Промышленные системы аварийной безопасности

Опубликовано в номере:
Прошли времена систем аварийного отключения, требующие прямого соединения с автоматизированным оборудованием. Производители осваивают новую технологию систем безопасности, интегрированных в системы управления и стандартные сетевые соединения.

Крупные промышленные предприятия «скоро будут переживать настоящий бум новых стандартов., в которых реализованы самые современные подходы к обеспечению безопасности на производстве», — утверждает Дж. Б. Титус, менеджер по развитию бизнеса и промышленным стандартам отдела энергетики и автоматизации компании Siemens. Процесс идет уже сейчас. Старый подход — подключаемые напрямую к оборудованию системы безопасности — отнюдь не оптимален, подобные системы не надежны и дороги в обслуживании. Современный подход — специализированные сети безопасности, основанные на стандартных промышленных сетевых технологиях, интегрированных в системы управления оборудованием — более эффективен и надежен в жестких условиях. К тому же, он не допускает подобных сценариев: «Доктор X. решил продемонстрировать клиентам изготовленный на заказ протонный ускоритель. Он не собирался включать высоковольтный генератор, а лишь хотел показать, что дугоплазматронные протонные пушки действительно выдают пучок протонов в 150 мА с энергией в 60 кэВ. Отметим, что 150 мА при 60 кэВ дают мощность пучка в 9000 Вт — этого достаточно, чтобы стенки выходного канала из нержавеющей стали раскалились до красна при отсутствии водного охлаждения. «Конечно, — объясняет доктор X., — запуская систему, мы установили внутренние блокировочные устройства, чтобы оператор не смог включить пучок, пока в системе охлаждения нет воды». К сожалению, сразу после этого он добавляет: «Мы отключили внутреннюю блокировку на время окончательной сборки и тестирования. Пока идет сборка и тестирование, мы используем мозги вместо блокираторов!» Как только он это произнес, вся группа вздрогнула от грохота шести захлопывающихся 12-дюймовых пневматических вакуумных клапанов, а затем включилась сирена, так как пучок расплавил медные вакуумные швы. Вода в систему охлаждения не поступала.» Современные автоматизированные установки гораздо сложнее таких грубых, полуавтоматических систем управления. Если раньше использовался десяток аварийных датчиков, то сегодня на любой производственной линии их сотни. Сейчас недостаточно простых блокираторов, напрямую соединенных с датчиками. Подобные блокираторы довольно эффективны во время нормальной работы, но в процессе установки и обслуживания проявляются все их недостатки. Они особенно неудобны при поиске неисправностей, а именно для этого они в основном и нужны.

Аналоговая система аварийной безопасности

Рис. 1. Аналоговые системы безопасности с прямым подключением основаны на запутанном клубке проводов (выделены красным цветом), по которым сигналы аварийного отключения сдатчиков поступают на контроллер перемещений и приводы

 

Необходимость перемен

«Было время, когда люди верили, что для полной безопасности надо обязательно проложить толстый кабель и закрепить его большим винтом», — рассказывает Эдмунт Набротски, главный менеджер фирмы Woodhead, подразделения компании Molex. — Для этого нужно вызывать специально обученного электрика. И каждый раз, когда нужно добавить еще один выключатель или предохранитель, приходится тянуть еще один кабель прямо к распределительному щиту». Долгое время считалось, что это единственный способ достичь высокого уровня безопасности. В реальности все иначе. «Мы видели подобные системы, и они далеко не идеальны с точки зрения безопасности, — отмечает Набротски, — из-за своей механической природы они подвержены износу. Контакты со временем становятся менее надежными, поэтому некоторые системы безопасности приходят в негодность от слишком частого срабатывания». «Мы также заметили, что частое аварийное отключение системы совершенно не оправдано. При этом останавливается вся производственная линия, и довольно трудно определить, произошло ли что-то серьезное или нет. Обычно линия стоит, пока кто-нибудь не выяснит причину и не получит разрешение на перезапуск системы». «Современные станки работают гораздо быстрее, — отмечает Карл Рапп, менеджер по автоматизации и станочным системам отдела управления и контроля компании Bosch Rexroth Electronic, — но скорость реакции человека ограничена, поэтому старый подход [к созданию систем управления станками] на основе затворов и переключателей (например, система выключается, когда оператор открывает затвор или нажимает на кнопку аварийного отключения) уже не отвечает всем требованиям». В 80-х годах ускорение деталей станка составляло, как правило, до 0,2 — 0,4 g. Сегодня ускорение может достигать 1 — 2 g. К тому же системы стали значительно сложнее, а их оснащение намного дороже. Мгновенная остановка системы из-за открытия затвора или нажатия кнопки аварийного отключения может привести к повреждению оборудования. Более того, если просто отключить питание, компоненты станка будут останавливаться несогласованно. «Затем стали применять аварийные реле с задержкой — если нажать на кнопку аварийного отключения, вращение деталей постепенно замедляется, при этом оси остаются согласованными, — продолжает Рапп, — это позволяет контроллеру управлять процессом остановки».

Сеть безопасности

Рис. 2. Системы безопасности на базе сетей используют уже существующие высокоскоростные цифровые сети для передачи аварийных сигналов наряду с обычными данными. Современные датчики могут посылать информацию о текущем состоянии и о произошедших сбоях

Тем не менее, систему необходимо перезапускать, при этом оператор должен проверять, что все оси скоординированы. К тому же может оказаться, что для корректировки осей необходим визуальный осмотр с открытым затвором. Это приводит к следующему циклу работы: корректировка осей, закрытие затвора, сброс контроллера, включение питания, перемещение подачи, выключение системы, открытие затвора для проверки положения осей, и все повторяется, пока оси не будут скорректированы. Процесс, как минимум, утомительный. В худшем случае, оператор просто отключит функции безопасности.

 

Новые стандарты

Современные технологии безопасности на производстве, получившие широкое распространение в европейских и других странах, основаны на двух простых компонентах: Сети безопасности — это модифицированные стандартные сети для управления оборудованием, например CANbus, протокол которых поддерживает дополнительные функции, позволяющие надежно передавать связанные с безопасностью сигналы. Интегрированные функции безопасности — это концепция, согласно которой функции аварийной безопасности, к примеру, возможность замедлить движение деталей станка в соответствии с реакцией человека, интегрируются в контроллер и программное обеспечение. «В середине 90-х многие заказчики требовали повышения уровня безопасности станков, — вспоминает Рапп, — так что теперь установка и обслуживание стали безопаснее. Мы разработали двух-канальную схему, согласно которой контроллер подключается к одному каналу, а двигатель — к другому. Команды к двигателю посылаются в цифровом виде, а канал ввода-вывода контроллера стал каналом безопасности».

Шина безопасности Базовая шина Особенности Производитель
Guard Motion SERCOS Благодаря функции безопасного аварийного отключения, двигатель практически мгновенно замедляется приводом. Rockwell/Allen Bradley www.rockwellautomation.com
Profisafe Profibus Функциональность системы безопасности, реализована в программном обеспечении Profisafe, которое работает поверх протокола Profibus layer 7 (модель ISO/OSI) и не влияет на него. Протокол уровня безопасности отвечает за передачу пользовательской и системной информации, связанной с аварийной безопасностью (применяется в целях обеспечения безопасности), а также другие критически важные функции, например, диагностику. Оборудование системы безопасности подключается к той же линии данных, что и обычные устройства, и управляются дополнительным контроллером безопасности или общим контроллером. Таким образом, Profisafe использует один канал передачи данных. www.profibus.com
Profisafe Profinet (Ethernet) Через один кабель шины Profisafe возможна передача как обычных данных, так и данных системы безопасности. www.profinet.com
SafetyBus p CANbus Датчики и приводы подключаются к системе SafetyBus p через децентрализованные модули ввода-вывода. Такой подход позволяет объединить логически связанные компоненты в группы, которые будут отключаться отдельно в случае сбоя. www.safetybus.com
SafetyNet p Локальная сеть Открытый стандарт, отклик в режиме реального времени, функциональность системы безопасности встроена в драйверы устройств. www.safetybus.com/4Service/4.6_Service_Safetynet.htm
SERCOS III SERCOS Интерфейс SERCOS обеспечивает гибкость конфигурирования совместимых с технологией plug and play систем управления различных производителей. Разработчики не ограничены продукцией одного производителя и могут выбрать лучшее в своем классе оборудование для конкретных задач, связанных с управлением перемещениями и вводом-выводом. www.sercos.com

Важно подчеркнуть, что аналоговые каналы ввода-вывода с прямым подключением были заменены цифровой шиной. Это радикально уменьшило количество необходимых соединений и проводов. Любая система сигнализации выдает информацию как минимум двух типов о каждом датчике: показания датчика и идентификатор датчика. В аналоговых системах с прямым подключением показание датчика определяется напряжением или силой тока, а сам датчик идентифицируется по номеру линии. При связи через последовательную шину данные обоих типов передаются через одно и то же соединение в виде последовательности цифровых сигналов. С увеличением количества датчиков сложность аналоговых соединений линейно возрастает, в то время как цифровая шина практически остается без изменений. В шине CANbus, к примеру, все сигналы передаются по двум проводам, независимо от того, используются два датчика или двадцать.

«Многие европейские производители разработали системы на базе цифровых шин, обеспечивающие безопасность работы оборудования без отключения питания, — вспоминает Рапп, — к примеру, в 80-х годах в Германии уже существовало довольно много неплохих стандартов промышленной безопасности, которые разрабатывались для оборудования с электронным управлением». Европейские производители оборудования привезли новую технологию в США в виде экспортированных систем, но этот подход очень прижился. Некоторые заказчики в США переходили на новую технологию, остальные же покупали оборудование и сами устанавливали несколько дополнительных блокираторов. Они не пользовались системой аварийной безопасности, так как блокиратор сразу выключал установку при открывании двери. В последние несколько лет ситуация начала меняться. Необходимость приведения в соответствие европейских и американских стандартов заставила промышленность США пересмотреть стандарты безопасности для станков с электронным управлением. Главным инициатором нововведений стал Международный электротехнический комитет (МЭК). В данный момент пересматривается действующий стандарт IEC 61508. В него будет включен европейский подход к системам безопасности, а средства на базе прямого подключения будут исключены. Как член МЭК, США должны будут принять новый стандарт. Передача проекта стандарта (главы 1-7) в национальные комитеты для голосования запланирована в январе 2008 года, а уточненная версия глав 1-7 должна быть опубликована в мае 2008 года.

 

Больше, чем удобство

«Сети позволяют не только снижать расходы на установку и кабельные соединения, — утверждает Набротский, компания Woodhead, — они также открывают целый мир новых методов диагностики и функциональных возможностей, которых нельзя достичь с помощью стандартной сигнализации с прямым подключением. Если устройство вот-вот выйдет из строя, если в объективе загрязнится линза, если нормальному потоку препятствует заевший клапан, вся эта информация может быть передана через сеть в виде пакетов данных. Благодаря этому принципу сети становятся очень, очень ценными». Обычно используется контроллер перемещений и контроллер аварийной безопасности, который управляет всеми блокираторами, предохранительными ковриками, завесами и кнопками. «Новый стандарт позволяет соединить все это вместе, — объясняет Набротский. — У вас будет одна система вместо двух. Очевидно, что это дешевле — вы покупаете только половину того оборудования — но это также означает, что теперь вы можете делать очень интересные вещи».

«Программируемые логические контроллеры безопасности, — отмечает Титус, компания Siemens, — приводятся в соответствие со стандартом IE C 61508 при помощи эффективной и надежной платы ввода-вывода, которая обеспечивает быстрый отклик на сбои при этом разгружает средства мониторинга самого ПЛК». «Теперь операторы могут быть гораздо ближе к оборудованию», — говорит Набротский. Например, в случае аналоговой системы промышленный робот находится в зоне, которая тщательно контролируется в целях безопасности. Вся система отключается, как только человек подходит близко к роботу. Однако, если объединить системы управления и безопасности, можно контролировать местоположение робота и его действия. Если он что-либо делает в левой половине рабочего пространства, а человек заходит с правого края зоны безопасности, возможно, робот выключать и не надо. Вероятно, имеет смысл продолжать работу, пока они друг другу не мешают. Если же программа направит робот в направлении человека, встроенная система определит это по показаниям датчиков и предпримет соответствующие действия для обеспечения безопасности. «Это означает, что заводы могут быть меньше по площади», — подчеркивает он.

Переход на сети безопасности и интегрированные системы безопасности позволит существенно сэкономить средства: — Разработчики систем автоматизации могут сэкономить на электрических контурах, предохранителях, прерывателях и кабелях. — Систему управления можно подключить к имеющемуся сетевому кабелю, который уже соединен со всеми производственными модулями. — Системы управления и безопасности могут поддерживать гораздо более гибкую функциональность — Более эффективная система управления и безопасности будет также и более надежной, повысится общий уровень безопасности и уменьшится количество ложных срабатываний аварийной системы. Защитные завесы или пространственные сенсоры останутся, но подключаться они будут к сети, а не к обычному проводу сигнализации. Сети позволяют экономить средства, избавляя от прокладки дополнительных кабелей. К тому же, в более сложных системах сигнализации завеса может сообщать не только: «я открыта» или «я закрыта», но и «я загрязнена» или «у меня сломалось крепление».

 

Выбор системы аварийной безопасности

Выбор сети безопасности по техническим характеристикам и стандартам может превратиться в кошмар — легко запутаться, рассматривая все преимущества и недостатки. Тем не менее, понятны две вещи: — практически все распространенные промышленные сетевые стандарты имеют модификации, поддерживающие технологии аварийной безопасности. — практически все крупные производители средств автоматизации поддерживают новые технологии безопасности и интегрируют соответствующую функциональность в свое оборудование или дополнительные модули. Чтобы облегчить себе выбор нужной системы аварийной безопасности, для начала определитесь с типом сети и производителем оборудования, который подходит вам по некоторым критериям, а затем обсудите с ним систему аварийной безопасности и особенности ее интеграции с остальными устройствами. Убедитесь, что система и дополнительное оборудование соответствует новому стандарту IEC 61508. Обращайте внимание на особенности сети безопасности (передачу сигналов системы аварийной безопасности по сети) и гибкость интегрированных функций безопасности (позволяющих оператору более свободно работать вблизи включенной установки). «Сейчас мы живем в мире проводных систем безопасности…, состоящих из множества кабельных соединений, горы реле и выключателей, и выделенного контроллера системы безопасности, — подводит итог Набротский. — В мире будущего исчезнет все лишнее… Безопасность и управление будут одним целым, что позволит сократить расходы и увеличить эффективность всего предприятия».


Пять способов сэкономить на промышленных сетях

линейка промышленных кабелей Ethernet DataTuffIndustrial Ethernet Cables компании Belden.

Рисунок. Линейка промышленных кабелей Ethernet DataTuffIndustrial Ethernet Cables компании Belden

Провода и кабели — металлические и волоконно-оптические — являются основой огромного количества коммуникаций в промышленных сетях. Одна из тенденций в технологии изготовления кабелей — применение материалов и конструкций, гарантирующих требуемую защиту сигналов от помех и искажений. К другим тенденциям относятся:

  • Изменения конструкции. По словам Фрэнка Кодитека, менеджера по рынку промышленности компании Belden, локальные сети на предприятиях не ограничиваются соединениями между рабочими местами и пультами управления. Сетевые кабели должны функционировать в жестких производственных условиях, сильно отличающихся от офисных. Производитель кабелей должен учитывать следующие аспекты:
    • В промышленных роботах и других установках, компоненты которых находятся в постоянном движении, кабели должны сохранять свои характеристики при изгибах вместе с манипуляторами, конвейерами и другими перемещающимися устройствами.
    • Допустимый интервал температур может варьировать от отрицательных значений, при которых трескается большая часть используемых для изготовления изоляции кабеля материалов, до высоких температур промышленных печей, которые могут привести к деформации или плавлению этих материалов.
    • Вероятность того, что кабель сломается, износится или будет случайно обрезан может вызвать перебои в сети или даже ее отключение.
    • Кратковременное или длительное воздействие смазочных материалов и растворителей может повредить оплетку, что негативно повлияет на технические характеристики кабеля.
    • При эксплуатации вне помещения или при длительном хранении кабели могут быть повреждены прямым солнечным светом или осадками, что негативно повлияет на технические характеристики кабеля.
  • Максимальная длина, изоляция и помехоустойчивость. «Сети Ethernet весьма разнообразны — они могут быть построены на коаксиальных кабелях, витой паре или оптическом волокне, — отмечает Джордж Томас, президент компании Contemporary Controls. — Оптическое волокно обеспечивает наибольшую дальность, электрическую изоляцию и устойчивость к электромагнитным помехам и ударам молний».
  • Современные материалы. Турк, специалист в области промышленных сетевых кабелей, утверждает, что новые материалы имеют большое значение для промышленных сетей, так как позволяют добиваться лучшего соответствия оболочки и условий эксплуатации. ПВХ (поливинилхлорид) — стандартный, многофункциональный материал оболочки, традиционно используемый в сетевых кабелях. Однако рост популярности сетевых технологий накладывает новые требования на условия эксплуатации, которым ПВХ уже не отвечает.

«Чтобы решить эту проблему производители используют другие материалы, например ТПЭ (термопластиковые эластомеры) и ПУ (полиуретан)», — объясняет Турк. ТПЭ обеспечивает повышенную гибкость и устойчивость к сварочному шлаку и применяется в кабелях подвижных механизмов и других установках, где используются сварка и робототехника. ПУ гораздо более износоустойчив по сравнению с П ВХ, что позволяет прокладывать сетевые кабели в местах, где не исключено трение. «Кабели с оболочкой, не содержащей галогенов применяются в зонах, где существует риск воспламенения», — добавляет Турк.

  • Экстремальные условия. Согласно данным компании Lapp Group, некоторые достаточно гибкие и устойчивые к воздействию смазочных материалов кабели могут быть использованы в качестве силовых и логических линий без дополнительной внешней защиты. Такие кабели могут быть очень устойчивы на излом и, согласно Национальному своду законов и стандартов США по электротехнике, использоваться в качестве гибких кабелей в опасных зонах Класса 1, Отделения 1, а также соответствовать Правилам ограничения на использование опасных материалов в производстве электрического и электронного оборудования Европейского Союза, включая устойчивость к УФ излучению и возможность прокладки под землей без дополнительной защиты.
  • Медные и оптоволоконные кабели. Представители компании Rockwell Automation утверждают, что производители все чаще используют встроенные в существующие платформы дополнительные коммуникационные возможности, например, поддержку EtherNet/IP (промышленного Ethernet-протокола) по медным и оптоволоконным кабелям в модулях ввода-вывода. Меньший расход кабеля. По словам инженеров компании Opto 22, расход кабеля при прокладке сети значительно снижается, если удается обойтись без сетевых концентраторов и использовать последовательное подключение вместо топологии «звезда».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *