TECNICHE DI ANALISI E SIMULAZIONE DI UN SISTEMA DI SICUREZZA IN AMBITO INDUSTRIALE APPLICAZIONE AL CASO DI UNA RIBOBINATRICE DI MACCHINA CONTINUA

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1 TECNICHE DI ANALISI E SIMULAZIONE DI UN SISTEMA DI SICUREZZA IN AMBITO INDUSTRIALE APPLICAZIONE AL CASO DI UNA RIBOBINATRICE DI MACCHINA CONTINUA Elena Lorenzi MASTER IN PRODUZIONE DELLA CARTA/CARTONE E GESTIONE DEL SISTEMA PRODUTTIVO Riassunto relazione finale di tirocinio SOMMARIO Viene di seguito presentata l attività svolta come tirocinio per il conseguimento del Master in Produzione della Carta/Cartone e gestione del sistema produttivo. Obiettivo di tale stage è stato la stesura di una specifica per il sistema elettrico di controllo relativo alla sicurezza di una linea ribobinatrice di macchina continua. L organizzazione del presente documento è la seguente: in primo luogo, si inquadrano le principali direttive e norme tecniche di riferimento ai fini della sicurezza e della tutela della salute che devono avere le macchine e i dispositivi di sicurezza; in seguito, si richiamano gli elementi fondamentali della Direttiva Macchina e si illustrano le fasi di progettazione di un sistema elettrico di sicurezza; successivamente, viene descritta nello specifico la macchina oggetto del lavoro e presentata la metodologia e la strumentazione impiegate per la progettazione e l analisi delle logiche di funzionamento del sistema, per poi spiegare la loro effettiva implementazione. In conclusione, si sintetizzano i principali risultati raggiunti da questo lavoro e si propongono alcuni spunti per futuri sviluppi. INTRODUZIONE Questa tesina presenta il progetto realizzato durante il tirocinio previsto dal piano formativo del Master Universitario di Primo Livello in Produzione della Carta/Cartone e Gestione del Sistema Produttivo. L attività progettuale, finalizzata con la redazione della presente relazione, è stata svolta presso lo Studio di Ingegneria Enrico Micheloni (LU) (struttura ospitante) e seguita da ing. Luca Bilancioni (tutor). Il lavoro ha come oggetto la stesura di una specifica per la realizzazione del sistema elettrico di controllo relativo alla sicurezza di una linea ribobinatrice di macchina continua (in seguito anche sistema di sicurezza) e sua validazione in fase progettuale, nell ambito della verifica del livello di sicurezza richiesto dall applicazione. Più nel dettaglio, la macchina in oggetto è una Ribobinatrice VAS posta a valle di una macchina continua per carta da imballaggio. È doveroso premettere che questo tipo di attività presenta diversi ordini di difficoltà, tra cui: il progetto elettromeccanico della macchina è già esistente, realizzato con tecnologia datata e non predisposto per le modifiche necessarie; la macchina oggetto della modifica non può essere fermata; non è possibile verificare il circuito di sicurezza senza collegamento alle parti della macchina e ai cicli di funzionamento, né procedere con l inserimento graduale di parti di esso; la fase di test e validazione del sistema di sicurezza è, normalmente, delegata al tecnico installatore, con notevole dispendio di tempo e incertezza nell esito della prova. INQUADRAMENTO NORMATIVO Il mercato unico europeo ha rivoluzionato il contesto legislativo, certificativo e normativo nazionale, sia nel settore della sicurezza dei prodotti, sia in quello della sicurezza e salute nei luoghi di lavoro. La Direttiva Macchine 89/392/CEE, successivamente integrata e modificata dalle ulteriori direttive 91/368/CEE e 93/68/CEE nonché ripubblicata, sotto forma di testo integrato, come direttiva 98/37/CEE, è stata recepita in Italia con il D. P. R. 24 luglio 1996, n. 459, pubblicato sul Supplemento Ordinario della Gazzetta Ufficiale n. 209 del 6 settembre La direttiva stabilisce i requisiti essenziali ai fini della sicurezza e della tutela della salute che devono avere le macchine e i dispositivi di sicurezza (allegato I del testo legislativo). La conformità della macchina alla direttiva è stabilita dal costruttore nel corso di procedure di valutazione, i cui moduli vengono descritti nelle sopraccitate direttive, ed è formalizzata, sempre dal costruttore, con autodichiarazione o verifica presso un organismo accreditato, mediante l applicazione in targa della marcatura CE. L adempimento alle esigenze di sicurezza imposte dalle Direttive suddette è garantito dalle norme tecniche EN, elaborate a livello europeo dai comitati tecnici dei vari paesi. Infatti, la Direttiva Macchine assume come obiettivo primario il raggiungimento della sicurezza delle macchine, rimandando alle norme armonizzate, il compito di indicare le soluzioni tecniche più adatte per realizzare la sicurezza. La conformità alle norme tecniche inerenti la sicurezza non è obbligatoria, bensì volontaria, ma gode della presunzione di conformità ai requisiti essenziali di sicurezza. Tra le altre, una delle norme prese a riferimento per la stesura di questo progetto è la CEI EN (2007), intitolata Sicurezza del macchinario. Equipaggiamento elettrico delle macchine.

2 CRITERI DI PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA ELETTRICO DI CONTROLLO DELLA SICUREZZA Generalità sulla Direttiva Macchine Il primo concetto fondamentale è che un qualsiasi intervento su una macchina richiede la formulazione e la stesura di un progetto, [1]. La documentazione tecnica confluirà nel manuale di istruzioni, che il fabbricante è tenuto a fornire all utente. L uso al quale la macchina è destinata, infatti, rappresenta l obiettivo iniziale e poi costante del progettista ed è in riferimento a questo che viene redatto il manuale di istruzioni. Oltre al manuale di istruzioni, il D.P.R. 459/96 ha introdotto, recependo la Direttiva Macchine, per il tramite del Fascicolo Tecnico, la necessità di dimostrare in modo documentato l asserita conformità della macchina sotto il profilo della sicurezza per mezzo della marcatura CE. Parti Legate alla Sicurezza di un Sistema di Comando Macchina Nel sistema di comando di una macchina si individuano una o più parti legate alla sicurezza, così chiamate perché, in seguito ad un segnale in ingresso trasmesso loro automaticamente durante lo svolgimento di un ciclo di lavoro, oppure tramite un comando manuale azionato dall operatore esse generano in uscita uno o più segnali di fondamentale importanza per la sicurezza delle persone. Rientrano fra queste parti anche gli elementi di monitoraggio dei sistemi e quelli di segnalazione, purché essenziali ai fini antinfortunistici. Fasi di Progettazione di un Sistema di Controllo della Sicurezza Tre sono i momenti fondamentali per la progettazione della sicurezza di una macchina: 1. identificazione dei pericoli; 2. analisi dei rischi; 3. scelta delle misure di sicurezza e calcolo del rischio residuo. Dal livello di approfondimento documentale di questi temi dipende la qualità che verrà ad assumere il Fascicolo Tecnico in termini di dimostrazione dell effettiva riduzione dei rischi residui presenti sulla macchina. DESCRIZIONE GENERALE DI UNA LINEA RIBOBINATRICE La ribobinatrice è una macchina destinata ad essere installata in impianti per la produzione di carta a valle della macchina continua. Essa ha la funzione di produrre bobine di carta di determinate dimensioni (larghezza e diametro), avvolte su un anima di cartone (bobine figlie), ottenute dalle bobine fornite dalla macchina continua, avvolte sul rullo di avvolgimento (bobine madri). Una ribobinatrice tipica per carta da imballaggio è composta dai seguenti gruppi: 1. gruppo svolgitore; 2. gruppo taglio e ribobinatura; 3. piano di scarico; 4. recinzione. Figura 1. Vista della linea ribobinatrice VAS. METODOLOGIA ADOTTATA E STRUMENTI IMPIEGATI PER L ANALISI La prima fase di redazione della specifica ha avuto come oggetto l identificazione dei pericoli della linea in esame. Pertanto, la si è analizzata allo scopo di individuare al suo interno le diverse zone pericolose, distinte le une dalle altre in base a criteri dettati dalla naturale divisione della linea in macchine, agli elementi fisici di separazione delle stesse, dalla diversità delle fonti di pericolo in esse presenti, dalla interazione uomo macchina espressamente richiesta per aumentare le prestazioni della linea (si vedano le figure di seguito riportate). In seguito a questa suddivisione, si sono esplicitati gli interventi previsti nel corso della fase di uso e manutenzione della linea. Questa prima parte di analisi preliminare si è conclusa con l elenco delle fonti di pericolo alle quali l operatore è esposto nel momento dell interazione con le parti della macchina senza l adozione delle misure di sicurezza (analisi dei rischi). Figura 2. Zone Pericolose vista. Figura 3. Zone Pericolose pianta.

3 Successivamente alla fase di analisi, si è proceduto alla vera e propria stesura della specifica del sistema di controllo, definendone l architettura, i componenti hardware necessari e le funzioni di controllo legate alla sicurezza. Allo scopo di verificare la correttezza delle logiche sviluppate, si è passati dunque alla loro simulazione. Lo strumento adottato a tale scopo è Simulink di Matlab. SCELTA DEI COMPONENTI DI SICUREZZA Architettura del Sistema di Sicurezza Le funzioni del Sistema di Sicurezza vengono eseguite, come richiesto dalla norma CEI EN , da un componente di sicurezza programmabile PNOZ PILZ (in seguito Sistema PNOZ). La struttura del PNOZ consiste di una unità di base ed alcuni moduli di espansione; l unità di base dispone di alcuni input e output eventualmente ampliabili aggiungendo i moduli di espansione. Il sistema è programmabile con un software di configurazione denominato PNOXm. Il Sistema PNOZ gestisce la segnalazione proveniente dai competenti pulsanti e microinterruttori di sicurezza in modo da garantire l arresto oppure impedire l accesso a zone pericolose della macchina in conseguenza dell azionamento di uno qualunque dei pulsanti o dei microinterruttori. Il Sistema PNOZ dialoga, infine, con il PLC della macchina ricevendo comandi dalla logica ed inviando le segnalazioni delle varie condizioni di arresto/emergenza. Master Relay di Alimentazione L alimentazione agli attuatori di bordo macchina, a partire dalle sorgenti principali a 110 V AC e 24 V DC, è fornita da uno specifico sistema di smistamento controllato da tre Master Relay di alimentazione. La funzione è finalizzata a collegare, in modo sicuro, l alimentazione degli attuatori agli stati della macchina, consentendo di muovere alcuni organi all interno delle zone pericolose con le restanti parti di macchina arrestate e sezionate in accordo alla Categoria 0 (punto CEI EN ). Componenti di sicurezza a bordo macchina I componenti di sicurezza installati a bordo macchina sono i seguenti: pulsante di emergenza a fungo, arresto di emergenza a filo,selettori, microinterrutori con elettromagnete di blocco e chiave, sensore magnetico codificato, encoder. Modi Operativi della Linea Durante le successive fasi di lavorazione, la linea viene naturalmente a trovarsi in condizioni operative diverse, ciascuna delle quali si caratterizza per l apertura di uno o più ripari da parte dell operatore o per il particolare posizionamento di alcuni dei componenti della macchina. Tali condizioni operative vengono indicate anche modi operativi. In particolare, tra i vari modi operativi in cui la linea ribobinatrice in esame può venire a trovarsi, si riportano di seguito quelli particolarmente importanti dal punto di vista della sicurezza: 1. modo operativo AOP_SV: accesso alla zona Z01 a seguito di apertura del riparo RMI-01; 2. modo operativo AOP_AV: accesso alla zona Z02 a seguito di apertura del riparo RMI-02 o a seguito di apertura del riparo RMI-08; 3. modo operativo AOP_MA: accesso alla zona Z04 con linea in marcia automatica cioè con il piano di scarico ALTO; 4. modo operativo AOP_SC: accesso alla zona Z04 e Z04S con linea in arresto e con il piano di scarico BASSO. FUNZIONI DI CONTROLLO LEGATE ALLA SICUREZZA In conseguenza del rischio identificato e valutato, si definisce la necessaria funzione di controllo legata alla sicurezza (SRCF: safety related control function) da implementare sul PNOZ PILZ per l effettiva realizzazione del Sistema di Sicurezza. SRCF01 Arresto di Emergenza Arresta la linea in emergenza in caso di pressione di un fungo o di insorgenza di una qualunque delle seguenti condizioni anomale: superamento della soglia di velocità massima consentita in condizioni di cancelli aperti; apertura accidentale di uno dei cancelli in condizioni di marcia automatica; intervento dell arresto di emergenza a filo in marcia lenta; apertura accidentale di un contatto di retroazione dei contattori -KB, -KS. SRCF02 Controllo dei Ripari Normalmente Chiusi Consentire l apertura dei cancelli RMI-03, RMI-04, RMI- 07, RMI-09, RMI-10 con linea in EMR; inibire l apertura dei cancelli RMI-03, RMI-04, RMI-07, RMI-09, RMI-10 in tutti gli altri stati macchina; arrestare la linea in emergenza in caso di apertura e/o guasto di RMI-03, RMI-04, RMI-07, RMI-09, RMI-10. SRCF03 Controllo Accesso Frontale alla Zona Z01 Consentire l apertura di RMI-01 con linea in arresto normale, cioè con velocità prossima a zero; inibire l apertura del RMI-01 con linea in marcia automatica (velocità diversa da zero); sezionare tutti gli attuatori della Z01 che possono creare fonte di pericolo; arrestare la linea in emergenza in caso di apertura accidentale e/o guasto di RMI-01 o avviamento imprevisto del motore freno. SRCF04 Controllo Accesso alla Zona Z02 Consentire l apertura di RMI-02 e RMI-08 con linea in arresto normale, cioè con velocità prossima a zero; inibire l apertura di RMI-02 e RMI-08 con linea in marcia automatica (velocità diversa da zero); sezionare tutti gli attuatori della Z02 che possono creare fonte di pericolo; arrestare la linea in emergenza in caso di apertura accidentale e/o guasto di RMI- 02 e RMI-08 o avviamento imprevisto del motore freno. SRCF05 Controllo Accesso alla Zona Z04 Consentire l apertura di RMI-05 con piano di scarico in posizione alta se la linea è in marcia; inibire l apertura di RMI-05 con il piano di scarico in movimento (fase di

4 espulsione e scarico); consentire l apertura di RMI-05 con piano di scarico in posizione bassa se la linea è in arresto con un ritardo che permetta alla bobina di essere scaricata e rotolare fino a fine zona Z04; sezionare tutti gli attuatori della Z04 che possono creare fonte di pericolo nelle diverse condizioni del piano di scarico; arrestare la linea in emergenza in caso di apertura accidentale e/o guasto di RMI-05 nella condizione in cui deve essere chiuso. SRCF06 Controllo Posizione Piano di Scarico Consentire i movimenti del piano di scarico con il cancello RMI-05 chiuso; il movimento del piano è consentito solo dall esterno della barriera; inibire i movimenti del piano di scarico con il cancello RMI-05 aperto; arrestare la linea in emergenza in caso di apertura accidentale e/o guasto di RMI- 05 nella condizione in cui il piano di scarico si sta muovendo. SRCF07 Controllo Posizione Cavaliere Consentire i movimenti automatici del cavaliere con il piano di scarico alto; inibire tutti i movimenti del cavaliere con piano di scarico basso eccetto che con modalità jog attiva: in questo caso sono consentiti solo i movimenti in manuale; riconoscere la posizione alta del cavaliere e bloccarlo; arrestare la linea in emergenza in caso di movimento imprevisto del cavaliere in condizione di blocco SRCF08 Modalità Marcia JOG e JOG_BI Consentire la marcia a velocità ridotta in JOG dei rulli con o RMI-02 e RMI-08 chiusi e RMI-05 aperto o viceversa, in modo da non sovrapporre comandi provenienti da due zone operatore contemporaneamente; consentire la marcia a velocità ridotta, selezionabile solo da Z04S, tramite pressione simultanea dei pulsanti di jog da Z02 e Z04S (denominata JOG_BI) per agevolare iol passaggio carta con 2 operatori; in pratica si esclude la condizione di chiusura di RMI-02 e RMI- 08; inibire la marcia jog in caso di apertura involontaria di un altro cancello. SRCF09 Modalità Marcia Lenta Consentire la marcia a velocità automatica dei rulli con o RMI-02 e RMI-08 chiusi e RMI-05 aperto o viceversa; attivare un arresto di emergenza raggiungibile da qualunque punto delle zone Z02 e Z04S in prossimità dei rulli avvolgitore; individuare univocamente la modalità di marcia LEN. SRCF10 Controllo Velocità di Linea Controllare che la velocità di linea sia inferiore a 10 m/min nel corso degli stati AOP_AV o AOP_SC o AOP_SV; arrestare la linea in emergenza in caso di superamento della soglia e/o anomali nel controllo. SRCF11 Interfaccia con Macchine a Valle Realizzare un interfaccia con macchine a valle, prospicienti la zona Z04 (reggiatrice, movimentazione e discensore), in modo da inibirne il funzionamento in caso di apertura del cancello RMI-05; arrestare le stesse macchine in caso di emergenza della linea. Come anticipato in precedenza, per ridurre l ordine di difficoltà associato alla realizzazione del sistema di sicurezza sopra descritto, è stato impiegato un tool di simulazione per riprodurre le funzionalità delle logiche di controllo. Questo ha consentito di testarle prima della loro effettiva implementazione sulla macchina e dunque, correggere preliminarmente eventuali problematiche sia di tipo implementativo, sia di tipo logico. Il tool scelto per la simulazione è Simulink di Matlab, ma l approccio è ovviamente estendibile a strumenti analoghi. CONCLUSIONI Il lavoro che si è presentato, oltre ad aver conseguito l obiettivo della progettazione di un sistema elettrico di controllo relativo alla sicurezza di una linea ribobinatrice, ha consentito di mettere a punto e/o di sperimentare metodologie progettuali innovative. 1. Lo studio preliminare del quadro normativo di riferimento e delle procedure consolidate ha condotto all adozione di un approccio metodologico per la realizzazione del lavoro. 2. L adozione di una struttura modulare nella stesura della specifica, ha consentito di poter seguire agevolmente le modifiche resesi necessarie a seguito di richieste dell utilizzatore o del personale dell azienda che ha realizzato il progetto. 3. Un linguaggio chiaro, schematico e con evidenti richiami alle parti della macchina, ha agevolato la comprensione di logiche di funzionamento altrimenti troppo tecniche per essere presentate ai non addetti ai lavori (per es. personale dell utilizzatore). 4. La modellizzazione delle funzioni della macchina e delle logiche di controllo con Matlab ha fornito come output la simulazione di tutte le fasi critiche delle logiche stesse (altrimenti non testabili sulla macchina reale), consentendo al progettista di apportare le necessarie modifiche. 5. Le logiche di sicurezza (SFC) sono implementate in blocchi riutilizzabili su altri progetti. 6. I risultati della simulazione possono essere presentati in forma interattiva, molto utile per la fase di validazione con l utilizzatore: al layout della macchina sono stati, infatti, associati i sensori e gli attuatori di sicurezza e i comandi principali del ciclo. Lo svolgimento dell attività ha fatto emergere anche alcune criticità che potranno essere affrontate e risolte affinando gli strumenti di sviluppo. In particolare: L implementazione delle logiche esterne al sistema di sicurezza (cioè le logiche funzionali e i comandi dell operatore) variano molto da una macchina all altra, e implicano una pesante attività con ricaduta sul progetto. I blocchi delle logiche di sicurezza (SCF) sono sensibilmente diversi dalle funzioni proprie del PLC di sicurezza che sarà realmente adottato: sarebbe auspicabile una trasposizione immediata delle logiche nell ambiente di funzionamento del PLC. Pur con i suddetti limiti, l obiettivo del presente lavoro è stato pienamente centrato e il risultato che ne conseguito ha consentito di eliminare tutti i potenziali errori di progettazione del sistema di sicurezza, abbreviando la fase di test e validazione eseguita dal tecnico installatore.

5 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI 1. E. Grassani, La sicurezza sulle macchine, UTET Periodici Scientifici S.r.l. Editoriale Delfino, Milano, seconda edizione, E. Micheloni, L. Bilancioni, Linee guida progetto e costruzione macchine carta. 3. L. Bilancioni, Mondialcarta Ribobinatrice VAS, Specifica sistema sicurezza, versione 1, giugno 2008.