„Metodyka określania wymagań bezpieczeństwa podczas projektowania i wytwarzania osłon i urządzeń ochronnych”
1. Wstęp
Zagrożenia mechaniczne można ograniczać poprzez:
- konstrukcje bezpieczne same w sobie
Rozwiązanie to polega na eliminacji zagrożenia np. poprzez umieszczenie elementu ruchomego poza zasięgiem operatora maszyny lub innej osoby. Może to być np. umieszczenie tego elementu na znacznej wysokości. Innym przykładem jest zastąpienie wirującego koła ze szprychami przez koło wypełnione.
- stosowanie osłon
Polega na uniemożliwieniu dostępu do strefy zagrożenia poprzez trwałe odgrodzenie od elementu ruchomego za pomocą obudów, ekranów, pokryw, siatek, drzwi, ogrodzeń itp.
- stosowanie urządzeń ochronnych
Urządzenia ochronne są to techniczne środki bezpieczeństwa inne niż osłony. Ich podstawowe działanie polega na ograniczeniu możliwości dostępu do strefy zagrożenia poprzez zatrzymanie ruchu niebezpiecznego gdy wykryte zostanie naruszenie strefy wykrywania urządzenia ochronnego.
W dyrektywie 2006/42/WE wymagania zasadnicze dotyczące urządzeń ochronnych i osłon podane sa w Załączniku 1, rozdz. 1.4. Wymagania te uszczegółowione sa w normach zharmonizowanych typu B:
EN 953:1997+A1:2009 Bezpieczeństwo maszyn -- Osłony -- Ogólne wymagania dotyczące projektowania i budowy osłon stałych i ruchomych
EN ISO 13858:2008 Bezpieczeństwo maszyn - Odległości bezpieczeństwa uniemożliwiające sięganie kończynami górnymi i dolnymi do stref niebezpiecznych.
EN ISO 14119:2013 Bezpieczeństwo maszyn -- Urządzenia blokujące sprzężone z osłonami -- Zasady projektowania i doboru
EN ISO 13855:2010 Bezpieczeństwo maszyn -- Umiejscowienie wyposażenia ochronnego ze względu na prędkości zbliżania części ciała człowieka
Natomiast w przypadku gdy osłony podłączane są do systemu sterowania oraz w przypadku urządzeń ochronnych należy także uwzględnić normy:
EN ISO 13849-1:2006 Bezpieczeństwo maszyn -- Elementy systemów sterowania związane z bezpieczeństwem -- Część 1: Ogólne zasady projektowania
EN ISO 13849-2:2012 Bezpieczeństwo maszyn -- Elementy systemów sterowania związane z bezpieczeństwem - Część 2: Walidacja.
EN 62061:2005 Bezpieczeństwo maszyn -- Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych, elektronicznych i elektronicznych programowalnych systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem
Tak więc przy określaniu wymagań bezpieczeństwa dotyczących stosowania osłon i urządzeń ochronnych należy weryfikację odpowiedniego wymagania zasadniczego sprawdzić posługując się odpowiednimi z tych norm.
2. Stosowanie osłon
Następną, po stosowaniu konstrukcji bezpiecznych samych w sobie, metodą rozdzielania stref zagrożenia od stref dostępnych jest stosowanie osłon. Osłonami są wszelkiego typu bariery, przegrody, obudowy, ściany, siatki, drzwi itp. Osłony stanowią materialną barierę pomiędzy strefą zagrożenia a strefą dostępną, dzięki czemu uniemożliwiają dosięgnięcie do strefy zagrożenia. Osłony powinny:
· być mocnej konstrukcji,
· być trudne do usunięcia lub wyłączania,
· być umieszczone w odpowiedniej odległości od strefy zagrożenia,
· powodować jak najmniej utrudnień w procesie pracy,
· nie powodować powstawania dodatkowych czynników niebezpiecznych lub szkodliwych,
· umożliwiać wykonywanie, jeżeli to możliwe - bez ich usuwania, koniecznych prac związanych z instalowaniem i/lub wymianą narzędzi czy konserwacją przy dostępie ograniczonym tylko do obszaru, w którym prace te mają być wykonywane.
Ogólnie osłony dzieli się ze względu na sposób ich zamocowania i działania, możliwość regulacji, stopień wypełnienia oraz stopień osłonięcia niebezpiecznego czynnika. Osłona może być połączona z miejscem zainstalowania dwojako:
· na stałe, czyli nierozłącznie (np. przyspawana) lub za pomocą połączeń rozłącznych (np. połączenia śrubowego) w sposób uniemożliwiający usunięcie lub otwarcie jej bez użycia narzędzi; osłona taka jest nazywana osłoną stałą
· za pomocą elementów mechanicznych umożliwiających jej otwieranie bez użycia narzędzi (np. zawiasy, prowadnice); osłona taka jest nazywana osłoną ruchomą.
Położenie osłony może być regulowane lub nie. Wszędzie tam, gdzie dostęp operatora do strefy zagrożenia podczas normalnej pracy nie jest wymagany, należy stosować osłony stałe. Jeżeli jest konieczny częsty dostęp operatora do strefy zagrożenia, to należy zastosować osłonę ruchomą lub urządzenie ochronne. Mogą być ewentualnie stosowane osłony regulowane lub samoczynnie się zamykające.
Skuteczność osłon zależy od ich usytuowania w stosunku do strefy zagrożenia. Istotne jest zwłaszcza zachowanie odległości, które uniemożliwią dosięgnięcie do strefy zagrożenia ponad, obok lub przez otwory w osłonie. Zasady wyznaczania tych odległości podane są w normie PN-EN ISO 13857:2008.
2.1. Sięganie ponad osłoną
W przypadku zastosowania osłon do odgradzania strefy dostępnej od strefy zagrożenia istotne znaczenie ma takie usytuowanie i taki wymiar osłony aby nie było możliwe dosięgniecie do strefy zagrożenia ponad nią.
Odległość bezpieczeństwa c, określa się wg PN-EN ISO 13857:2008 p.4.2.2. Dotyczy to osłon osłony o wysokości od 1000 mm do 2500 mm (małe ryzyko) lub 2700 mm (duże ryzyko). Wynika to stąd, że osłony niższe niż 1000 mm uznaje się za zbyt niskie do ograniczenia ruchu ciała, natomiast osłony wyższe niż 2 500 mm (2 700 mm) całkowicie zapobiegają dostępowi do stref niebezpiecznych. Zgodnie z EN ISO 13857:2008 skuteczne odgrodzenie od strefy niebezpiecznej można osiągnąć albo oddalając osłonę albo ją podwyższając.
2.2. Sięganie dookoła osłon
Podstawową zasadą stosowania osłon jest takie ich usytuowanie, aby całkowicie zagradzały obszar przez który można sięgać do strefy zagrożenia. Niejednokrotnie jednak ze względów technologicznych (np. strefa dostarczania materiałów lub odbioru wyrobów) lub technicznych (np. ograniczenia konstrukcyjne) nie ma możliwości całkowitego zabudowania osłanianych stref. Wielkość stef do których można sięgnąć obok osłon jest zależna od zastosowanych konstrukcji ograniczających dostęp. normie PN-EN ISO 13857:2008 określono odległości bezpieczeństwa przy sięganiu ramieniem w przypadku zastosowania różnego typu ograniczeń ruchu.
2.3. Sięganie przez otwory
Osłony mogą być pełne lub ażurowe z otworami o różnych kształtach. Stosuje się je np. w celu zmniejszenia ciężaru lub zapewnienia lepszego chłodzenia. W takim przypadku należy uwzględnić możliwość sięgania przez otwory w osłonach. W normie EN-ISO 13857:2008 p. 4.2.4 podano zasięg poprzez otwory w przypadku otworów regularnych.
2.4. Urządzenia blokujące oraz blokujące i ryglujące związane z osłonami ruchomymi
Urządzenia blokujące oraz blokujące i ryglujące związane z osłonami ruchomymi powinny spełniać wymagania normy EN ISO 14119:2013. Przy tych urządzeniach przydatna jest także norma PEN 957:1997.
Urządzenie blokujące (bez ryglowania) zawsze umożliwia otwarcie osłony ruchomej. Przy zamkniętej osłonie urządzenie blokujące generuje aktywny sygnał zezwolenia na uruchomienie niebezpiecznych ruchów maszyny. Osłona wyposażona w urządzenie blokujące powinna realizować następujące funkcje bezpieczeństwa:
- funkcje maszyny stwarzające zagrożenie, „nadzorowane” przez osłonę nie mogą być uruchomione przed zamknięciem osłony (blokada uruchomienia);
- otwarcie osłony w czasie wykonywania funkcji maszyny stwarzających zagrożenie powoduje wygenerowanie sygnału rozpoczynającego procedurę ich zatrzymania (wyłączenie samoczynne);
- funkcje maszyny stwarzające zagrożenie, „nadzorowane” przez osłonę mogą być realizowane w czasie, gdy jest ona zamknięta, lecz samo zamknięcie osłony nie powoduje rozpoczęcia ich wykonywania;
Urządzenie blokujące z ryglowaniem utrzymuje stan zamknięcia osłony. Wyróżnia się dwa rodzaje tych urządzeń, w których odryglowanie:
- może być zainicjowane przez operatora w dowolnym momencie (odryglowanie bezwarunkowe);
- jest możliwe tylko wtedy, gdy został spełniony warunek zaniku zagrożenia (odryglowanie warunkowe);
Osłona wyposażona w urządzenie blokujące z ryglowaniem powinna realizować następujące funkcje bezpieczeństwa:
- funkcje maszyny stwarzające zagrożenie, „nadzorowane” przez osłonę nie mogą być uruchomione przed zamknięciem i zaryglowaniem osłony (blokada uruchomienia);
- po odryglowaniu funkcje maszyny stawrzające zagrożenie powinny być zzatrzymane w czasie krótszym niż otwarcie osłony,
- funkcje maszyny stwarzające zagrożenie, „nadzorowane” przez osłonę mogą być realizowane w czasie, gdy jest ona zamknięta i zaryglowana, lecz samo zamknięcie i zaryglowanie osłony nie powoduje rozpoczęcia ich wykonywania;
Ponadto, w przypadku odryglowani wrunkowego osłona powinna być zamknięta i zaryglowana do chwili zaniku zagrożenia.
Jeśli sygnał zatrzymania jest generowany przez pojedynczy czujnik (łącznik) należy zastosować czujnik przełączany w trybie wymuszonym. Przełączanie w trybie niewymuszonym dozwolone jest tylko w powiązaniu z czujnikiem przełączanym w trybie wymuszonym.
W elektrycznych urządzeniach blokujących oraz blokujących i ryglujących stosowane są między innymi łączniki drogowe (krańcowe, z rolką) oraz urządzenia z „kluczem” (blokowanie, blokowanie z ryglowaniem), które mogą zawierać jeden zestyk rozwierny przełączany w trybie wymuszonym albo dwa zestyki: rozwierny przełączany w trybie wymuszonym i zwierny przełączany w trybie niewymuszonym. Stosowanie łączników przełączanych niemechanicznie (zbliżeniowych, magnetycznych) wymaga stosowania dodatkowych środków podnoszących poziom odporności na defekty (specjalne układy monitorujące funkcjonowanie). Producenci tych urządzeń zwykle podają rozwiązania pozwalające uzyskać układy o określonej kategorii odporności na defekty.
3. Stosowanie urządzeń ochronnych
Urządzenia ochronne są to techniczne środki bezpieczeństwa inny niż osłony. Do ograniczania dostępu do stref zagrożenia stosowane są urządzenia ochronne wykrywające. Urządzeniami ochronnymi wykrywającymi nazywamy wyposażenie maszyn wykrywające człowieka lub części jego ciała, które wytwarza odpowiedni sygnał do układu sterowania w celu ograniczenia ryzyka doznania urazu. Sygnał do układu sterowania może być generowany, gdy człowiek lub część jego ciała przekracza wcześniej wyznaczoną granicę strefy zagrożenia, lub gdy w niej przebywa, lub w obu tych sytuacjach.
W grupie urządzeń ochronnych wykrywających najbardziej rozpowszechnione są elektroczułe urządzenia ochronne i urządzenia czułe na nacisk. Ich funkcja polega na wykrywaniu obecności lub wtargnięcia człowieka, lub części jego ciała, w pobliże strefy zagrożenia i wygenerowanie sygnału do zatrzymania ruchu niebezpiecznego. W przypadku osłon działanie ochronne polega na uniemożliwieniu dosięgnięcia do strefy zagrożenia poprzez fizyczne ograniczeniu strefy dostępnej. Działanie urządzeń ochronnych jest odwrotne. Uniemożliwiają one dosięgnięcie do strefy zagrożenia poprzez zatrzymanie ruchu niebezpiecznego, a więc wyeliminowanie zagrożenia, a tym samym wyeliminowanie strefy zagrożenia.
W urządzeniach ochronnych wykrywających szczególną rolę odgrywa strefa wykrywania. Jest to strefa w której wykrywana jest obecność człowieka. Strefa wykrywania jest więc obszarem w którym kontrolowana jest strefa dostępna.
Funkcje realizowane przez urządzenia ochronne wykrywające dzielą się na dwie grupy:
· funkcje zatrzymywania samoczynnego (zatrzymanie ruchu niebezpiecznego gdy nastąpi naruszenie strefy wykrywania),
· funkcje blokady startu (niedopuszczenie do rozpoczęcia ruchu niebezpiecznego dopóki naruszona jest strefa wykrywania).
Zadziałanie funkcji zatrzymywania samoczynnego może mieć miejsce w stanie występowania zagrożenia (pracująca maszyna), gdy naruszenie strefy wykrywania spowoduje aktywację urządzenia ochronnego i w następstwie tego zdarzenia zainicjuje działania prowadzące do ustania zagrożenia (zatrzymanie maszyny). Ustanie zagrożenia nigdy nie jest natychmiastowe – towarzyszy temu czas opóźnienia zwany czasem dobiegu systemu, który jest maksymalnym czasem od chwili aktywacji urządzenia ochronnego do chwili całkowitego ustania zagrożenia. Czas ten jest sumą dwóch wielkości:
T = t1 + t2
gdzie:
t1 – czas zadziałania urządzenia ochronnego wykrywającego
t2 – maksymalny czas reakcji maszyny
Ze względu na występowanie czasu dobiegu, urządzenie ochronne nie może być sytuowane na granicy rzeczywistej strefy zagrożenia, ponieważ działanie ochronne funkcji bezpieczeństwa byłoby zawsze spóźnione o czas dobiegu. Z tego względu aktywacja urządzenia ochronnego wykrywającego powinna następować z wyprzedzeniem w stosunku do faktycznego wniknięcia do strefy zagrożenia. Osiągane jest to przez umieszczanie urządzeń ochronnych w pewnej minimalnej odległości od rzeczywistej strefy zagrożenia, zwanej odległością bezpieczeństwa i oznaczanej S. Odległość ta zależna jest od rodzaju urządzenia, jego parametrów oraz sposobu usytuowania przy maszynie.
3.1. Elektroczułe urządzenia ochronne (ESPE)
Elektroczułe urządzenia ochronne (ESPE) są bardzo zaawansowaną technicznie i obecnie często stosowaną grupą urządzeń ochronnych. Pojęciem tym określa się zespół urządzeń i/lub elementów pracujących wspólnie w celu samoczynnego wyłączania ochronnego lub w celu wykrycia obecności, zawierający co najmniej: urządzenie wykrywające (bezdotykowe); urządzenia sterowania/monitorowania i urządzenia przełączające sygnały wyjściowe oraz opcjonalnie pomocnicze urządzenie przełączające. Są one urządzeniami, które mogą wykorzystywać rozmaite zjawiska fizyczne (np. promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie mikrofal, podczerwieni, światła widzialnego, fale akustyczne w tym ultradźwięki, zmiany pojemności i indukcyjności, itp.) w celu wykrywania człowieka lub części jego ciała. Obecnie praktycznie dopuszczone do stosowania są tylko aktywne optoelektroniczne urządzenia ochronne wykorzystujące promieniowanie podczerwone. Prowadzone są prace badawcze nad innymi metodami wykrywania osób i można spodziewać się wprowadzenia na rynek nowych rodzajów urządzeń ochronnych.
W tej grupie urządzeń wyróżnia się:
· aktywne optoelektroniczne wyposażenie ochronne, do których należą kurtyny (bariery) świetlne (bezpieczeństwa) i urządzenia z promieniem świetlnym;
· urządzenie, w którym funkcję czułości realizują optoelektroniczne elementy nadawcze i odbiorcze, wykrywające odbicie rozproszonego promieniowania optycznego generowanego przez to urządzenie, spowodowane obecnością jakiegoś obiektu w dwuwymiarowej strefie wykrywania. Urządzenia te powszechnie nazywane są skanerami laserowymi.
Stosowanie urządzeń ochronnych jest uzasadnione i odpowiednie w maszynach wymagających częstego dostępu operatora do strefy zagrożenia (np. do strefy roboczej) lub współdziałania człowieka z maszyną w czasie operacji technologicznych, w których niezbędna jest możliwość dobrej obserwacji maszyny i realizowanego procesu technologicznego oraz tych, w których trudno jest zainstalować osłony stałe. Pewne charakterystyczne cechy maszyny mogą wykluczać zastosowanie urządzeń ochronnych jako jedynego środka bezpieczeństwa; może więc być wymagane zastosowanie innych dodatkowych środków bezpieczeństwa.
Proces doboru urządzeń ochronnych powinien być prowadzony w kategoriach selekcji najwłaściwszego urządzenia ochronnego i towarzyszących mu uzupełniających środków bezpieczeństwa, i powinien uwzględniać:
· cechy maszyny,
· cechy środowiska,
· funkcje bezpieczeństwa,
· cechy ciała człowieka,
· parametry charakterystyczne elektronicznych urządzeń ochronnych.
Cechy maszyny mogą wykluczać zastosowanie niektórych rodzajów urządzeń ochronnych np. ze względu na:
· możliwość wyrzucania obrabianego materiału, wiórów lub części elementów,
· występowanie promieniowania termicznego lub innego,
· przekroczenie dopuszczalnego poziomu hałasu.
· możliwość niekorzystnego wpływu środowiska na ich działanie,
· brak możliwości osiągnięcia stanu bezpieczeństwa maszyny w czasie cyklu technologicznego, spowodowane: charakterem procesu (np. jego zatrzymanie mogłoby wywołać dodatkowe zagrożenie), sposobem napędzania maszyny (np. do napędu wykorzystano sprzęgło z klinem obrotowym, którego rozłączenie możliwe jest dopiero po zakończeniu cyklu roboczego) lub zgromadzoną energią (np. w formie ciśnienia pneumatycznego lub hydraulicznego w zbiornikach).
· nieodpowiadający wymogom instalowania urządzeń ochronnych uzyskiwany czas zatrzymania maszyny (osiągnięcia stanu bezpieczeństwa), co wynika z jej rozwiązań konstrukcyjnych (może być to związane z: wykonaniem układu zatrzymywania w technice niedostosowanej do współpracy z urządzeniem ochronnym lub z jego dużymi opóźnieniami, a także z niedostatecznym hamowaniem ruchów roboczych wynikającym ze zmiennej prędkości, obciążenia lub inercji).
Przy doborze urządzeń ochronnych należy uwzględnić cechy ciała człowieka w następujących aspektach:
· prędkości i kierunku zbliżania do strefy zagrożenia;
· wykrywanej części ciała (np. wykrywanie palca, ręki, kończyny górnej, kończyny dolnej, całego ciała);
· współdziałania człowieka z maszyną.
Również pozycjonowanie urządzeń ochronnych jest istotnie uzależnione od wymienionych czynników. Należy również dobierać i sytuować te urządzenia w sposób minimalizujący możliwość narażenia osób na zagrożenia poprzez ich obejście, na przykład:
· dostęp do strefy zagrożenia ponad, pod lub z boku strefy wykrywania;
· sięganie ponad strefą wykrywania;
· przekroczenie ponad strefą wykrywania;
· zmianę położenia elementów czujnikowych wyposażenia ochronnego;
· odbicie promieni świetlnych za pomocą powierzchni odblaskowych powodujące modyfikację strefy wykrywania elektroczułych urządzeń ochronnych;
· pozostanie w strefie zagrożenia poza strefą wykrywania.
4. Podsumowanie
Proces określania wymagań bezpieczeństwa dotyczących stosowanych uosłon i urządzeń ochronnych będzie więc polegał na doborze właściwych norm dotyczących tych urządzeń. Kolejne kroki postępowania powinny więc obejmować:
1. Dobór rodzaju osłony lub urządzenia ochronnego – EN 953:1997+A1:2009
2. Określenie wymagań dotyczących umiejscowienia osłon - EN ISO 13858:2008
3. Określenie wymagń dotyczących umiejscowienia urządzeń ochronnych - EN EN ISO 13855:2010
4. Określenie wymagan dotyczących odporności funkcji bezpieczeństwa na defekty –EN ISO 13849-1:2006 lub EN 62061:2005
5. Walidacja - EN ISO 13849-2:2012, EN 62061:2005