ZÁKLADY ROBOTIKY Bezpečnostní komponenty Ing. Josef Černohorský, Ph.D. TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR
otázky pro tento blok? Jak zajistit bezpečnost obsluhy robota? Jsou provedená dostatečná? Jak lze poznat nebezpečný stav stroje? Jaké jsou typy bezpečnostních komponent?
otázky pro tento blok? Jak zajistit bezpečnost obsluhy robota? Jsou provedená dostatečná? Jak lze poznat nebezpečný stav stroje? Jaké jsou typy bezpečnostních komponent?
Pročřešit řešit funkční bezpečnost? Bezpečnost nezaměňovat se spolehlivostí Ochrana před nesprávnou funkcí a s s tím spojenými následky (škody na zdraví, prostředí a majetku) Ochrana obsluhy Ochrana zařízení Ochrana prostředí Zkrácení odstávek Naplnění legislativních požadavků (nařízení vlády NV170/2011 a NV176/2008)
Obecná struktura evropských norem Norma typu A základní norma (pojmy, pro konstrukci, obecně všechny typy strojních zařízení Typ B skupinové bezpečnostní normy (jednotlivé typy zařízení ovlivňující bezpečnost, ale pro širokou škálu zařízení) Typ B1 jednotlivá hlediska (bezpečné vzdálenosti, teploty, vibrace, hluk) Typ B2 zařízení (obouruční ovládání, nouzové zastavení)
Obecná struktura evropských norem Typ C konkrétní typ stroje nebo skupinu strojních zařízení Je-li ustanovení C v odlišnosti od B a A, platí mají ustanovení C přednost před jinými normami.
Výběr r norem základní terminologie ČSN EN 1070:2000 Bezpečnost strojních zařízení Terminologie ČSN EN ISO 8373:1998 Manipulační průmyslové roboty - Slovník
Výběr r norem - stěžejníěžejn ČSN EN ISO 13849-1:2008 Bezpečnost strojních zařízení ČSN EN ISO 10218-1:2011 Roboty pro výrobní prostředí Požadavky na bezpečnost ČSN EN ISO 12100:2011 Bezpečnost strojních zařízení - pro konstrukci - Posouzení rizika a snižování rizika
Výběr r norem ČSN EN 62061:2011 Bezpečnost strojních zařízení - Funkční bezpečnost elektrických, elektronických a programovatelných elektronických řídicích systémů souvisejících s bezpečností ČSN EN ISO 13850:2008 - Bezpečnost strojních zařízení - Nouzové zastavení - Zásady pro konstrukci ČSN CR 954-100:2000 Bezpečnost strojních zařízení - Bezpečnostní části řídicích systémů - Část 100: Návod pro používání a aplikaci EN 954-1:1996 ČSN EN ISO 13849-1:2009 -Bezpečnost strojních zařízení - Bezpečnostní části ovládacích systémů - Část 1: pro konstrukci
Kryty ČSN EN 953+A1:2009 - Bezpečnost strojních zařízení - Ochranné kryty - požadavky pro konstrukci a výrobu pevných a pohyblivých ochranných krytů
Snímací zařízenízení ČSN EN 61496-1 ed. 2:2011 - Elektrická snímací ochranná zařízení část 1 požadavky a zkoušky ČSN CLC/TS 61496-3:2009 Bezpečnost strojních zařízení - Elektrická snímací ochranná zařízení - Část 3: Zvláštní požadavky na aktivní optoelektronická ochranná zařízení s rozptylným odrazem (AOPDDR) ČSN CLC/TS 62046:2009 Bezpečnost strojních zařízení - Použití ochranného zařízení pro snímání přítomnosti osob
Ochrana lidského tělat ČSN EN ISO 13855:2010 - Bezpečnost strojních zařízení - Umístění ochranných zařízení s ohledem na rychlosti přiblížení částí lidského těla ČSN EN 349+A1:2008 - Bezpečnost strojních zařízení - Nejmenší mezery k zamezení stlačení částí lidského těla ČSN EN ISO 13857:2008 - Bezpečnost strojních zařízení - Bezpečné vzdálenosti k zamezení dosahu k nebezpečným místům horními a dolními končetinami
Normované lidské tělo ČSN EN 547-3+A1:2009 - Bezpečnost strojních zařízení - Tělesné rozměry - Část 3: Antropometrické údaje ČSN EN 547-2+A1:2009 - Bezpečnost strojních zařízení - Tělesné rozměry - Část 2: Zásady stanovení rozměrů požadovaných pro přístupové otvory ČSN EN 1005-5 :2007 - Bezpečnost strojních zařízení - Fyzická výkonnost člověka - Část 5: Posuzování rizika velmi často opakované ruční manipulace
Norma na normy ČSN EN 414:2001-Bezpečnost strojních zařízení - Pravidla pro navrhování a předkládání bezpečnostních norem
Jak postupovat Určit mezní hodnoty strojního zařízení Identifikovat nebezpečí Odhadnout rizika Hodnotit rizika Snížit rizika Změnou konstrukce Bezpečnostními zařízeními Organizačními mi Je bezpečnostní systém nezávislý od ovládacího? Nebyla vytvořena jiná nebezpečí? Bylo riziko přiměřeně sníženo?
Dvě/tři /tři i principielní řešeníení Místně oddělené prostory (neexistuje průnik množin) Časově oddělené prostory (prostorový průnik množin existuje, ale ne časově, buďčlověk a stroj stojí nebo stroj jede a pak není člověk Člověk i stroj v jednom, ale stroj v bezpečném stavu (bezpečně limitovaná rychlost, bezpečně limitované posuvy)
Analýza a hodnocení rizika Vyhodnocovat reálná nebezpečí předvídatelné nesprávné použití Vyloučit nebo snížit riziko změnou konstrukce Snížit rizika pomocí bezpečnostních komponent Snížit rizika informacemi o zbytkovém riziku Určit přiměřenou integritu bezpečnosti SafetyIntegrityLevel SIL 1-4
Odhad rizika Systematický postup, aby mohla být přijata náležitá http://www.ia.omron.com/support/guide/3/safety_functions.html
Odhad rizika PLr S závažnost zranění S1 lehké (přechodné následky zranění) S2 závažné (trvalé následky) http://www.ia.omron.com/support/guide/3/safety_functions.html
Odhad rizika PLr F četnost a/nebo vystavení nebezpečí F1 řídká až málo častá (doba vystavení krátká) F2 častá až nepřetržitá (doba vystavení dlouhá) http://www.ia.omron.com/support/guide/3/safety_functions.html
Odhad rizika PLr P možnost vyloučení nebezpečí nebo omezení škody P1 možné za určitých podmínek P2 sotva možné http://www.ia.omron.com/support/guide/3/safety_functions.html
Čemu se vyhnout Nevhodná konstrukce nebo modifikace logiky řídicího systému Kolísání napětí řídicího systému Dočasná nebo trvalá závada nebo porucha části systému Nevhodná volba umístění ovládacího zařízení
Příklady nebezpečného chování stroje Neúmyslné nebo neočekáváné spuštění Nezastavené pohyblivých částí Upadnutí nebo vymrštění pohyblivých částí stroje nebo obrobku upnutého ve stroje
SRP/CS (Safety( related part control system) Bezpečnostní systém vykonává funkce s určitou úrovní vlastností PL (performance level) a tím dosáhneme požadovaného snížení rizika PLa-PLe (s rostoucím písmenem klesá míra pravděpodobnosti nebezpečné poruchy) Nebezpečná porucha selhání bezpečnostní systému
SRP/CS (Safety( related part control system) Kategorie B Systémy bez diagnostického pokrytí vyskytne-li se závada, může vést ke ztrátě bezpečnostní funkce Střední doba do nebezpečné poruchy (MTTFd) krátká až střední Maximální dosažitelná PL b
SRP/CS (Safety( related part control system) Kategorie 1 Požadavky B navíc (osvědčené součásti a osvědčené postupy) Systémy bez diagnostického pokrytí vyskytne-li se závada, může vést ke ztrátě bezpečnostní funkce (ale díky dlouhé MTTFd je málo pravděpodobná) Střední doba do nebezpečné poruchy (MTTFd) musí být dlouhá Maximální dosažitelná PL c
SRP/CS (Safety( related part control system) Kategorie 2 Splněno předchozí a dále Funkce kontrolována ve vhodných intervalech (nízkých intervalech) Funkce kontrolována povinně Při spuštění stroje Iniciování nebezpečné situace Spuštění cyklu, spuštění pohybu vyskytne-li se závada přechod do bezpečného stavu, není li to možné, signalizace nebezpečí Střední doba do nebezpečné poruchy (MTTFd) muže být krátká až dlouhá (v závislosti na požadovaném PL) Maximální dosažitelná PL d Výskyt závady může vést ke ztrátě bezpečnostní funkce mezi kontrolami, ale kontrolou musí být tato ztráta detekována Musí být provedena proti funkci se společnou příčinou
SRP/CS (Safety( related part control system) Kategorie 3 Splněno předchozí a dále Výskyt jednotlivé závady NESMÍ vést ke ztrátě bezpečnostní funkce Nahromadění chyb může vést ke ztrátě bezpečnostní funkce Závada detekována při nebo před nejbližší bezpečnostní událostí (ne všechny závady) Funkce kontrolována ve vhodných intervalech (nízkých intervalech) Střední doba do nebezpečné poruchy (MTTFd) muže být krátká až dlouhá (v závislosti na požadovaném PL) Paralelní kanály a cross monitoring
SRP/CS (Safety( related part control system) Kategorie 4 Splněno předchozí a dále Výskyt jednotlivé závady NESMÍ vést ke ztrátě bezpečnostní funkce Jednotlivá závada byla detekována při nebo před nejbližší bezpečnostní událostí (dostatečně brzo např. při zapnutí, nebo na konci cyklu) Jestliže není detekce možná, pak nahromadění chyb nesmí vést ke ztrátě bezpečnostní funkce Funkce kontrolována častěji než v kategorii 3 (zajištěný autodetekční systém) Střední doba do nebezpečné poruchy (MTTFd) musí být dlouhá Musí být provedena proti funkci se společnou příčinou (paralelně zálohované kanály a cross monitoring)
Chyba v komponentě vede ke ztrátě bezpečnostní funkce Chyba není detekována Spolehlivost určena volbou komponent Využívat spolehlivé komponenty a postupy http://ce-safety.info/omron.html
Jedna závada v jakékoli komponentě nesmí vést ke ztrátě bezpečnostní funkce Chyba musí být detekovatelná před nebo v průběhu události (pokud toto nelze splnit, kumulace chyb nesmí vést ke ztrátě bezpečnostní fukce) http://ce-safety.info/omron.html
Dvoukanálový total stop Zdvojené vstupy a výstupy Zpětná informace od KM1 a KM2 Vlastní monitoring Vyhodnocení zakázaných stavů (zkrat vstupu) http://ce-safety.info/omron.html
Typ detekce Popis rozteče mezi paprsky Prst (14 mm) Ruka (14-40 mm) Končetina (40-70 mm) Tělo (nad 70 mm) Plošná detekce stroj se nespustí, pokud je v nebezpečné pracovní zóně pracovník Plošné skenery průběžně monitorují celou 2D rovinu na přítomnost pracovníků
Detekce vstupu Bezpečnostní senzor nebo dveřní spínač se používá pro detekci vstupu do nebezpečné zóny Poté už není možné jeho přítomnost monitorovat
Bezpečná vzdálenost Minimální vzdálenost, kterou je nutno udržovat mezi bezpečnostním senzorem tak, aby stroj skutečně zastavil dřív, než se k němu něco nebo někdo dostane Záleží také na směru přístupu (kolmý, boční, pod úhlem) Speciální vzorce, předpokládaná rychlost přiblížení apod.
Bezpečnostní prvky nemusí vždy vypínat stroj Definovaný průběh detekce, vodorovné a svislé senzory http://ce-safety.info/omron.html
Příklad vstupu Přístup přes bezpečnostní prvek musí být jediný možný (nelze obejít) K bezpečnému zastavení musí dojít dříve než vstoupí obsluha (nesmí být úraz od zastavovaného stroje) Restart stroje = reset bezpečnostních komponent mimo nebezpečnou oblast, kdo resetuje, zodpovídá, že tam opravdu nikdo není http://ce-safety.info/omron.html
Příklad vstupu http://ce-safety.info/omron.html
Kombinovaná ochrana http://ce-safety.info/omron.html
Bezpečnostní relé Zajišťují funkci i když jsou kontakty svařené (nuceně vedené kontakty, mechanicky svázané), spínací a rozpínací kontakty pracují současně Obvody jsou zdvojené, aby se minimalizovala pravděpodobnost, že porucha způsobí nebezpečí Duplicitní kontakty v blokovacím spínači Dva stykače v sérii pro odpojení motoru
Bezpečnostní PLC Speciální HW řešení dle příslušných norem Programování pomocí blokových schémat Zdvojené vstupy a bezpečně monitorované výstupy
Nouzové zastavení Nouzové zastavení (emergency stop/not aus) Zastavení pohybujících se částí, odpojení od napětí, kromě okruhu pro ruční uvolnění brzd motorů Neřízené zastavení kategorie 0 Řízené zastavení kategorie 1 http://www.moeller.net/images/content/themenauftritte/safety/safety_notaus.jpg
Safety/protective stop Zastavení vyvolané bezpečnostní událostí Vstup obsluhy do záclony Otevření dveří Neřízené zastavení kategorie 0 Řízené zastavení kategorie 1 http://www.moeller.net/images/content/themenauftritte/safety/safety_notaus.jpg
Safety/protective stop AS automatic mode stop Pouze v automatickém režimu, v manuálu neaktivní GS general stop Aktivní ve všech režimech SS superior stop Aktivní vždy, vypíná i externí osy http://www.moeller.net/images/content/themenauftritte/safety/safety_notaus.jpg
Laserový skener http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/laser-scanner-for-stationary-and-mobile-safeguarding-of-dangerarea-350861.jpg
Laserový skener http://www.keyence.ca/products/safety/safety/sz/sz_topimage.gif
Bezpečnostní kontakt dveří http://www.omron-ap.com/product_info/d4ns/d4ns_safety.jpg
Bezpečnostní kontakt dveří Spínač musí být automaticky aktivován http://ce-safety.info/omron.html
Bezpečnostní kontakt dveří Spínačmusí být automaticky aktivován Nesmí být snadno překonatelný http://ce-safety.info/omron.html
Problematika přímép spolupráce člověk lověk k robot Bude lépe řešit ISO 10218-2:(2011?) Robots for infustrial enviroment Safety requirements Part2: Robot System and Integration Stavající ČSN EN ISO 10218-1:2011 Roboty pro výrobní prostředí Požadavky na bezpečnost řeší: Robota, ne instalaci, buňku jako celek Síla omezena na 150N bez vymezení minimální plochy
Problematika přímép spolupráce člověk lověk k robot ISO 10218-2 zavádí: Minimální radius hran 5mm (při omezení síly a momentu robota) Apendix H2 do analýzy rizik, dle ohrožených částí lidského těla Zavádí biomechanické limity tak, aby nedošlo k hlubším krvavým zraněním, zlomeninám a poškození kostry (kloubů apod.) Omezení společného prostoru znamená vystavení menší části těla možnému riziku
Problematika přímép spolupráce člověk lověk k robot http://www.dguv.de/ifa/en/pra/kollaborierende_roboter/fg_maschinenschutz_en.pdf
Problematika přímép spolupráce člověk lověk k robot http://www.dguv.de/ifa/en/pra/kollaborierende_roboter/fg_maschinenschutz_en.pdf
Problematika přímép spolupráce člověk lověk k robot ISO 10218-2 zavádí: CFS (N) statická síla (omezená dle místa na těle) IMF (N) impulzní (dynamická) síla PSP (N/cm^2) (omezení kontaktních tlaků)
Problematika přímép spolupráce člověk lověk k robot http://www.dguv.de/ifa/en/pra/kollaborierende_roboter/fg_maschinenschutz_en.pdf
Problematika přímép spolupráce člověk lověk k robot http://www.dguv.de/ifa/en/pra/kollaborierende_roboter/fg_maschinenschutz_en.pdf
Poděkování Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.