Het vakgebied Industriële automatisering breidt zich doorlopend uit: van verpakkende distributiemagazijnen tot numeriek aangestuurde verspanende gereedschapmachines. Beide aandachtsgebieden omvatten zowel steeds meer toepassingen als toenemende prestatieniveaus. Die voortgaande groei gaat gepaard met verscheidene uitdagingen.

Auteurs: Mark Patrick, directeur Technische Publicaties voor de marktgebieden Europa, Midden-Oosten en Afrika van Mouser Electronics en Chanakya Gupta, oudstaanwezende afdelingschef Offertes Bewegingen en Aansturingen van Schneider Electric.

Zulke voorheen vrijstaande machines werken – in geval van met hoge nauwkeurigheden werkende constructiemachines, zoals numeriek aangestuurde verspanende machines, lasersnijmachines en lasrobots – nu vaak in tandem geschakeld met automatisch werkende werkstukladers en met transportbanden om zo de productiviteit op te voeren. In geval van verpakkende toepassingen, zoals in distributiemagazijnen en bottelarijen, werken een groot aantal machines niet enkel onderling harmonieus, maar ook samen met een groot aantal medewerkers. De wens naar ruimere en complexere mogelijkheden voor automatisering, samen met meer synergie met medewerkers, stelt hogere eisen aan de onderliggende veiligheidssystemen.

Tijdens de verdere ontwikkeling van automatisering in de industriële sector nam ook de complexiteit van de onderliggende veiligheidssystemen toe. Datzelfde gold voor het aantal unieke componenten, dat nodig is om de applicaties te kunnen construeren en in stand te houden. Als gevolg daarvan ontstond in de automatiseringsindustrie een toenemende behoefte aan goedkope technieken. Die zouden dan moeten voldoen aan de meest recente veiligheidsvereisten en toch de inspanningen voor ontwerp en onderhoud versimpelen.

Toenemende vraag naar automatisering en meer veiligheid

De mate van automatisering in een typische installatie – ongeacht of het gaat om industriële assemblage en het vervaardigen van elektronische componenten of om distributiemagazijnen en bottelarijen – is in de afgelopen tientallen jaren in belangrijke mate toegenomen. Voor bedrijven, zoals Amazon of Walmart, die zich gesteld zien voor substantiële eisen op het gebied van distributie is automatisering op grote schaal de enige manier om de vraag te kunnen bijbenen.

Deze doorlopende vraag stelt veiligheidssystemen voor verscheidene uitdagingen. Zo werken er bijvoorbeeld nu meer automaten en robots in de onmiddellijke omgeving van menselijke medewerkers, zoals in de verpakkingsindustrie. Dit weer leidt tot een vereist hoger niveau qua risicobeperking. Er zijn dus meer veiligheidsschakelaars en -functies vereist. Dat nu vergt meer tijd en kosten om machines te ontwerpen en in stand te houden. Bij bedrijven die zo afhankelijk zijn van automatisering is het in gelijke mate van belang stilstandsduur zo kort mogelijk te houden en om over systemen te beschikken die zich gemakkelijk laten diagnosticeren.

Wellicht is de complexiteit van automaten en machines daarbij de belangrijkste overweging. De omvang van de activiteiten in een willekeurig modern verpakkingsbedrijf hangt af van machines zoals verticale hefwerktuigen, transportbanden, machines voor het opnemen en neerzetten van artikelen, automatische beladers en etiketteermachines. In dergelijke bedrijven zijn dergelijke machines vaak onderling gekoppeld en verloopt de verwerking continu van verwerkingspost naar verwerkingspost.

De ontwikkeling van zulke omvangrijke onderling gekoppelde automaten vroeg ook om verdere ontwikkeling van op machines toepasselijke veiligheidsnormen. De snelheid en capaciteit van dergelijke systemen vormt voor de aanwezige medewerkers een onvoorstelbaar, te beheersen risico. Het niet naleven van dergelijke normen kan resulteren in ernstig of dodelijk letsel, maar ook in productiviteitsverlies, hogere verzekeringspremies en negatieve publiciteit.

Norm NEN-EN-ISO 13849-1 “Veiligheid van machines”

De norm NEN-EN ISO 13849-1 staat centraal bij het ontwerpen en installeren van machines. De norm specificeert de beginselen en eisen rondom het ontwerpen en integreren van veiligheidscomponenten voor regelsystemen (SRP/CS), waaronder veiligheidsvoorzieningen, relaismodules en regelorganen. Cruciaal is eveneens de definitie van het kader voor het evalueren van het vereiste prestatieniveau (PL: Performance Level) voor een willekeurige toepassing (zie afbeelding 1).

Afbeelding 1: Arbeidsstroomkaart met de vereisten qua prestatieniveaus om van de aan veiligheidsvoorzieningen te stellen eisen te kunnen bepalen. (Bron: Automation IT. Nieuwsbrief 15, nr. 3 (september 2014). Nagetekend door Mouser Electronics)

De norm NEN-EN-ISO 13849-1 definieert vijf prestatieniveaus lopend van PLa — veiligheidsfuncties die bijdragen tot de kleinste mate van risicobeperking — tot PLe, veiligheidsfuncties die bijdragen tot de grootste mate van risicobeperking. Het vereiste niveau wordt bepaald door de reeks verrichtingen (getoond in afbeelding 1) te toetsen tegen de fasen zoals gedefinieerd in afbeelding 2.

Afbeelding 2: Ernst, veelvuldigheid en mogelijke fasen voor het bepalen van het prestatieniveau zoals bedoeld in de norm NEN-EN-ISO 13849-1 (Bron: Mouser Electronics)

In veel hedendaagse industriële automatiseringssystemen leidt het aantal bewerkende machinedelen evenals de snelheid en verwerkingscapaciteit van continu werkende machines vrijwel altijd ertoe dat prestatieniveau ‘d’ of ‘e’ vereist zal zijn. Een andere belangrijke overweging is de architectuurcategorie van de veiligheidsvoorziening zoals bedoeld in de norm NEN-EN-ISO 13849-1. Deze loopt van B tot categorie 4, waarbij B de laagste eis aan de veiligheidsfuncties voorstelt, tot categorie 4, die de hoogste eis stelt aan de veiligheidsfuncties

Verfijnde regeling

De toegenomen prestaties en inzet van automaten resulteerden in strengere eisen voor de veiligheidssystemen. Dit weer leidde tot ingewikkelder ontwerpen, hogere kosten om zulke automaten te installeren en meer behoefte aan onderhoud.

In een typisch groot distributiecentrum staan vele harmonieus onderling samenwerkende machines opgesteld die artikelen opnemen en neerzetten, robotarmen, transportbanden en hefwerktuigen. Om te borgen dat medewerkers niet aan gevaren worden blootgesteld moet de architectuur voor PLe-veiligheid en categorie 4-architectuur onder de loep worden genomen (tenzij dat al is vereist) voor het grote aantal veiligheidsfuncties dat nodig is om de verwerkingshandelingen te kunnen aansturen en regelen. Spreken veiligheidsvoorzieningen aan? Dan signaleren zij de aansturing zo dat machines tot stilstand moeten worden gebracht. Dergelijke veiligheidsvoorzieningen omvatten noodstopschakelaars, antivalentiecontacten, afschermschakelaars, magneetschakelaars, veiligheid-naderingschakelaars, PNP-sensoren, veiligheidschakelaars werkend met hoogfrequentie identificeertechnieken, veiligheid-lichtgordijnen en bedienposten met tweehandsbediening.

Bovendien moest de manier waarop veiligheidssystemen ingrijpen worden verfijnd. Het ingrijpen van veiligheidsvoorzieningen leidde in het verleden tot het ogenblikkelijk stopzetten van machines. Maar de overgang van tengelwerk en textielweefsels naar krachtige systemen voor assembleren en verpakken (waarbij snelwerkende machines onderling gekoppeld werken) kan het ogenblikkelijk stoppen van een proces ongelooflijk gevaarlijk zijn. Het plotseling onderbreken van snelwerkende machines, producten of machinedelen kan leiden tot terugslag, botsen of uitwerpen. Dat brengt weer andere gevaren met zich evenals toenemende stilstandsduur voordat de ontstane situatie is opgeheven. Veiligheidsvoorzieningen, aangebracht in moderne automaten, moeten slimmer zijn om machines zo tot stilstand te brengen dat het initiële gevaar wordt beheerst, zonder daarbij bijkomend gevaar te veroorzaken of schade toe te brengen aan producten of uitrusting.

Gebruikelijk wordt aan deze vereiste voldaan door uitgebreide netwerken van veiligheidsvoorzieningen. Deze zetten signalen door naar relaismodules die op voorhand zijn geconfigureerd met specifieke drempelwaarden en tijdrelaxaties. De complexiteit van veiligheidelektronica brengt aanzienlijke kosten met zich: niet enkel in de vorm van een initiële investering maar ook voor het doorlopende onderhoud. Een gangbaar distributiecentrum vereist wellicht honderden veiligheidsmodules met elk afwijkende configuraties om de signalen van de vereiste veiligheidsvoorzieningen te kunnen doorzetten.

Zowel voor ontwerpers van moderne automaten als voor technici in productieomgevingen bestaat behoefte aan toepassingen waarmee taken in de sfeer van ontwerpen en instandhouden kunnen worden vereenvoudigd en waarmee kosten kunnen worden verlaagd.

De universele toepassing

Tegenwoordig zijn veel ontwerpen voor unieke veiligheidsmodules vereist om tegemoet te komen aan de eisen die moderne automaten en robots stellen. Dit leidt tot een lange doorlooptijd en hoge kosten, zodat innovatieve universele toepassingen in beeld komen om de bijbehorende apparatuur te stroomlijnen.

Als fabrikant van toepassingen voor de volledige veiligheidsketens begrijpt Schneider Electric de noodzaak van het vereenvoudigen van zowel ontwerp als instandhouding van moderne automaten. Voortbouwend op de voorgaande reeks Preventa-producten, bevat de nieuwe reeks producten onder de naam Harmony XPS de helft minder modules dan voorheen, met slechts twee voedingsvarianten voor gelijkspanning resp. voor wisselspanning (24 V resp. 48 … 240 V). De reeks “Harmony XPS”-producten dekt – ondanks het kleinere aantal modellen – hetzelfde grote bestand aan veiligheidsfuncties als de reeks Preventa-producten.

Universele werking van de reeks “Harmony XPS”-producten

Conventionele veiligheidsrelais’ werden ontworpen voor de behoeften van toepassingen met slechts een enkele veiligheidsfunctie. Dit legt automaatontwerpers beperkingen op en leidt tot hogere systeemkosten. Voor onderhoudsploegen is de omgang daarmee gedurende de volledige nuttige levensduur van de machines uiterst hinderlijk. De ploegen moeten vele modules op voorhoud houden om te borgen dat machinedelen in geval van storingen herstelbaar zijn. Deze veiligheidsmodules van het type Harmony XPS Universal (afbeelding 3) zijn configureerbaar via een op het frontpaneel aangebrachte draai-keuzeschakelaar. Zo kan een enkele module worden ingezet voor een reeks van veiligheidsfuncties.

Afbeelding 3: De 22,5 mm brede XPSUAF-modules en de 45 mm brede XPSUAT-modules zijn beide voorzien van een functie-keuzeschakelaar op het frontpaneel. (Foto: Schneider Electric)

Modules van het type XPS Universal voorzien in maximaal zes veiligheidsfuncties. Dit maakt het ondersteunen van diverse veiligheidsfuncties mogelijk, lopend van toezicht op elektrogevoelige schermen, waaronder “type 4”-lichtgordijnen tot toezicht op elektrisch of magnetisch geschakelde afschermingen, zoals bedoeld in de normen NEN-EN-ISO 14119 en 14120. Het gebruik van componenten van het type Harmony XPS Universal vermindert aanzienlijk het aantal op voorraad te houden unieke modules. Dat verlaagt de kosten en vermindert de complexiteit van de werklast van onderhoudsploegen.

Geavanceerde diagnostiek en tijdrelaxatie

Modules van het type Harmony XPS Universal dragen bij tot het vereenvoudigen van zowel als gebruik van machine, mede dankzij de toegevoegde slimheid die bijdraagt tot opsporen van de storingsoorzaken, zonder dat extra Fieldbus-bedrading vereist is. De slimme halfgeleider-hulpuitgang voorziet elke programmeerbare stuurschakeling van een inkomend digitaal signaal. Dat signaal bestaat uit 40 unieke berichten in de vorm van pulspatronen die informatie overdragen over status en diagnose. Deze diagnostiekberichten kunnen vervolgens worden getoond op een compatibele mens/machine-interface. Ze verschaffen zo meer inzicht in de status van de machine om de diepere oorzaak van een storing te kunnen analyseren. Ook reduceren ze zowel de tijd die nodig is voor het naspeuren van storingsoorzaken evenals de bedrijfskosten.

Ook is het mogelijk de statusindicatie van alle modules van het type Harmony XPS Universal gedetailleerd uit te lezen. Zo wordt zicht verkregen op beproevings- en testintervallen en op het aantal keren dat ingangsorganen, uitgangsorganen en de veiligheidsmodule zelf werden aangesproken.

Voor veiligheidssystemen in grote, gekoppelde om klokgestuurde interventie vragende automaten zijn de modellen XPSUAT en XPSBat voorzien van een configureerbare tijdrelaxatie van 0 tot 15 minuten. Deze functie is gemakkelijk oproepbaar via de draai-keuzeschakelaar op het frontpaneel. Dat paneel is voorzien van een wegneembare transparante kap en van een uniek genummerde afdichtstrook om zo onbedoelde bijregelen te voorkomen.

Veelomvattende specificatie

Schneider Electric heeft verscheidene ontwerpkenmerken toegevoegd aan de serie Harmony XPS om het gebruiksgemak ervan te vergroten. Dit betreft bijvoorbeeld een QR-code aan de voorzijde die – na gelezen te zijn – doorverwijst naar een informatieblad met instructies, indeling van de aansluitstrook en een bedradingstekening. Ook is er een nevenconnector om het aantal uitgangen te kunnen uitbreiden zonder extra bedrading te hoeven aanbrengen. Voorts is voorzien in gemakkelijk afleesbare LED-indicatoren voor stoffige of matig verlichte omgevingen. De losneembare schroef/veer-aansluiting maakt inrichten en vervangen mogelijk zonder opnieuw te hoeven bedraden.

De modules zijn – om het ontwikkelen en op de markt brengen van machines te versnellen – voorzien van een gebruiksklare gecertificeerde architectuur en ondersteunen veiligheidsniveaus tot PLe, categorie 4 en SILCL3. Dit draagt ertoe bij dat constructeurs zich kunnen houden aan de meest recente veiligheidsnormen op het gebied van automatisering.

Conclusie

Automatisering is een revolutionaire industrietak en creëert nieuwe doelmatigheidsniveaus. Maar zelfs in de meest autonoom werkende bedrijfsinrichtingen zijn noodsystemen vereist. De slimheid en doeltreffendheid van zulke noodsystemen moeten passen bij de systemen waarop ze toezien. Deze overwegingen zijn zelfs nog belangrijker in systemen waar medewerkers en veel presterende machines naast elkaar en gedurende langere tijd arbeid verrichten.

Voor ontwerpers en onderhoudsploegen heeft de snelle opkomst van de inzet van automaten in combinatie met veiligheideisen en operationele waarde van de systemen geleid tot een belangrijke toename van zowel werklast als kosten die gepaard gaan met de elektronische schakelingen die toezien op de veiligheid. Hoewel de vooruitgang op het gebied van programmeerbare stuurschakelingen en mens/machine-interface heeft bijgedragen tot het afzwakken van enkele aandachtspunten, is de enorme complexiteit van de onderliggende apparatuur gebleven. Grootschalige automatisering vertrouwt op een groot aantal veiligheidsmodules die kritische signalen doorzetten.

Modules van het type Harmony XPS Universal stellen Schneider Electronics in staat de omvang van de reeksen producten in te perken zodat klanten precies hetzelfde kunnen doen. Voor ontwerpers draagt dit bij tot het vereenvoudigen van ontwerpwerk, terwijl onderhoudsploegen minder tijd en kosten hoeven te besteden. De reeks producten maakt het – door combinatie van een gecertificeerde architectuur, gebaseerd op toepassing van geavanceerde diagnostische functies, en ondersteuning van niveau PLe, categorie 4 en SILCL3 – voor constructeurs eenvoudiger te voldoen aan de meest uitdagende eisen. Deze reeks producten verschaft de automatiseringsindustrie veilige en goedkope toepassingen die nodig zijn voor verdere groei.