Come affrontare le complessità nella selezione del controller di sicurezza giusto

La sicurezza dei sistemi industriali è un tema cruciale e complesso, che rende difficile specificare il miglior controller di sicurezza per un'applicazione specifica. Tra le considerazioni da fare c'è l'applicabilità di numerosi standard internazionali relativi ai controller di sicurezza, come quelli della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) 60947-5-1, 61508-1/2/3, 61810-3, 62061 e dell'Organizzazione Normativa Internazionale (ISO) 13849-1.

È inoltre possibile scegliere tra un'ampia gamma di protocolli di comunicazione, come Safety over EtherCAT, chiamato anche FailSafe over EtherCAT (FSoE), che combina funzioni di controllo e sicurezza. Sono disponibili anche i protocolli di comunicazione Ethernet/IP, PROFIsafe e Modbus/TCP. Inoltre, si può scegliere tra soluzioni autonome o integrate. Alcune piattaforme hanno varie combinazioni di uscite classificate e non classificate per la sicurezza, alcune hanno funzionalità fisse e altre sono riconfigurabili ed espandibili.

Questo articolo passa brevemente in rassegna gli standard di sicurezza internazionali e la loro applicabilità. Esamina inoltre gli usi dei vari protocolli di comunicazione prima di approfondire i casi d'uso che vanno dalle stazioni di assemblaggio da banco a intere fabbriche per i tipi di controller di sicurezza come i modelli a funzione fissa, riconfigurabili ed espandibili. Presenta esempi specifici attraverso i prodotti di Banner Engineering, Phoenix Contact, Schneider Electric e Omron Automation.

Standard

La sicurezza funzionale dei sistemi di sicurezza elettrici/elettronici/elettronici programmabili (E/E/PE, o E/E/PES), o IEC 61508, è lo standard di sicurezza funzionale di base applicabile a tutti i settori industriali. Comprende i metodi di applicazione, progettazione, implementazione e manutenzione dei sistemi di protezione automatica, chiamati sistemi di sicurezza. Si basa sull'idea che qualsiasi sistema di sicurezza debba fermarsi in un modo prevedibile e intrinsecamente sicuro. Per valutare l'efficacia dei progetti di sicurezza funzionale, lo standard definisce i livelli di integrità della sicurezza (SIL) da 1 a 4, con SIL4 che indica il massimo livello di riduzione del rischio e SIL1 che indica il livello più basso. Il concetto di SIL è applicato anche in altri standard di sicurezza, ma il numero di SIL e le loro definizioni possono variare in base alle esigenze dell'ambiente operativo.

Esistono numerosi standard di sicurezza basati sulla norma IEC 61508. Alcuni degli standard relativi ai controller di sicurezza includono:

IEC 60947-5-1:2016, Apparecchiature di manovra e comando a bassa tensione - Parte 5-1: Dispositivi per circuiti di comando ed elementi di commutazione - Dispositivi elettromeccanici per circuiti di comando, si applica a tipi specifici di dispositivi tra cui:

• Interruttori di controllo manuale come pulsanti, interruttori a pedale, interruttori rotanti e così via
• Interruttori di controllo ad azionamento elettromagnetico, come relè o contattori, ritardati o istantanei
• Interruttori di posizione presenti su una macchina
• Interruttori automatici di comando, come quelli a membrana sensibili alla temperatura o alla pressione

La norma IEC 62061:2021, Sicurezza dei macchinari - Sicurezza funzionale dei sistemi di controllo di sicurezza è la versione della norma IEC 61508 relativa ai macchinari. Specifica i requisiti per la progettazione, l'integrazione e la validazione dei sistemi di controllo legati alla sicurezza. Si applica alla progettazione a livello di sistema di sistemi di controllo di sicurezza, sottosistemi e dispositivi di sicurezza utilizzati da soli o combinati per implementare le funzioni di sicurezza della macchina.

La norma IEC 61810-3:2015, Relè con contatti a guida forzata (collegati meccanicamente), è un altro importante standard per i controller di sicurezza. Definisce i requisiti e i test speciali per i relè elementari con contatti a guida forzata, noti anche come contatti collegati meccanicamente. Questi requisiti speciali si applicano in aggiunta ai requisiti generali della norma IEC 61810-1. I relè a guida forzata sono un componente di base di molti moduli relè di sicurezza. In un relè di sicurezza di Classe A, tutti i contatti sono a guida forzata. Lo standard prevede che se un contatto normalmente aperto (NA) si salda, tutti i contatti normalmente chiusi (NC) devono mantenere un'apertura minima di 0,5 mm quando la bobina non è in tensione (Figura 1).

Figura 1: Se un contatto NA (o NC) si salda, tutti i contatti NC (o NA) devono mantenere una distanza minima di 0,5 mm quando la bobina non è in tensione. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation)

La norma ISO 13849-1:2023, Sicurezza dei macchinari - Componenti correlati alla sicurezza dei sistemi di controllo, contiene una guida per la progettazione e l'integrazione dei componenti legati alla sicurezza dei sistemi di controllo (SRP/CS) e dei loro sottosistemi, comprese le misure meccaniche come le funzioni di protezione o di interblocco e il relativo software. Si applica a SRP/CS elettrici, idraulici, pneumatici e meccanici utilizzati in modalità di funzionamento continuo e ad alta richiesta.

Tornando alla norma IEC 61508, lo standard definisce anche i "canali neri" per le comunicazioni relative alla sicurezza.

Canali neri e protocolli di comunicazione

La norma IEC 61508 fornisce solo una definizione generale dei canali neri e fa riferimento a standard come IEC 61784-3 per le applicazioni fieldbus e IEC 62280 per il segnalamento ferroviario. Il concetto di canale nero di comunicazione deriva dal termine "scatola nera". Nella comunicazione a canale nero, la rete è la scatola nera ed è utilizzata esclusivamente come mezzo di trasmissione; il canale non è protetto e la sicurezza è garantita da un livello dedicato nel software applicativo.

I canali neri possono essere implementati su qualsiasi rete standard, ad esempio su varie implementazioni di Ethernet come PROFIsafe o tecnologie di rete locale wireless (WLAN). In un'applicazione di canale nero, si presume che il canale di comunicazione primario non sia sufficientemente sicuro per le comunicazioni di sicurezza e a questo si aggiunge un ulteriore livello di sicurezza per identificare ed eliminare eventuali errori di comunicazione (Figura 2).

Figura 2: PROFIsafe può essere utilizzato per implementare il livello di sicurezza per le comunicazioni su canale nero. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Oltre a PROFIsafe, i canali neri possono essere implementati con altri protocolli come il protocollo industriale comune di sicurezza (CIP Safety) e FSoE. Questi protocolli sono conformi alla norma IEC 61784-3:2021, compresi i miglioramenti che riguardano gli errori di tempestività, autenticità, mascheramento e integrità dei dati.

Sicurezza da banco

I problemi di sicurezza non si limitano alle macchine grandi o potenti; anche le stazioni di assemblaggio da banco possono richiedere sistemi di sicurezza. In un caso, le stazioni di assemblaggio semiautomatiche da banco sono utilizzate per produrre componenti elettronici. Ogni stazione è dotata di uno sportello di sicurezza per impiego gravoso con un interruttore di sicurezza senza contatto, una barriera fotoelettrica di sicurezza sull'alimentazione dei pezzi e un pulsante di arresto di emergenza per proteggere gli operatori dall'apparecchiatura semiautomatica. Si possono utilizzare controller relè di sicurezza a funzione singola su macchine di piccole dimensioni, come questa stazione di assemblaggio da banco, per collegare i dispositivi di sicurezza e la macchina e fornire funzioni di avvio e arresto sicure.

In questo caso, nell'armadio di ogni stazione di assemblaggio da banco è stato installato un modello SC10-2ROE della serie SC10 di controller di sicurezza di Banner Engineering (Figura 3). Questo controller di sicurezza combina le funzioni di più moduli relè di sicurezza in un unico dispositivo, semplificando il cablaggio e riducendo lo spazio necessario per l'installazione. Oltre a supportare la sicurezza nelle macchine di piccole dimensioni, questi controller sono adatti all'uso in armadi di controllo affollati. Anche i piccoli controller di sicurezza come la serie SC10 possono avere un'ampia gamma di funzioni:

• La diagnostica in serie (ISD) può collegare fino a 70 dispositivi di sicurezza. ISD fornisce dati dettagliati sullo stato e sulle prestazioni di ogni dispositivo di sicurezza accessibile con un'interfaccia uomo-macchina (HMI), un PLC o un dispositivo simile, consentendo agli utenti di risolvere i problemi dei sistemi di sicurezza delle macchine, prevenire i guasti e ridurre i tempi di fermo.
• La programmazione drag-and-drop basata su icone funziona su un PC e semplifica la configurazione e la gestione dei dispositivi.
• Una scheda di memoria esterna consente di configurare il dispositivo senza doverlo collegare a un PC, velocizzando le modifiche alla configurazione.
• Dieci ingressi, di cui quattro configurabili come uscite non sicure. La funzione di ottimizzazione automatica del terminale (ATO) può essere utilizzata per aumentare il numero totale di ingressi a 14.
• Sono disponibili due uscite relè di sicurezza da 6 A con tre serie di contatti NA a controllo indipendente.
• La capacità di eseguire due tipi di arresto funzionale:
  • La categoria 0 è un arresto incontrollato con rimozione immediata dell'alimentazione.
  • La categoria 1 è un arresto controllato con un ritardo prima della rimozione dell'alimentazione. Gli arresti ritardati possono essere utili nei casi in cui le macchine necessitano di potenza per un meccanismo di frenatura.
• Supporto dei protocolli di comunicazione Ethernet/IP, PROFINET e Modbus/TCP.

Figura 3: Questa stazione di assemblaggio da banco comprende un controller di sicurezza modello SC10-2ROE (dispositivo giallo sotto la stazione di assemblaggio). (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Sicurezza scalabile su tutte le linee di produzione

All'altro capo dello spettro di complessità rispetto all'assemblaggio su banco, la sicurezza integrata può essere implementata nelle linee di assemblaggio di uno stabilimento. Ad esempio, i controller Sysmac NX102 di Omron Automation integrano diversi protocolli industriali aperti come EtherNET I/P, EtherCAT, IO-Link e CIP Safety. Il controller di automazione modello NX102-1020 comprende tre porte di comunicazione e può integrare la sicurezza ad alta velocità nel controllo della macchina in linee che richiedono tempi di ciclo rapidi. Inoltre, i controller di sicurezza integrati NX di Omron sono certificati SIL3 e includono la connettività FSoE. I controller NX-SL5, come il modello NX-SL5500, sono in grado di comunicare simultaneamente FSoE su EtherCAT e CIP Safety su Ethernet/IP, per realizzare applicazioni che prevedono il movimento sincrono ad alta velocità, il controllo macchina-macchina o la comunicazione con dispositivi remoti che utilizzano CIP Safety (Figura 4).

Figura 4: I controller di sicurezza integrati NX di Omron possono comunicare simultaneamente FSoE e CIP Safety per implementare la sicurezza integrata nelle linee di assemblaggio. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation)

Configurabile ed espandibile

Quando le circostanze richiedono una soluzione di sicurezza configurabile ed espandibile, Phoenix Contact offre il sistema di sicurezza PSRmodular. Questo sistema può essere configurato per applicazioni di piccole dimensioni con solo tre funzioni di sicurezza e per sistemi di grandi dimensioni con un massimo di 160 I/O. Il sistema comprende una serie di funzioni di sicurezza come un modulo analogico per il monitoraggio di segnali da 0 a 20 mA o da 0 a 10 V, moduli per il monitoraggio del movimento di interruttori di prossimità e vari tipi di encoder di movimento. I relè installati nel modulo relè di sicurezza hanno contatti a guida forzata (Figura 5). Il sistema può implementare una serie di funzioni di sicurezza, tra cui:

• Dispositivi di protezione elettrosensibili
• Arresto di emergenza
• Monitoraggio di protezioni mobili come le porte di sicurezza
• Dispositivi di controllo a due mani
• Monitoraggio di velocità zero e monitoraggio della velocità

Figura 5: Il modulo relè di sicurezza PSRmodular con contatti a guida forzata. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Il sistema di sicurezza PSRmodular è composto da diversi moduli di base con funzionalità fondamentali, come il modello 1104981, e da moduli di espansione per funzioni di I/O e di protezione avanzate, come il modello 1104884. I moduli sono configurabili via software e il sistema è espandibile tramite una connessione su guida DIN PSR-TBUS.

Sicurezza per macchine semplici e mediamente complesse

I moduli di sicurezza Harmony di Schneider Electric sono progettati per macchine di complessità basica o media, come quelle utilizzate nella lavorazione di alimenti e bevande, nel sollevamento, nella movimentazione di materiali e nell'imballaggio. Sono disponibili in due serie (Figura 6):

• Harmony XPS Basic è una soluzione ottimizzata per le applicazioni che utilizzano moduli di sicurezza cablati.
• Harmony XPS Universal combina la semplice applicazione di moduli di sicurezza cablati con vari messaggi la cui implementazione di solito richiede la tecnologia fieldbus.

Figura 6: I relè di sicurezza Harmony XPS Basic e Universal sono ideali per gestire facilmente singole funzioni di sicurezza. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

I moduli di sicurezza di base XPSBAT, come il modello XPSBAT12A1AP, sono utilizzati per il monitoraggio dei circuiti di arresto di emergenza e offrono opzioni di controllo di categoria 0 e categoria 1. La categoria 0 prevede arresti istantanei, mentre la categoria 1 prevede arresti ritardati con ritardo regolabile da 0 a 15 minuti (900 secondi).

I moduli di sicurezza universali XPSUAK, come il modello XPSUAK12AP, possono implementare anche gli arresti di categoria 0 e 1. Questi moduli di sicurezza possono interfacciarsi con una gamma più ampia di dispositivi di sicurezza, tra cui:

• Circuiti di arresto di emergenza
• Interruttori attivati da dispositivi di protezione come interruttori di protezione meccanici e interruttori di sicurezza RFID
• Barriere fotoelettriche
• Tappetini di rilevamento a 4 fili

Conclusione

Nella scelta degli interruttori di sicurezza per i sistemi industriali occorre considerare un'ampia gamma di standard internazionali e di protocolli di comunicazione, comprese le comunicazioni su canale nero. Ma questo è solo l'inizio: esistono interruttori di sicurezza ottimizzati per sistemi di piccole dimensioni come le operazioni di assemblaggio su banco, per installazioni cablate tipiche della lavorazione di alimenti e bevande e della movimentazione dei materiali, per sistemi che necessitano di soluzioni configurabili o espandibili e dispositivi ottimizzati per supportare soluzioni scalabili in interi stabilimenti.