony, brak obecności człowieka w strefie zagrożenia).

Monitorowanie i walidacja środków zabezpieczających

Niezależnie od wybranego wariantu, norma PN-EN ISO 10218-2 wymaga, aby:

• Wszystkie środki zapobiegające niekontrolowanym ruchom były testowane i monitorowane na bieżąco.
• Układ sterowania wykrywał wszelkie anomalie i uruchamiał odpowiednie procedury zabezpieczające.
• Zastosowane funkcje bezpieczeństwa były zgodne z wymaganiami poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa (PL) lub poziomu SIL.

Zapobieganie niekontrolowanym ruchom robota to fundament bezpieczeństwa na stanowisku zrobotyzowanym. Odpowiednie zaprojektowanie funkcji zatrzymania, blokad i diagnostyki pozwala skutecznie zminimalizować ryzyko wynikające z awarii układów sterowania.

FAT i SAT – Odbiór systemu zrobotyzowanego oraz walidacja bezpieczeństwa

Finałowym etapem integracji stanowiska zrobotyzowanego jest potwierdzenie, że system spełnia wszystkie wymagania funkcjonalne i bezpieczeństwa. W tym celu norma PN-EN ISO 10218-2 określa procedury FAT (Factory Acceptance Test) i SAT (Site Acceptance Test), które są znormalizowanymi narzędziami do przeprowadzenia odbioru systemu. Oczywiście, w artykule skupiamy się na bezpieczeństwie, a testy funkcjonalne są definiowane indywidualnie pomiędzy partnerami biznesowymi i nie są w zakresie normy omawiane.

1. FAT – Testy odbiorowe u producenta

FAT to testy przeprowadzane jeszcze w zakładzie producenta lub integratora, zanim system trafi na miejsce docelowej instalacji. Celem FAT jest:

• potwierdzenie, że system zrobotyzowany działa zgodnie ze specyfikacją techniczną,
• weryfikacja poprawności działania układów sterowania, w tym funkcji bezpieczeństwa,
• identyfikacja ewentualnych nieprawidłowości jeszcze przed instalacją systemu u klienta.

Zakres FAT obejmuje:

• testy funkcjonalne: sprawdzenie pracy robota, ruchów, prędkości i koordynacji z innymi urządzeniami,
• testy układów sterowania: weryfikacja funkcji zatrzymania awaryjnego, blokad osłon, monitorowania stref bezpieczeństwa,
• symulacje sytuacji awaryjnych: sprawdzenie reakcji systemu na otwarcie osłony, aktywację skanera czy awarię komponentu sterującego.

Przykład: W czasie FAT wykonuje się test otwarcia osłony ruchomej w trakcie pracy robota. Robot musi natychmiast zatrzymać ruch, a jego ponowne uruchomienie musi być możliwe dopiero po zamknięciu osłony i potwierdzeniu stanu bezpiecznego przez operatora.

2. SAT – Testy odbiorowe na miejscu instalacji

SAT to testy przeprowadzane już w miejscu docelowego użytkowania systemu, po jego instalacji i konfiguracji. Główne zadanie SAT to potwierdzenie, że system działa poprawnie w rzeczywistych warunkach pracy, z uwzględnieniem otoczenia oraz interakcji z operatorami i innymi maszynami.

Zakres SAT obejmuje:

• integrację systemu zrobotyzowanego z pozostałą infrastrukturą zakładu,
• weryfikację środków ochronnych, w tym blokad, skanerów i kurtyn świetlnych,
• testy bezpieczeństwa w warunkach rzeczywistych,
• szkolenie operatorów z zakresu obsługi i procedur awaryjnych.

Ważne: SAT nie polega na powtórzeniu FAT, lecz skupia się na specyfice danego środowiska pracy. Wszelkie nieprawidłowości wykryte na tym etapie muszą zostać natychmiast usunięte.

3. Walidacja funkcji bezpieczeństwa

Walidacja bezpieczeństwa to ostatni krok, który potwierdza, że zastosowane rozwiązania spełniają wymagania wynikające z analizy ryzyka oraz norm zharmonizowanych. Walidacja obejmuje:

• sprawdzenie układów sterowania zgodnie z ISO 13849-2 lub IEC 62061,
• testy działania wszystkich funkcji bezpieczeństwa, takich jak zatrzymanie awaryjne, monitorowanie prędkości czy blokady dostępu,
• potwierdzenie, że ryzyko resztkowe zostało zminimalizowane do poziomu akceptowalnego.

Przykład: Po zakończeniu integracji należy przeprowadzić test poprawności działania układu sterowania w przypadku awarii komponentu, aby upewnić się, że system przejdzie w bezpieczny stan.

4. Dokumentacja odbioru i walidacji

Wyniki testów FAT i SAT oraz walidacji funkcji bezpieczeństwa muszą być odpowiednio udokumentowane. Dokumentacja powinna zawierać:

• szczegółowy raport z testów funkcjonalnych i bezpieczeństwa,
• rejestr ewentualnych usterek i podjętych działań korygujących,
• potwierdzenie zgodności systemu z PN-EN ISO 10218-2 oraz innymi obowiązującymi normami.

FAT i SAT to nie formalność, lecz gwarancja, że system zrobotyzowany działa nie tylko zgodnie z założeniami produkcyjnymi, ale przede wszystkim spełnia wymagania bezpieczeństwa. Dopiero po pomyślnym przejściu tych testów oraz walidacji można uznać, że system jest gotowy do użytkowania.

FAQ: Integracja robotów przemysłowych

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