AUTOMATIK 05-2003 - Teknik og Viden

Automatik • 5/2003
18
Sikring af robotter
og farlige maskiner
Af Jørn Poulsen,
El-automation, Regal A/S
Sikring af robotter/maskiner kan grundlæggende
deles op i to kategorier. Nemlig mekanisk
afskærmning (afskærmning vha. skærme
hvor tilgangen til robotten/maskinen overvåges
med en sikkerhedsgodkendt lågekontakt) eller
elektronisk/kontaktløs afskærmning der foretages
med f.eks. lysstråler. Begge løsninger har fordele
og ulemper – både teknisk og praktisk.
I denne artikel vil vi prøve at belyse fordele og ulemper
ved begge løsningsmodeller med vægten lagt på
elektronisk afskærmning. Artiklen bygger på udstyr fra
Sunx og M.D. Microdetectors samt Bernstein, som er
produkter Regal A/S har forhandlet i mange år.
Første skridt
- til sikring af robotten vil altid være at lave en
analyse på hvorfor der skal afskærmes og hvor
farlig robotten/maskinen egentlig er. Dette kaldes
også at foretage en risikoanalyse. Her indgår
elementer som:
• hvilken skade kan forekomme (reversibel/irreversibel)
• hvem betjener maskinen/er potentielt udsat
for fare
• hvor tit er man udsat for fare, hvis man er inden
for afskærmningen
• hvor stor er sandsynligheden for at man kan
undgå faren.
Alt dette munder ud i en vurdering af hvor farlig
robotten/maskinen egentlig er. Det skal lige
nævnes at Arbejdstilsynet har en liste over særlig
farlige maskiner (såkaldt bilag 4 maskiner), som
har deres helt egen standard på hvordan der skal
sikres. Hvis den pågældende maskine har sin
egen standard skal denne naturligvis følges.
Elektronisk afskærmning
SBA serien er en 3-strålet lysbom med 60
meter rækkevidde
Andet skridt
- er at afgøre om maskinen egner sig bedst for
mekanisk eller elektronisk afskærmning.
Eksempelvis vil en maskine med lang efterløbstid
ikke egne sig for elektronisk afskærmning
men være en oplagt mekanisk afskærmning, eftersom
der i dag tilbydes lågekontakter med låsefunktion.
Det vil sige at man simpelthen ikke
kan lukke døres op før maskinen står stille.
Mekanisk afskærmning
Fordelene er mange ved mekanisk afskærmning.
Bl.a. at den kan virke som støjskærm (hvis den
f.eks. er opbygget i plexiglas eller andet massivt
materiale). Desuden kan man ”læne” sig op ad
afskærmningen og/eller undgå uønskede stop
fra f.eks. flagrende kitler. Prismæssigt kan det
være både dyrere eller billigere end at afskærme
elektronisk. Det afhænger af hvordan man kan
afskærme mekanisk (en kompleks afskærmning
med mange låger kan være en kostbar affære).
En åbenlys fordel er at en mekanisk afskærmning
jo er ”kendt” teknologi – og derfor ikke
særlig svær for nogen at forholde sig til. Der er i
dag et stort udvalg i sikkerhedsgodkendte lågekontakter
og altså god mulighed for at finde en
lågekontakt der lige netop passer til opgaven.
Elektronisk afskærmning
Også her er fordelene mange ved berøringsløs
afskærmning. Overordnet kan man opdele i afskærmning
med lys (lysgitre/lysbomme) eller
med magnet/reed-kontakter.
Reed-kontakterne
Reed-kontakterne er en slags berøringsløs lågekontakt,
hvor en kodet magnet og et spolesæt,
når de er overfor hinanden, har en/to sluttede
kredse alt efter sikkerhedskategori. Det er relativ
nemt at montere, driftsikkert og ikke særlig
kostbart. Fordelen ved denne løsning kontra
lågekontakter er, at denne løsning kan fungere
trods temmelig meget slør i lågerne.
Lysgitre og lysbomme
Lysgitre/lysbomme er afskærmning via lysstråler.
For at dette skal være sikkert, er der selvfølgelig
en del krav til pålideligheden, der skal overholdes.
Benytter man godkendte gitre/bomme er der ingen
sikkerhedsmæssig forskel på låger eller gitre.
Tværtimod er der en del opgaver der udelukkende
kan løses vha. gitre/bomme. For lige at
sætte terminologien på plads så er en lysbom en
afskærmning hvor der benyttes 1, 2, 3 eller 4 lysstråler
(disse kan være enkeltvis monteret – eller
monteret i en stav). Et lysgitter har flere stråler og
kaldes også for multistrålet afskærmning. Fordelene
ved den optiske afskærmning (lysgitter/lysbom)
er mange. For det første har man det fulde
overblik over maskinen med gitter/bom (altså ingen
skærme til at minimere udsynet). For det andet
er det meget simpelt at afskærme selv komplekse
maskiner. En tredje fordel kan være hvis
der skal afskærmes over lange afstande idet systemer
med op til 60 meter rækkevidde er tilgængelige.
Reelt kan man sige at der kun er enkelte
ulemper ved den optiske afskærmning,
nemlig at den ingen lyddæmpende effekt har, at
den ikke er velegnet til maskiner med lang efterløbstid
samt endelig at kitler eller andet løstsiddende
beklædning vil stoppe maskinen utilsigtet
hvis det kommer ind i lysfeltet.
Lysgitre/bomme har en
fantastisk fleksibilitet
Bl.a. fordi det er ret nemt at eftermontere eller
flytte fra et sted på maskinen til et andet. Desuden
er det muligt at få mange forskelllige funktioner i
et lysgitter. Her skal kort nævnes 2- og 3taktstyring,
forbikobling og blinding. I dag vil det ofte
være således at lysgitteret/lysbommen er en komplet
integreret løsning (med dette menes at kontrolboksen
er indbygget i gitteret/bommen) samt,
at der ikke er nogen funktioner indbygget overhovedet.
Med andre ord har man en basis-afskærmning
som egentlig kun har den funktion, at
sikkerhedskredsløbet aktiveres/brydes når strålen
brydes. Udgangen(e) er i dag som oftest elektroniske
og skal enten aktivere en sikkerheds PLC eller
et nødstop. Ønskes specielle funktioner (som
f.eks. de førnævnte taktstyringer, forbikoblinger
eller blinding-funktioner opnås disse i standard
Ofte benyttes overdragsrelæer mellem
sikkerhedslysgitteret og nødstop fordi
man i dag ofte benytter lysgitre med
halvlederudgange.
Kompakt komplet integreret sikkerhedslysgitter
i kategori 2. Længder fra 190mm
til 1950mm.
SF4-AH serien er et kompakt komplet
integreret sikkerhedslysgitter i kategori 4.
Længder fra 190mm til 1950mm. Denne
serie har indbygget blinding og floating
blinding som programmeres via den
bærbare håndterminal SF-HC
overdragsrelæer som kan leveres af de fleste relæproducenter).
Reservedelsmæssigt er dette er
fantastisk stort plus fordi der kun skal lagerføres
en enkelt (basis) model lysgitter – og lysgitteret er
jo den kostbare del af systemet.
Sikkerhedskategorierne alle taler om:
Grundlæggende er der tale om 4 kategorier
hvor kategori 1 er laveste og mindst farlige kategori
og i den anden ende af skalaen ligger kategori
4. Elektrisk set er der ikke særlig forskel
mellem kategori 1 og 2 (hvorfor de fleste producenter
har valgt ikke at producere kategori 1
systemer og i stedet satse på kategori 2 systemer).
Det samme gælder når vi taler kategori 3
og 4 (hvorfor de fleste producenter har valgt
ikke at producere kategori 3 systemer og i stedet
satse på kategori 4 systemer).
Kategori 1 og 2
Populært sagt er kategori 1 og 2 et enkeltstrenget
system. Systemet vil opdage hvis der sker en
enkelt fejl på systemet, hvorimod det ikke vil opdage
2 på hinanden følgende fejl. Derfor kan
man naturligvis ikke benytte denne sikkerhedskategori
på applikationer, hvor der kan ske alvorlig
fysisk skade (også kaldet irreversibel skade).
Kategori 3 og 4
Populært sagt er kategori 3 og 4 et tostrenget system.
Dvs. alle signaler er dubleret og systemet
er selvcheckende (typisk for hvert 10 ms. udfører
systemet et check af alle funktioner samt evt.
komponenter der grænser op til systemet).
Finger-, hånd-, armeller
kropsbeskyttelse
Jo tættere strålerne sidder placeret på lysgitteret
desto mindre emne kan man opfange/aftaste.
Hvis vi forestiller os en person som står foran en
farlig robot/maskine og rækker armen frem, så vil
et lysgitter der er godkendt til fingerbeskyttelse
opfange armen en del tidligere end lysgitteret,
der er godkendt som kropsbeskyttelse fordi ”fingerlysgitteret”
har meget mindre afstand mellem
strålerne end ”kropslysgitteret”. Derfor kan man
også montere et ”fingerlysgitter” tættere på maskinen
end et ”kropslysgitter”. Internationalt er
der vedtaget nogle regler for den opløsning man
bruger til at skelne mellem finger-, hånd-, arm og
kropsbeskyttelse (opløsning betyder det mindste
emne som lysgitteret kan aftaste).
• Godkendt som fingerbeskyttelse. Opløsning
≤ 14 mm
• Godkendt som håndbeskyttelse. Opløsning ≤
30 mm
• Godkendt som armbeskyttelse. Opløsning ≤
40 mm
• Godkendt som kropsbeskyttelse. Opløsning
≥ 40 mm
Det skal lige pointeres, at alle beskyttelserne (finger,
hånd, arm og krop) ikke har noget med sikkerhedskategorien
at gøre. Eks. kan man vælge
et ”fingerlysgitter” i enten kategori 2 eller 4 (og
selvfølgelig også i de resterende sikkerhedskategorier
men der er ikke særlig mange producenter
som leverer i andet end kategori 2 og 4. Sikkert
fordi der er lille forskel teknisk og så er det
ikke rentabelt at producere i alle kategorierne)
Beregning af montageafstand fra
lysgitter til det farlige sted
Ved montering af et lysgitter/ lysbom foran robotten/maskinen
gælder det i mange tilfælde
om at komme så tæt på som muligt fordi plads
jo altid er en mangelvare i en fabrikshal. Jo højere
opløsning (flere stråler), jo tættere på maskinen
kan lysgitteret monteres. Montageafstanden er
afhængig af flere faktorer nemlig standsetiden
på robotten/maskinen, reaktionstiden på sikkerhedssystemet,
opløsningen på lysgitteret samt
hastigheden på legemesdelen (altså dig og mig).
Maskinens standsetid måles (eller er måske opgivet
af maskinproducenten), reaktionstiden på
sikkerhedssystemet er en databladsoplysning
som opgives af leverandøren, hastigheden på legemesdelen
er defineret internationalt og sammenhængen
mellem lysgitterets opløsning og
montageafstanden er internationalt defineret
udfra en formel som følger herunder.
Formlen herunder gælder for beregning af
sikkerhedsafstand for lysgitre med opløsning ≤
40mm.
S = V x (Tmaskin + Tlysgitter) + C
V = legemets hastighed er internationalt defineret
til 2000 mm/s.
Tmaskin = Maskinens stoptid
Tlysgitter = Lysgitterets reaktionstid (evt. efterfølgende
komponenters reaktionstid medregnes
også ,som f.eks. et overdragsrelæ eller
en sikkerheds PLC)
C = tillægsafstand (afhængig af lysgitterets opløsning
udregnes en tillægsafstand) = 8 x (d – 14)
d = lysgitterets opløsning.
Bemærk at konstanten C naturligvis aldrig kan
blive negativ – men på lysgitre med opløsning
mindre end 14mm regnes som 0.
Eksempel på beregning af
sikkerhedsafstand:
1. Sæt V = 2000 mm/s i ligningen: S=Vx(Tmaskin
+ Tlysgitter) + C
2. Alt efter værdien af S inddeles i 3 klasser:
a) S < 100 mm (S fastsættes til 100mm. Dvs
lysgitteret monteres 100mm fra det farlige
område).
b) 100 < S ≤ 500 mm (lysgitteret monteres i
den beregnede afstand S fra det farlige område)
c) S > 500 mm (genberegn med V=1600
mm/s)
c1) S < 500 mm (lysgitteret monteres 500
mm fra det farlige område)
c2) S ≥ 500 mm (lysgitteret monteres i den
beregnede afstand fra det farlige område).
Som det ses, skal der altid (uanset om man
bruger lysgitter godkendt til fingerafstand)
være mindst 100mm fra lysgitteret til det farlige
sted på maskinen.
Formlen herunder gælder for beregning af
sikkerhedsafstand for lysgitre med opløsning >
40mm.
S = V x (Tmaskin + Tlysgitter) + C
V = legemets hastighed er internationalt