Gli interruttori di sicurezza per le macchine

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1 Pubblicato il 25/09/2010 Aggiornato al: 25/09/2010 Gli interruttori di sicurezza per le macchine di Gianfranco Ceresini 1 Introduzione Quando l'accesso alla macchina è infrequente, gli interruttori di sicurezza rappresentano la soluzione più adatta all interblocco e al blocco delle protezioni mobili sulle macchine industriali: rispondono ai requisiti delle norme EN/ISO 12100, EN 294/ISO 13852, EN 1088/ISO e IEC/EN Gli interruttori di sicurezza contribuiscono alla protezione degli operatori addetti alle macchine pericolose aprendo il circuito di comando in seguito all apertura del circuito di protezione con azionamento positivo, arrestando cioè il movimento pericoloso della macchina. Questo approccio implica l'uso di un interruttore di interblocco montato sul riparo di protezione, il quale garantisce che ogni volta che la protezione mobile non è chiusa viene tolta alimentazione alla fonte di pericolo. La sorgente di alimentazione è di solito elettrica, ma potrebbe anche essere pneumatica o idraulica. Quando viene rilevata l apertura del riparo mobile, viene inviato un comando per togliere l'alimentazione pericolosa, sia direttamente o tramite un contattore di potenza (o una valvola). L arresto del movimento pericoloso e quindi l apertura della protezione mobile può essere: - immediato sulle macchine senza inerzia (macchine il cui tempo di arresto è inferiore al tempo di accesso alla zona pericolosa); - ritardato sulle macchine con inerzia (macchine il cui tempo di arresto è superiore al tempo di accesso alla zona pericolosa). Alcuni interruttori interbloccati possono anche includere un dispositivo che blocca la porta di protezione in posizione chiusa e non la rilascia finché la macchina non è in condizioni di sicurezza. Per la maggior parte delle applicazioni la combinazione di una protezione mobile e di un interruttore di sicurezza con o senza blocco della protezione è la più affidabile e conveniente delle soluzioni. I ripari fisici devono essere interbloccati se: vengono azionati ciclicamente o aperti con regolarità (porte, deflettori); possono essere rimossi senza attrezzi o facilmente; proteggono da un pericolo potenzialmente serio. Interbloccare significa che l apertura del riparo fisico viene convertita in un segnale elettrico che arresta in modo affidabile il movimento pericoloso. Un requisito importante dei dispositivi di interblocco è rappresentato dalla trasmissione positiva. Con la trasmissione positiva, le parti meccaniche mobili del dispositivo di interblocco (interruttore di sicurezza) vengono mosse fisicamente dalle parti meccaniche del riparo fisico (per es. porta) per mezzo del contatto diretto o di parti rigide. 1

2 2 Scelta dell interruttore In figura 1 viene raffigurato un diagramma di flusso che può guidare nella scelta del tipo di interruttore di sicurezza adatto nelle differenti situazioni, ripari ed ambienti di lavoro. I sistemi di controllo accessi ad azione sequenziale richiedono che abbia luogo una sequenza predeterminata di eventi (o che i rischi siano stati ridotti) prima che gli operatori possano essere esposti a rischi. In questo caso possono essere adatti gli interblocchi con chiavi codificate, sistema di sicurezza meccanico basato sul fatto che nessuna singola chiave può essere utilizzata in due posti contemporaneamente. A causa del loro funzionamento meccanico, gli interblocchi a chiave sono ampiamente utilizzati in applicazioni in cui l'ubicazione degli impianti, l'ambiente o un eventuale atmosfera esplosiva rende l uso dei sistemi con interblocco elettrico non idoneo o costoso da installare. Una macchina ad elevata inerzia è quella in cui il movimento pericoloso non cessa immediatamente quando sono attuate le misure di sicurezza. Conseguentemente, vi è la possibilità che un operatore possa essere in pericolo mentre la macchina si sta fermando, ma è ancora in movimento (pericoloso). Gli interruttori di interblocco con bloccaggio del riparo (blocco elettromagnetico) riducono il rischio che il riparo si apra durante il movimento pericoloso della macchina. Come misure alternative si può installare un dispositivo di frenatura che interrompe il movimento della macchina in un breve arco di tempo, oppure si può aumentare la distanza tra la porta del riparo e il pericolo in modo tale che l'operatore non possa fisicamente raggiungere il pericolo prima che la macchina sia ferma. In molte applicazioni, soprattutto quelle nel settore farmaceutico e nel food/beverage, è frequente il lavaggio delle macchine con acqua e/o detergenti. Pertanto, è importante scegliere un interruttore di sicurezza con un adeguato grado di protezione IP. Gli interruttori non a contatto non hanno feritoie in cui i detriti possono accumularsi e sono disponibili in versioni completamente sigillate (IP67/IP68), il che li rende ideali per ambienti con lavaggi. Interruttori Situazione / Interruttori Interruttori a ad azionatore Interruttore senza contatto cerniera (linguetta) Finecorsa Riparo grande Vibrazione Disallineamento Trucioli/Detriti Lavaggio Tabella 1 Considerazioni per la scelta del corretto tipo di interruttore di sicurezza 2

3 Figura 1 Diagramma di flusso per la scelta del corretto tipo di interruttore di sicurezza (Allen-Bradley) 3

4 3 Fermo e fissaggio meccanico Gli interruttori di sicurezza non sono progettati per sopportare l'arresto di un cancello. Il progettista della macchina deve quindi prevedere un adeguato fermo, oltre che un sufficiente spazio per l'attuatore che si deve inserire completamente all interno dell interruttore. Figura 2 Fermo meccanico (Allen-Bradley) L affidabilità dei fissaggi meccanici degli interruttori di sicurezza è fondamentale per l efficacia degli stessi. Gli interruttori di sicurezza: dovranno essere montati in modo che siano protetti da danni dovuti ad effetti esterni prevedibili; non dovranno essere utilizzati come arresti meccanici; dovranno avere una posizione e una struttura che li protegga dall azionamento involontario, modifiche di posizione e danni: l interruttore e la camma di comando possono essere fissati tramite la forma (non con la forza), per es. utilizzando fori rotondi, perni e fermi. dovranno essere protetti dal proprio metodo di azionamento la loro integrazione nel comando dovrà essere eseguita in modo che non possano essere facilmente elusi (per tale motivo, gli interruttori di posizione dovranno avere dei contatti NC; dovrà essere possibile controllare il corretto funzionamento degli interruttori e, se possibile, questi dovranno essere facilmente accessibili per il controllo. 4

5 Figura 3 Esempio di fissaggio meccanico degli interruttori di sicurezza (Sick) Figura 4 - L'attuatore deve essere facilmente inserito nella testina di azionamento dell interruttore di sicurezza. Poiché l interruttore di sicurezza non deve essere usato come dispositivo di arresto, viene montato un fermo meccanico per fermare la parte mobile del riparo durante la sua chiusura (Sick) 5

6 Figura 5 - Per gli interruttori di sicurezza con attuatori ad asta, applicare la forza di attuazione quanto più possibile in linea rispetto all asse dell asta stessa (Honeywell) Figura 6 - Per gli interruttori di sicurezza con attuatori a leva, applicare la forza di attuazione quanto più perpendicolarmente possibile rispetto alla leva e quanto più perpendicolarmente possibile rispetto all asse dell albero intorno a cui la leva ruota (Honeywell) 6

7 4 Contatti di sicurezza dell interruttore Gli interruttori di sicurezza sono dotati in genere di un elemento di contatto tripolare (o anche quadripolare) a manovra positiva di apertura, azionato dalla presenza o dall estrazione dell azionatore di comando. L estrazione dell azionatore provoca l apertura del o dei contatti di sicurezza NC, anche in caso di contatti incollati. Questo elemento di contatto tripolare consente di stabilire un circuito di sicurezza ridondante (esempio NC + NC o NC + NO ) più una segnalazione (esempio: controllore, colonna luminosa, etc.) con il terzo contatto (esempi di figura 24 e 25). Se l elemento di contatto fosse invece bipolare, ad esempio NC + NC, questo consentirebbe di realizzare un circuito di comando di categoria 3 secondo la EN ISO , utilizzando i 2 contatti di sicurezza NC in ridondanza, oppure un circuito di categoria 1 utilizzando un contatto NC inserito nel circuito di sicurezza con l altro contatto utilizzato per la segnalazione, oppure ancora di categoria 4 associando l interruttore o gli interruttori ad un modulo di sicurezza. Gli interruttori di sicurezza con elettromagnete, oltre all elemento di contatto tripolare/bipolare azionato dall azionatore di comando, sono dotati di un elemento di contatto NC + NO, a manovra positiva di apertura, azionato mediante elettromagnete. Il contatto NC è integrato nel circuito di sicurezza della macchina mentre il contatto NO serve a segnalare la posizione dell elettromagnete. 7

8 5 Tipi di interruttori Esaminiamo tutte le differenti tipologie di interruttori di sicurezza presenti sul mercato associate alle loro principali applicazioni pratiche. Interruttori di sicurezza con azionatore - il funzionamento di questi dispositivi richiede l'inserimento e la rimozione dell'attuatore nell'interruttore. Interruttori di sicurezza con blocco del riparo - in alcune applicazioni, è necessario bloccare la porta in chiusura o temporizzarne l'apertura. I dispositivi adatti a questa funzione sono gli interruttori con blocco della protezione (manuale od elettromagnetico). Sono adatti a macchine con caratteristiche di arresto progressivo, ma possono fornire un importante potenziamento della sicurezza per la maggior parte delle macchine. Interruttori di sicurezza a leva e a cerniera - questi dispositivi sono situati sulle cerniere delle porte di protezione e funzionano utilizzando l'azione di apertura della porta. Interruttori di sicurezza senza contatto - questi dispositivi non richiedono alcun contatto fisico per l'attivazione e alcune versioni integrano una funzione di codifica che incrementa il livello di protezione dalle manomissioni. Interruttori di sicurezza di posizione (finecorsa) - i commutatori a camme sono, di solito, interruttori di finecorsa (o di posizione) a modalità positiva con camma lineare o rotante. Si utilizzano, generalmente, sulle protezioni scorrevoli. Interruttori di sicurezza a chiave bloccata Le chiavi bloccate possono servire all interblocco del comando o dell alimentazione. Nel caso di interblocco del comando, un dispositivo di interblocco invia un comando di arresto ad un dispositivo intermedio che, a sua volta, disattiva un successivo dispositivo per scollegare l alimentazione dall attuatore. Nel caso di interblocco dell alimentazione, il comando di arresto interrompe direttamente l alimentazione agli attuatori della macchina. 8

9 Figura 7 - Panoramica delle diverse tipologie di interruttori di sicurezza (Schneider) 9

10 5.1 Interruttori di sicurezza ad azionatore (attuatore o chiave operativa) di comando Gli interruttori senza blocco dell azionatore di comando possono avere un corpo metallico (o anche in plastica) per impiego su macchine senza inerzia (quindi con tempi di arresto rapidi) e in condizioni stabili in cui non siano presenti rischi di apertura intempestiva della protezione (vibrazioni, protezione in posizione inclinata, rimbalzo della protezione ). Quando un interruttore di questo tipo viene aperto, il tempo di arresto della macchina è inferiore al tempo di accesso all area pericolosa. La macchina non può essere avviata finché l interruttore (e quindi la protezione) non viene chiusa. Se le condizioni non sono stabili o sono presenti rischi di apertura intempestiva è possibile mantenere la protezione in posizione chiusa aggiungendo un dispositivo di fermo porta (figure 2 e 22). Questi dispositivi si compongono di due elementi: il corpo dell'interruttore e la chiave con funzione di azionatore (chiamato anche attuatore o linguetta). Quando la chiave, fissata alla parte mobile della protezione, entra all'interno del corpo dell'interruttore, attiva un meccanismo che chiude o apre i contatti elettrici interni. Tale meccanismo è pensato per evitare che l'interruttore sia eluso o "ingannato". Questi interruttori sono in genere la soluzione a più basso costo. L'utilizzo di chiavi flessibili migliora anche la tolleranza al disallineamento. In genere la testa dell interruttore è orientabile di 90 nelle quattro direzioni. Figura 8 - Interruttore di sicurezza ad azionatore (Schneider) 10

11 Figura 9 Esempio di un interruttore di sicurezza senza blocco utilizzato per la protezione di un riparo scorrevole in una macchina pick-and-place nella quale il movimento pericoloso si arresta prima che la mano della persona possa raggiungere il punto pericoloso (Leuze) Figura 10 Esempio di un interruttore di sicurezza senza blocco utilizzato per la protezione di un riparo pesante e di notevoli dimensioni in una macchina avvolgitrice nella quale il movimento pericoloso si arresta con tempi molto rapidi (Leuze) 11

12 Figura 11-a - Situazione di protezione chiusa (Omron) Figura 11-b - Situazione di protezione aperta (Omron) 12

13 Figura 12 - Esempio di collegamento di categoria 1 secondo EN con un interruttore di sicurezza ad azionatore avente un contatto tripolare NC + NO + NO. Il contatto NO esclude la bobina nel caso sia incollato il primo contatto NC (Schneider) 13

14 Figura 13 - Esempio di collegamento di categoria 3 secondo EN con un interruttore di sicurezza ad azionatore avente contatto tripolare NC + NO + NO ed una ridondanza dei contatti e dei relé ausiliari associati. Estrazione e inserimento dell azionatore di comando necessari, alla messa sotto tensione per attivare K1. La lampada H1 segnala la situazione di azionatore non inserito (Schneider) 14

15 Esempio di funzione di sicurezza realizzata con un interruttore ad azionatore (Pizzato) Descrizione della funzione di sicurezza: se il riparo si apre il motore si deve arrestare. L analisi della situazione ha evidenziato che si tratta di un sistema privo di inerzia, per cui la funzione viene tecnicamente realizzata con un interruttore ad azionatore senza blocco SS1 che agisce direttamente sul contattore KM1. Analisi dei rischi: l analisi dei rischi porta ad avere un PL richiesto pari a c Struttura del circuito: la struttura circuitale utilizzata è a singolo canale senza moduli di sicurezza, siamo quindi in categoria 1. Sono presenti nella catena di sicurezza solo l input (interruttore di sicurezza) e l output (contattore). Essendo la struttura monocanale, un singolo errore determina la perdita della funzione di sicurezza. Dati dei dispositivi: SS1 è un interruttore che il costruttore indica abbia un valore di B10d pari a di manovre; KM1 è un contattore utilizzato a carico nominale che ha un valore di B10d pari a di manovre (appendice C della norma EN ) Frequenza di utilizzo dei dispositivi: la macchina viene utilizzata per 365 giorni all anno per tre turni di 8 ore ciascuno con un tempo di ciclo di 10 minuti. Il numero operazioni all anno dell interruttore di sicurezza è quindi pari a nop = (365x24x3600)/600 = cicli/anno. L azionamento del pulsante di start avviene invece ogni 5 minuti (300 s) e quindi il numero all anno è pari a Poiché il contattore KM1 viene azionato sia dal pulsante di start che dall interruttore di sicurezza, il numero totale di operazioni annue del contattore è pari alla somma delle due, ovvero cicli/anno. Calcolo MTTFd: applicando le formule della norma EN si ottiene che MTTFd dell interruttore SS1 è pari a /(0,1 x 52560) = 381 anni, mentre l MTTFd del contattore KM1 è pari a /(0,1 x ) = 127 anni. Di conseguenza l MTTFd 15

16 dell unico canale esistente è pari a 1/(1/ /127) = 95 anni Copertura diagnostica DC: non essendo applicate misure per la verifica dei guasti (non esistono moduli di sicurezza) la copertura diagnostica DC è pari a zero. Guasti per causa comune CCF: essendoci un solo canale non è rilevante il calcolo del parametro CCF Verifica del PL: dalla figura, tratta dalla norma EN , si verifica che un circuito in categoria 1 con MTTFd = 95 anni (alto), con DC nulla, il PL risultante è pari a c uguale a quello richiesto. L obiettivo è quindi raggiunto. 16

17 5.2 Interruttori di sicurezza con blocco del riparo a) Interruttori con blocco dell azionatore di comando e sblocco manuale: sono in genere con corpo metallico e vengono impiegati su macchine robuste senza inerzia e in condizioni instabili che presentano rischi di apertura intempestiva della protezione. Una serratura a chiave o un pulsante consente il blocco (e lo sblocco) della protezione in modo positivo. Questi interruttori sono la soluzione ideale per le applicazioni in cui è necessario che la porta di protezione sia bloccata finché non siano scomparsi eventuali pericoli e sia stata ripristinata una condizione di sicurezza. Con questi dispositivi, lo stesso processo che attiva i contatti interni blocca anche la porta di protezione in posizione chiusa. Tale porta non può essere sbloccata finché il movimento pericoloso non viene arrestato. Lo sblocco può inoltre dipendere dal tempo e dal rilevamento del movimento. Lo sblocco e l'apertura della porta di sicurezza provocano inoltre la disattivazione dei contatti. Gli interruttori per il blocco della protezione possono essere usati per le applicazioni in cui i movimenti pericolosi richiedono tempo per rallentare una volta che l'alimentazione elettrica è stata interrotta. Sono inoltre utili per evitare i danni alla macchina e i problemi di comando programmabile causati dall'arresto involontario durante l'esecuzione del ciclo di lavoro. In genere la testa dell interruttore è orientabile a 90. Figura 14-a - Interruttore di sicurezza ad azionatore con blocco manuale (Schneider) In questo tipo di dispositivo, essendo il blocco del riparo manuale, la protezione può essere aperta in qualsiasi momento. Una maniglia o una manopola che rilascia il blocco del riparo apre anche i contatti del circuito di comando. 17

18 Figura 14-b - La porta una volta chiusa rimane bloccata fino alla cessazione del pericolo (Omron) b) Interruttori con interblocco e blocco dell azionatore di comando mediante elettromagnete: in genere sono dotati di un corpo metallico e vengono impiegati su macchine con inerzia, o che richiedono un apertura controllata della protezione. Il blocco della protezione mobile si ottiene alla mancanza di tensione o con messa sotto tensione dell elettromagnete. Una serratura a chiave (o un apposito utensile) consente lo sblocco manuale della protezione per garantire la sicurezza del personale addetto alle operazioni di manutenzione della macchina o in caso di anomalia di funzionamento (l estrazione della chiave o dell utensile impedisce il riarmo accidentale della macchina). Questi interruttori si applicano su macchine nelle quali la condizione di pericolo si protrae per un certo tempo anche dopo aver azionato il comando di arresto della macchina, ad esempio a causa dell inerzia di parti meccaniche come pulegge, seghe, etc. oppure per la presenza di parti in temperatura o in pressione. Vengono anche impiegati quando si vuole avere un controllo delle porte o delle protezioni della macchina in modo da consentire l apertura di alcuni ripari solo in determinate condizioni. In genere la testa dell interruttore è orientabile a 90 nelle quattro direzioni. L'azione di sblocco è subordinata alla ricezione di una qualche forma di segnale elettrico, per esempio una tensione elettrica che va ad eccitare una bobina di rilascio del blocco. Mentre con la maggior parte dei dispositivi la funzione di sicurezza è raggiunta con il fermo della macchina, gli interruttori con il bloccaggio del riparo possono anche impedire l'accesso alla macchina ed impedire il riavvio della macchina ogni volta che il blocco viene rilasciato. Pertanto, tali dispositivi possono eseguire due distinte ma interconnesse funzioni di sicurezza: la prevenzione dell accesso e la prevenzione di movimenti pericolosi. Ciò significa che questi interruttori sono di fondamentale importanza nel campo della sicurezza delle macchine. Alcune tipiche applicazioni sono illustrate di seguito. 18

19 Figura 15 - Interruttore di sicurezza ad azionatore con blocco con elettromagnete (Schneider) In molte situazioni se una macchina si ferma improvvisamente in un punto sbagliato della sua sequenza operativa possono essere causati ingenti danni sia alla macchina che alle persone. Un tipico esempio sarebbe l'apertura di una porta di protezione interbloccata di una macchina utensile a metà ciclo. Questa situazione può essere evitata usando un interruttore con bloccaggio del riparo controllato con elettromagnete. Se è necessario l'accesso attraverso la porta di protezione un segnale di richiesta di sblocco (rilascio del blocco) viene inviato al controller della macchina, il quale attenderà una appropriata sequenza di arresto prima di inviare il segnale di sblocco all interruttore. La figura 16 mostra una visione schematica del principio. In pratica le funzioni di avvio, arresto e sblocco sono realizzate attraverso ingressi e uscite del PLC della macchina. Il PLC dovrebbe accettare una richiesta di sblocco in qualsiasi punto del ciclo della macchina, ma dovrebbe azionare il comando di sblocco solo al termine di tale ciclo. Quando il blocco viene rilasciato e la porta di protezione viene aperta, i contatti aperti dell'interruttore provocano il distacco dell alimentazione della parte pericolosa. Questo tipo di approccio può essere ulteriormente sviluppato utilizzando un interruttore a chiave o un pulsante come richiesta di sblocco. In questo modo è possibile controllare non solo quando il riparo può essere aperto, ma anche chi lo può aprire. 19

20 Figura 16 Schema semplificato di un interruttore con bloccaggio del riparo con elettromagnete (Allen-Bradley) Su molte macchine, la disalimentazione al motore o all attuatore non necessariamente provoca un arresto sicuro ed immediato del movimento pericoloso. Questa situazione può essere affrontata utilizzando un interruttore con blocco del riparo il cui sblocco sia subordinato ad un tempo di ritardo: tale tempo dovrà assicurare che tutti i movimenti pericolosi siano fermati prima dello sblocco. Il metodo più semplice è quello di utilizzare una funzione di ritardo configurata in modo che l'interruttore non apra il riparo fino a quando il contattore sia ad OFF e non sia trascorso un preimpostato intervallo di tempo. Questo è mostrato in Figura 17. La funzione di ritardo può essere fornita da un PLC di sicurezza o da un controller dedicato. L'intervallo di tempo di ritardo dovrebbe essere impostato almeno per il caso peggiore di tempo di arresto della macchina. Questo tempo deve essere affidabile e non deve dipendere dai metodi di frenatura i quali degradano le proprie prestazioni con l uso. 20

21 Figura 17 Schema semplificato di un interruttore con bloccaggio del riparo con elettromagnete controllato con un tempo di ritardo (Allen-Bradley) E anche possibile effettuare lo sblocco condizionato alla conferma che il movimento della macchina si sia fermato. Il vantaggio di questo approccio è che, anche se la macchina richiede più tempo del previsto per fermarsi, il blocco non sarà mai rilasciato troppo presto. Fornisce inoltre una maggiore efficienza rispetto al sistema con il tempo di ritardo perché lo sblocco del riparo avviene non appena il movimento della macchina si è fermato senza dover sempre attendere il caso peggiore di tempo di arresto della macchina. Un esempio di questo approccio è mostrato nella Figura 18. La funzione di monitoraggio dell arresto del movimento della macchina viene normalmente realizzato a) attraverso sensori di prossimità o encoder combinati con un unità di controllo dedicata o un PLC di sicurezza, oppure b) inverter sensorless con unità di controllo dedicate. 21

22 Figura 18 Schema semplificato di un interruttore con bloccaggio del riparo con elettromagnete controllato con il fermo del movimento (Allen-Bradley) Per alcuni tipi di macchine, può essere necessario avere accesso ad alcune parti in movimento al fine di effettuare alcuni compiti come la manutenzione, la regolazione, la filettatura, etc. Questi tipi di attività possono essere considerati solo se può essere fornita un adeguata sicurezza da altre misure che si possono riassumere nella messa in opera almeno delle seguenti due condizioni: a. l'accesso è consentito solo in condizioni di velocità ridotta di sicurezza b. qualsiasi persona che abbia accesso alle parti in movimento deve avere sul luogo di accesso il controllo personale di arresto del movimento. Il controllo sul luogo deve avere la priorità su qualsiasi altro segnale di controllo. 22

23 Questo dovrebbe essere il minimo. Che questo sia accettabile o meno dipende dalla valutazione dei rischi e dalle norme di sicurezza pertinenti. Questo tipo di funzionalità di sicurezza è spesso attuata mediante un interruttore di sicurezza con blocco del riparo con elettromagnete in combinazione con un unità di monitoraggio della velocità ridotta e di un dispositivo di consenso a tre posizioni. L unità di monitoraggio della velocità ridotta controlla costantemente la velocità delle parti in movimento tramite i suoi sensori di ingresso e consente l'invio del segnale di sblocco solo quando la velocità non sia superiore rispetto al suo valore di soglia preimpostato. Dopo il blocco è stato rilasciato l unità di controllo continua a monitorare la velocità. Se la sua soglia predefinita viene superata, mentre l'accesso è consentito, viene tolta immediatamente l alimentazione al motore. Inoltre la velocità di sicurezza può continuare solo mentre l interruttore di consenso è tenuto in posizione centrale (vedi figura 85 per maggiori informazioni). E chiaro che l interruttore di sicurezza, l'unità di sicurezza per la velocità ridotta e il dispositivo di consenso devono essere connessi ad una qualche tipo di dispositivo di sicurezza che implementi le funzionalità necessarie sia per la sicurezza che per la produzione. Nella sua forma più semplice, la funzionalità a velocità ridotta viene realizzata con le unità cablate, di solito attivabile tramite interruttore a modalità manuale, spesso con l uso di chiave per restringere la modalità di accesso con velocità ridotta alle sole persone autorizzate. Maggiore efficienza e flessibilità possono essere ottenute utilizzando dispositivi programmabili, ad esempio relé configurabili modulari gestiti da un PLC di sicurezza. La funzionalità di sicurezza a velocità ridotta è spesso richiesto per sistemi complessi di macchinari integrati dove l'apparecchiatura è divisa in differenti zone operative ciascuna con diverse e interdipendenti modalità di funzionamento. In questi tipi di applicazioni il PLC di sicurezza è spesso una soluzione più adatto rispetto all utilizzo di relé individuali abbinati ad unità di controllo. 23

24 Come detto in precedenza esistono due tipologie di interruttori con blocco del riparo (tabella 2). Interruttori con blocco dell attuatore di comando mediante elettromagnete Blocco per presenza di tensione (Power to lock) Blocco per mancanza di tensione (Power to release) Quando viene applicata Quando viene applicata alimentazione all elettromagnete, alimentazione all elettromagnete l attuatore è bloccato il blocco viene rilasciato nell interruttore. Quando viene tolta permettendo l estrazione Caratteristiche l alimentazione, il blocco viene dell attuatore dall interruttore. rilasciato consentendo l estrazione Quando viene tolta dell attuatore dal corpo l alimentazione, l attuatore è dell interruttore bloccato nel corpo dell interruttore Quando viene tolta alimentazione L alimentazione non viene dopo un "arresto controllato", la applicata per tutto il tempo porta del riparo si sblocca all'interruttore, ma solo quando la permettendo al personale di porta deve essere aperta. Una Vantaggi manutenzione di entrare facilmente improvvisa mancanza di alimentazione non compromette la sicurezza del personale, in quanto la porta del riparo resta chiusa Una improvvisa mancanza di La mancanza di alimentazione alimentazione sblocca la porta del non sblocca la porta del riparo e Svantaggi riparo permettendo al personale di il personale di manutenzione entrare nella zona pericolosa non sarà in grado di andare mentre la macchina potrebbe all'interno della zona protetta non essere ferma Tabella 2 Tipi di interruttori di sicurezza con blocco elettromagnetico del riparo 24

25 Per quanto riguarda gli elettromagneti, ne esistono di due tipi: quelli nei quali alla messa sotto tensione dell elettromagnete corrisponde la condizione di blocco del riparo mobile (Power-to-lock), e quelli nei quali la messa sotto tensione dell elettromagnete corrisponde invece allo sblocco del riparo (Power-to-unlock). Questi ultimi richiedono l'alimentazione all elettromagnete per sbloccare l attuatore. Finché è applicata alimentazione all elettromagnete, il riparo può essere aperto. Appena tolta alimentazione all attuatore, il riparo si blocca. Nel corso di una mancanza di alimentazione, il riparo resta chiuso e bloccato. In questo caso deve essere trovata una via di fuga nel caso qualcuno restasse bloccato nella zona di pericolo: ciò si ottiene fornendo l interruttore di un pulsante o di metodi meccanici per effettuare lo sblocco. Il primo tipo di bobina (Power-to-lock) richiede invece l alimentazione all elettromagnete per bloccare il riparo. Una valutazione del rischio deve considerare le situazioni di potenziale pericolo che potrebbero sorgere se l alimentazione venisse a mancare e il riparo mobile si sbloccasse, mentre la macchina sta funzionando. Figura 19 Esempio di utilizzo di un interruttore di sicurezza con blocco del riparo in un centro di lavorazione metalli con tempi di arresto (Leuze) 25

26 Figura 20 - Esempio di collegamento di categoria 3 secondo EN con un interruttore di sicurezza ad azionatore con elettromagnete con blocco per mancanza di tensione. I contatti e sono i contatti di sicurezza disponibili per la ridondanza. La lampada arancione segnala l azionatore non inserito, la lampada verde segnala l azionatore inserito e bloccato. (Schneider) 26

27 Figura 21 Esempio di utilizzo di un interruttore di sicurezza con blocco del riparo sul cancello di un azienda di logistica con traffico di carrelli elevatori (Leuze) Figura 22 - Tipi di azionatori (chiamati anche chiavi operative) per gli interruttori di sicurezza ad azionatore (Schneider) 27

28 Esempio di utilizzo di un interruttore di sicurezza con blocco del riparo mobile (Allen-Bradley) Tipica sequenza di azioni 1. L operatore chiede di entrare nella zona pericolosa 2. Viene avviato un arresto controllato o immediato della macchina 3. La macchina è ferma: il tempo di ritardo è terminato o è stato rilevato l arresto dei movimenti 4. Il cancello è sbloccato o dalla eccitazione (power to release) o dalla diseccitazione (power to lock) dell elettromagnete 5. L'operatore apre il cancello e lavora all interno della zona pericolosa 6. L operatore esce dalla zona pericolosa e chiude il cancello 7. L'operatore riavvia la macchina 8. Il cancello è bloccato o dalla diseccitazione (power to release) o dalla eccitazione (power to lock) dell elettromagnete 9. La macchina torna alla sua velocità normale 28

29 Figura 23 Esempio di utilizzo di un interruttore di sicurezza con blocco su un riparo scorrevole (Pizzato) 29

30 5.3 Interruttori di sicurezza a cerniera e a leva Sono interruttori adatti alle macchine industriali di piccole dimensioni dotate di porte, coperchi o carter rotativi di piccole dimensioni. Garantiscono la protezione dell operatore mediante l arresto immediato del movimento pericoloso nel momento in cui la leva o la cerniera raggiungono un angolo di pochi (3-10) gradi. In genere il punto di intervento è regolabile. Figura 24 - Interruttori di sicurezza a cerniera e a leva (Schneider) Negli interruttori a cerniera il dispositivo deve essere installato sull asse di rotazione della cerniera del riparo porta, per mezzo di un collegamento rigido (figura 25). L'apertura del riparo viene trasmesso attraverso un meccanismo in modalità positiva ai contatti del circuito di controllo. Una volta correttamente installati, questi tipi di interruttori sono ideali per la maggior parte dei ripari incernierati. Interrompono il circuito di controllo, ai 3-10 di movimento del riparo e sono praticamente impossibili da eludere se non smontando il riparo stesso. Occorre solo fare attenzione ad assicurarsi che un riparo troppo pesante non crei stress eccessivo sull'albero dell attuatore dell interruttore. 30

31 Figura 25 Installazione di un interruttore di sicurezza a cerniera (Allen-Bradley) Gli interruttori di sicurezza montati sulla cerniera sono progettati per le protezioni che devono restare chiuse durante il funzionamento della macchina. All apertura della protezione incernierata l attuatore dell interruttore viene ruotato oppure il braccio della leva aziona il blocco del contatto con un meccanismo di apertura positiva (figure 26 e 27). Figura 26 Interruttore di sicurezza a cerniera chiuso (Omron) 31

32 Figura 27 Interruttore di sicurezza a cerniera aperto (Omron) Figura 28 - L'albero dell interruttore di sicurezza a cerniera e il riparo a cerniera devono essere collegati, fissati e protetti contro la modifica della loro posizione (Sick) Gli interruttori di sicurezza a cerniera possono anche integrare al loro interno la cerniera del riparo (figura 29). In questo caso le viti dell interruttore sono coperte e quindi si ha un elevata protezione da possibili manipolazioni. 32

33 Figura 29 Interruttore di sicurezza integrato nella cerniera meccanica (Pizzato) Figura 30 Interruttore di sicurezza integrato a cerniera in un impianto di prova con calotta di protezione (Leuze) 33

34 Gli interruttori a leva vanno invece installati il più vicino possibile all asse di rotazione della protezione e il collegamento leva-protezione deve scorrere all interno della leva stessa. Figura 31 Esempio di utilizzo di un interruttore di sicurezza a leva 34

35 Figura 32 - Esempio di collegamento di categoria 3 secondo EN con un interruttore di sicurezza a cerniera avente contatto tripolare NC + NO + NO che utilizza una ridondanza eterogenea dei contatti e dei relé. La lampada H1 segnala la situazione di perno non nella posizione iniziale (Schneider) 35

36 5.4 Interruttori di sicurezza senza contatto Sono interruttori destinati alle macchine industriali dotate di porte, coperchi o carter a guida imprecisa. Sono adatti a macchine soggette a condizioni ambientali difficili quali ad esempio necessità di lavaggi frequenti per soddisfare elevati requisiti igienici o presenza di un elevata concentrazione di sporco. Garantiscono la protezione dell operatore mediante l arresto immediato del movimento pericoloso dal momento in cui la distanza tra l interruttore e il magnete è superiore a distanze che vanno in genere dai 5 agli 8 mm. Non essendovi alcun contatto tra l'interruttore e l attuatore, entrambi sono sigillati con un elevato grado IP. Sono interruttori caratterizzati dalla tolleranza all'allineamento conseguente all inevitabile movimento tra attuatore ed interruttore. Figura 33 - Interruttori di sicurezza senza contatto (Schneider) Gli interruttori di sicurezza senza contatto sono in genere (ma non necessariamente) sensori magnetici codificati adatti al controllo di protezioni e ripari che sono abbinati ad un apposito modulo di sicurezza in grado di creare un sistema con categoria di sicurezza fino a SIL 3 secondo EN o fino a PLe secondo EN ISO 13S49-1. Questi dispositivi sono composti da un sensore di rilevamento del campo magnetico che viene collegato alla struttura della macchina e da un azionatore (attuatore) magnetico codificato da collegare al riparo mobile. Quando sensore ed attuatore vengono avvicinati (riparo chiuso) il sensore riconosce l'attuatore e provvede ad azionare dei contatti elettrici. Il sensore è costruito in modo tale da attivarsi solo in presenza del corretto attuatore codificato e non mediante un comune magnete. E importante che l'interruttore venga azionato solo dal suo specifico attuatore. Ciò significa che i normali sensori di prossimità, sensibili ai metalli ferrosi non sono adatti. Gli interruttori di sicurezza senza contatto hanno quindi in genere una struttura interna ridondante o utilizzano dei principi speciali, come la codifica magnetica, l accoppiamento induttivo, i trasponder codificati. 36

37 Figura 34 Sensore e attuatore devono stare ad una distanza di pochi millimetri (Pizzato) Negli interruttori di sicurezza senza contatto, non avviene nessun contatto fisico (in condizioni normali) tra l'interruttore e l attuatore. Quindi il funzionamento in modalità positiva non può essere usato come un modo per garantire l azione di commutazione, e c è bisogno di usare altri metodi per raggiungere prestazioni equivalenti. Un elevato livello di sicurezza può essere raggiunto attraverso la duplicazione del componente (ridondanza). In caso di guasto di un componente, c'è n è un altro pronto per eseguire la funzione di sicurezza oltre ad una funzione di monitoraggio per rilevare il primo guasto. In alcuni casi può essere vantaggioso utilizzare dispositivi con componenti che hanno la stessa funzione ma differente meccanismo di guasto (ridondanza + diversificazione). Un tipico esempio è l'uso di un contatto normalmente aperto e di uno normalmente chiuso. Figura 35 Esempi di interruttori di sicurezza senza contatto magnetici (Pilz) 37

38 Esistono semplici dispositivi che utilizzano la modalità orientata al guasto come indicato nella norma ISO Questo significa utilizzare componenti in cui è nota in anticipo la modalità di guasto predominante (che è sempre la stessa). Il dispositivo è progettato in modo che tutto ciò che possa causare un guasto causerà anche lo spegnimento del dispositivo. Un esempio di un dispositivo che utilizza questa tecnica è un interruttore magnetico di interblocco senza contatto. I contatti sono collegati attraverso un dispositivo interno di protezione dalle sovracorrenti non resettabile. Qualsiasi situazione di sovracorrente nel circuito si tradurrà in un apertura del dispositivo di protezione (progettato per funzionare ad una corrente nettamente inferiore) per evitare di compromettere la sicurezza dei contatti di sicurezza. Un guasto critico per la sicurezza potrebbe essere il verificarsi di una saldatura dei contatti reed a causa di un'eccessiva corrente applicata all interruttore, come illustrato in Figura 36. Questo guasto è prevenuto dal dispositivo di protezione non resettabile contro le sovracorrenti. A causa della non resettabilità, l'interruttore deve essere protetto da un fusibile esterno opportunamente tarato. Figura 36 - Interruttore di sicurezza senza contatto (Allen-Bradley) I dispositivi senza contatto sono progettati con contenitori lisci e completamente sigillati, il che li rende ideali per applicazioni nel campo del food e del beverage perché non ci possono essere infiltrazioni di sporco all interno e possono essere puliti con aria compressa. Sono inoltre estremamente facile da installare ed hanno una notevole tolleranza: possono infatti accettare disallineamenti e distorsioni e ancora funzionare correttamente. Ogni dispositivo possiede un preciso campo di rilevamento e di tolleranza al disallineamento, come mostrato in figura

39 Figura 37 Esempi di campo di rilevamento e di tolleranza al disallineamento di interruttori senza contatto (Allen-Bradley) Figura 38 Esempio di interruttori di sicurezza (con 5 direzioni di azionamento) senza contatto con tecnologia transponder e quindi con principio di funzionamento non magnetico (Pilz) 39

40 Un'altra particolarità importante per l installazione degli interruttori di sicurezza senza contatto è la direzione di avvicinamento dell'attuatore all interruttore, come mostrato in figura 39. Le tecniche di codifica determinano quali tipi di avvicinamento sono accettabili. Figura 39 L avvicinamento dell attuatore influisce sulle prestazioni dell interruttore (Allen-Bradley) Quando la valutazione dei rischi ritiene sufficiente ottenere una protezione contro la manomissione semplice (quella che in genere viene effettuata con un cacciavite, con pinze, fili, monete, o con un singolo magnete) può essere installato un tipo di interruttore ad azionamento non codificato. Un esempio di ciò è mostrato in figura 40. In questo caso, una precauzione di installazione risiede nel non collocare tali interruttori in aree dove possano essere soggetti a interferenze esterne di campi magnetici e/o elettrici. Figura 40 Riparo scorrevole protetto con un interruttore senza contatto (Allen-Bradley) 40

41 Una più elevata sicurezza contro la possibilità di manomissione può invece essere ottenuto utilizzando attuatore e sensore codificati. Nei dispositivi codificati, l'attuatore incorpora diversi magneti disposti a creare più campi magnetici specifici. Il sensore ha diversi interruttori reed specificamente predisposti per operare esclusivamente con gli specifici campi magnetici dell'attuatore. Una codifica unico non è però generalmente fattibile utilizzando tecniche di codifica magnetica. La codifica unica si ha quando un singolo attuatore è "sintonizzato" su un singolo sensore. Gli interruttori reed utilizzati con interruttori magnetici codificati sono spesso di piccole dimensioni. Per evitare il rischio di saldatura dei contatti, alcuni interruttori utilizzano un contatto normalmente aperto e un contatto normalmente chiuso come uscite. Il dispositivo logico di controllo deve essere compatibile con il circuito N.O. + NC e deve anche fornire una protezione dalle sovracorrenti. Figura 41 - La posizione di montaggio di interruttori di sicurezza magnetici è arbitrario, ma si deve essere certi dell allineamento tra la testina di lettura e l'attuatore. Un fermo meccanico deve essere montato sulla parte mobile del riparo (Sick) 41

42 Gli interruttori di interblocco senza contatto basati sulla tecnologia RFID (Radio Frequency Identification) sono in grado di fornire un livello molto elevato di sicurezza contro la manomissione "semplice" di cui parlavamo sopra. Questa tecnologia può essere utilizzata anche per fornire dispositivi con codifica unica per applicazioni in cui la sicurezza è fondamentale. L'uso della tecnica RFID ha molti altri importanti vantaggi. E adatta per l'utilizzo con architetture circuitali ad alta integrità come la categoria 4 o il SIL 3. Può essere incorporata in dispositivi con involucri completamente sigillati IP69K costruiti in plastica o acciaio inox. (Ricordiamo che IP69K è il più alto grado di protezione idoneo anche all'impiego in apparati di pulitura ad alta pressione. In concreto, IP69K secondo gli standard stabiliti dalla norma DIN significa massima protezione alla penetrazione della polvere (IP6) ed anche massima protezione alla penetrazione dell'acqua, perfino in impianti di pulitura ad alta pressione od a vapore (IP9K)). Quando la tecnologia RFID è utilizzato per la codifica e la tecnologia induttiva per il rilevamento, possono essere ottenuti sia una vasta gamma di rilevamento che un elevata la tolleranza al disallineamento, di solito mm. Figura 42 Esempio di collegamento in categoria 4 secondo EN 954-1/ISO di interruttori magnetici codificati (Schneider) 42

43 5.5 Interruttori di sicurezza di posizione (finecorsa) Sono interruttori utilizzati per le macchine senza o con inerzia, per il controllo di porte, coperchi, protezioni, carter, etc. Utilizzati da soli vengono installati in modo positivo (figura 44), se utilizzati in coppia, uno sarà in modo positivo e l altro in modo negativo (figura 48). Possono essere utilizzati anche in combinazione con gli interruttori ad azionatore (figura 50). Figura 43 Interruttori di sicurezza di posizione (Schneider) Spesso i finecorsa vengono utilizzati su ripari scorrevoli. Quando il riparo è aperto, la camma costringe il pistone verso il basso in modo da aprire i contatti del circuito di controllo (figura 44). Figura 44 Finecorsa in modalità positiva (Allen-Bradley) 43

44 Figura 45 Esempio di collegamento in categoria 3 secondo EN Il finecorsa ha un contatto tripolare NC+NC+NO che utilizza una ridondanza dei contatti e dei relé ausiliari associati. Il LED H1 segnala la posizione di riparo chiuso. Apertura e chiusura della protezione necessaria per attivare K1 (Schneider) I finecorsa di sicurezza non devono generalmente essere utilizzati sui ripari incernierati, anche se comunque è una soluzione possibile (vedi figura 46), sempre che appositi eccentrici fungano da attuatori dell interruttore. Figura 46 Finecorsa di sicurezza in una macchina con una protezione con giunti a cerniera (Leuze) 44

45 Se dotati di riarmo manuale sono utilizzati per le macchine di sollevamento e gli ascensori (figura tttt). La posizione di apertura del contatto NC resta mantenuta mentre il suo sblocco si effettua mediante azione volontaria sul dispositivo di riarmo. Figura 47 I finecorsa a riarmo consentono di rilevare e controllare le sovracorse della cabina (1), la velocità della cabina mediante limitatore di velocità (2), la presa del blocco paracadute in caso di rilevamento di sovravelocità (3) (Schneider) 45

46 E necessario utilizzare dei finecorsa con delle camme opportunamente sagomate, che dovranno operare entro tolleranze definite. Poiché tale sistema può essere soggetto a guasti a causa di usura, soprattutto quando la camma è mal profilata o a causa della presenza di materiali abrasivi, spesso è consigliabile usare due interruttori di posizione di sicurezza come mostrato nella figura yyy. Uno opera in modo positivo (azione diretta per aprire il contatto), e uno opera in modo negativo (ritorno a molla). Il motivo per cui vale la pena utilizzare due interruttori anziché uno consiste anche nella valutazione della frequenza di accesso alla zona protetta dal riparo: se la frequenza è elevata (ad esempio 50 volte all ora) è sicuramente consigliato installare due finecorsa in ridondanza e diversità, mentre se la frequenza di acceso è occasionale (ad esempio una volta al giorno), allora è accettabile proteggere l accesso con un solo finecorsa di sicurezza ad apertura positiva. Figura 48 Finecorsa di sicurezza in configurazione ridondante. I segnali dei due finecorsa devono essere gestiti da un modulo di sicurezza (Allen-Bradley) 46

47 Porta protetta da due finecorsa di sicurezza gestiti da un relé di sicurezza (Sick) Caratteristiche operative: Dopo l'applicazione della tensione di alimentazione il sistema è pronto per il funzionamento. Se la porta è chiusa e K1 e K2 sono diseccitati e tutto funziona correttamente, i contatti nel relé di sicurezza vanno a ON premendo e rilasciando il pulsante S1. Le uscite (contatti e 23-24) eccitano i contattori K1 e K2. Se la porta è aperta, entrambi i canali nel relé di sicurezza sono arrestati. Il relé diseccita i contattori K1 e K2. Analisi dei guasti: Il comportamento errato di uno dei contattori K1 e K2 verrà rilevato. La funzione di arresto è stato mantenuto. In caso di manipolazione (es. un disturbo) del pulsante S1 o di un corto sul circuito del pulsante, il sistema non riattivare i circuiti di uscita. Al verificarsi di un cortocircuito o di un guasto meccanico in uno dei contatti su uno dei finecorsa di sicurezza, viene conservata la funzione di sicurezza. L'errore sarà rilevato la prossima volta che la porta verrà attivata. Il LED H4 indica che la porta è aperta. 47

48 Figura 49 - L'interruttore di posizione di sicurezza deve essere fissato in modo che il movimento richiesto dell attuatore sia realizzato in modo sicuro. Altezza e angolo della camma devono essere tarati sull interruttore di sicurezza (Sick) Figura 50 - Per riconoscere gli errori meccanici viene richiesta l installazione di due interruttori di sicurezza di natura diversa: un finecorsa ed un interruttore ad azionatore (Sick) 48

49 5.6 Interruttori di sicurezza a chiave bloccata I ripari fisici hanno lo svantaggio che, una volta entrati nella zona pericolosa protetta, se qualcuno dovesse richiudere il riparo non è possibile impedire il riavvio della macchina. Sono necessarie misure supplementari come un dispositivo di ripristino o l inserimento di un lucchetto nell attuatore dell interruttore di sicurezza. Queste misure organizzative dipendono però dalla prudenza dell operatore. La combinazione di sistemi a chiave bloccata e dispositivi di bloccaggio, rappresenta una possibilità di prevenzione di un avviamento accidentale. L inserimento esterno della chiave consente il funzionamento automatico e tiene chiusa la porta. Quando la chiave (figura 51) viene tolta (1) la condizione pericolosa viene interrotta. Nello stato sicuro (es. a riposo) è possibile aprire la porta (2). L inserimento della chiave dall interno può consentire la modalità di funzionamento per la messa a punto (3). In questa condizione, il funzionamento automatico è disattivato. Figura 51 Esempio di sequenza operativa per un sistema a chiave bloccata (Sick) Partendo dal presupposto che nessuna chiave può trovarsi in due luoghi nello stesso momento, i sistemi di interblocco a chiave possono essere configurati in modo da garantire quindi che si verifichi una sequenza di eventi predeterminata o che i pericoli siano eliminati prima che l'operatore possa esservi esposto. Si tratta di sistemi meccanici e per questo motivo sono largamente impiegati in numerose applicazioni, comprese quelle in cui l'ubicazione dell'impianto, le condizioni ambientali o la presenza di atmosfere esplosive rendono l'uso dei sistemi di interblocco elettrici inadatto o troppo costoso. Inoltre, poiché è possibile ottenere una codificazione univoca, si ottiene un livello di sicurezza e di protezione dalla manomissione ancora maggiore. Occorre però segnalare che la presenza di chiavi di riserva, chiavi di esclusione o attuatori di riserva può compromettere l'integrità dei sistema di sicurezza di interblocco. L'introduzione di chiavi di riserva, chiavi di esclusione, attuatori di riserva all'interno dei sistemi di interblocco senza comandi di gestione, procedure di lavoro e misure protettive alternative adeguati, che ne controllino l'uso e la disponibilità, possono risultare in danni personali, decesso, danni ai beni o perdite economiche. 49