Jak przekaźniki bezpieczeństwa wpływają na redukcję ryzyka awarii w instalacjach?

W nowoczesnych systemach automatyki przemysłowej przekaźniki bezpieczeństwa odgrywają istotną rolę w redukcji ryzyka awarii i zwiększeniu poziomu bezpieczeństwa operacyjnego. Moduły te odpowiadają za nadzór nad sygnałami związanymi z funkcjami bezpieczeństwa, zapewniając, że system sterowania reaguje prawidłowo w sytuacjach zagrożenia. Ich zadaniem nie jest ogólne monitorowanie parametrów pracy instalacji, lecz kontrola obwodów bezpieczeństwa i wymuszenie przejścia systemu w stan bezpieczny w przypadku wykrycia nieprawidłowości.

Co to jest przekaźnik bezpieczeństwa i jak działa?

Przekaźnik bezpieczeństwa to urządzenie przeznaczone do realizacji określonych funkcji bezpieczeństwa w systemach sterowania maszyn. Wykorzystywany jest m.in. w układach zatrzymania awaryjnego (E-STOP), kontroli osłon i rygli bezpieczeństwa, kurtyn świetlnych czy systemów sterowania dwuręcznego. Jego głównym zadaniem jest zapewnienie, że w przypadku wykrycia niebezpiecznego stanu system zostanie automatycznie przełączony w stan bezpieczny, np. poprzez odłączenie zasilania lub aktywację funkcji Safe Torque Off (STO). Przekaźniki bezpieczeństwa wykorzystują mechanizmy redundancji oraz zaawansowaną diagnostykę, które umożliwiają wykrywanie takich nieprawidłowości jak zwarcia krzyżowe, przerwy w obwodach czy niespójności kanałów. Dzięki temu możliwe jest szybkie i jednoznaczne reagowanie na zagrożenia, zgodnie z wymaganiami bezpieczeństwa funkcjonalnego. Przekaźniki bezpieczeństwa nie są uniwersalnymi przekaźnikami kontrolnymi ani pomiarowymi – ich zastosowanie jest ściśle związane z realizacją funkcji bezpieczeństwa zgodnych z normami takimi jak EN ISO 13849-1 czy IEC 62061.

Poziomy bezpieczeństwa SIL i PL

Przekaźniki bezpieczeństwa są kluczowe dla osiągnięcia wymaganych poziomów bezpieczeństwa funkcjonalnego, które są definiowane przez poziomy SIL (Safety Integrity Level) i PL (Performance Level). SIL i PL to międzynarodowe standardy określające zdolność systemów sterowania do bezpiecznego reagowania na błędy i minimalizacji ryzyka zagrożeń. Poziomy SIL odnoszą się do układów elektrycznych i elektronicznych, natomiast PL – do mechanicznych, pneumatycznych, hydraulicznych oraz prostych elektrycznych.

Jakie normy muszą spełniać przekaźniki?

W branży przemysłowej przekaźniki bezpieczeństwa muszą spełniać określone normy, które regulują ich działanie i bezpieczeństwo instalacji. Do kluczowych standardów należą:

• EN ISO 13849-1:2023: określa wymagania dotyczące konstrukcji systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem, w tym poziomy PL a-e, wskaźniki niezawodności (MTTFd – Mean Time To Dangerous Failure, DCavg – Diagnostic Coverage, CCF – Common Cause Failure) oraz kategorie strukturalne (B, 1-4);

• EN IEC 62061:2021 + A1:2024: skupia się na aspektach bezpieczeństwa systemów sterowania maszyn (SIL 1-3), koncentrując się na ich projektowaniu, integracji oraz walidacji;

• PN-EN 60204-1:2018-12 (+A1:2021): dotyczy wymagań związanych z instalacją elektryczną maszyn, obejmując takie zagadnienia jak zasilanie, zatrzymania, odłączanie, oznaczenia i testy.

W praktyce istotny jest wybór jednej ścieżki oceny – SIL lub PL – i przeprowadzenie jej począwszy od oceny ryzyka, poprzez projekt, aż po walidację.

Jakie funkcje bezpieczeństwa realizują przekaźniki bezpieczeństwa?

Przekaźniki bezpieczeństwa odpowiadają za realizację i nadzór nad funkcjami bezpieczeństwa w systemach automatyki, zgodnie z wymaganymi poziomami niezawodności i normami branżowymi.

• Awaryjne zatrzymanie (E-Stop) i odcięcie energii: przekaźniki wyposażone są w dwukanałowe wejścia oraz kontrolują zgodność kanałów przy wykorzystaniu pętli sprzężenia zwrotnego (feedback). Celem jest osiągnięcie poziomów bezpieczeństwa PL e w kategorii 4 lub SIL3, w zależności od wybranej metody.

• Monitorowanie osłon/rygli i kurtyn OSSD: przekaźnik ma zadanie wykrywanie zwarć krzyżowych, przerw w obwodach oraz kontrolę sekwencji, zapewniając krótkie czasy reakcji na wykryte zagrożenia.

• Sterowanie dwuręczne: systemy te wymagają spełnienia czasowych wymogów jednoczesności, zgodnie z normami 13849 oraz 62061.

• Nadzór prędkości/postoju: funkcje takie jak SS1/SS2, SLS, SDI/Zero-Speed są realizowane poprzez wejścia czujników (np. enkoderów czy czujników zbliżeniowych), a także poprzez odpowiednie ustalanie progów i czasów reakcji, co wraz z walidacją poziomów PL/SIL zapewnia niezawodność kontroli.

Kluczowe parametry, które należy uwzględnić przy doborze przekaźników, to wymagany poziom PL/SIL, architektura systemu (kategoria lub HFT), a także wskaźniki takie jak MTTFd/PFHd oraz DCavg. Ważna jest również liczba i rodzaj wejść (np. OSSD, NO, NC), liczba oraz obciążalność wyjść bezpiecznych, jak i kompatybilność z systemami STO napędów.

Najczęstsze błędy i jak ich unikać

W praktyce często dochodzi do pewnych błędów podczas wdrażania przekaźników bezpieczeństwa. Przedstawiamy najpowszechniejsze z nich.

• Brak prawidłowej pętli feedback: może prowadzić do braku wykrywalności sklejenia styczników. Zastosowanie pomocniczych styków NC może wyeliminować ten problem.

• Mieszanie ocen PL i SIL: Wybór jednej ścieżki oceny i trzymanie się jej zapewnia spójność i zgodność całego projektu.

• Za mała diagnostyka: Aby zredukować prawdopodobieństwo awarii, ważne jest stosowanie modułów z zaawansowaną diagnostyką, które skutecznie wykrywają zwarcia krzyżowe i niespójności kanałów.

Przykłady modułów z oferty Zpradem.pl

W ofercie Zpradem.pl można znaleźć różnorodne moduły przekaźników bezpieczeństwa, które spełniają najwyższe standardy bezpieczeństwa, takie jak:

• EATON ESR5-BWS-31-24VDC: model szczególnie użyteczny dla kurtyn świetlnych i czujników OSSD, zapewniający nadzór kanałów i pętlę zwrotną;

• PHOENIX CONTACT (230 V AC/DC): wysoka uniwersalność sprawia, że jest idealny dla systemów E-Stop i kontroli drzwi

• SIEMENS 3SK1121-1CB42: moduł z funkcją regulacji czasu opóźnienia, pomocną w implementacji bezpiecznych zatrzymań i sekwencji zwłoki.

Nasi eksperci chętnie pomogą w wyborze odpowiednich modułów.

Wpływ na redukcję ryzyka awarii

Przekaźniki bezpieczeństwa w istotny sposób przyczyniają się do ograniczenia ryzyka związanego z awariami systemów, chociaż nie eliminują awaryjności maszyn jako takiej. Ich główne działanie polega na minimalizowaniu skutków potencjalnych awarii oraz błędów operatora poprzez kontrolę poprawności działania obwodów bezpieczeństwa. Jest to możliwe dzięki funkcjom takim jak redundancja oraz diagnostyka, które umożliwiają wykrywanie nieprawidłowości, takich jak przerwy w obwodach czy zwarcia krzyżowe.

Wymuszone prowadzenie styków, wspierane przez mechanizmy sprzężenia zwrotnego (feedback), umożliwia wykrycie uszkodzeń elementów wykonawczych, takich jak sklejenie styczników, i zapobiega niekontrolowanemu ponownemu uruchomieniu maszyny. Kluczową cechą przekaźników bezpieczeństwa jest zasada fail-safe, zgodnie z którą każda wykryta usterka powoduje przejście systemu w stan bezpieczny.

Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie wymaganych poziomów bezpieczeństwa, takich jak PL e czy SIL3, oraz ograniczenie ryzyka resztkowego do poziomu akceptowalnego w analizie ryzyka.