Grondbeginselen van veiligheidsvergrendelingen

De veiligheid van het fabriekspersoneel vereist dat het wordt beschermd tegen mechanische bedreigingen voor lichamelijk letsel. Dit gebied van veiligheidstechniek wordt industriële risicovermindering genoemd. Lokale wetten en industrienormen schrijven wettelijk voor dat geautomatiseerde apparatuur diverse mechanische veiligheidsvoorzieningen moet bevatten om te voorkomen dat machines gevaarlijk opstarten en veilig worden uitgeschakeld als er een nieuw risico op persoonlijk letsel ontstaat. De basis van deze veiligheidssystemen zijn goed gedefinieerde grenzen rond de machine - en beveiligings- of machinebeveiligingscomponenten.

Hoewel safeguarding in sommige literatuur een terloops gebruikte term is, geven normen van de Internationale Organisatie voor Normalisatie (ISO) en een toenemend aantal leveranciers van automatiseringscomponenten er een zeer specifieke definitie aan. Deze gezaghebbende industriële bronnen beperken de beveiliging in het algemeen tot componenten en subsystemen rond mogelijk gevaarlijke segmenten van apparatuur met:

• Behuizingen van plaatstaal en hekwerken van kettingen of glas
• Glazen schuifpanelen, deuren en draaipoorten
• Sensoren en lichtschermen
• Speciale barrièrecomponenten van andere elektronische of fysieke ontwerpen
• Veiligheidsvergrendelingen - de focus van dit artikel

Hoewel bewaakte machinezones meestal uit onroerende elementen bestaan, kunnen de genoemde beweegbare of doordringbare delen (waaronder raamschermen, gordijnen en deuren) de bediener op strategische plaatsen toegang bieden voor het bedienen, afstellen of onderhouden van de machine. Een handige manier om deze veiligheidscomponenten te categoriseren is ze te groeperen naargelang de machinebediener of ander fabriekspersoneel rechtstreeks fysiek contact maakt met die veiligheidscomponent (zoals bij lichtschermen bijvoorbeeld) of dat een tussenliggend machineonderdeel contact maakt met de component. Deze laatste omvatten een reeks machinegeactiveerde veiligheidsschakelaars en -sensoren en vergrendelingen.

Afbeelding 1: Op elk van de deuren van deze machine controleren de eindschakelaars of ze dicht zijn voordat de machine wordt opgestart. (Bron afbeelding: Getty Images)

Wat zijn vergrendelingen precies? Het zijn mechanische, elektrische of elektromechanische veiligheidscomponenten die in wezen een naderings- of positieschakelaar zijn. Zij installeren zich altijd op machineconstructies bij beweegbare (doordringbare) poorten. In tegenstelling tot veiligheidsgordijnen of bedieningsschakelaars zijn het vergrendelingen die in werking worden gesteld door de beweging van beweegbare machine- of omtreksecties. Voor alle duidelijkheid: veiligheidsvergrendelingen kunnen worden geactiveerd door bediende perimeterdelen of door delen die handmatig worden geopend. Hun naam is afgeleid van de manier waarop zij onderling vergrendelen (en afhankelijk maken) van toegestane veiligheidscontroles en perimeter-gate posities ... of die nu open of gesloten zijn of iets anders. Met andere woorden, interlocks geven feedback aan veiligheidscontrollers die op hun beurt de juiste machinestatus uitlokken voor een bepaalde reeks machinebeveiligingsposities.

Normen voor de opneming van vergrendelingen

Afbeelding 2: Vergrendelingsschakelaars kunnen in verschillende standen worden geplaatst. Internationale veiligheidsnormen definiëren de classificaties van dergelijke varianten van vergrendelingen. (Bron afbeelding: Design World)

Momenteel moeten het ontwerp en de integratie van vergrendelingen van industriële automatiseringstoepassingen voldoen aan vijf volledige normen - waaronder Conformitè Europëenne (CE) Machinerichtlijn 2006/42/EG. ISO 12100 (en de overgenomen ISO 14119-passages) definiëren vergrendelingen als voorzieningen die gevaarlijke machinebewerkingen voorkomen wanneer de poorten naar de bewaakte zone openstaan. Voor de vergrendelingen, wachtsloten of vergrendelingspoortschakelaars die een stap verder gaan om poorten te sluiten, gelden hun eigen eisen, waaronder de eis dat ze een vluchtgrendel moeten bevatten voor technici die in een gevaarlijke werkcel opgesloten zitten.

Sommige van de normen verwijzen naar de kern van elke vergrendeling, namelijk de positie- of nabijheidsschakelaar. Zij beschrijven ook de vereisten voor de wijze waarop elektronisch bediende werkcelafschermingen in een netwerk met de bedieningsorganen van de apparatuur worden opgenomen - meestal om te bevelen potentieel gevaarlijke bewegingen te vertragen of zelfs te stoppen.

Tijd om de machine te stoppen

De meest betrouwbare vergrendelingen voldoen aan specifieke stopintervallen - gedefinieerd als de tijd die een machine nodig heeft om af te remmen tot een veilige toestand na het geven van een stopcommando. In feite houden interlocksystemen rekening met deze stopintervallen en met de tijd waarin het mogelijk is dat een machinebediener gevaarlijke assen kan bereiken na het geven van een stopopdracht. Geoptimaliseerde interlock installaties:

• Er wordt een veilige toestand bereikt lang voordat een bediener ooit gevaarlijke machineassen zou kunnen aanraken of benaderen.
• Efficiënt machinegebruik ondersteunen door te lange vergrendelingen te vermijden.

ISO 12100 geeft in feite aan hoe deuren en panelen met vergrendeling (bij het sluiten ervan) onmiddellijk de hervatting van de werking van de machine kunnen activeren. Dit in tegenstelling tot noodstops, waarbij de machine opnieuw moet worden opgestart. De logica van dergelijke normen is dat het gebruik van vergrendelingen routine is (en dus de dagelijkse werkzaamheden niet mag hinderen), maar dat het gebruik van noodstops dat niet is.

Kernvergrendelingstechnologie en vernietigbaarheid

Geautomatiseerde machines moeten voldoen aan de internationale veiligheidseisen van type A, B en soms C. De functionele veiligheidsnorm ISO 12100-1 en andere fundamentele normen van type A zijn van toepassing op alle automatiseringsapparatuur. Elektronische regelingen die voldoen aan ISO 12100 kunnen situaties aanpakken waarbij onvermijdelijk onderhoud aan een of andere energiebron nodig is - namelijk door te voorkomen dat een machine onverwacht opnieuw opstart. Voor dit doel zijn e-stops nooit aanvaardbare oplossingen ... maar sleutelvergrendelingen kunnen dat wel zijn.

Normen van type B voor het middensegment omvatten B1-normen voor de veiligheidsaanpak (waaronder ISO 13849-1 en 62061) en specifieke B2-eisen voor veilige systemen (waaronder ISO 13850 en 13851). Type C-normen daarentegen zijn zeer specifiek voor machinetypes, dus bijzonder streng en worden het meest gebruikt door OEM's voor het ontwerp van nieuwe apparatuur.

Specifieke normen voor vergrendelingen zijn ISO 14118 en 14119.

ISO 4118 beschrijft manieren om onverwacht opstarten van machines te voorkomen (door mechanisch vermogen af te voeren en elektrisch vermogen te onderbreken) wanneer een bediener een gevaarlijke werkruimte betreedt. Dergelijke systemen kunnen de stroomtoevoer uitschakelen, motoren stoppen, hydraulische aandrijvingen vrijgeven en de resterende kinematische energie van de bewegende segmenten van de machine besteden.

In tegenstelling tot andere in dit artikel genoemde normen, behandelt ISO 14119 de vereiste bijzonderheden van veiligheidsvergrendelingen door:

• Verwijzingen naar de risicoanalysetechnieken van andere veiligheidsnormen.
• Definiëren van interlockfuncties die accidentele en opzettelijke veiligheidsovertredingen voorkomen.

ISO 14119 definieert vergrendelingen van type 1 als positieschakelaars die gebruik maken van gemakkelijk te verslaan mechanische scharnier- of nokbediening. Het bedieningscontact vindt plaats tussen verwisselbare (niet-gecodeerde) helften. Voordelen van vergrendelingen van type 1 zijn de lage kosten en de grote configureerbaarheid.

Vergrendelingen van type 2 (zoals voor het eerst gedefinieerd in DIN EN 1088) omvatten minder omzeilbare positieschakelaars op basis van mechanische bediening. De helften zijn gecodeerde (gekoppelde) tongen of (voor veiligheidsbeveiligingen) opgesloten sleutels. De laatste dwingen de bedieners om alle afschermingen te vergrendelen voordat de bediening het opstarten van de machine toestaat ... en het verwijderen van de sleutel is alleen mogelijk als de afschermingen vergrendeld zijn. Volledig geïntegreerde perimeterschakelaars gaan nog verder en dwingen machinisten diezelfde toetsen te gebruiken in HMI-startschakelaars met toetsen die de toets vasthouden tijdens de werking van de machine.

ISO 14119 classificeert alle contactloze veiligheidsschakelaars zonder gecodeerde bediening als type 3 vergrendelingen. Het gemakkelijkst te omzeilen zijn die met optische, ultrasone of capacitieve bediening; iets minder gemakkelijk te omzeilen zijn vergrendelingen op basis van inductie en magnetisme. Waar manipuleerbaarheid onaanvaardbaar is, zijn vergrendelingen van type 4 die gebruik maken van op elkaar afgestemde of gecodeerde actuatorhelften in contactloze werking (op basis van RFID, magnetische of optische technologie) gerechtvaardigd.

Vergelijking van vergrendelingen met veiligheidssensoren en perimeterschakelaars

Afbeelding 3: Het louter sluiten van de veiligheidsvergrendelingen leidt niet tot het opnieuw opstarten van gevaarlijke machineprocessen; in plaats daarvan gaan die honneurs naar een aparte dubbelwerkende bedieningsvergrendeling of startschakelaar zoals de hier getoonde capacitieve vingerschakelaar met zachte aanraking. (Bron afbeelding: Getty Images)

Afbeelding 4: Sommige dubbelwerkende vergrendelingen hebben actuators om als vergrendeling te fungeren. Dit zijn positieschakelaars met nachtsloten of elektromagnetische assemblages die deuren gesloten kunnen houden totdat de bewaakte robotarm of machine zijn gevaarlijke beweging staakt. Helaas denken sommige ingenieurs ten onrechte dat alle vergrendelingen van het type guard-lock zijn. (Bron afbeelding: Omron)

Interlocks hebben overeenkomsten met andere op veiligheid gerichte feedback- en detectiecomponenten die op dezelfde kerntechnologieën zijn gebaseerd. Maar om duidelijk te zijn, geen van deze andere onderdelen heeft te maken met de perimeters van de machine, zoals vergrendelingen. Bovendien vereisen de huidige veiligheidsnormen dat vergrendelingen geen groen licht geven om de actie te hervatten zonder een correctief omkeerproces.

Componenten die worden geleverd als industriële veiligheidssensors verifiëren (vaak via contactloze inductieve of foto-elektrische middelen) de posities van machineonderdelen of werkstukken, zodat besturingen reacties kunnen bevelen die geschikt zijn voor de gemelde omstandigheden. Industriële veiligheidsschakelaars daarentegen schakelen de stroomtoevoer uit en in na detectie van de positie van een machine-element of werkstuk. Na verificatie van de triggerposities zorgen dergelijke schakelaars ervoor dat de stroomtoevoer naar het betreffende machinedeel wordt onderbroken of hervat. Het volstaat niet meer om een gewone naderingsschakelaar als vergrendeling te gebruiken. De strenge IEC 60947-vereisten vereisen nu dat componenten die als vergrendeling worden gebruikt, zeer specifieke veiligheidskenmerken hebben om sabotage en andere storingen te voorkomen.

In veiligheidssystemen zijn ook relais te vinden die rechtstreeks elektrische contacten maken of verbreken - in de meest gangbare opstelling wordt in wezen een kleine stuurspanning doorgegeven om uiteindelijk een grotere stroom door de vermogenscontacten te sturen. Beschouw twee veel voorkomende functies die door vergrendeling van elkaar afhankelijk worden: het openen van een veiligheidsdeur en een door een motor aangedreven spindel op een werktuigmachine. De onderlinge samenhang maakt het onwaarschijnlijk dat het maalstation zijn eigen subsystemen beschadigt of de bediener verwondt. In dit verband fungeren vergrendelingen als schakelaars in een operationele reeks.

De meest zeldzame zijn mechanisch gecamoufleerde vergrendelingen met armen die om een as draaien om gevaarlijke machineassen te vergrendelen. Veel gebruikelijker zijn elektromechanische en elektronische vergrendelingen die gebruik maken van circuits en microprocessoren voor kosteneffectieve betrouwbaarheid en zelfs herconfigureerbaarheid. Elektromechanische scharnierende vergrendelingen op perimeterdeuren omvatten bijvoorbeeld een mechanische elleboog of hefboomarm die samen met de scharnierende afscherming opent; voorbij de ingestelde schakelhoek geeft hij commando's om de perimeterende machine te stoppen. Bij het opnieuw sluiten van de deur zorgt de deurkracht er uiteindelijk voor dat de solenoïde van de vergrendeling het circuit opnieuw sluit.

Typische bedrading en typen elektromagneten in vergrendelingen

Afbeelding 5: Innovatieve connectiviteitsopties hebben de betrouwbaarheid van multi-guardinstallaties de afgelopen jaren alleen maar vergroot. Hier wordt een interfacemodule via T-adapternetwerken verbonden met andere veiligheidscomponenten. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Vergrendelingen worden meestal bedraad voor normaal gesloten of NC-logica om machines alleen te laten draaien als het circuit gesloten is. De meeste veiligheidsnormen vereisen dat componenten van het veiligheidscircuit in serie worden aangesloten voor een maximaal betrouwbare detectie van fouten en gebeurtenissen (tot een toegestaan sensortotaal). Als dat aantal sensors wordt overschreden, kan het prestatieniveau (PL) van een ontwerp verslechteren en neemt de kans op het maskeren van fouten toe.

Veiligheidsvergrendelingen met één geveerde NC-schakelaar (positie- of eindschakelaar) zorgen doorgaans voor een positieve breuk, zodat het openen van de beveiliging tegen de veer van de vergrendeling drukt om de elektrische contacten uit elkaar te trekken. Betrouwbaardere vergrendelingen met twee schakelaars gebruiken daarentegen één schakelaar die in werking treedt bij het openen van de beveiliging en een andere schakelaar met gespreide elektrische contacten bij het sluiten van de beveiliging. Elektronische zelfrapportage van kortsluiting (gewoonlijk door bewaking van het potentiaalverschil tussen twee ingangskanalen) is een aanvullende functie om het doorknippen van draden als gevolg van afschuiving, corrosie of oververhitting op te sporen.

De betrouwbaarheid van plunjer- en spoelmagneetwerking maakt op solenoïden gebaseerde veiligheidscomponenten geschikt voor kritieke vergrendelingstoepassingen. Elektrische input veroorzaakt meestal een lineaire plunjeruitgang (met een veerretour bij het uitschakelen). Bij integratie in bewakings- en vergrendelingssystemen vormen solenoïden de invoerbron voor de vergrendelingsmechanismen. Andere dergelijke op solenoïden gebaseerde ontwerpen kunnen ook zorgen voor een correcte mechanische werking - bijvoorbeeld om een consistente verplaatsing van de transportband te garanderen, zelfs wanneer de apparatuur werkstukken op de band hanteert of verwerkt. Op magneetkleppen gebaseerde redundanties (met in serie geschakelde en dubbelpolige schakelaars voor het verifiëren van de positie) kunnen foutieve signalering van vergrendelingen tot een minimum beperken.

Conclusie

Interlocks maken de status van de machineomtrek afhankelijk van de veiligheidscontroles. In feite kan de huidige feedback van vergrendelingen naar dergelijke besturingen uitzonderlijk geavanceerde machinereacties op verschillende posities van de machinegeleiding teweegbrengen. De meest geavanceerde vergrendelingen kunnen failsafe edge computing, IIoT en betrouwbaarheidstaken aan die de mogelijkheden van traditionele industriële schakelaars en sensoren te boven gaan. Het belangrijkste voorbehoud is dat de veiligheidsvergrendelingen niet hinderlijk mogen zijn voor de bedieners van de machine. Automatische functies en voorwaardelijke ontgrendeling op de meest gebruikte veiligheidsdeuren kunnen de functionaliteit verbeteren door onopgemerkte fouten tot een minimum te beperken.