Turvalukituksen perusteet

Tuotantolaitoksen henkilöstön turvallisuus edellyttää suojelua mekaanisten uhkien aiheuttamilta henkilövammoilta. Tätä turvallisuustekniikan alaa kutsutaan teollisuuden riskien vähentämiseksi. Paikalliset lait ja alan standardit edellyttävät lain mukaan, että automaattiset laitteet sisältävät erilaisia mekaanisia turvaominaisuuksia, jotka estävät koneiden vaaralliset käynnistymiset ja laukaisevat niiden turvallisen pysäytyksen, jos ilmenee henkilöstöä koskeva vahinkoriski. Näiden turvallisuusjärjestelmien perustana ovat koneen ympärille selkeästi määritellyt rajat sekä koneen osien turvaaminen eli mekaaninen suojaaminen.

Vaikka turvaaminen on termi, jota käytetään osassa kirjallisuutta varsin vapaasti, kansainvälisen standardisointijärjestön ISO:n standardit ja yhä useammat automaatiokomponenttien toimittajat asettavat sille erittäin kapean määritelmän. Nämä arvovaltaiset teollisuuslähteet yleensä rajoittavat turvaamisen tarkoittamaan komponentteja ja alajärjestelmiä, joilla ympäröidään laitteiston mahdollisesti vaaralliset osat

• metallilevystä valmistetuilla koteloilla sekä teräslankaverkolla tai lasista valmistetuilla aidoilla
• liukulasipaneeleilla, ovilla ja heiluriporteilla
• antureilla ja valoverhoilla
• muunkaltaisilla elektronisilla tai fyysisillä erityisrakenteisilla esteillä
• turvalukituksilla – tämän artikkelin painopiste.

Vaikka koneiden ulkorajat yleensä turvataan kiinteillä rakenteilla, yllä mainitut liikutettavat tai läpäistävät elementit (mm. ikkunat, verhot ja ovet) sallivat käyttäjälle pääsyn koneen hoitamisessa, säätämisessä tai huoltamisessa tarvittaviin paikkoihin. Kätevä tapa luokitella nämä turvakomponentit on ryhmitellä ne sen mukaan, onko koneen käyttäjä tai muu laitoksen henkilöstö suorassa kosketuksessa turvakomponenttiin (kuten esimerkiksi valoverhoihin) vai onko jokin välissä oleva koneen osa kosketuksissa komponenttiin. Jälkimmäisiin kuuluu joukko mekaanisesti aktivoituja turvakytkimiä ja -antureita sekä turvalukitusjärjestelmät.

Kuva 1: Kaikissa tämän koneen luukuissa on rajakytkimet, jotka varmistavat luukkujen olevan suljettuina ennen kuin koneen sallitaan käynnistyä. (Kuvan lähde: Getty Images)

Mitä turvalukitukset tarkalleen ovat? Ne ovat mekaanisia, sähköisiä tai sähkömekaanisia turvakomponentteja, jotka ovat pohjimmiltaan lähestymis- tai asentokytkimiä. Ne asennetaan aina koneen liikutettaviin (läpikuljettaviin) luukkuihin. Suojaverhoista tai käyttökytkimisistä poiketen turvalukitus laukeaa joko koneen liikkuvien osien tai sen ulkorajan osien liikkeen takia. Selkeyden vuoksi mainittakoon, että turvalukituksen voi laukaista sekä toimilaitteella että manuaalisesti avattu ulkorajan osa. Turvalukitus yhdistää turvaohjaimen ehdot ja ulkorajan luukkujen asennot (ja tekee niistä toisistaan riippuvia), olivatpa ne avoimia tai suljettuja tai jossain muussa tilassa. Toisin sanoen turvalukitus antaa palautetta turvaohjaimille, jotka puolestaan määrittävät koneen oikean tilan koneen turvalaitteiden asentojen perusteella.

Turvalukituksen käyttöä koskevat standardit

Kuva 2: Turvalukitusjärjestelmän kytkimiä voidaan käyttää eri asennoissa. Kansainväliset turvallisuusstandardit määrittelevät tällaisten turvalukitusmuunnelmien luokitukset. (Kuvan lähde: Design World)

Tällä hetkellä teollisuusautomaatiosovelluksia suunniteltaessa ja integroitaessa on noudatettava peräti viittä standardia, mukaan lukien konedirektiivi 2006/42/EY, joka on vaatimus CE-merkinnälle. ISO 12100 ‑standardi (ja siinä sovelletut ISO 14119:n kohdat) määrittelevät turvalukitusjärjestelmät laitteiksi, jotka estävät koneen vaarallisen toiminnan, jos suoja-alueen luukkuja ja suojuksia on auki. Suojalukoiksi tai lukitseviksi ovikytkimiksi kutsutut turvalukitukset menevät pidemmälle lukiten luukut kiinni. Niillä on omat vaatimuksensa, mukaan lukien vaatimus, että niissä on pakosalpa teknikoille, jotka huomaavat joutuneensa lukituksi vaaralliseen työskentelytilaan.

Joissakin standardeissa viitataan jokaisessa turvakytkimessä olevaan asentokytkin- tai lähestymiskytkinteknologiaan. Niissä määritellään myös yleisellä tasolla vaatimukset sille, miten elektronisesti käytetyt työskentelytilan suojukset ovat verkkoyhteydessä koneen hallintalaitteisiin, jotka tyypillisesti käskevät mahdollisesti vaaralliset liikkeet hidastumaan tai jopa pysähtymään.

Koneen pysähtymisajan ottaminen huomioon

Luotettavimmat turvalukitukset ottavat huomioon tietyt akselin pysähtymisajat, eli ajan, joka koneelta kuluu turvalliseen tilaan hidastumiseen pysäytyskomennon antamisen jälkeen. Turvalukitusjärjestelmät itse asiassa ottavat huomioon sekä nämä pysähtymisajat että ajan, jossa koneen käyttäjä voisi päästä vaarallisen koneen osan luokse pysäytyskomennon antamisen jälkeen. Optimoidut turvalukitusten asennukset

• varmistavat, että turvallinen tila saavutetaan kauan ennen kuin käyttäjä voisi missään tapauksessa koskettaa tai lähestyä vaarallisia koneen osia
• tukevat koneen tehokasta käyttöä välttämällä liian pitkiä lukitusaikoja.

ISO 12100 ‑standardi itse asiassa kuvailee, miten turvalukituksella suojatut ovet ja luukut voivat (sulkeutuessaan) laukaista koneen käytön välittömän jatkumisen. Tämä eroaa hätäpysäyttimistä, jotka vaativat monivaiheisempia koneen uudelleenkäynnistystoimenpiteitä. Tällaisten standardien logiikkana on se, että turvalukitusten käyttö on rutiininomaista (joten niiden ei pitäisi vaikeuttaa jokapäiväistä toimintaa), mutta että hätäpysäyttimien käyttö on poikkeus.

Turvalukitusten perustekniikka ja ohitettavuus

Automatisoitujen koneiden on täytettävä tyypin A, B ja toisinaan myös tyypin C kansainväliset turvallisuusvaatimukset. Toiminnallista turvallisuutta koskeva ISO 12100-1 ‑standardi ja muut tyypin A perusstandardit koskevat kaikkia automaatiolaitteita. ISO 12100 ‑standardin vaatimukset täyttävät sähköiset ohjauslaitteet voivat vastata tilanteisiin, joissa tietyn energianlähteen huoltoa ei voida välttää, estämällä koneen odottamattoman uudelleenkäynnistymisen. Hätäpysäyttimet eivät ole milloinkaan hyväksyttävä ratkaisu tähän tarkoitukseen, mutta avaimelliset turvalukitukset voivat olla.

Tyypin B keskitason standardeihin kuuluvat turvallisuusnäkökulmia käsittelevät B1-standardit (mukaan lukien ISO 13849-1 ja 62061) sekä erityiset turvallisuusjärjestelmiä koskevat B2-vaatimukset (mukaan lukien ISO 13850 ja 13851). Tyypin C standardit sen sijaan koskevat nimenomaisesti tiettyjä konetyyppejä, joten ne ovat erityisen tiukkoja. Niitä käyttävät eniten alkuperäiset laitevalmistajat suunnitellessaan uusia laitteita.

Erityisesti turvalukituksia koskevat standardit ovat ISO 14118 ja 14119.

ISO 14118 ‑standardi kuvailee tapoja estää koneen odottamaton käynnistyminen (kuluttamalla mekaaninen teho ja katkaisemalla sähköteho) käyttäjän siirtyessä vaaralliseen työskentelytilaan. Tällaiset järjestelmät voivat irrottaa virtalähteet, pysäyttää moottorit, vapauttaa hydrauliset toimilaitteet ja antaa koneen liikkuvien osien kuluttaa loppuun kaiken jäljellä olevan liike-energian.

Toisin kuin muut tässä artikkelissa mainitut standardit, ISO 14119 kattaa vaaditut suojusten turvalukitusten erityisvaatimukset seuraavasti:

• viittaamalla muiden turvallisuusstandardien riskianalyysitekniikoihin
• määrittelemällä turvalukituksen ominaisuudet, jotka estävät turvaominaisuuksien tahattoman ja tahallisen ohittamisen.

ISO 14119 määrittelee tyypin 1 turvalukitusjärjestelmät asentokytkimiksi, joissa käytetään helposti ohitettavaa mekaanista saranaa tai nokkakytkentää. Kosketus tapahtuu keskenään vaihdettavissa olevien (koodaamattomien) puoliskojen välillä. Tyypin 1 turvalukitusten etuina ovat alhaiset kustannukset ja monikäyttöisyys.

Tyypin 2 turvalukitusjärjestelmät (kuten DIN EN 1088 ‑standardissa ensin määriteltiin) sisältävät mekaaniseen toimintaan perustuvia vaikeammin ohitettavia asentokytkimiä. Puoliskot ovat koodattuja (paritettuja) kieliä tai (suojalukoissa) kiinni jääviä avaimia. Viimeksi mainitut pakottavat käyttäjät lukitsemaan kaikki suojukset, ennen kuin ohjainlaitteet sallivat koneen käynnistyksen, ja avaimen poisto on mahdollista vain, kun suojukset ovat lukossa. Täysin integroidut ulkorajajärjestelmät menevät vielä pidemmälle, pakottaen käyttäjät käyttämään näitä samoja avaimia käyttöliittymän käynnistyskytkimien lukoissa, joista avainta ei voi poistaa koneen käytön aikana.

ISO 14119 luokittelee kaikki kontaktittomat turvakytkimet, joissa ei ole koodattua käyttöä, tyypin 3 turvalukituksiksi. Kaikkein helpoimpia ohitettavia ovat kytkimet, jotka perustuvat optiseen, ultraääni- tai kapasitiiviseen toimintaan. Induktioon ja magnetismiin perustuvat turvalukitusjärjestelmät ovat hieman vaikeammin ohitettavia. Kun ohitettavuus ei ole hyväksyttävää, on syytä käyttää tyypin 4 turvalukituksia, joissa käytetään paritettuja tai koodattuja toimilaitteen puolia kontaktittomalla tavalla (perustuen joko RFID-tekniikkaan, magneettiseen tai optiseen tekniikkaan).

Turvalukitusten vertailu turva-antureihin ja ulkorajan kytkimiin

Kuva 3: Pelkkä suojusten turvalukitusten sulkeminen ei laukaise koneen vaarallisten prosessien uudelleenkäynnistystä. Sen sijaan tämä vaatii erillisen kaksitoimisen hallintalaitteiden turvakytkimen tai käynnistyskytkimen käyttämistä, esimerkiksi tässä esitettyä kevyttoimista kapasitiivista sormikytkintä. (Kuvan lähde: Getty Images)

Kuva 4: Joissakin kaksitoimisissa turvalukituksissa on toimilaitteet, jotka toimivat suojuksen lukituksena. Nämä ovat asentokytkimiä, joissa on salpa tai sähkömagneettinen rakenne, joka pitää ovet ja luukut suljettuina, kunnes sillä suojatun robottivarren tai koneen vaarallinen liike loppuu. Valitettavasti jotkut insinöörit uskovat virheellisesti, että kaikki turvalukitukset ovat suojusten lukitustyyppiä. (Kuvan lähde: Omron)

Turvalukitusjärjestelmillä on yhtäläisyyksiä muihin samoihin perustekniikoihin perustuviin turvallisuusluokiteltuihin palaute- ja anturikomponentteihin. On kuitenkin painotettava, että mikään näistä muista komponenteista ei liity koneiden ulkorajoihin, toisin kuin turvalukitukset. Lisäksi nykypäivän turvallisuusstandardit edellyttävät, että turvalukitukset eivät anna lupaa toiminnan jatkumiselle ilman korjaavia vastatoimia.

Teollisina turva-antureina toimitetut komponentit varmistavat (usein kontaktittomasti induktion tai valosähköisten keinojen avulla) koneen osan tai työkappaleen asennon, jotta hallintajärjestelmä voi antaa ilmoitettuihin olosuhteisiin sopivia komentoja. Sen sijaan teolliset turvakytkimet kytkevät teholähteet pois päältä ja päälle havaittuaan koneen osan tai työkappaleen asennon. Laukaisuasennon toteamisen jälkeen tällaiset kytkimet joko kytkevät virran irti tai kytkevät virran uudelleen siihen liittyvään koneen osaan. Enää ei ole riittävää käyttää tavallista lähestymiskytkintä turvalukituksena. IEC 60947:n nykyisten tiukkojen vaatimusten mukaan turvalukituksena käytettävissä komponenteissa pitää olla tarkasti määriteltyjä turvallisuuteen liittyviä ominaisuuksia, jotka estävät ohittamisen ja muut toimintahäiriöt.

Turvajärjestelmissä on myös releitä, jotka suoraan sulkevat tai avaavat sähköisen kosketuksen. Yleisimmissä kokoonpanoissa ne pohjimmiltaan lähettävät pienen ohjausjännitteen päästääkseen suuremman määrän virtaa ohjaamiensa koskettimien läpi. Pohditaanpa kahta yleistä toimintoa, joita turvalukitukset tekevät toisistaan riippuen: suojuksen avaaminen ja työstökoneen moottorikäyttöisen karan ohjaaminen. Koska nämä toiminnot ovat riippuvaisia toisistaan, jyrsintäkone ei hyvin todennäköisesti aiheuta vaurioita omille alajärjestelmilleen tai vahingoita käyttäjää. Tässä mielessä turvalukitukset toimivat toimintasekvenssin kytkiminä.

Harvinaisimpia ovat mekaaniset turvalukitukset, joiden nokka kääntyy lukiten vaaralliset koneen akselit. Paljon yleisempiä ovat sähkömekaaniset ja elektroniset turvalukitukset, joissa käytetään piirejä ja mikroprosessoreja kustannustehokkuuden ja jopa uudelleenmääritettävyyden takaamiseksi. Esimerkiksi ulkorajan luukkujen sähkömekaanisia saranoituja turvalukituksia ovat muun muassa mekaaninen kulmaliitin tai vipuvarsi, joka avautuu saranoidun oven tai luukun mukana. Kun luukku avautuu asetettua kytkinkulmaa pidemmälle, tämä laukaisee komentoja, jotka pysäyttävät turvalukituksen kohteena olevan koneen. Kun luukku suljetaan, luukun voima saa turvalukituksen solenoidin lopulta sulkemaan piirin uudelleen.

Tyypilliset turvalukituksissa käytettävät johdotus- ja solenoidityypit

Kuva 5: Innovatiiviset liitosvaihtoehdot ovat lisänneet useampia suojuksia käsittävien asennusten luotettavuutta viime vuosina. Tässä liitäntämoduuli liitetään T-sovitinverkkojen kautta muihin turvakomponentteihin. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Turvalukitukset kytketään yleisimmin käyttäen ”normaalisti suljettu”- eli NC-logiikkaa, jotta koneita voidaan käyttää ainoastaan piirin ollessa suljettu. Useimmat turvallisuusstandardit edellyttävät, että turvallisuuspiirien komponentit kytketään sarjaan mahdollisimman luotettavaa virheiden ja tapahtumien tunnistamista varten (sallittuun antureiden maksimimäärään asti). Kyseisen antureiden määrän ylittäminen voi heikentää järjestelmän suorituskykyä ja lisätä vikojen peittymisen todennäköisyyttä.

Turvalukitukset, joissa käytetään yhtä jousitoimista NC-kytkintä (asento- tai rajakytkintä), on yleensä toteutettu pakkotoimisesti avautuvalla koskettimella, jolloin suojuksen avaaminen painaa turvalukituksen jousta vastaan ja levittää sen koskettimet erilleen. Sen sijaan luotettavammissa kaksi kytkintä sisältävissä turvalukituksissa yksi kytkin kytkeytyy suojuksen avautuessa ja toinen kytkin, jossa on koskettimet, avautuu suojuksen sulkeutuessa. Oikosulkujen elektroninen valvonta (yleensä seuraamalla kahden tulokanavan välistä potentiaalieroa) on täydentävä ominaisuus, jolla voidaan havaita johtojen katkeaminen leikkautumisen, korroosion tai ylikuumenemisen vuoksi.

Ankkuriin ja kelaan perustuvan solenoidin toiminnan luotettavuuden ansiosta solenoidiin perustuvat turvallisuuskomponentit soveltuvat kriittisiin turvalukituskohteisiin. Sähkönsyöttö aiheuttaa tyypillisesti ankkurin lineaarisen ulostyöntymisen (ja jousi palauttaa ankkurin sisään virran katkettua). Suojuksiin ja salpaaviin turvalukituksiin integroituja solenoideja käytetään salpausmekanismien voimanlähteenä. Muita tällaisia solenoidipohjaisia järjestelmiä voidaan myös käyttää oikean mekaanisen toiminnan varmistamiseen, esimerkiksi kuljettimen tasaisen nopeuden varmistamiseksi silloinkin, kun käsittelylaitteet käsittelevät hihnalla kulkevia työstettäviä kappaleita. Solenoideihin perustuvat varmennukset (sarjaan kytketyillä ja kaksinapaisilla kytkimillä asennon varmistamiseksi) voivat minimoida turvalukituksen virheellisten signaalien määrän.

Yhteenveto

Turvalukituksen avulla konetta ympäröivän alueen tila on riippuvainen turvasäätimistä. Itse asiassa nykypäivän turvalukitusjärjestelmien tällaisille säätimille lähettämän palautteen avulla voidaan toteuttaa poikkeuksellisen kehittyneitä vasteita eri puolilla konetta olevien suojusten asentoihin. Edistyneimmät turvalukitusjärjestelmät voivat tarjota vikaturvallisia reunalaskenta-, esineiden Internet- ja luotettavuustoimintoja, jotka ylittävät perinteisten teollisuuskytkimien ja -antureiden kyvyt. Tärkein huomio on, että suojusten turvalukituksien ei pidä olla hankalia koneen käyttäjille. Useimmin käytettyjen suojaluukkujen automaattiset toiminnot ja ehdollinen lukituksen avaaminen voivat parantaa toiminnallisuutta ja minimoida havaitsematta jääneiden vikojen määrän.