A biztonsági reteszelés alapjai

Az üzemi személyzet biztonságának megóvása megköveteli, hogy megvédjék őket a személyi sérüléseket okozó mechanikai veszélyektől. A biztonságtechnikának ezt a területét ipari kockázatcsökkentésnek nevezik. A helyi törvények és az ágazati szabványok jogilag megkövetelik, hogy az automatizált berendezések különböző mechanikus biztonsági funkciókkal legyenek ellátva a veszélyes gépindítások megelőzése, illetve a személyzet sérülésével járó új kockázat felmerülése esetén a biztonságos leállítás kiváltása érdekében. Ezeknek a biztonsági rendszereknek az alapját a gép körül egyértelműen kijelölt határok – valamint a biztonsági berendezések és a gépek védőberendezései – képezik.

Bár a védőberendezés szót egyes szakirodalmakban meglehetősen lazán kezelik és használják, a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO, International Organization for Standardization) szabványai és az automatizálási alkatrészek egyre több beszállítója nagyon pontos meghatározást adnak neki. Ezek a mérvadó ipari források a védőberendezés szót általában a berendezések esetlegesen veszélyes részeit az alábbi megoldásokkal körülvevő alkatrészekre és alrendszerekre korlátozzák:

• Fémlemez házak és lánckerítés vagy üvegfal
• Eltolható üveglapok, tolóajtók és lengőkapuk
• Érzékelők és fényfüggönyök
• Egyéb elektronikus vagy fizikailag kialakított különleges akadályok alkotórészei
• Biztonsági reteszelés – a jelen cikk témája

Bár a védett gépek elkerítése többnyire mozdíthatatlan elemekkel van megoldva, az említett mozgatható elemek, illetve azon elemek, melyeken át lehet nyúlni (beleértve a védőablakokat, -függönyöket és -ajtókat) lehetővé teszik a gépkezelők számára, hogy a fontosabb helyeken hozzáférjenek a géphez annak kiszolgálása, beállítása vagy szervizelése céljából. A védőberendezések besorolásának egy kézenfekvő módja az aszerinti csoportosítás, hogy a gépkezelő vagy az üzem más dolgozói közvetlenül érintkeznek-e ezekkel a védőberendezésekkel (például a fényfüggönyök esetében), vagy pedig a gép valamelyik közbenső része érintkezik velük. Ez utóbbiak közé tartozik egy sor gép által működtetett biztonsági kapcsoló és érzékelő, valamint reteszelés.

1. ábra: Véghelyzetkapcsolók ellenőrzik, hogy a gép minden nyitható burkolateleme a helyén van-e, és csak ez esetben engedélyezik a gép elindítását (kép: Getty Images)

Szóval mik is pontosan a reteszelések? Ezek mechanikus, villamos vagy elektromechanikus munkavédelmi alkatrészek, amelyek alapvetően közelség- vagy helyzetkapcsolók. Mindig a gépek határaira szerelik fel a mozgatható burkolatokhoz (amelyeken át hozzá lehet férni a géphez). A biztonsági függönyökkel és a kezelő által működtetett kapcsolókkal ellentétben a reteszelések a gép mozgatható alkatrészeinek vagy a gépet elkerítő elemeknek az elmozdításakor lépnek működésbe. Hogy egyértelmű legyen, a biztonsági reteszeléseket működtethetik a gépet elkerítő elemek gépi úton működtetett vagy kézzel nyitható részei. A biztonsági reteszelések a gépek elkerítő elemeinek helyzete alapján teszik lehetővé vagy tiltják le (reteszelik) a gép működtetését a kezelőszemélyzet biztonsága érdekében. A reteszelések visszajelzést adnak a biztonsági vezérlőelemeknek, amelyek ezen visszajelzések alapján állapítják meg a gépnek a védőberendezés adott helyzetéhez tartozó pontos állapotát.

A reteszelés használatát szabályozó szabványok

2. ábra: A reteszelő kapcsolók különböző különböző helyzetekben szerelhetők fel. Az ilyen reteszelésfajták besorolását nemzetközi biztonsági szabványok határozzák meg (kép: Design World)

Jelenleg az ipari automatizálásban használt berendezések reteszeléseinek tervezésénél és beépítésénél öt teljes szabványnak kell megfelelni – köztük a gépekre vonatkozó 2006/42/EK európai megfelelőségi (CE, Conformitè Europëenne) irányelvnek. Az ISO 12100 szabvány (és az ISO 14119 szabvány átvett részei) a reteszeléseket olyan eszközökként határozza meg, amelyek megakadályozzák a veszélyes gépi műveleteket, ha a védett területre vezető kapuk nyitva vannak. A védőzáraknak vagy reteszelő kapukapcsolóknak nevezett reteszelésekre, amelyek egy lépéssel tovább mennek a kapuk bezárása területén, saját követelmények vonatkoznak – beleértve azt a követelményt, hogy rendelkezzenek menekülési retesszel azon szereplők számára, akik egy veszélyes munkacellába zárva találják magukat.

A szabványok némelyike a minden reteszelés központi elemét alkotó véghelyzetkapcsolós vagy közelségkapcsolós technikákra vonatkozik. Az arra vonatkozó követelményeket is felvázolják, hogy a munkacellák elektronikusan működtetett védőberendezései hogyan kapcsolódjanak össze a berendezések vezérlésével – jellemzően azért, hogy az esetleges veszélyes mozgásokat lassítsák vagy akár meg is szüntessék.

A gép leállításához szükséges idő beállítása

A legmegbízhatóbb reteszelések meghatározott tengelyleállítási időtartamokat teljesítenek. Ezt úgy határozzák meg, hogy a gépnek a leállítási parancs kiadása után mennyi időre van szüksége ahhoz, hogy biztonságos állapotba lassuljon. A reteszelőrendszerek tulajdonképpen ezeket a leállítási időtartamokat veszik figyelembe, valamint azt az időt, amely alatt a gépkezelő a leállítási parancs kiadása után elérheti a veszélyes tengelyeket. Az optimalizált reteszelőberendezések:

• Biztosítják a biztonságos állapot jóval azelőtti elérését, hogy a kezelő akár csak megérinthetné vagy megközelíthetné a gép veszélyes tengelyeit.
• A túl hosszú leállások elkerülése révén támogatják a gép hatékony használatát.

Az ISO 12100 szabvány tulajdonképpen azt részletezi, hogy a reteszeléssel védett ajtók és burkolatok (zárásukkal) hogyan válthatják ki azonnal a gép működésének újraindítását. Ez ellentétben áll a vészleállításokkal, amelyek bonyolultabb gépújraindítási folyamatokat tesznek szükségessé. Az ilyen szabványok logikája az, hogy a reteszelés használata mindennapos (tehát nem hátráltathatja a mindennapi működést), de az elektronikus leállításoké nem az.

A reteszelések alaptechnikája és kikapcsolhatósága

Az automatizált gépeknek meg kell felelniük az A, a B és néha a C típusú nemzetközi biztonsági előírásoknak. Az üzembiztonságra vonatkozó ISO 12100-1 szabvány és más alapvető A típusú szabványok minden automatizált berendezésre vonatkoznak. Az ISO 12100 szabványnak megfelelő elektronikus vezérlések képesek kezelni azokat a helyzeteket, amikor valamilyen energiaforrás elkerülhetetlen karbantartása történik – nevezetesen megakadályozni a gép bármiféle váratlan újraindítását. Erre a célra az elektronikus leállítás soha nem elfogadható megoldás – erre kulcsos reteszelést kell használni.

A B típusú középszintű szabványok közé tartoznak a biztonságos megközelítésre vonatkozó B1 szabványok (köztük az ISO 13849-1 és ISO 62061 szabvány), valamint a biztonsági rendszerekre vonatkozó B2 egyedi követelmények (köztük az ISO 13850 és ISO 13851 szabvány). Ezzel szemben a C típusú szabványok a géptípusokra vonatkozó nagyon specifikus szabványok, ezért különösen szigorúak, és leginkább az eredeti berendezésgyártók (OEM, original equipment manufacturer) használják őket az új berendezések tervezéséhez.

A kifejezetten a reteszelésre vonatkozó szabványok az ISO 14118 és az ISO 14119.

Az ISO 4118 szabvány azt részletezi, hogyan lehet megelőzni a gép váratlan elindulását (a mechanikus energia elvonásával és a villamos energia leválasztásával), amikor a kezelő a gép veszélyes munkaterületén tartózkodik. Az ilyen rendszerek képesek a tápegységek leválasztására, a villanymotorok leállítására, a hidraulikus működtetőelemek nyomásmentesítésére, és lehetővé teszik a mozgó géprészek maradék mozgási energiájának felemésztését.

A cikkben említett többi szabvánnyal ellentétben az ISO 14119 szabvány a védőberendezésének reteszelésének szükséges sajátosságaival foglalkozik a következőképpen:

• Hivatkozik más biztonsági szabványok kockázatelemzési módszereire.
• Olyan reteszelési funkciókat határoz meg, amelyek megakadályozzák a védőberendezések véletlen vagy szándékos kiiktatását.

Az ISO 14119 az 1. típusú reteszeléseket olyan helyzetkapcsolókként határozza meg, amelyek könnyen kiiktatható mechanikus csuklós vagy bütykös működtetésűek. A működtető érintkezés felcserélhető (kódolatlan) felületek között történik. Az 1. típusú reteszelések előnyei az alacsony költség és a nagyfokú állíthatóság.

A 2. típusú reteszelések (a DIN EN 1088 szabványban először meghatározott módon) a mechanikus működtetésű, kevésbé megkerülhető helyzetkapcsolókra vonatkoznak. Az egymással érintkező feleket kódolt (egymáshoz illeszkedő) nyelvek vagy (biztonsági zárak esetében) bennfogott kulcsok alkotják. Ez utóbbiak arra kényszerítik a kezelőket, hogy minden védőburkolatot bezárjanak, mert a vezérlés csak akkor teszi lehetővé a gép indítását. A kulcsot pedig csak akkor lehet kihúzni, ha a védőburkolatok reteszelve vannak. Az elkerítő elemek teljesen beépített vezérlései még ennél is tovább mennek, és arra kényszerítik a kezelőket, hogy ugyanazokat a kulcsokat használják a reteszeléshez, mint a kulcsos kezelőfelület indítókapcsolóiban, amelyek a gép működése közben fogva tartják a kulcsot.

Az ISO 14119 az összes érintésmentes, kódolt működtetés nélküli biztonsági kapcsolót 3. típusú reteszelésnek minősíti. A legkönnyebben az optikai, ultrahangos és kapacitív működtetésű reteszeléseket lehet kiiktatni. Valamivel nehezebb az indukciós és mágneses alapú reteszelések kiiktatása. Ahol a kiiktathatóság nem elfogadható, ott 4. típusú reteszeléseket kell használni, amelyek érintésmentes működésű, egymáshoz illeszkedő vagy kódolt (RFID, mágneses vagy optikai megoldáson alapuló) működtetőelem-feleket használnak.

A reteszelések összehasonlítása a védőberendezések érzékelőivel és az elkerítő elemek kapcsolóival

3. ábra: Pusztán a védőberendezések reteszeinek bezárása nem váltja ki a veszélyes gépi folyamatok újraindítását. Ehelyett ez a megtiszteltetés egy kettős feladatot ellátó külön vezérlőretesznek vagy indítókapcsolónak jut, mint amilyen például az itt látható lágy érintésű kapacitív ujjkapcsoló (kép: Getty Images)

4. ábra: Néhány kettős funkciójú reteszelőszerkezet olyan működtetőelemmel van ellátva, amely biztonsági zárként működik. Ezek reteszzárakkal vagy elektromágneses szerelvényekkel ellátott helyzetkapcsolók, amelyek képesek az ajtókat zárva tartani, amíg a védőberendezéssel ellátott robotkar vagy gép minden veszélyes mozgása le nem áll. Sajnos, egyes mérnökök tévesen azt hiszik, hogy minden reteszelés biztonsági zár típusú (kép: Omron)

A reteszelések hasonlóságot mutatnak az azonos alaptechnikákon alapuló egyéb, biztonsági besorolású visszajelző és érzékelő alkatrészekkel. De hogy egyértelmű legyen, a reteszeléssel ellentétben ezen egyéb alkatrészek közül egyik sem kapcsolódik a gép elkerítő elemeihez. Ezenkívül a mai biztonsági előírások megkövetelik, hogy a reteszelések valamilyen helyreállítási célú érvénytelenítési folyamat hiányában ne adjanak zöld utat a működés újrakezdésének.

Az ipari biztonsági érzékelőként szállított alkatrészek ellenőrzik (gyakran érintésmentes induktív vagy fotocellás eszközökkel) a gépelem vagy a munkadarab helyzetét, hogy a vezérlőelemek az érzékelt körülményeknek megfelelően reagálhassanak. Ezzel szemben az ipari biztonsági kapcsolók a tápegységet kapcsolják ki vagy be a gépelem vagy a munkadarab érzékelt helyzetétől függően. Az ilyen kapcsolók a működést kiváltó helyzetek ellenőrzését követően vagy kikapcsolják, vagy újraindítják az áramellátást az adott géprészben. Manapság már nem elegendő egy közönséges közelségkapcsolót használni reteszelőelemként. Az IEC 60947 szabvány szigorú követelményei ma már megkövetelik, hogy a reteszelőelemként használt alkatrészeknek a kiiktatás és egyéb meghibásodások megelőzése érdekében nagyon speciális biztonsági jellemzői legyenek.

A biztonsági rendszerekben olyan relék is találhatók, amelyek közvetlenül létesítenek vagy szakítanak meg villamos kapcsolatokat – a leggyakoribb áramkörökben lényegében egy kis parancsfeszültséget továbbítanak, hogy végül egy nagyobb áramot juttassanak át az általuk vezérelt nagyáramú érintkezőkön. Gondoljunk most két olyan szokványos elemre, amelyeket a reteszelés egymástól függővé tesz: egy védőburkolat kinyitása és egy szerszámgép villanymotorral hajtott orsója. Az ezek közötti kölcsönösség miatt nem valószínű, hogy a marógép károsítja a saját alrendszereit, vagy sérülést okoz a kezelőnek. Ebben a tekintetben a reteszelések a működési sorrendnek megfelelően sorba kötött kapcsolókként működnek.

A legritkábbak a mechanikus bütykökkel vezérelt reteszelőelemek, amelyeknek a karjai egy tengelyen elfordulva reteszelik a veszélyes géptengelyeket. Sokkal elterjedtebbek az elektromechanikus és elektronikus reteszelések, amelyek áramköröket és mikroprocesszorokat használnak a költségtakarékos megbízhatóság és akár az átállíthatóság érdekében. Például a gépek elkerítő elemeinek elektromechanikus csuklós reteszelésű ajtói tartalmaznak egy mechanikus könyököt vagy kart, amely a csuklós védőelemmel együtt nyílik, és a beállított kapcsolási szögön túlhaladva az elkerített gép leállítására vonatkozó parancsokat ad ki. Az ajtó visszacsukódásakor az ajtóerő végül az áramkör újbóli zárására készteti a reteszelőelem mágnestekercsét.

A reteszeléshez használt jellegzetes kábelezés és mágnestekercstípusok

5. ábra: Az újfajta kommunikációs lehetőségek az elmúlt években csak növelték a több védőberendezéssel ellátott gépek megbízhatóságát. Itt egy illesztőmodul T-adapterhálózatokon keresztül kapcsolódik más biztonsági eszközökhöz (kép: Banner Engineering)

A reteszeléseket leggyakrabban alaphelyzetben zárt (NC, normally closed) logika szerint kötik be, hogy csak akkor engedjék működni a gépeket, amikor az áramkör zárva van. A legtöbb biztonsági szabvány megköveteli, hogy a biztonsági áramkörök alkotóelemei a lehető legmegbízhatóbb hiba- és eseményérzékelés érdekében sorba legyenek kötve (a megengedett számú érzékelőig). Az érzékelők számának túllépése ronthatja a készülék teljesítményszintjét, és növelheti a hiba elfedésének valószínűségét.

Az egy alaphelyzetben zárt rugós kapcsolót (akár helyzet-, akár véghelyzetkapcsolót) használó biztonsági reteszelések jellemzően pozitív megszakítást tesznek lehetővé – azaz a védőberendezés kinyitása megnyomja a reteszelőelem rugóját a reteszelőelem villamos érintkezőinek nyitása (az áramkör megszakítása) érdekében. Ezzel szemben a megbízhatóbb ikerkapcsolós reteszek egyik kapcsolója a védőberendezés kinyitásakor zár, és működtet más elemeket, míg a másik kapcsoló nyitott érintkezői a védőberendezés zárásakor zárnak. A rövidzárlatok elektronikus önjelentése (amely általában a két bemeneti csatorna közötti potenciálkülönbség figyelésével történik) kiegészítő funkció a vezetékek nyírás, korrózió vagy túlmelegedés miatti szakadásának észlelésére.

A mozgó vasmag és tekercs felépítésű mágnestekercsek működésének megbízhatósága miatt a mágnestekercses biztonsági alkatrészek alkalmasak kritikus reteszelőelemnek. A villamos bemenőjel előidézte kimenőjel jellemzően a vasmag egyenes vonalú elmozdulása (a bemenőfeszültség lekapcsolásakor rugós visszatérítéssel). A biztonsági és reteszzáras reteszelésekbe beépítve a mágnestekercsek jelentik a reteszelőmechanizmusok bemenőjelforrását. Más ilyen mágnestekercses konstrukciók a helyes mechanikai működés biztosítására is alkalmasak – például biztosíthatják a futószalag egyenletes haladását még akkor is, ha kezelőberendezés kezeli vagy dolgozza fel a futószalagon szállított munkadarabokat. A redundáns (sorba kapcsolt és a helyzet ellenőrzésére kétpólusú kapcsolókkal ellátott) mágnestekercses megoldások minimálisra csökkenthetik a hibás reteszelési jelzéseket.

Összegzés

A reteszelések kölcsönösen egymástól függővé teszik a gépet elkerítő elemek állapotát és a védőberendezés vezérlőelemeit. Az ezekre a vezérlőelemekre jutó korszerű reteszelés-visszajelzések valójában kivételesen kifinomult gépi reakciókat képesek kiváltani a gép ajtajainak különböző helyzeteitől függően. A legfejlettebb reteszelőelemek alkalmasak a hagyományos ipari kapcsolók és érzékelők képességeit meghaladó feladatokra, például a peremhálózati számítástechnika üzembiztos működtetésére, valamint és az ipari dolgok internetéhez (IIoT) kapcsolódó és megbízhatósági feladatok ellátására is. A fő kikötés az, hogy a védőberendezések reteszelései nem lehetnek a gépkezelők számára nehezen kezelhetőek. Az automatikus funkciók és a leggyakrabban használt védőburkolatok és ajtók reteszelésének feltételes feloldása a fel nem fedezett hibák számának minimálisra csökkentése révén javíthatják a működőképességet.