Prędkość bezpieczna maszyny

Czy prędkość bezpieczna maszyny to rzeczywiste rozwiązanie, czy jedynie wygodne uproszczenie? Wielu inżynierów i operatorów maszyn stosuje ten termin podczas pracy w trybach serwisowych, przezbrajania czy ręcznego sterowania. Ograniczenie prędkości kojarzy się z obniżeniem ryzyka – ale czy to wystarczy?

Wyobraźmy sobie robot przemysłowy w trybie teach poruszający się z prędkością 250 mm/s. Normy wskazują, że to wystarczająco mało, by uznać taką pracę za „bezpieczną”. Jednak co w sytuacji, gdy masywny suwak prasy hydraulicznej porusza się nawet wolniej – 10 mm/s? Czy można uznać, że mniejsza prędkość zawsze oznacza mniejsze zagrożenie?

W praktyce bezpieczeństwo maszyn to nie tylko kwestia prędkości, ale także energii, masy, siły i – co najważniejsze – analizy ryzyka. W tym artykule pokażemy, dlaczego sama prędkość to za mało i jak normy techniczne pomagają zrozumieć, co naprawdę wpływa na bezpieczeństwo operatora.

Co mówią normy o prędkości bezpiecznej maszyny?

Chociaż termin „prędkość bezpieczna maszyny” nie jest bezpośrednio zdefiniowany w normach zharmonizowanych, wiele z nich dostarcza wytycznych dotyczących ograniczenia prędkości maszyn w określonych warunkach. Normy, takie jak PN-EN ISO 10218-1, PN-EN ISO 14120 czy PN-EN 13418, wskazują konkretne wartości prędkości, które pomagają w minimalizacji ryzyka podczas pracy maszyn.

• Roboty przemysłowe w trybie teach
  Według PN-EN ISO 10218-1, roboty w trybie uczenia (teach) nie mogą poruszać się z prędkością większą niż 250 mm/s. Dlaczego właśnie tyle? Przyjęto, że przy tej prędkości, nawet jeśli operator zetknie się z ruchomym ramieniem robota, ryzyko poważnych obrażeń jest minimalne.
• Prasy mechaniczne i hydrauliczne
  W przypadku pras, normy wymagają, aby w trybie nastawczym prędkość suwaka była ograniczona do maksymalnie 10 mm/s. Tak niska wartość pozwala operatorowi na pełną kontrolę nad procesem, a ewentualne zagrożenia mogą być łatwo zauważone i zneutralizowane.
• Przenośniki rolkowe w przetwórstwie gumy i tworzyw sztucznych
  Zgodnie z PN-EN 13418, rolki mogą poruszać się z prędkością maksymalną 15 m/min (250 mm/s), podczas gdy inne elementy tych maszyn są ograniczone do 5 m/min (83 mm/s). Takie limity wynikają z analizy energii kinetycznej i potencjalnych skutków kontaktu z maszyną.
• Osłony ruchome
  Norma PN-EN ISO 14120 wskazuje, że ruchome osłony maszyn muszą być zaprojektowane tak, aby ich energia kinetyczna podczas zamykania nie przekraczała 10 J (dla osłon z dodatkowymi zabezpieczeniami) lub 4 J (dla osłon bez takich zabezpieczeń).

Wszystkie te wartości odnoszą się do konkretnych przypadków i są jedynie wskazówkami w procesie analizy ryzyka. Co więcej, normy takie jak PN-EN ISO 13855 podkreślają, że oprócz prędkości, istotne są również czas reakcji systemu i operatora, a także dystans potrzebny do zatrzymania maszyny.

Roboty przemysłowe w trybie teach

Według PN-EN ISO 10218-1, roboty w trybie uczenia (teach) nie mogą poruszać się z prędkością większą niż 250 mm/s. Jednak sama prędkość to tylko część zabezpieczenia. W tym trybie operator korzysta z teach pendant – urządzenia sterującego, wyposażonego w trójpozycyjny przycisk bezpieczeństwa. Przycisk ten umożliwia kontrolowanie pracy robota:

• Pozycja neutralna (środkowa): robot działa w wyznaczonym trybie.
• Pozycja skrajna (wciśnięta do końca lub puszczona): natychmiastowe zatrzymanie ruchów robota.

Dodatkowo, normy wymagają, aby w trybie teach funkcja SLS (Safely Limited Speed) stale monitorowała prędkość robota. W przypadku przekroczenia ustalonego limitu prędkości system automatycznie zatrzymuje maszynę, zapobiegając niebezpiecznym sytuacjom.

Wnioski: Prędkość 250 mm/s nie jest „bezpieczna” sama w sobie – jej zastosowanie jest skuteczne dzięki połączeniu ograniczeń prędkości, funkcji bezpieczeństwa oraz urządzeń ochronnych takich jak teach pendant.

Energia i siła kontra prędkość: dlaczego analiza ryzyka jest fundamentem bezpieczeństwa?

Prędkość sama w sobie rzadko jest głównym źródłem zagrożenia. To energia kinetyczna – wynik masy i prędkości – oraz siła oddziaływania decydują o tym, czy ruch maszyny jest bezpieczny. Przykład? Kartka papieru ważąca 5 gramów, poruszająca się z prędkością 1 m/s, ma energię kinetyczną zaledwie 0,0025 J i nie stanowi zagrożenia. Jednak drobny wiór metalu o masie 1 grama, uderzający w oko operatora z podobną prędkością, może wyrządzić poważne obrażenia.

Weźmy teraz pod uwagę większe masy:

• Obiekt stalowy o masie 1 kg, poruszający się z prędkością 1 m/s, ma energię kinetyczną wynoszącą 0,5 J. Jeśli uderzy w operatora i zatrzyma się, energia rozproszy się w momencie kontaktu, co może spowodować obrażenia, ale ograniczone do tej chwili.
• Ten sam obiekt, poruszający się z prędkością 0,1 m/s, ma energię kinetyczną wynoszącą jedynie 0,005 J, ale co w sytuacji, gdy maszyna nie zatrzyma się po kolizji i zacznie ściskać operatora? W takich przypadkach istotna staje się siła oddziaływania, a nie tylko energia kinetyczna.

Normy, takie jak PN-EN ISO 14120, uwzględniają oba te parametry przy projektowaniu osłon ruchomych:

1. Energia kinetyczna – ograniczona do:
   • 10 J, jeśli osłona ma dodatkowe urządzenia ochronne (np. listwy naciskowe).
   • 4 J, jeśli takich urządzeń brak.
2. Siła kontaktu – zależna od obecności urządzeń ochronnych:
   • 150 N dla osłon z urządzeniami ochronnymi.
   • 75 N dla osłon bez dodatkowych zabezpieczeń.

Te wymagania uwzględniają zarówno ryzyko wynikające z uderzenia, jak i sytuacje, w których maszyna po kolizji kontynuuje nacisk na operatora. Samo obniżenie prędkości często nie wystarcza – ważne jest także, aby system bezpieczeństwa zatrzymał ruch maszyny w odpowiednim momencie i zapobiegł dalszemu zagrożeniu.

Wnioski:
Prędkość bezpieczna maszyny nie istnieje w oderwaniu od innych parametrów. Analiza ryzyka musi uwzględniać energię kinetyczną, siłę kontaktu oraz zachowanie systemu po ewentualnej kolizji. Normy techniczne, takie jak PN-EN ISO 14120, dostarczają jasnych wskazówek, jak projektować systemy ograniczające ryzyko zarówno w przypadku uderzeń, jak i dalszego nacisku.

Narzędzia i funkcje wspierające ograniczenie prędkości maszyn

Bezpieczna prędkość to nie tylko kwestia odpowiedniego limitu – równie istotne są narzędzia i funkcje, które umożliwiają kontrolę nad ruchem maszyny oraz reakcję w sytuacjach awaryjnych. Wiele norm technicznych wskazuje rozwiązania, które pomagają ograniczać prędkość w sposób skuteczny i bezpieczny.

Funkcje bezpieczeństwa w układach sterowania

Zgodność z wymaganiami Rozporządzenia Maszynowego 2023/1230 (lub Dyrektywy Maszynowej 2006/42/WE) wymaga, aby projektowanie maszyn uwzględniało nie tylko bezpieczeństwo w normalnych warunkach pracy, ale także w trybach serwisowych, przezbrajania czy konserwacji. To właśnie w tych sytuacjach ryzyko kontaktu operatora z maszyną jest największe, dlatego konieczne jest zastosowanie odpowiednich funkcji bezpieczeństwa.

• Bezpieczeństwo funkcjonalne: Kluczowym elementem projektowania jest przewidzenie scenariuszy awaryjnych i zastosowanie układów sterowania, które pozwalają na kontrolowanie ryzyka w każdej fazie pracy maszyny. Funkcje takie jak STO, SLS czy SS1 są w tym kontekście obowiązkowe, szczególnie dla maszyn wymagających bezpośredniej interakcji z operatorem.
• Tryby serwisowe i ręczne: W trybach, gdzie operator jest w bezpośredniej strefie pracy maszyny, niezbędne jest ograniczenie prędkości ruchów roboczych (np. do 10 mm/s dla pras czy 250 mm/s w trybie teach robota). Funkcja SLS nie tylko monitoruje prędkość, ale również aktywnie zapobiega przekroczeniu tych limitów, zapewniając zgodność z wymogami bezpieczeństwa funkcjonalnego.
• Projektowanie zgodne z normami zharmonizowanymi: Normy takie jak PN-EN ISO 13849-1 i PN-EN IEC 62061 określają poziomy zapewnienia bezpieczeństwa (PL lub SIL), które należy spełnić w zależności od analizy ryzyka. Przykładowo, maszyny o wysokim ryzyku wymagają wyższych poziomów niezawodności funkcji bezpieczeństwa.

• SLS (Safely Limited Speed): Funkcja ograniczenia prędkości w czasie rzeczywistym. Monitoruje prędkość maszyny i automatycznie zatrzymuje ruch w przypadku przekroczenia ustalonych limitów. Stosowana np. w robotach przemysłowych podczas pracy w trybie teach.
• STO (Safe Torque Off): Funkcja wyłączająca moment obrotowy silnika, co pozwala na natychmiastowe zatrzymanie ruchu maszyny. Szczególnie przydatna w sytuacjach awaryjnych.
• SS1 i SS2 (Safe Stop 1 i 2): Hamowanie kontrolowane – w SS1 ruch jest zatrzymywany, a maszyna przechodzi do funkcji STO. W SS2 maszyna zatrzymuje się, ale moment obrotowy jest utrzymywany, co pozwala na dalsze trzymanie pozycji.

Urządzenia wspierające pracę operatorów

• Enabling grip switches (urządzenia zezwalające): Trójpozycyjne przyciski stosowane np. w teach pendants. Umożliwiają bezpieczne sterowanie maszyną – gdy operator zbyt mocno wciśnie przycisk lub go puści, maszyna automatycznie zatrzymuje się.
• Listwy naciskowe i maty bezpieczeństwa: Reagują na kontakt z człowiekiem, zatrzymując maszynę w momencie wykrycia nacisku. Szczególnie przydatne w ruchomych osłonach.
• Czujniki prędkości i położenia: Stosowane w funkcji SLS, umożliwiają precyzyjne monitorowanie prędkości ruchu i wykrywanie przekroczenia limitów.

Wnioski:
Bezpieczna prędkość to wynik współdziałania ograniczeń prędkości, odpowiednich funkcji bezpieczeństwa i narzędzi wspierających pracę operatorów. Rozwiązania takie jak SLS, STO czy urządzenia zezwalające pozwalają zminimalizować ryzyko i zwiększyć bezpieczeństwo pracy z maszynami, niezależnie od ich rodzaju i zastosowania.

Przykład linii produkcyjnej do przetwarzania elastycznego materiału – tryb serwisowy

Opis sytuacji

Na linii produkcyjnej pracuje maszyna przetwarzająca elastyczny materiał (np. folię, gumę lub cienkie tkaniny). W celu rozpoczęcia produkcji materiał musi zostać ręcznie wprowadzony pomiędzy walce prasujące. Charakterystyka materiału uniemożliwia pełną automatyzację tego procesu – operator musi ręcznie ustawić początkową pozycję, a następnie uruchomić maszynę.

W przypadku włożenia ręki pomiędzy walce może dojść do przygniecenia lub poważnych obrażeń. Ryzyko wzrasta, ponieważ w trybie serwisowym maszyna działa z obniżoną prędkością, ale nie eliminuje to zagrożenia wynikającego z nacisku.

Scenariusze bezpiecznego rozwiązania:

Funkcjonalność oparta na SLS i STR – ograniczenie prędkości i momentu obrotowego

Mechanizm działania:

• W trybie serwisowym funkcja SLS (Safely Limited Speed) ogranicza prędkość walców do poziomu umożliwiającego natychmiastową reakcję operatora (np. do 5 m/min – 83mm/s).
• Dodatkowo, w momencie zakładania materiału jedyna możliwość obrócenia wałami jest przy użyciu kontroli maksymalnego momentu, funkcja STR (Safe Torque Range). Jeśli ograniczymy siłę wynikającą ze średnicy walców do np. 20 N (która nie zrobi krzywdy) mamy bezpieczne rozwiązanie trybu serwisowego.

Dodatkowe zabezpieczenie:
Uruchomienie maszyny wymaga wciśnięcia trójpozycyjnego przycisku zezwalającego. Jeśli operator zbyt mocno wciśnie lub puści przycisk, system automatycznie zatrzymuje walce.

Zalety:

• Pełna kontrola operatora nad prędkością i ruchem walców.
• Szybka reakcja w przypadku wykrycia niebezpieczeństwa.
• Minimalne ryzyko urazu dzięki ograniczeniu momentu obrotowego.