ČSN EN ISO 13849-1: Norma bezpečnosti strojních zařízení

Podle platných právních předpisů musí výrobce uvádět na trh jen bezpečné výrobky, tj. výrobky, které za běžných nebo rozumně předvídatelných podmínek nepředstavují žádné nebezpečí nebo jen minimální. Úroveň tohoto nebezpečí lze považovat za přijatelnou při užívání výrobku. Konstruktér stroje musí zavést opatření, která vyloučí riziko nehody po dobu životnosti strojního zařízení včetně etap montáže a demontáže. Při svém návrhu musí co nejvíce omezit případná nebezpečí. Musí učinit nezbytná ochranná opatření v případě nebezpečí, která nelze vyloučit, a v poslední řadě musí uvědomit uživatele o přetrvávajících nebezpečích vyplývajících z jakýchkoli nedostatků účinnosti přijatých opatření. Cílem tohoto článku je shrnutí dosavadních praktických zkušeností aplikace nové bezpečností normy v pneumatických systémech získaných pracovníky firmy SMC Industrial Automation CZ.

Nová norma ČSN EN ISO 13849 nahradila na konci roku 2009 normu ČSN EN 954-1. Slouží jako návod pro ty, kteří se zabývají konstrukcí a posuzováním ovládacích systémů a její dodržení je předpokladem shody strojních zařízení podle směrnice Rady 98/37/ES pro strojní zařízení. Bezpečnostní částí ovládacího stroje rozumíme takovou část ovládacího systému, která je určena k plnění bezpečnostních funkcí. V pneumatických systémech velmi často dochází k prolínání bezpečnostní funkce a provozní funkce ovládacích systémů. Například systém dvouručního ovládání může být zároveň prostředek inicializace procesu.

Postupné kroky v návrhu

Jak tedy vypadá proces návrhu bezpečného strojního zařízení, který vede k v úvodu zmiňovanému vyloučení nebo maximálnímu snížení rizika? Tento proces se dá rozdělit do několika kroků. V prvním kroku musí dojít k identifikaci možných nebezpečí a posouzení rizik daného strojního zařízení. Musí být uváženo nejen předpokládané použití stroje, ale i možnosti nesprávného použití stroje. U složitějších zařízení bývá tento proces dosti náročný, zejména hledání všech možností nesprávného používání stroje může být problémové. Firma SMC dokáže v tomto procesu využít bohatých zkušeností svých pracovníků, kteří se dnes a denně setkávají s návrhem strojních zařízení v různých oblastech průmyslu. To jim umožňuje přemýšlet v širších souvislostech a tento potenciál využít ve prospěch zákazníka.
Následujícím krokem je zavedení opatření ke snížení rizika. Snížení rizik lze dosáhnout změnou konstrukce strojního zařízení, implementováním bezpečnostních zařízení, popřípadě uvedením informací pro používání. Z hlediska bezpečnostního ovládacího systému musí být pro jeho každou bezpečnostní funkci stanovena požadovaná úroveň vlastností. Při samotném návrhu bezpečnostní části ovládacího systému musí být požadovaná úroveň vlastností minimálně rovna skutečné úrovni vlastností dané funkce ovládacího systému.

Při určování skutečné úrovně vlastností se vychází z postupu stanoveného v normě ČSN EN ISO 13849-1. Vstupními parametry jsou základní data jednotlivých součástí ovládacího systému, jako je střední doba do nebezpečné poruchy, diagnostické pokrytí, doba používání a další. Z našich zkušeností a komunikace se zákazníky můžeme konstatovat, že toto je jednodušší část návrhu bezpečnostní části ovládacího systému. V této části návrhu se pracuje již s reálnými čísly podle postupů popsaných normou. Vzorový postup je zmíněn dále v článku. Tato část návrhu se rychle stává pro konstruktéry rutinní záležitostí.

Možností, jak dosáhnout požadované úrovně vlastností pneumatického bezpečnostního ovládacího systému, je mnoho. V pneumatických systémech je možné zvolit, zda je v konstrukci použitý speciální bezpečnostní ventil, nebo kombinace standardních prvků, kterou lze dosáhnout stejné úrovně bezpečnosti, jaké dosahuje speciální produkt. Toto rozhodnutí je na konstruktérovi. Ten má samozřejmě, i s přihlédnutím na pořizovací náklady, možnost zvolit vhodné řešení. Speciální bezpečnostní ventil ušetří čas potřebný pro konstrukci zařízení. Oproti tomu stavebnicový systém nabízí mnohem větší variabilitu bezpečnostní části ovládacího zařízení. Nevýhodu tohoto systému mohou být zvýšené časové nároky při kalkulaci úrovně vlastností bezpečnostní části ovládacího systému. Dobrým pomocníkem jsou dostupné freewarové programy, s jejichž pomocí je možné jednoduše provést potřebné výpočty.

Prvky SMC v bezpečnostních obvodech

Firma SMC se právě díky variabilitě snaží jít cestou stavebnicového návrhu bezpečnostní části ovládacího systému. Mezi nejčastěji používané prvky v kontrolním systému patři ventilové bloky řady VQC. Tato ventilová řada se vyrábí v různých velikostech od průtoku 200 Nl/min až do 2 000 Nl/min. Tyto ventilové bloky se vyrábějí ve velké škále různých variant elektrického připojení - od klasického D-SUB konektoru až po možnost připojení ventilového bloku k průmyslové sběrnici. Ventily řady VQC vynikají velmi dlouhou životností, která je v případě provedení s ocelovým šoupátkem těsnícím kov na kov stanovena na hodnotu minimálně 200 milionů cyklů. Tyto ventilové bloky umožňují vestavbu snímače pro monitorování tlaku ovládacího vzduchu nepřímo ovládaných ventilů. Také umožňují integraci ventilu pro nouzové odvzdušnění v případě nebezpečí.

Dalším souvisejícím prvkem je škrticí ventil s vestavěným zpětným ventilem kombinovaný se vzduchem ovládaným zpětným ventilem řady ASP. Tento ventil má dva tlakové vstupy. Jeden je hlavní pro pracovní stlačený vzduch, druhý vstup ovládá vzduchový zámek. V případě ztráty tohoto signálu se zpětný ventil uzavře a stlačený vzduch nemůže odtéct z komory pneumatického válce.

Často používaným bezpečnostním prvkem mohou být také pneumatické válce s vestavěnou kleštinovou brzdou. Tyto válce dokáže vestavěná brzda zastavit v jakémkoliv místě zdvihu. Jejich funkční princip je jednoduchý. V případě výpadku tlaku vzduchu ve vestavěné brzdě dojde k okamžitému sevření pístnice a tím k zastavení jejího pohybu. V portfoliu firmy SMC je také ventil dvouručního ovládání řady VR51, který mimo jiné splňuje podmínky kategorie IIIA normy ČSN EN 574+A1.

Nezbytnou součástí bezpečnostních pneumatických obvodů musí být i prvky pro úpravu stlačeného vzduchu, které zaručují optimální kvalitu vzduchu podle provozních podmínek jednotlivých součástí. Jejich zanedbáním se vážně narušuje spolehlivost celého systému.

Jak na to?

Na závěr článku si jako příklad uveďme výpočet úrovně vlastností jednoduchého ovládacího systému dvojčinného válce podle obr. 3. Tento systém musí plnit také bezpečnostní funkci, jejíž zadání zní: bezpečnostní STOP funkce, zastavení nebezpečného pohybu pístnice pneumatického válce a jeho neočekávanému rozjetí. Při vzorovém výpočtu se předpokládá základní orientace čtenáře v problematice.

Blokové schéma tohoto systému je na obr. 2. Nežádoucí pohyb válce je současně kontrolován ovládacím ventilem 1V1 a kleštinovou brzdou 2Z1 ovládanou ventilem 2V1. Porucha jednoho ovládacího členu nezpůsobí ztrátu bezpečnostní funkce ovládacího systému. Případná chyba funkce ventilu 1V1 a brzdy 2Z1 je monitorována dále v systému. Navíc je během pravidelných servisních prohlídek kontrolována snímačem 1S1 funkce brzdy 2Z1. Hodnota B10d (počet cyklů do 10 % nebezpečných selhání součásti) ventilů je 40 000 000 cyklů, při 240 pracovních dnech a dvousměnném provozu je střední doba do závažné poruchy ventilů 289 let. Kleštinová brzda má hodnotu B10d 5 000 000 cyklů, což znamená střední dobu do závažné poruchy 36 let. Jejich symetrizací je dosaženo výsledné střední doby do závažné poruchy 71 let, což je hodnota vysoká.

Diagnostické krytí ventilu 2V1 je 99 %, ventilu 1V1 60 % a brzdy 2Z1 75 %. Výsledná hodnota diagnostického krytí je 75 %, což je nízká hodnota. Při procesu působení a kvantifikace opatření proti poruchám se společnou příčinou bylo dosaženo výsledku 85 bodů (oddělení/segregace 15 bodů, diverzita 20 bodů, konstrukce atd. 15 bodů, prostředí 25 + 10 bodů). Porovnáním výsledných parametrů podle kapitoly 4.5.4 normy ČSN EN ISO 13849-1 je dosaženo výsledné potřebné úrovně vlastností „d". Nové směrnice pro strojní zařízení se staly již běžnou součástí konstrukce pneumatických bezpečnostních řídicích obvodů. Názorný příklad ukázal, že pomocí relativně jednoduchých a cenově nenáročných zapojení jsme schopni dosáhnout vysoké úrovně vlastností bezpečnostních řídicích obvodů. To vše navíc přináší další přidanou hodnotu v podobě zvýšení spolehlivosti strojních zařízení, se kterou úzce souvisí snížení ztrát při provozu systémů.

Ing. Jiří Zavřel

SMC Industrial Automation CZ

www.smc.cz