Bezpieczne układy pneumatyczne

Bezpieczne układy

pneumatyczne

Wykład przygotowany przez pracownika

Instytutu Technik Wytwarzania PW

Wojciecha Kramarka

Struktura systemów sterowania
związanych z bezpieczeństwem

System sterowania związany z bezpieczeństwem (SRCS

— safety related control system) jest tą częścią systemu
sterowania maszyny, której zadaniem jest zapobieganie
sytuacjom zagrożenia. Może to być osobny system
dedykowany lub zintegrowany ze standardowym systemem
sterowania.

Systemy sterowania związane z bezpieczeństwem

odpowiadają za wykonywanie funkcji bezpieczeństwa. SRCS
musi działać prawidłowo we wszystkich możliwych do
przewidzenia warunkach.

Funkcja bezpieczeństwa

Funkcja bezpieczeństwa jest realizowana przez

elementy systemu sterowania związane z bezpieczeństwem

w celu zapewnienia lub utrzymania bezpiecznej kontroli nad

sprzętem w obliczu określonego zagrożenia. Niezadziałanie

funkcji bezpieczeństwa może skutkować natychmiastowym

zwiększeniem ryzyka korzystania ze sprzętu, czyli

wystąpieniem zagrożenia.

Obszar bezpiecznego sterowania

Aby zminimalizować ryzyko tworzone przez układ

sterujący maszyny należy rozważać wszystkie elementy
układu, a nie ograniczać się do układu elektrycznego.
Bezpieczeństwo systemu zależy od najsłabszego ( z punktu
widzenia bezpieczeństwa) elementu w układzie sterującym.
Może to być element części pneumatycznej, hydraulicznej
lub mechanicznej.

Wymagania dla elementów pneumatycznych

W układzie sterującym odpowiadającym za

bezpieczeństwo maszyny, a zawierającym elementy

pneumatyczne, muszą być spełnione następujące warunki:
-elementy pneumatyczne muszą pracować w układzie

redundancyjnym,
-muszą być monitorowane w celu sprawdzenia

wykonywania poleceń sterujących a także w celu

wykrywania znaczącej zmiany w charakterystykach,
-elementy sterujące muszą powracać do bezpiecznej

pozycji w przypadku zaniku ciśnienia zasilającego lub zaniku

sygnału elektrycznego,
-elementy sterujące muszą zablokować działanie układu po

wykryciu błędu do momentu jego usunięcia,
-powinny posiadać specjalną dedykowaną funkcję resetu

wejściowego i nie powinny pozwolić na samoczynny reset

układu po powrocie ciśnienia zasilającego.

Kategorie bezpieczeństwa

Kategorie bezpieczeństwa tworzą układ odniesienia dla

określenia koniecznego w danym przypadku poziomu
bezpiecznego dla maszyny lub konkretnej jej części lub
sekcji.

Kategorie bezpieczeństwa maszyny zostały

zdefiniowane w normie PN-EN 954-1.

Norma PN-EN 954-1:2001 wyróżnia pięć kategorii

bezpieczeństwa ( kategoria B, 1, 2, 3 i 4) i precyzuje
wymagania dotyczące każdej z nich w rozdziale 6.2.

Kategoria B

Związane z bezpieczeństwem elementy systemu

sterowania powinny być zaprojektowane, dobrane,

zbudowane i zestawione oraz zmontowane w sposób

zgodny ze stosownymi normami i zaleceniami producentów,

z zachowaniem podstawowych zasad bezpieczeństwa dla

określonego zastosowania.

Elementy muszą sprostać spodziewanym narażeniom

pracy, wpływom użytych materiałów technologicznych, jak

np. smary, środki myjące itd. oraz wpływom znaczących

czynników zewnętrznych jak drgania, czy pola

elektromagnetyczne.

W przypadku każdej wymienionej niżej, wyższej

kategorii bezpieczeństwa, wymagania kategorii B muszą

zostać spełnione, wraz z wymaganiami specyficznymi dla

danej kategorii.

Kategoria bezpieczeństwa 1

Wymagania

Muszą być spełnione wymagania kategorii bezpieczeństwa
B.
Muszą być stosowane zatwierdzone podzespoły i zasady
bezpieczeństwa.

Zachowanie systemu: wystąpienie błędu może

doprowadzić do utraty funkcji bezpieczeństwa.
Prawdopodobieństwo wystąpienia błędu niższe niż dla kat.
B

Podstawy osiągnięcia bezpieczeństwa: przez dobór

odpowiednich składników oraz właściwą instalacje (zasady
bezpieczeństwa).

Kategoria 1 bezpieczeństwa

Elementy spełniające wymagania 1 kategorii

bezpieczeństwa powinny być budowane na bazie
wypróbowanych elementów składowych i przy
wykorzystaniu sprawdzonych zasad bezpieczeństwa.

Przez wypróbowane elementy należy rozumieć:

- powszechnie używane w przeszłości,
- wytwarzane według sprawdzonych zasad.

Elementy są uznawane za „wypróbowane”, jeśli były z

powodzeniem wykorzystywane w wielu podobnych
zastosowaniach. Nowe elementy bezpieczeństwa są
uznawane za wypróbowane, jeśli są zaprojektowane
zgodnie z odnośnymi normami, a zgodność ta została
potwierdzona.

Kategoria 2 bezpieczeństwa

Podobnie jak w przypadku kategorii 1, konieczne jest

spełnienie wymagań kategorii B, a ponadto należy
zagwarantować, że funkcja bezpieczeństwa jest
sprawdzana (kontrolowana) w trybie automatycznym lub
ręcznym przez system sterowania maszyny.

Sprawdzanie powinno być przeprowadzane w

następujących sytuacjach:
- podczas uruchamiania maszyny,
- przed wystąpieniem każdej sytuacji niebezpiecznej,
- okresowo w czasie pracy, gdy jest to konieczne (ze
względu na rodzaj pracy lub ocenę ryzyka).

3 kategoria bezpieczeństwa

Oprócz konieczności spełnienia wymagań dla

podstawowej kategorii bezpieczeństwa B oraz stosowania
wypróbowanych zasad bezpieczeństwa, kategoria 3
wymaga udanego działania funkcji bezpieczeństwa przy
obecności pojedynczego defektu. Gdy jest to rozsądne
praktycznie, defekt powinien być wykryty w momencie lub
przed kolejnym przywołaniem funkcji bezpieczeństwa.

Może jednak się zdarzyć, że utrata funkcji

bezpieczeństwa zostanie spowodowana przez kumulację
niewykrytych defektów

4 kategoria bezpieczeństwa

Podobnie jak kategoria 3, również kategoria 4 wymaga,

aby system bezpieczeństwa spełniał wymagania kategorii
B, używał zasad bezpieczeństwa i wykonywał funkcję
bezpieczeństwa w obecności pojedynczego defektu. W
przeciwieństwie do kategorii 3, gdzie kumulacja defektów
może prowadzić do utraty funkcji bezpieczeństwa,
kategoria 4 wymaga wykonania funkcji bezpieczeństwa
przy kumulacji defektów.

Kumulacja defektów dotyczy najczęściej wystąpienia 2

defektów, ale w niektórych systemach należy uwzględniać
3 defekty.

Problemy niezawodności układów

pneumatycznych

Zapewnienie niezawodności sterowania układów płynowych
nie polega na odtworzeniu bezpiecznych układów sterujących
elektrycznych. Przykładowo, zwykła redundancja w układach
pneumatycznych wymaga zastosowania czterech rozdzielaczy
a nie dwóch styczników jak w układach elektrycznych. Dwa z
tych zaworów odpowiadają za bezpieczne zasilanie
pneumatyczne, natomiast dwa pozostałe za bezpieczne
zatrzymywanie (rozładowanie energii).
W wielu nieprofesjonalnie zaprojektowanych układach
pneumatycznych ryzyko istnieje w postaci ukrytych
potencjalnych przepływów. Dobrym przykładem na tą sytuację
są połączenia chwilowe rozdzielaczy występujące w
momentach przesterowań, które nie są przedstawiane na
schematach obwodów sterujących.

Typowe błędy elementów pneumatycznych

Na bezpieczeństwo układów pneumatycznych

wpływają najczęściej dwie sytuacje. Pierwsza sytuacja

dotyczy zablokowania suwaka zaworu w pozycji otwartej lub

zamkniętej. (brak reakcji na sygnały sterujące).

Druga niebezpieczna sytuacja powstaje, gdy czas

przesterowanie suwaka zaworu ulega znacznemu

wydłużeniu. Sytuacja taka może skutkować błędnymi

położeniami elementów wykonawczych.

Norma ANSI B11.19- 2003 zaleca system monitoringu

w celu wykrywania tych sytuacji w zastosowaniach

niebezpiecznych. Łatwym rozwiązaniem jest zastosowanie

elementów z wbudowanymi czujnikami wskazującymi

położenie suwaka w celu wykrywania omówionych powyżej

błędów zadziałania.

Funkcje bezpieczeństwa

W wymienionych stanach w napędowych i sterujących

układach pneumatycznych mogą być realizowane określone

funkcje bezpieczeństwa:
-zasilanie sprężonym powietrzem,
-odcięcie pod ciśnieniem,
-ograniczenie ciśnienia i siły,
-odpowietrzenie części instalacji,
-sterowanie oburęczne,
-zabezpieczenie przed nieoczekiwanym uruchomieniem,
-zmniejszenie prędkości,
-brak siły,
-zatrzymanie, trzymanie, blokowanie ruchu,
-odwrócenie kierunku ruchu.

Zasilanie sprężonym powietrzem

Gwałtowny wzrost ciśnienia w układzie

pneumatycznym jest zjawiskiem niepożądanym. W celu
minimalizacji tego zjawiska stosuje się zawory wolnego
startu, jak np. HEL (rys. poniżej) firmy Festo instalowane w
stacjach przygotowania powietrza.

Zastosowanie

takiego rozwiązania cechuje:
1) powolny powrót napędów pneumatycznych do pozycji
wyjściowych,
2)uniknięcie gwałtownych i nieprzewidywalnych ruchów
zespołów i części maszyn.

Ograniczenie ciśnienia i siły

Wartość generowanej przez napędy pneumatyczne siły

zależy bezpośrednio od wartości ciśnienia powietrza
zasilającego.
Niejednokrotnie w sytuacjach awaryjnych nie jest
wymagane całkowite zaprzestanie pracy napędów
pneumatycznych, a jedynie zmniejszenie generowanej
przez nie siły. W takiej sytuacji idealnie nadaje się zawór
redukcyjny ciśnienia z dwoma jego stopniami serii
LR-D-MINI (rys. poniżej). Wybór wartości ciśnienia,
nastawianego mechanicznie, dokonuje się za pomocą
sygnału elektrycznego.

Odpowietrzenie

Jednym z najczęściej stosowanych rozwiązań w

przypadku konieczności zatrzymania awaryjnego maszyny
jest „odebranie” energii z urządzenia. W odniesieniu do
pneumatyki oznacza to odpowietrzenie (przy założeniu, że
nie spowoduje to wzrostu zagrożenia ze względu na
niekontrolowane ruchy elementów urządzenia pod
wpływem sił grawitacji i bezwładności).

Dla zwiększenia pewności poprawnego wykonania tej

czynności, firma Festo oferuje zawór odcinająco-
odpowietrzający z kontrolą położenia suwaka.

Sterowanie oburęczne

Blok sterowania oburęcznego (rys. poniżej) znajduje

zastosowanie wszędzie tam, gdzie konieczne jest

wymuszenie obsługi urządzenia przez użycie obu rąk przy

starcie. Ciągły wyjściowy sygnał pneumatyczny jest

generowany wyłącznie wtedy, kiedy na obu wejściach

pojawiają się sygnały pneumatyczne wejściowe z różnicą

czasową od 0,2 do 0,5 s. W sytuacji zaniku jednego z

sygnałów wejściowych następuje natychmiastowy zanik

sygnału wyjściowego sterującego urządzeniem.

Ponadto po każdym cyklu pracy musi nastąpić

całkowity zanik obydwu sygnałów wejściowych. Takie

rozwiązanie eliminuje sytuacje świadomego blokowania

jednego z przycisków sterowania oburęcznego, w celu

wymuszenia sterowania wyłącznie jednym sygnałem

wejściowym.

Zabezpieczenie przed

nieoczekiwanym uruchomieniem

Wykonywanie różnego rodzaju prac konserwacyjnych i

serwisowych wymaga pewnego zabezpieczenia urządzeń
przed nieoczekiwanym uruchomieniem. Taką funkcję może
pełnić zawór załączający z funkcją odcięcia i odpowietrzenia
układu (rys. poniżej). W stanie zamkniętym (instalacja
odpowietrzona) możliwe jest założenie do sześciu
mechanicznych blokad otwarcia (kłódek pracowników służb
remontowych). Dzięki temu, maszyna może zostać
uruchomiona, dopiero w momencie gdy wszyscy serwisanci
zakończą swoją pracę – zdejmą kłódki.

Zatrzymanie, trzymanie, blokowanie

ruchu

Ze względu na występowanie sił grawitacji i

bezwładności, odpowietrzenie układu w sytuacji awaryjnej
może być niewystarczające dla zatrzymania ruchu napędów
pneumatycznych.

Rozwiązaniem tej niedogodności jest siłownik z

wbudowaną głowicą zaciskową (rys. poniżej). Głowica
zatrzymuje w sposób mechaniczny ruch tłoczyska w
dowolnym położeniu w przypadku zaniku ciśnienia
sprężonego powietrza. Tłoczysko jest odblokowywane przy
podaniu ciśnienia do głowicy zaciskowej.

Układ realizujący w kategorii 1 funkcję

bezpieczeństwa – odpowietrzanie

Dwupołożeniowy rozdzielacz pneumatyczny w stanie

beznapięciowym cewki (schemat powyżej) łączy zasilany
układ pneumatyczny (odpowiednią komorę) z atmosferą. W
układzie nie występuje ciśnienie. Podanie sygnału
elektrycznego na cewkę zaworu powinno spowodować
przesterowanie rozdzielacza i wytworzenie ciśnienia w
układzie. Zanik napięcia sterującego powinien spowodować
odpowietrzenie układu. Sterujący układ elektryczny jest
wyższej kategorii bezpieczeństwa niż układ pneumatyczny.
Awaria zaworu pneumatycznego prowadzi do zaniku
realizowanej funkcji bezpieczeństwa.

Układ realizujący w kategorii 2 funkcję

bezpieczeństwa – odpowietrzanie

Dwupołożeniowy rozdzielacz pneumatyczny w stanie

beznapięciowym cewki (schemat powyżej) łączy zasilany
układ pneumatyczny (odpowiednią komorę) z atmosferą. W
układzie nie występuje ciśnienie. Podanie sygnału
elektrycznego na cewkę zaworu powinno spowodować
przesterowanie rozdzielacza i wytworzenie ciśnienia w
układzie. Zanik napięcia sterującego powinien spowodować
odpowietrzenie układu. Prawidłowe położenie suwaka
zaworu jest testowane przed kolejnymi uruchomieniami
układu przez wykorzystanie czujnika położenia suwaka. W
przypadku stwierdzenia błędu położenia suwaka ruch
układu jest stopowany.

Układ sterowania oburęcznego,

kategoria 2

Blok sterowania oburęcznego ZSB-1/B jest elementem

logicznym typu I. Podanie ciśnienia na wejścia 11 i 12 w

odstępie czasu nie dłuższym niż 0,5 s wywołuje na

przyłączu 2 sygnał wyjściowy. Wysterowanie wejść realizują

dwa zawory 3/2 sterowane ręcznie z samoczynnym

powrotem. Jak długo przyciski obu zaworów są wciśnięte na

wyjściu 2 występuje ciśnienie. Po zwolnieniu jednego lub

dwóch przycisków na wyjściu 2 występuje zanik ciśnienia.

Układ sterowany jest odpowietrzony w kierunku od

przyłącza 2 do 3 bloku WV1.

Zawór MS6-SV

W wypadku nagłego stanu awaryjnego tych części systemu,

które mają kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa, zawór

MS6-SV zapewnia szybkie i niezawodne odpowietrzenie

układu pneumatycznego.

Zawór MS6-SV to samotestujący się mechatroniczny układ

redundantny zgodny z wymaganiami normy PN-EN ISO

13849-1. Oznacza to, że niezawodne odpowietrzanie jest

zapewnione nawet jeżeli wystąpi uszkodzenie wewnątrz

zaworu.

Sprawdzenie bezpiecznego położenia tłoczka w zaworze jest

wykonane bezpośrednio przez zawór podczas

samotestowania. Oznacza to zmniejszenie skomplikowanego

okablowania upraszczającego całą instalację.

Bezpieczeństwo jest potwierdzone certyfikatem BG według

normy DIN-EN ISO 13849-1, kategoria 4, poziom zapewnienia

bezpieczeństwa "e".
Kompletny układ (wraz z elektroniką) spełnia wymagania

kategorii 3 bezpieczeństwa.

Funkcja bezpieczeństwa

:odpowietrzanie, kategoria 3

Podczas normalnej pracy siłownik sterowany jest

zaworami rozdzielającymi WV1 i WV2. Jeśli cewki zaworów

nie są pobudzone obie komory siłownika są odpowietrzone.

Aby moc wywołać wsunięcie lub wysunięcie tłoczyska

siłownika wymaga się podania ciśnienia na oba zawory

zwrotne przez zawór WV3. W tym wypadku zawory zwrotne

nie wpływają na funkcjonowanie układu. Jeśli nastąpi

odpowietrzenie (przez WV3) zaworów zwrotnych SP1 i SP2

spowoduje to również odpowietrzenie obu komór siłownika.

Należy uwzględnić, że otwarcie zaworów zwrotnych w

celu odpowietrzania siłownika wymaga różnicy ciśnień na

ich wlotach i wylotach. Aspekt ten musi być rozpatrzony

indywidualnie w zależności od zastosowania napędu.

Sterowania położeniem siłownika, kategoria

3, układ z redundancją

Siłownik może być zatrzymany przez działanie jednego

lub obu z dwóch kanałów pneumatycznego zatrzymania

(układ z redundancją). Kanał pierwszy tworzy zawór WV1.

W stanie niewysterowanym (położenie środkowe)

zawór odcina przepływ. Po wyłączeniu zasilania

elektrycznego cewek, sprężyny zaworu ustawiają go w

położeniu środkowym. Siłownik jest zatrzymany w sposób

pneumatyczny. Kanał drugi tworzą dwa zawory odcinające,

sterowane pneumatycznie WV3 i WV4 oraz zawór sterujący

WV2. Zawór WV2 w stanie niewysterowanym umożliwia

ustawienie dwóch zaworów odcinających WV3 i WV4 w

położenie zamykające przepływ. Siłownik jest zatrzymany w

sposób pneumatyczny.

Układ z mechanicznym i

pneumatycznym zatrzymaniem ruchu

(kategoria 3)

Na rysunku powyżej przedstawiony jest układ z

mechanicznym i pneumatycznym zatrzymaniem ruchu.

Funkcja bezpieczeństwa „zatrzymanie ruchu” jest w tym

układzie realizowana pneumatycznie i mechanicznie

(dywersyfikacja).

Blokada mechaniczna jak i hamowanie pneumatyczne

działając oddzielnie są wystarczające do realizacji funkcji

bezpieczeństwa „zatrzymanie ruchu”. Przedstawiony układ

jest strukturą dwukanałową (redundancja). Kanał pierwszy

tworzy zawór WV1.
W położeniu środkowym (w stanie niewysterowanym) zawór

odcina przepływ i siłownik jest zatrzymany w sposób

pneumatyczny.
W kanale drugim hamulec mechaniczny jest sterowany

zaworem WV2. W stanie odpowietrzonym hamulec jest

zaktywizowany i blokuje przesuw tłoczyska, w sposób

mechaniczny.

Schemat układu z zaworem

proporcjonalnym przepływu

Układ przedstawiony powyżej służy do realizacji

następujących środków ochronnych:
-zabezpieczenie przed nieoczekiwanym uruchomieniem wg

PN-EN 1037 (konfiguracja dwukanałowa). Osiągalny poziom

zapewnienia bezpieczeństwa „d” wg PN-EN ISO 13849-1,
-środek ochronny „włączanie bez ciśnienia” wg PN-EN ISO

13849-1 (konfiguracja jednokanałowa). Osiągalny poziom

zapewnienia bezpieczeństwa „d” wg PN-EN ISO 138491,
-kategoria „0” funkcji stopu wg PN-EN 60204-1.

Schemat układu z zaworem proporcjonalnym

przepływu, odmienny wariant

Układ przedstawiony powyżej służy do zastosowania

następujących środków ochronnych:
-Zabezpieczenie przed nieoczekiwanym uruchomieniem wg

PN-EN 1037 (konfiguracja dwukanałowa). Osiągalny poziom

zapewnienia bezpieczeństwa „d” wg PN-EN ISO 13849-1.
-Środek ochronny „odpowietrzanie”, (konfiguracja

jednokanałowa wg PN-EN ISO 13849-1), Osiągalny poziom

zapewnienia bezpieczeństwa „d” wg PN-EN ISO 13849-1*.
-Kategoria „0” funkcji stopu wg PN-EN 60204-1.
-Funkcja bezpieczeństwa :Odpowietrzanie.
-Funkcja bezpieczeństwa :Zabezpieczenie przed

nieoczekiwanym uruchomieniem.

Głowica zaciskowa KEC-…-S

W odpowiedzi na przerwę w dopływie energii lub w

wypadku zaniku lub spadku ciśnienia, głowica zaciskowa
KEC-…-S zapewnia akcję hamowania w dokładnie
określonym zakresie tolerancji za pomocą elementu
zaciskającego ze sprężyną działającą na tłoczysko.
Komponenty te są stosowane w aplikacjach, w których
występują zmieniające się obciążenia, niezależne zmiany
działającego ciśnienia i stałe przecieki w układzie.

Siłownik z głowicą zaciskową DNCKE-S

Siła trzymania głowicy zaciskowej jest większa niż

maksymalna dopuszczalna siła pchania. Do stosowania w

układach sterowania kategorii 1 wg PN-EN 954-1 („ część

wypróbowana”).
Użycie w układach wyższych kategorii wymaga

zastosowania dodatkowych technicznych środków

ochronnych

Zastosowanie:

-Jako urządzenie blokujące ruch (zastosowanie statyczne)

-unieruchomienie przy zaniku energii
-zabezpieczenie przed zanikiem i spadkiem ciśnienia
-blokowanie tłoczyska w położeniach pośrednich w celu

realizacji procesów roboczych

-Jako hamulec (zastosowanie dynamiczne) :zatrzymanie

ruchu, przerwanie ruchu po wkroczeniu w strefę zagrożenia.

Opis zaworu

Sterowany elektrycznie zawór do zasilania i

odpowietrzania urządzeń pneumatycznych, z cewką
elektromagnesu bez gniazda.
-Napięcie zasilania – wybór z 3 wartości.
-Bezpośrednia kontrola położenia suwaka.
-Przeznaczony do stosowania w układach o wymaganym
dużym pokryciu diagnostycznym.
-Kontrola położenia suwaka, nie ciśnienia.
-Konfiguracja jednokanałowa.

Opis zaworu

Niezawodne i szybkie odpowietrzanie krytycznych ze względu

na bezpieczeństwo przestrzeni w instalacjach i urządzeniach.

Stosowany również w celu osiągnięcia możliwie najwyższej

gotowości maszyn dzięki zapewnieniu bezpieczeństwa procesów.
Posiada certyfikat z wymaganiami DIN EN 13849-1, kategoria 4
Szybkie odpowietrzenie w celu bardzo szybkiego obniżenia

ciśnienia
Przepływ podczas odpowietrzania 1,5 razy większy niż podczas

napełniania
Ciągłe monitorowanie podczas pracy zaworu zdatności do

wypełnienia funkcji szybkiego odpowietrzania
Funkcje wolnego startu i pełnego otwarcia oraz odpowietrzanie

zintegrowane w jednym zaworze
Ochrona przed nieoczekiwanym uruchomieniem (konfiguracja

dwukanałowa)
Zwarta budowa
Wewnętrzny układ kontroli położenia suwaka

Document Outline