La sicurezza prima di tutto

Dalla rivista:
Automazione Oggi

 
Pubblicato il 7 febbraio 2024

Moduli di sicurezza universali: la soluzione ideale per soddisfare le attuali esigenze di automazione e semplificare i sistemi di sicurezza

Dai magazzini dove vengono svolte le operazioni di imballaggio alle lavorazioni con macchine a controllo numerico computerizzato (CNC), l’espansione dell’automazione industriale procede a ritmi sostenuti e riguarda una varietà sempre più ampia di applicazioni, oltre ad assicurare prestazioni via via migliori. Questa crescente diffusione comporta tuttavia l’insorgere di parecchie problematiche. I macchinari di precisione utilizzati in produzione che fino a non molto tempo fa funzionavano in modo autonomo, come ad esempio frese CNC, macchine da taglio laser e robot di saldatura, ora spesso operano in abbinamento con sistemi automatici per il caricamento dei pezzi e nastri trasportatori al fine di aumentare la produttività. Nelle applicazioni di imballaggio, come ad esempio i magazzini di distribuzione e gli impianti di imbottigliamento, apparecchi di vario tipo devono operare in modo coordinato non solo tra di loro, ma anche con un gran numero di operatori. La diffusione dell’automazione, impiegata per svolgere un numero maggiore di compiti sempre più complessi, e la crescente sinergia con i lavoratori coinvolti, sono due fattori alla base dell’incremento della domanda di sistemi di sicurezza. Nel mondo industriale, l’evoluzione dell’automazione ha comportato un significativo incremento della complessità dei relativi sistemi di sicurezza e il numero di componenti specifici necessari per realizzare e gestire le soluzioni sta aumentando considerevolmente. Di conseguenza, il settore dell’automazione richiede in misura sempre maggiore soluzioni tecnologiche a costi contenuti in grado di soddisfare i più recenti requisiti di sicurezza, e di semplificare al contempo le attività di progettazione e di manutenzione.

La diffusione dell’automazione e l’incremento dei requisiti di sicurezza

Sia che si tratti di assemblaggi industriali, della produzione di componenti elettronici, di magazzini di distribuzione o di impianti di imbottigliamento, è innegabile che il livello di automazione è aumentato in maniera significativa negli ultimi decenni. Nelle aziende in cui la distribuzione riveste un ruolo chiave, come Amazon o Walmart, l’automazione su larga scala è l’unico modo per stare al passo con la domanda. Per quanto concerne i sistemi di sicurezza, questa incessante richiesta ha provocato l’insorgere di diversi problemi. Negli impianti dove si svolgono operazioni di imballaggio, ad esempio, il numero di sistemi di automazione e robotici che lavorano accanto ai lavoratori è cresciuto in maniera considerevole. Per questo motivo è aumentato il livello di riduzione del rischio richiesto, con un conseguente ricorso a un maggior numero di commutatori e di funzionalità di sicurezza, che a sua volta si è tradotto in un incremento dei tempi e dei costi di progettazione e di manutenzione dei macchinari. Allo stesso tempo, in considerazione della sempre più forte dipendenza delle aziende dall’automazione, è importante minimizzare i tempi di inattività (downtime) e poter disporre di sistemi che consentano di effettuare la diagnosi in modo semplice. Probabilmente, l’aspetto da tenere in maggiore considerazione è la complessità dei processi di automazione e dei macchinari utilizzati. In qualunque moderno impianto in cui avvengono operazioni di imballaggio, l’operatività dipende da macchine quali moduli a sollevamento verticale (VLM – Vertical Lift Module), nastri trasportatori, macchine pick and place, caricatori automatici e sistemi di etichettatura. All’interno di questi impianti, i macchinari sono molto spesso collegati per assicurare un funzionamento continuo tra le diverse stazioni. Lo sviluppo su vasta scala di questi processi automatizzati interconnessi ha richiesto un’evoluzione degli standard di sicurezza dei macchinari. La velocità e la potenza di questi sistemi rappresentano un rischio enorme per i lavoratori che operano nelle loro vicinanze e devono quindi essere adeguatamente monitorate. Il mancato rispetto delle direttive imposte dagli standard di sicurezza può causare lesioni gravi ai lavoratori (se non addirittura mortali), oltre ovviamente a provocare perdite di produttività, costi di assicurazione più elevati e ripercussioni negative sull’immagine aziendale.

Requisiti di sicurezza secondo lo standard ISO13849-1

La norma ISO 13849-1 è fondamentale per la progettazione e l’installazione sicura dei macchinari. Lo standard specifica la metodologia e i requisiti per la progettazione e l’integrazione dei componenti di sicurezza dei sistemi di controllo (SRP/ CS), incluse le funzioni di sicurezza, i moduli relè e i dispositivi di controllo. Inoltre, definisce il quadro di riferimento per la valutazione del livello di prestazioni (PL – Performance Level) richiesto per una determinata applicazione (figura 1). Nello standard ISO 13849-1, i PL sono classificati in cinque livelli, da PL a – funzioni di sicurezza che forniscono il contributo più basso alla riduzione del rischio – a PL e, funzioni di sicurezza che forniscono il contributo più elevato alla riduzione del rischio. Il PL richiesto viene determinato utilizzando la struttura ad albero delle decisioni riportata in figura 1 nella quale vengono inseriti i parametri definiti nella figura 2. Per parecchi sistemi di automazione industriale di nuova concezione, considerato il numero delle parti in movimento, la velocità e la potenza dei macchinari e il funzionamento in modo continuo, sono quasi sempre richiesti livelli di prestazioni elevati, di tipo (d) oppure di tipo (e). Un ulteriore elemento da prendere in considerazione è la categoria dell’architettura prevista da ISO 13849-1 del dispositivo di sicurezza. Tali categorie vanno dalla B alla categoria 4, dove la prima è la categoria di base, con i minori requisiti di sicurezza funzionale e la seconda è quella con i requisiti di sicurezza più elevati.

Un controllo complesso

I requisiti relativi ai sistemi di sicurezza sono aumentati a causa dell’incremento delle prestazioni e della diffusione delle applicazioni di automazione, con un conseguente incremento della complessità dei progetti, dei costi di installazione e degli oneri legati alla manutenzione. In un tipico centro di distribuzione dove vengono gestiti volumi elevati è presente un gran numero di apparecchi pick&place, bracci robotizzati, nastri trasportatori e magazzini automatici verticali che operano in maniera coordinata. Per garantire l’incolumità dei lavoratori è auspicabile, se non espressamente richiesto, garantire il massimo livello in termini di prestazioni (PLe) e utilizzare architetture in categoria 4. Ciò comporta il ricorso a un gran numero di funzioni di sicurezza per il controllo del funzionamento. Nel momento in cui vengono attivate, le funzioni di sicurezza segnalano ai sistemi di controllo di arrestare il funzionamento. Alcune funzioni di sicurezza tipiche includono i sistemi di arresto di emergenza, i contatti antivalenti, gli interruttori di protezione, gli interruttori magnetici, gli interruttori di prossimità di sicurezza, i sensori PNP, i commutatori di sicurezza Rfid, le barriere fotoelettriche di sicurezza e le stazioni di controllo a due mani. A questo punto è utile sottolineare la necessità di migliorare le modalità di intervento dei sistemi di sicurezza. Storicamente, il ruolo delle funzioni di sicurezza era quello di arrestare istantaneamente il funzionamento dei macchinari. Tuttavia, nel momento in cui si è passati dai semplici torni e macchine per la tessitura ai sistemi per l’assemblaggio e l’imballaggio ad alte prestazioni formati da macchine interconnesse operanti ad alta velocità, l’arresto istantaneo di un processo può risultare estremamente pericoloso. Con l’improvvisa interruzione del funzionamento di un macchinario operante ad elevata velocità, i prodotti o le parti possono muoversi in maniera disordinata, provocare impatti o espulsioni dalla linea di produzione e creare quindi ulteriori pericoli, oltre ad aumentare i tempi di fermo macchina necessari per risolvere la situazione. Nei moderni sistemi di automazione, le funzioni di sicurezza devono essere dotate di un livello superiore di intelligenza che permetta di arrestare i macchinari in modo da controllare il rischio iniziale, senza provocare ulteriori pericoli o danni a prodotti o apparecchiature. Solitamente, un requisito di questo tipo è soddisfatto da un’ampia rete di moduli relè già preconfigurati per il controllo delle funzioni di sicurezza con ritardi temporali e soglie specifiche programmate che, una volta abbinati a controllori PLC (Programmable Logic Controller), consente di arrestare in modo intelligente i sistemi di automazione. La complessità dell’elettronica di sicurezza si traduce in un costo significativo in termini non solo di investimento iniziale, ma anche di manutenzione, che deve essere eseguita su base continuativa. In un ti- pico centro di distribuzione potrebbero essere presenti centinaia di moduli, ciascuno dei quali deve essere configurato in modo diverso per trasmettere correttamente i segnali delle funzioni di sicurezza richieste. Per i progettisti dei moderni sistemi di automazione e gli ingegneri di produzione sono quindi necessarie soluzioni in grado di semplificare le attività di design e di manutenzione, a fronte di una riduzione dei costi.

Una soluzione universale

Ad oggi, per soddisfare le esigenze dei nuovi sistemi di automazione e robotici è necessario ricorrere a un gran numero di moduli diversi gli uni dagli altri. Ciò comporta oneri non indifferenti dal punto di vista sia dei tempi che dei costi, ed è proprio in un contesto di questo tipo che l’adozione di soluzioni innovative di tipo universale può contribuire a razionalizzare l’hardware associato. In qualità di produttore di soluzioni per l’intera catena della sicurezza, Schneider Electric si trova nella condizione ideale per poter comprendere la necessità di semplificare la progettazione e la manutenzione dei moderni sistemi di automazione. Basata sulla precedente linea Preventa, la nuova gamma Harmony XPS è composta da un numero di moduli inferiore del 50% rispetto al passato e prevede due soli tipi di alimentazione (24 Vc.c./c.a. e da 48 a 240 Vc.a./c.c.). Nonostante il numero limitato di modelli, Harmony XPS può essere utilizzata per la stessa ampia gamma di funzioni di sicurezza della serie Preventa.

Harmony XPS Universal: le principali caratteristiche

I relè di sicurezza tradizionali sono progettati per soddisfare le esigenze di una singola applicazione di sicurezza. Per i progettisti impegnati nello sviluppo delle soluzioni di automazione, ciò non solo può rappresentare un limite, ma contribuisce anche a far lievitare i costi. Per i team che si occupano di manutenzione, invece, la gestione dell’intero ciclo di vita di una macchina risulta complessa, in quanto è necessario tenere a magazzino un gran numero di moduli per assicurare un’adeguata sostituzione in caso di guasti. Per risolvere questo problema di fondamentale importanza, i moduli di sicurezza Harmony XPS Universal (figura 3) sono configurabili mediante un selettore di funzioni posizionato sul pannello frontale. In questo modo, un singolo modulo è in grado di soddisfare le esigenze di una gamma di applicazioni di sicurezza. I moduli XPS Universal possono controllare fino a sei dispositivi di sicurezza; ciò consente di supportare una pluralità di funzioni di sicurezza, che spaziano dal monitoraggio di dispositivi di protezione elettrosensibili, incluse le barriere fotoelettriche di Tipo 4, al monitoraggio di protezioni elettriche o magnetiche commutate secondo ISO 14119/14120. L’utilizzo dei moduli Harmony XPS Universal consente di ridurre drasticamente il numero dei singoli moduli da tenere a stock, con una conseguente riduzione dei costi e una semplificazione del lavoro degli addetti alla manutenzione.

Diagnostica avanzata e ritardo temporale

Oltre a semplificare il funzionamento e la manutenzione delle macchine, i moduli Harmony XPS Universal mettono a disposizione funzionalità intelligenti, supportando la diagnostica degli errori senza ricorre a cablaggi aggiuntivi per i bus di campo. Un’uscita ausiliaria intelligente allo stato solido trasmette a un ingresso digitale di ogni PLC fino a 40 messaggi unici (di stato e/o di errore), con schemi di impulsi separati per le informazioni relative alla diagnostica e allo stato. I messaggi diagnostici possono quindi essere visualizzati su un’interfaccia operatore compatibile, consentendo di acquisire informazioni approfondite sullo stato di una macchina e fornendo un valido ausilio nell’analisi delle principali cause di guasto (RCA RootCause Analysis). In questo modo, è possibile ridurre i tempi di indagine e i costi operativi. È anche possibile leggere indicazioni dettagliate dello stato da tutti i moduli della gamma Harmony XPS Universal e fornire indicazioni dello stato per l’intervallo del test di prova e il numero delle operazioni sia per i dispositivi di ingresso e di uscita che per il modulo di sicurezza. Nel caso dei sistemi di sicurezza utilizzati in applicazioni di automazione interconnesse di grandi dimensioni, i modelli Xpsuat e Xpsbat prevedono la possibilità di configurare un ritardo temporale compreso tra 0 e 15 minuti. Questa funzionalità è facilmente accessibile attraverso il selettore del pannello frontale, dotato di coperchio trasparente rimovibile e sigillabile con una striscia numerata in modo univoco per evitare manipolazioni.

Considerazioni conclusive

Anche se l’automazione ha avuto un profondo impatto sul settore industriale, garantendo un sensibile aumento dei livelli di efficienza, anche negli impianti più automatizzati è sempre necessario ricorrere a sistemi di emergenza caratterizzati da livelli di intelligenza ed efficienza adeguati a soddisfare le esigenze dei sistemi che devono monitorare. In tutte le situazioni in cui il personale opera a stretto contatto con macchine ad alte prestazioni, tali considerazioni acquistano un’importanza ancora maggiore. Per i progettisti e i team che si occupano di manutenzione, la progressiva diffusione dell’automazione, abbinata alla necessità di soddisfare severi requisiti di sicurezza e al valore operativo dei sistemi, ha contribuito ad aumentare in maniera significativa il carico di lavoro e i costi correlati ai dispositivi elettronici. Anche se i progressi nel settore dei PLC e delle interfacce HMI hanno permesso di ridurre alcuni di questi problemi, la complessità dell’hardware sottostante è rimasta inalterata, in quanto l’automazione su larga scala dipende dalla presenza di un grandissimo numero di moduli di sicurezza che trasmettono segnali critici. La gamma Harmony XPS Universal ha consentito a Schneider Electric di ridurre in modo considerevole la propria linea di prodotti e permetterà ai propri clienti di fare altrettanto. Per i progettisti, ciò si traduce in una semplificazione in fase di sviluppo, mentre per i team coinvolti nella manutenzione sarà possibile ridurre tempi e costi. Grazie alla combinazione di un’architettura certificata, di funzioni di diagnostica e del supporto del livello di sicurezza funzionale PL e, Cat.4 e SIL CL3, questa gamma di prodotti consente ai progettisti di ottenere in modo semplice la conformità con i più severi requisiti di sicurezza, mettendo a disposizione le soluzioni economiche e sicure necessarie al settore dell’automazione per proseguire la propria espansione.

Mouser Electronics – www.mouser.com

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