Bezpieczeństwo funkcjonalne w napędach przemysłowych Lenze

Bezpieczeństwo funkcjonalne w napędach LENZE

Wraz z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi bezpieczeństwa maszyn i urządzeń przemysłowych, coraz większą uwagę poświęca się tzw. funkcjonalnym aspektom bezpieczeństwa. W przypadku napędów – w tym napędów marki Lenze – istotną rolę odgrywają rozwiązania takie jak Safe Torque Off (STO), Safe Stop 1 (SS1) czy Safely Limited Speed (SLS). Poniżej przybliżam najważniejsze informacje na temat podstawowych funkcji bezpieczeństwa, sposobów ich wdrażania oraz potencjalnych korzyści płynących z ich wykorzystania.

Proste sterowanie funkcjonalnością bezpieczeństwa

Maszyna nie wymaga rozbudowanego systemu bezpieczeństwa a jedynie podstawową kontrolę pozwolenia na pracę

Funkcja wykonywana w prostym sterowniku bezpieczeństwa

Przyciski stopu bezpieczeństwa, kurtyny, przełączniki, rygIe itp. Są podłączone do sterownika bezpieczeństwa. Sterownik bezpieczeństwa wystawia tylko dwie informacje sterujące:
• Załączenie funkcji QSP dzięki wejść lub komunikacji
• Opóźniona czasowo aktywacja funkcji STO po stronie napędu dzięki bezpiecznych wejść cyfrowych

Rozszerzone sterowanie funkcjonalnością bezpieczeństwa

W przypadku maszyn wymagających bardziej zaawansowanej ochrony, nie wystarczy już proste odłączenie momentu czy opóźnione wyłączenie napędu. Tutaj z pomocą przychodzi rozszerzone sterowanie bezpieczeństwem (Extended Safety – ES) w napędach Lenze. Rozwiązanie to umożliwia dodatkowe monitorowanie krytycznych parametrów, takich jak prędkość czy pozycja, a także rozbudowaną diagnostykę przez sieci przemysłowe (m.in. PROFIsafe czy FSoE). Dzięki temu operatorzy mogą pracować z większą elastycznością i precyzją, przy zachowaniu najwyższego poziomu ochrony.

Rozszerzona funkcjonalność uwzględnia m.in.:

• Kontrolę prędkości i położenia w czasie rzeczywistym,
• Bezpieczne monitorowanie hamowania (Safe Stop 1, Safe Stop 2),
• Zarządzanie hamulcem silnika (Safe Brake Control),
• Kontrolę kierunku ruchu (Safe Direction),
• Limitowanie maksymalnej prędkości (Safe Maximum Speed).

Zastosowanie tych zaawansowanych rozwiązań przekłada się na wyższy poziom bezpieczeństwa w aplikacjach, w których operatorzy mogą znajdować się w pobliżu ruchomych elementów. W efekcie maszyna może działać na ustawionych, bezpiecznych parametrach ruchu, bez konieczności całkowitego wyłączania napędu przy każdorazowym wejściu człowieka do strefy pracy.

Złącza bezpieczeństwa i moduły komunikacyjne w napędach Lenze

Na powyższej ilustracji przedstawiono napęd i950 w wersji z zaimplementowanymi funkcjami rozszerzonego bezpieczeństwa (Extended Safety). Widoczne są tutaj między innymi:

• Złącze styków STO – odpowiada za bezpieczne wyłączanie momentu silnika (Safe Torque Off).
• Złącze styków rozszerzonego bezpieczeństwa – pozwala na podłączenie dodatkowych czujników i sygnałów, niezbędnych przy zaawansowanych funkcjach bezpieczeństwa (np. Safe Limited Speed, Safe Brake Control).
• Safety LEDs – diody sygnalizujące stan funkcji bezpieczeństwa oraz ewentualne błędy w konfiguracji lub działaniu systemu.
• Złącze modułu komunikacyjnego – służy do integracji napędu z sieciami przemysłowymi (np. EtherCAT, PROFINET), w tym protokołami bezpieczeństwa, takimi jak FSoE czy PROFIsafe.

Dzięki takiemu rozmieszczeniu złączy i wskaźników stan oraz konfiguracja funkcji bezpieczeństwa są łatwe do monitorowania i obsługi, a sam napęd można w prosty sposób integrować z kontrolerami wyższego rzędu. Pozwala to zaoszczędzić miejsce w szafie sterowniczej i minimalizuje ilość dodatkowych komponentów bezpieczeństwa.

Bezpieczne monitorowanie parametrów w napędach Lenze

W celu zapewnienia zgodności z normami bezpieczeństwa i ochrony zdrowia operatorów, w napędach Lenze stosuje się dedykowane funkcje do monitorowania kluczowych parametrów. Dzięki temu możliwe jest szybkie wykrycie odchyleń od zadanych wartości (np. prędkości, momentu lub pozycji) i natychmiastowe przejście do stanu bezpiecznego zatrzymania. W praktyce przekłada się to na:

• Prewencyjne zapobieganie awariom – monitorowanie ostrzega o odchyleniach zanim spowodują uszkodzenie.
• Redukcję ryzyka kolizji – jeżeli ruch przekracza ustalone limity, uruchamiana jest funkcja hamowania lub wyłączania momentu (STO, SS1).
• Szybkie reagowanie na błędy – parametry bezpieczeństwa mogą być parametryzowane w czasie rzeczywistym, co ułatwia diagnostykę.

Ponadto dokumentowanie ustawień i archiwizacja protokołów to najważniejsze elementy, które w razie kontroli lub potrzeby przeprowadzenia analizy, pozwalają gwałtownie zweryfikować poprawność konfiguracji i podjętych działań.

Extended Safety: rozbudowana funkcjonalność z monitorowaniem pozycji

• Safe torque off
• Safe stop 1
• Safe stop 2 / Safe operating stop
• Safely limited speeds
• Safe maximum speed
• Safe tip mode
• Safely-limited increment
• Safe direction
• Safe cascading of safety function STO
• Safe cam
• Safely limited positions
• Position depending safe speed
• Safe Brake Control
• Muting
• Safety bus
• przez PROFINET lub EtherCAT

Extended Safety: Zewnętrzne okablowanie

Wejścia:

• Bezpośrednie podłączenie max. czterech czujników
  • Dwukanałowe czujniki aktywne
  • Dwukanałowe czujniki pasywne
  • jeden dwukanałowy przełącznik wyboru trybu pracy
  • Jeden dwukanałowy przycisk odblokowania (enable switch)
  • Jeden dwukanałowy przełącznik diagnostyczny
• jeden/dwa jedno-/dwu-kanałowe czujniki bazowania
• Potwierdzenie błędu modułu
• Potwierdzenie startu (resetu)

Wyjścia:

Potencjał zasilający dla sygnału zegarowego oraz wyjścia cyfrowego

Monitor funkcji bezpieczeństwa, parametryzowany

Sygnał zegarowy

Jako zasilanie dla czujników pasywnych

Informacje podstawowe – typy czujników

W systemach bezpieczeństwa napędów i950 (BS – STO) można wykorzystać zarówno czujniki pasywne, jak i aktywne. Czujniki pasywne wymagają zwykle dodatkowego przekaźnika (safety relay), który przetwarza sygnał i w razie potrzeby aktywuje funkcję STO. Czujniki aktywne natomiast dostarczają własny sygnał sterujący bezpośrednio do napędu.

Dzięki temu możliwa jest elastyczna konfiguracja układu bezpieczeństwa – sygnały SIA, SIB i GS pozwalają na szybkie podłączenie przycisków awaryjnych, czujników położenia czy innych elementów ochronnych. Ma to najważniejsze znaczenie w zróżnicowanych aplikacjach przemysłowych, w których ważna jest szybkość reakcji oraz niezawodność monitorowania.

Extended Safety: Złącza modułu bezpieczeństwa

Tabela poniżej pokazuje najważniejsze piny i terminale dla funkcji bezpieczeństwa w napędzie i950. Poszczególne sygnały (m.in. Clock A/B, Output/Input A/B, Restart-acknowledge, Error-acknowledge) odpowiadają za zarządzanie czujnikami, sygnałami zegarowymi oraz potwierdzanie błędów i restartów. Poprawne podłączenie tych złączy jest niezbędne dla prawidłowego działania rozszerzonych funkcji bezpieczeństwa i adekwatnej komunikacji z modułem ES.

Safe Torque Off (STO)

• Nie monitorujemy pozycji silnika ani jego zatrzymania.
• Odpowiada za kategorię zatrzymania 0,
• Pole wirujące w silniku jest w sposób pewny zatrzymane,
• Silnik zatrzymuje się wybiegiem
• Nie ma potrzeby użycia stycznika na zasilaniu silnika (*),
• Silnik nie generuje momentu ani nie wykonuje ruchów,

Safe Torque Off (STO) – wykres aktywacji

Widać tu, jak po wywołaniu STO (Activation) prąd silnika zaczyna gwałtownie spadać do zera, a maszyna przechodzi do zatrzymania wybiegiem. W trakcie trwania STO napęd nie generuje momentu, co pozwala na bezpieczny i pewny postój – jednak bez kontroli ani monitorowania aktualnej pozycji silnika.

Safe Stop 1 (SS1)

• Odpowiada za kategorię zatrzymania 1
• Silnik zatrzymuje się w sposób kontrolowany (po określonej rampie) a po jego zatrzymaniu (lub upłynięciu zdefiniowanego czasu) aktywowana jest funkcja STO
• Nie ma potrzeby użycia stycznika na zasilaniu silnika (*),
• Silnik nie generuje momentu ani nie wykonuje ruchów,
• Nie monitorujemy pozycji silnika ani jego zatrzymania.
• STO jest końcowym stanem funkcji SS1.
• Aktywacja STO w ramach SS1 występuje gdy:
  • Upłynie ustalony czas lub
  • Jak tylko osiągnięta zostanie prędkość n=0 po ustalonym upływie czasu lub najpóźniej po zadanym czasie hamowania.

Monitorowanie ramp dla SS1

Na wykresie widać, jak po aktywowaniu funkcji SS1 silnik zostaje wyhamowany po określonej rampie (zdefiniowany start-offset). Po osiągnięciu prędkości zerowej (lub po upływie zadanego czasu) następuje przejście do stanu STO, co skutkuje pewnym odłączeniem momentu. Ta sekwencja gwarantuje bezpieczne zatrzymanie bez konieczności użycia dodatkowych styczników.

Monitorowanie ramp dla SS1 w przypadku użycia S-rampy

Zamiast klasycznej (liniowej) rampy hamowania w SS1 można zastosować tzw. S-rampę, która zapewnia płynniejszy przebieg hamowania i zmniejsza przeciążenia mechaniczne. Po redukcji prędkości z ustalonego poziomu (start-offset) do zera (w czasie czas S-rampa), napęd przechodzi w tryb STO. Efektem jest łagodniejsze zatrzymanie maszyny przy zachowaniu pełnego bezpieczeństwa.

Safely Limited Speed (SLS)

• Jest to zabezpieczenie przed przekroczeniem dopuszczalnej prędkości.
• W przypadku błędu (przekroczenia) silnik jest zatrzymywany w bezpieczny sposób.
• Dostępne są cztery niezależne ograniczenia prędkości.
• Aktywacja funkcjonalności dzięki wejścia, komunikacji lub jako wynik działania innej funkcji bezpieczeństwa
• W aplikacji technologicznej w napędzie funkcjonalność ta jest już gotowa, wystarczy tylko podać wartość ograniczenia w jednostkach użytkownika

Safely Limited Speed (SLS) – schemat działania

Na wykresie pokazano, jak SLS ogranicza prędkość poniżej zdefiniowanej wartości. Po przekroczeniu progu (lub w przypadku błędu) następuje bezpieczne hamowanie (Braking time), a finalnie przejście do jednej z funkcji zatrzymania (STO, SS1 lub SS2). Dzięki temu system może działać w kontrolowanym zakresie prędkości, zapewniając wysoki poziom ochrony osób i urządzeń.

Dokumentowanie – wartości parametrów

W aplikacjach bezpieczeństwa niezwykle ważna jest adekwatna dokumentacja. Oprogramowanie Lenze pozwala na wygodne eksportowanie i drukowanie wartości parametrów (np. prędkości ograniczonych, czasów ramp), co ułatwia archiwizację i potwierdzenie konfiguracji systemu. W razie potrzeby daje to też możliwość szybkiego przeglądu ustawień i ich weryfikacji podczas auditów lub inspekcji.

Wygenerowany raport parametrów pozwala na przejrzyste zaprezentowanie wszystkich istotnych nastaw, takich jak limity prędkości, czasy hamowania czy konfiguracje wejść bezpieczeństwa. Taki dokument jest najważniejszy przy walidacji systemu, pomagając gwałtownie zweryfikować poprawność ustawień i ewentualnie odtworzyć je w innej aplikacji.

Dokumentowanie – protokół

Przy testach funkcji bezpieczeństwa system automatycznie tworzy protokół z wynikami (np. dla SDI, SS1 czy SLS). Raport zawiera informacje o przebiegu i parametrach poszczególnych testów, co ułatwia końcową walidację układu bezpieczeństwa. Taki protokół jest nieodzowny przy audytach i potwierdza prawidłowe działanie wszystkich kluczowych funkcji.

Transfer of the safe parameter set out of the SD-card

W napędach Lenze istnieje możliwość wczytania lub zapisania zestawu bezpiecznych parametrów z karty SD. Podczas tego procesu diody LED (RDY, ERR, S82) sygnalizują kolejne etapy transferu – dzięki nim użytkownik ma wgląd w postęp i ewentualne błędy. Pozwala to na szybkie odtworzenie konfiguracji bezpieczeństwa, a także jej przenoszenie między różnymi napędami i aplikacjami.

Podsumowanie

Wpis prezentuje kompleksowy przegląd funkcjonalności bezpieczeństwa w napędach Lenze. Omawiane tematy obejmują:

• Podstawowe funkcje bezpieczeństwa, takie jak Safe Torque Off (STO), które zapewnia szybkie odłączenie momentu, oraz Safe Stop 1 (SS1) umożliwiające kontrolowane hamowanie.
• Funkcję Safely Limited Speed (SLS), która zapobiega przekroczeniu dozwolonej prędkości i inicjuje bezpieczne hamowanie.
• Rozszerzone funkcje bezpieczeństwa (Extended Safety), w tym monitorowanie pozycji, zaawansowane sterowanie i diagnostykę, a także integrację z sieciami przemysłowymi.
• Elementy systemu, takie jak okablowanie, typy czujników oraz moduły komunikacyjne, które umożliwiają poprawne działanie funkcji bezpieczeństwa.
• Proces dokumentowania i transferu parametrów, co jest najważniejsze przy walidacji i archiwizacji konfiguracji systemu.

Całość wpisu podkreśla, iż adekwatnie zaprojektowany system bezpieczeństwa nie tylko chroni operatorów, ale także zwiększa niezawodność i efektywność pracy maszyn.