Ma ono znaczenie zarówno przy projektowaniu nowych urządzeń, jak i podczas modernizacji istniejących stanowisk czy automatyzacji procesów produkcyjnych. Ten artykuł wyjaśnia, jak działają systemy ochrony, jak dobierać kategorie bezpieczeństwa i co zmieniają coboty.
Ramy prawne: Dyrektywa Maszynowa i normy zharmonizowane
Dyrektywa Maszynowa 2006/42/WE wyznacza obowiązkowe wymagania dla maszyn wprowadzanych na rynek europejski. Producent musi wykazać zgodność z jej wymaganiami zasadniczymi, zanim umieści oznakowanie CE na urządzeniu. Dyrektywa nie opisuje szczegółowych rozwiązań technicznych, lecz określa cel: maszyna nie może stwarzać nieakceptowalnego ryzyka dla zdrowia i życia. Szczegółowe metody osiągnięcia tego celu opisują normy zharmonizowane.
Najważniejszą normą horyzontalną jest PN-EN ISO 12100, definiująca ogólne zasady projektowania bezpiecznych maszyn. Wprowadza trójstopniową hierarchię środków ochronnych: eliminację zagrożeń przez projektowanie, zabezpieczenia techniczne tam, gdzie eliminacja jest niemożliwa, oraz informowanie użytkownika o ryzyku rezydualnym. Norma ta stanowi punkt wyjścia do każdej oceny ryzyka i powinna być uwzględniana już na etapie projektowania i budowy maszyny, a nie dopiero przed jej uruchomieniem.
Dyrektywa Maszynowa zostanie zastąpiona Rozporządzeniem Maszynowym 2023/1230/UE, które zacznie być w pełni stosowane w 2027 roku. Rozporządzenie rozszerza zakres m.in. o maszyny wykorzystujące systemy oparte na sztucznej inteligencji oraz rozwiązania autonomiczne, co bezpośrednio wpływa na projektowanie robotów współpracujących i pojazdów AGV.
Ocena ryzyka: metodologia, której nie można pominąć
Ocena ryzyka to systematyczny proces identyfikacji zagrożeń oraz szacowania prawdopodobieństwa i ciężkości potencjalnych urazów. Bez niej nie można rzetelnie dobrać środków ochronnych ani wykazać zgodności maszyny z obowiązującymi wymaganiami.
Proces przebiega w czterech etapach: określenie granic maszyny i jej zamierzonego użycia, identyfikacja zagrożeń – mechanicznych, elektrycznych, termicznych, ergonomicznych i innych – szacowanie ryzyka dla każdego zagrożenia, a następnie ocena, czy ryzyko jest akceptowalne. Jeśli nie jest, wdraża się środki redukcji i powtarza ocenę. Taki iteracyjny cykl opisuje norma PN-EN ISO 12100 i jest on podstawą dokumentacji technicznej wymaganej przy oznakowaniu CE.
Dane PIP (Państwowej Inspekcji Pracy) pokazują, że w Polsce co roku dochodzi do wielu wypadków związanych z obsługą maszyn, z których część prowadzi do poważnych urazów. Poza skutkami dla pracowników wypadek może oznaczać również odszkodowania, postępowanie wyjaśniające, przestój produkcji czy konieczność reorganizacji pracy. Z tego względu odpowiednio zaprojektowane zabezpieczenia należy traktować jako integralny element maszyny i całego procesu produkcyjnego.
Kategorie bezpieczeństwa wg PN-EN ISO 13849-1: architektura, która decyduje o niezawodności
Kategorie B i 1: punkt wyjścia
Kategoria B oznacza, że elementy systemu bezpieczeństwa są dobrane i zaprojektowane zgodnie z zasadami ogólnymi: właściwe materiały, właściwe obciążenia oraz stosowanie się do zaleceń producenta. Nie zakłada się tu żadnej specjalnej architektury odpornej na uszkodzenia.
Kategoria 1 dodaje wymóg stosowania sprawdzonych komponentów i sprawdzonych zasad bezpieczeństwa, np. wymuszonych styków w przekaźnikach. Obie kategorie są odpowiednie wyłącznie dla stref niebezpiecznych o niskim ryzyku i rzadkim dostępie operatora.
Przykład praktyczny: prosta osłona stała z ryglowaniem mechanicznym na stanowisku, do którego dostęp następuje raz na zmianę, może kwalifikować się do kategorii 1, jeśli ryzyko resztkowe jest niskie.
Kategorie 2, 3 i 4: redundancja i diagnostyka
Kategoria 2 wprowadza obowiązek okresowego testowania funkcji bezpieczeństwa. System musi wykryć usterkę przed kolejnym żądaniem bezpieczeństwa, ale nie wymaga pełnej redundancji. Stosuje się ją tam, gdzie usterki zdarzają się rzadko, a częstotliwość testowania jest wystarczająca.
Kategoria 3 to architektura dwukanałowa. Pojedyncza usterka nie może prowadzić do utraty funkcji bezpieczeństwa, a usterki muszą być wykrywane. Typowe zastosowanie to kurtyna świetlna na linii produkcyjnej z częstym dostępem operatora lub E-Stop (zatrzymanie awaryjne) na maszynie z wysokim ryzykiem zmiażdżenia.
Kategoria 4 wymaga, by zarówno pojedyncze usterki, jak i ich nagromadzenie nie prowadziły do utraty funkcji bezpieczeństwa. Diagnostyka musi wykrywać usterki przed następnym żądaniem lub natychmiast. Stosuje się ją przy najwyższym ryzyku: podczas pracy w strefach niebezpiecznych z możliwością śmiertelnego urazu, w systemach zatrzymania awaryjnego pras hydraulicznych czy aplikacjach robotycznych wykorzystujących duże siły.
Zestawienie kategorii z osiągalnym Performance Level (PL):
- Kategoria B: PLa–PLb
- Kategoria 1: PLc
- Kategoria 2: PLc–PLd
- Kategoria 3: PLd–PLe
- Kategoria 4: PLe
Performance Level i SIL: dwie metodyki, jedna funkcja bezpieczeństwa
Performance Level (PL) według PN-EN ISO 13849-1 i Safety Integrity Level (SIL) według IEC 62061 to dwa równoległe systemy kwantyfikacji niezawodności funkcji bezpieczeństwa.
ISO 13849-1 jest przeznaczona przede wszystkim dla systemów elektromechanicznych i elektronicznych o złożoności niskiej do średniej. Operuje pojęciami kategorii architektonicznych, MTTFd (średni czas do niebezpiecznej usterki), DCavg (średnia skuteczność diagnostyki) i CCF (usterki ze wspólnej przyczyny). Wynikiem jest PL na skali od a – najniższego – do e – najwyższego.
IEC 62061 jest normą dedykowaną złożonym systemom sterowania elektrycznego, elektronicznego i programowalnego. Posługuje się pojęciem SIL (1, 2 lub 3) i znajduje zastosowanie m.in. w projektowaniu bardziej zaawansowanych układów sterowania i bezpieczeństwa. Może być wykorzystywana, gdy system zawiera programowalne sterowniki bezpieczeństwa Safety PLC lub jest integrowany z innymi systemami automatyki.
Przybliżona korelacja między PLa-PLe a SIL 1-3 jest opisana w normie IEC 62061 i pozwala na porównanie wymagań, gdy projekt łączy oba podejścia.
Narzędzie SISTEMA: weryfikacja PL w praktyce
SISTEMA (Safety Integrity Software Tool for the Evaluation of Machine Applications) to bezpłatne narzędzie opracowane przez IFA (Institut für Arbeitsschutz der DGUV). Umożliwia inżynierom obliczenie osiągalnego PL dla zaprojektowanego systemu bezpieczeństwa na podstawie danych katalogowych komponentów.
Praca z SISTEMA przebiega następująco: definiuje się funkcję bezpieczeństwa, np. zatrzymanie ruchu po otwarciu osłony, następnie dobiera architekturę – kategorię – wprowadza dane komponentów, takie jak MTTFd, DCavg i CCF, a narzędzie oblicza wynikowy PL i wskazuje, czy spełnia wymagany poziom wynikający z oceny ryzyka.
Wielu producentów komponentów, m.in. Pilz, Sick, Schmersal czy Rockwell, udostępnia biblioteki SISTEMA z gotowymi danymi dla swoich przekaźników bezpieczeństwa, kurtyn świetlnych i modułów E-Stop, co znacząco skraca czas weryfikacji.
Środki ochronne: od osłon mechanicznych po systemy dla cobotów
Dobór środków ochronnych wynika bezpośrednio z wymagań wyznaczonego PL i charakterystyki strefy niebezpiecznej. Podczas projektowania maszyn i stanowisk produkcyjnych należy więc uwzględnić bezpieczeństwo już jako część architektury całego rozwiązania, a nie jako zestaw dodatkowych zabezpieczeń montowanych po zakończeniu projektu.
Osłony maszyn i zabezpieczenia mechaniczne to pierwsza i najstarsza klasa środków ochronnych. Osłona stała eliminuje dostęp do strefy niebezpiecznej bez użycia narzędzi. Osłona ruchoma z ryglowaniem (blokadą) uniemożliwia wejście w strefę podczas ruchu maszyny, a przekaźnik bezpieczeństwa monitoruje stan ryglowania i inicjuje zatrzymanie przy próbie otwarcia. Zabezpieczenia maszyny tego typu są stosowane wszędzie tam, gdzie dostęp jest rzadki i przewidywalny.
Kurtyna świetlna to elektrooptyczne urządzenie ochronne, które tworzy niewidzialną barierę z wiązek podczerwieni. Przerwanie którejkolwiek wiązki powoduje zatrzymanie maszyny. Kurtyny stosuje się na stanowiskach z częstym dostępem operatora, np. podczas załadunku i rozładunku detali, gdzie osłona stała utrudniałaby wykonywanie procesu. Wymagają one dopasowania rozdzielczości, czyli minimalnego wykrywalnego obiektu, do charakterystyki danego stanowiska zgodnie z odpowiednimi normami.
Systemy zatrzymania awaryjnego (E-Stop) muszą być dostępne z każdego miejsca pracy i spełniać wymagania normy PN-EN ISO 13850. Przycisk E-Stop nie zastępuje właściwej funkcji ochronnej – jest środkiem ostatecznym. Jego obwód musi być zbudowany zgodnie z wymaganą kategorią bezpieczeństwa i monitorowany przez przekaźnik bezpieczeństwa lub Safety PLC.
Coboty, AGV i nowe wymagania bezpieczeństwa
Robotyka współpracująca i autonomiczne pojazdy wewnętrzne AGV/AMR zmieniają podejście do bezpieczeństwa maszyn, ponieważ tradycyjne osłony fizyczne są tutaj często niemożliwe do zastosowania lub sprzeczne z założeniem współpracy człowieka z robotem. Rozwiązania te coraz częściej stają się również elementem szerszych projektów obejmujących automatyzację produkcji i integrację kolejnych etapów procesu.
Norma ISO/TS 15066 definiuje cztery tryby współpracy człowieka z robotem: zatrzymanie monitorowane, prowadzenie ręczne, monitorowanie prędkości i separacji oraz ograniczenie mocy i siły. Dla poszczególnych scenariuszy określa wymagania pozwalające ograniczyć ryzyko kontaktu człowieka z robotem. Oznacza to, że ocena ryzyka dla cobota musi uwzględniać nie tylko klasyczne strefy niebezpieczne, ale również charakter bezpośredniej interakcji operatora z urządzeniem.
Dla AGV i AMR kluczowa jest norma ISO 3691-4, regulująca wymagania bezpieczeństwa dla autonomicznych pojazdów przemysłowych. Pojazdy muszą wykrywać przeszkody i zatrzymywać się lub zwalniać przed kolizją, a ich systemy bezpieczeństwa muszą być dostosowane m.in. do prędkości, masy i sposobu poruszania się urządzenia.
Integracja cobotów i AGV z istniejącymi liniami produkcyjnymi wymaga przy tym ponownej oceny ryzyka dla całego systemu, a nie jedynie dla poszczególnych urządzeń. Jest to szczególnie ważne przy automatyzacji istniejących procesów produkcyjnych, w których nowe urządzenia muszą współpracować z dotychczasowymi maszynami, operatorami i systemami sterowania.
Przemysł 4.0 przynosi też nowe zagrożenia w warstwie cybernetycznej. Systemy bezpieczeństwa podłączone do sieci przemysłowych mogą być celem ataków, dlatego wraz z rozwojem połączonych systemów automatyki coraz większe znaczenie ma również cyberbezpieczeństwo infrastruktury przemysłowej.
Praktyczny przewodnik wdrożenia: od oceny ryzyka do oznakowania CE
Wdrożenie systemu bezpieczeństwa maszyny przebiega przez kilka etapów, które muszą być uwzględnione zarówno podczas budowy nowych maszyn, jak i modernizacji istniejących urządzeń. Ich właściwe zaplanowanie pozwala połączyć bezpieczeństwo, konstrukcję mechaniczną oraz układ sterowania w jeden spójny system.
Etapy procesu:
- Ocena ryzyka wg PN-EN ISO 12100: identyfikacja zagrożeń, szacowanie ryzyka, dobór środków redukcji.
- Wyznaczenie wymaganego PL lub SIL dla każdej funkcji bezpieczeństwa.
- Projektowanie architektury systemu bezpieczeństwa – kategorii, komponentów i okablowania.
- Weryfikacja osiągniętego PL w narzędziu SISTEMA lub metodą IEC 62061.
- Walidacja – testy funkcjonalne potwierdzające, że system działa zgodnie z projektem.
- Przygotowanie wymaganej dokumentacji technicznej i dokumentów zgodności.
Kategorie bezpieczeństwa PL muszą być wyznaczone osobno dla każdej funkcji bezpieczeństwa, a nie dla maszyny jako całości. Jedna maszyna może mieć funkcję E-Stop wymagającą PLd i funkcję blokady osłony wymagającą PLc, co przekłada się na różne architektury obwodów dla każdej z nich.
Oznakowanie CE jest obowiązkowe dla maszyn objętych odpowiednimi przepisami i stanowi deklarację producenta, że urządzenie spełnia mające do niego zastosowanie wymagania. Dlatego kwestie bezpieczeństwa powinny być brane pod uwagę od pierwszych etapów projektowania i budowy maszyny prototypowej, a nie dopiero po wykonaniu konstrukcji i układu sterowania.
W praktyce zakres oraz koszt systemu bezpieczeństwa zależą od rodzaju maszyny, liczby funkcji bezpieczeństwa, sposobu dostępu operatora, stopnia automatyzacji oraz zastosowanych komponentów. Innych zabezpieczeń będzie wymagać proste stanowisko z osłoną i E-Stopem, a innych zautomatyzowana linia wyposażona w Safety PLC, kurtyny świetlne, skanery laserowe czy roboty współpracujące. Dlatego system bezpieczeństwa powinien być projektowany indywidualnie dla konkretnej maszyny i procesu.
