Informazioni tecniche

Sistemi di controllo orientati alla sicurezza
per macchine utensili

Nella costruzione di macchine e impianti il fattore sicurezza sta assumendo sempre maggiore importanza, Questi requisiti hanno in primo
luogo il compito di proteggere le persone, ma si stanno sempre più estendendo anche alla protezione di beni materiali e dell'ambiente.
La sicurezza funzionale mira alla minimizzazione o all'eliminazione di rischi che possono verificarsi in tutte le condizioni di esercizio ottimali
di macchine e impianti. Tale obiettivo si raggiunge soprattutto impiegando sistemi ridondanti. In macchine con assi in movimento, al fine dipoter adempiere alle necessarie funzioni di sicurezza, sono necessari trasduttori di posizione che generino informazioni di posizione
ridondanti e sistemi di sicurezza a due canali.
Per generare valori di posizione indipendenti si possono realizzare sistemi con differenti configurazioni. Una possibile soluzione èrappresentata dall'impiego di due sistemi di misura per ogni asse, ma per motivi di costo si opta tuttavia in molti casi per la soluzione con
un solo sistema di misura di posizione. HEIDENHAIN fornisce sistemi di misura di posizione orientati alla sicurezza con trasmissione
seriale a encoder singolo.
Nei controlli numerici HEIDENHAIN il sistema di sicurezza si ottiene con una architettura a due canali. I due processori si trovano nei
componenti unità logica MC e unità di regolazione CC, sui quali vengono eseguiti due processi software indipendenti, che consentono
di realizzare due canali di sicurezza in grado di rilevare e analizzare indipendentemente i segnali rilevanti.

Principio base
I controlli numerici e i sistemi di misura diposizione con sicurezza funzionale prodotti
da HEIDENHAIN sono conformi al grado
di integrità di sicurezza 2 (SIL 2) a norma
IEC 61 508 ovvero al livello di performance"d" a norma EN ISO 13 849-1 (norma
successiva della EN 954-1). In queste
norme i sistemi di sicurezza vengono
valutati sulla base delle probabilità diguasto degli elementi o dei sottosistemi.
Questa struttura modulare consente ai
costruttori di impianti orientati alla sicurezza
di realizzare i propri sistemi più facilmente
in quanto possono basarsi su sottosistemi
già qualificati. Questa soluzione è stata
impiegata sia per il controllo numerico
iTNC 530 con HSCI sia per i sistemi dimisura di posizione di sicurezza.

Settembre 2011

Sicurezza funzionale su macchine utensili– Sistemi di controllo orientati alla sicurezza

HEIDENHAIN propone iTNC 530 HSCI, ilprimo controllo numerico con sicurezza
funzionale, la cui struttura base èrappresentata da due canali di sicurezza
ridondanti e indipendenti. Tutti i segnali
rilevanti per la sicurezza vengono rilevati,elaborati ed emessi a due canali. Gli errori
vengono riscontrati mediante confronto
reciproco dei dati tra gli stati dei due canali.
La comparsa di un singolo errore nel
controllo numerico non comporta pertantola perdita della sicurezza funzionale. In
futuro la soluzione descritta verrà impiegata
anche per altri controlli numerici
HEIDENHAIN.
Il sistema di controllo HEIDENHAIN consicurezza funzionale è composto daiseguenti sottosistemi:• controllo numerico HEIDENHAIN consicurezza funzionale• sistema HSCI con unità logica MC 6xxx
e unità di regolazione CC 6xxx
• PL 6000 FS per il collegamento diingressi/uscite rilevanti per la sicurezza• pannello di comando macchina
MB 6xx FS• tastiera TE 6xx• schermo BF 2xx• moduli di potenza e azionamenti per assi
di avanzamento e mandrini• sistemi di misura di posizione e velocità• volantini HR xxx FSConfigurazione
I controlli numerici di sicurezza diHEIDENHAIN sono configurati a due canali
con monitoraggio reciproco. Il fondamento
dei due sistemi ridondanti è costituito dai
processi software SPLC (PLC di sicurezza)
e SKERN (software del kern di sicurezza).
Entrambi i processi software vengono
eseguiti sui due componenti unità logica
MP (CPU) e unità di regolazione CC (DSP).
In SKERN sono definite in modo fisso lefunzioni di sicurezza fondamentali che nonpossono essere modificate. Tra i compiti diSKERN:• attivazione e monitoraggio di processi diarresto• monitoraggio delle velocità limitate inmodo sicuro nelle diverse modalitàorientate alla sicurezza• esecuzione del confronto incrociato tra i
dati e gli stati dei due canali di sicurezza• monitoraggio di condizioni quadro delsistema quali tensioni di alimentazione,
temperature d'esercizio ecc.

Tramite SPLC il costruttore della macchina
adegua la funzionalità di SKERN specificatamente alla propria macchina utensile. Tra
le funzioni di SPLC:• adeguamento flessibile della sicurezza
funzionale alla relativa macchina• rilevamento, elaborazione ed emissione
di segnali di sicurezza• richiesta di funzioni di sicurezza perSKERN
La configurazione a due canali per MC e
CC si estende ai sistemi I/O PL 6000 FS e
MB 6xx FS: tutti i segnali rilevanti per la sicurezza (ad esempio tasti di consenso, contatti porte, tasto di arresto d'emergenza)
vengono rilevati a due canali e analizzati inmodo indipendente da MC e CC. Tramite
canali separati MC e CC comandano i moduli di potenza e arrestano gli azionamenti
in caso di guasto.
Funzioni di sicurezza• Reazioni Arresto sicuro SS0/SS1/SS2• Coppia disinserita in sicurezza STO• Arresto controllato sicuro SOS• Velocità limitata sicura SLS• Posizione limitata sicura SLP• Comando sicuro freno SBC• Modalità operative sicure a norma
EN 12 317
Modalità operative di sicurezza
I controlli numerici HEIDENHAIN con sicurezza funzionale offrono quattro modalità disicurezza in conformità alla norma
EN 12 417 (Sicurezza di macchine utensili ecentri di lavorazione). Il funzionamento cosìimplementato assicura elevata facilità diimpiego e pertanto elevata sicurezza.
L'obiettivo è quello di consentire attività
con dispositivi di protezione aperti e separati durante i processi di produzione auto-Tasti diconsenso

Contatti
sportello����matici su centri di lavoro senza mettere in
pericolo l'operatore.
Le seguenti modalità di sicurezza a norma
EN 12 417 sono selezionabili ad esempio
tramite interruttore a chiave:
Modalità 1 – Funzionamento automatico edi produzione• Funzionamento solo con sportello diprotezione chiuso• Nessuno spostamento macchina con
sportello di protezione aperto
Modalità 2 – Preparazione• Funzionamento con sportello diprotezione aperto• Movimenti asse a max 2 m/min• Arresto mandrino entro 2 giri
• Contemporaneo movimento di max unasse (senza movimenti di interpolazione)• Rotazione mandrino solo con tasto diconsenso
Modalità 3 – Intervento manuale• Funzionamento con sportello diprotezione aperto• Movimenti asse a max 5 m/min• Arresto mandrino entro 5 giri
• Contemporaneo movimento di diversi
assi (movimenti di interpolazione)• Rotazione mandrino solo con tasto diconsenso
Modalità 4 – Intervento manuale esteso,osservazione di processo• Funzionamento con sportello diprotezione aperto• Movimenti asse a max 5 m/min• Arresto mandrino entro 5 giri
• Contemporaneo movimento di diversi
assi (movimenti di interpolazione)• Avvio mandrino solo con tasto diconsenso�������

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Tasto diarresto 'emergenza

Canale A
Canale B
Confronto
incrociato dei dati

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– Sistemi di misura di posizione di sicurezza

Per una serie di funzioni di sicurezza –come velocità ridotta sicura, posizione assoluta sicura, arresto sicuro ecc. – il controllo numerico necessita di informazioni diposizione sicure, che richiedono informazioni ridondanti. Per la creazione di valori diposizione ridondanti si impiegano soluzioni
differenti. La struttura a due canali vera epropria è garantita dall'installazione di due
sistemi di misura per ogni asse, ma per
motivi di costo si preferisce tuttavia in molti
casi la soluzione con un solo sistema dimisura di posizione.
La tendenza verso sistemi di azionamento
puramente digitali richiede per applicazioni
orientate alla sicurezza soluzioni a encoder
singolo che consentano un rilevamento
ridondante del valore di posizione sullabase di una trasmissione dati puramente
seriale.
HEIDENHAIN offre questa possibilità con i
suoi sistemi di misura di posizione disicurezza: utilizzando un'interfaccia
EnDat 2.2 puramente seriale si supportanosoluzioni a encoder singolo per applicazioni
orientate alla sicurezza a norma
EN ISO 13 849 ovvero EN 61 508.
Sono quindi ora utilizzabili anche nelle
applicazioni di sicurezza tutti i vantaggi
della trasmissione seriale dei dati.

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Sistemi di misura di posizione disicurezza con trasmissione puramente
seriale dei dati tramite EnDat 2.2
In un motore sicuro il sistema di misura diposizione di sicurezza determina unsottosistema costituito da.
• encoder con modulo di trasmissione
EnDat 2.2,
• linea di trasmissione dati con
comunicazione EnDat 2.2 e cavo,• modulo di ricezione EnDat 2.2 con
funzione di monitoraggio (master EnDat).
Integrazione del sistema di misura diposizione
Il sistema di misura di posizione è collegato
con un accoppiamento meccanico e con
un collegamento elettrico al sistema principale. L'accoppiamento meccanico dell'encoder con l'azionamento è affidato al collegamento albero e al giunto, entrambi
predefiniti dalla geometria dello strumento.
Il collegamento elettrico è realizzato mediante integrazione del master EnDat con
funzioni di sorveglianza nel controllo numerico sicuro. Le necessarie specifiche di implementazione sono già predefinite e devono essere semplicemente attuate dalcostruttore del controllo numerico. Il sistema di misura di posizione di sicurezza può
pertanto essere integrato come sottosistema con le relative probabilità di guasto nella
valutazione tecnica di sicurezza del sistema
globale del costruttore dell'impianto odell'azionamento.

Funzionamento
La soluzione di sicurezza del sistema dimisura di posizione si basa su due valori diposizione indipendenti generati nell'encoder e su bit di errore supplementari che
vengono trasmessi tramite il protocollo
EnDat 2.2 al master EnDat. Il master EnDatè responsabile di diverse funzioni di sorveglianza che consentono di rilevare guasti
nel sistema di misura e durante la trasmissione. Viene ad esempio eseguito un confronto dei due valori di posizione. Il master
EnDat predispone quindi per il controllo numerico sicuro due valori di posizione e bit dierrore indipendenti ad esempio tramite dueinterfacce del processore. Il controllo numerico monitora inoltre la funzionalità delsistema di misura di posizione di sicurezza
e del master EnDat mediante test periodici(dinamizzazione forzata).
L'architettura del protocollo EnDat 2.2
consente di gestire tutte le informazioni e iprocessi rilevanti per la sicurezza. Questo è
possibile in quanto le informazioni rilevanti
per la sicurezza vengono memorizzate incosiddette informazioni supplementari.
Queste informazioni supplementari possono essere richieste dal controllo numerico
ad ogni ciclo di interrogazione insieme alla
posizione vera e propria. L'architettura delsistema di misura di posizione secondo
EN 61 508 è quindi da intendersi comesistema testato, a un canale.

Sistema di misura di posizione di sicurezza
Master EnDat
Linea di trasmissione EnDat 2.2
Sistema di misura���
Sistema diinverter���Amplificatore
di potenza

Trasduttore rotativo multigiro assoluto
EQN 1337
Sistema di misura di posizione di sicurezza(soluzione a encoder singolo)Soluzioni senza/con sicurezza funzionale a confronto

POWER MODULE
READY
RESET

Quadro elettrico

Pannello di comando
BF 2xxHDL(X112)TE 6xxUSB
X79

MB 620WVUUWCC 6110MC 6xxx

Relè disicurezzaComb. contattori sicurezza SSK:
– arresto d'emergenza– aree di lavoro– magazzino utensili
Sorveglianza velocità/assi

PL 62xx

interruttore arrestod'emergenza,
Tasto di consenso,
contatto sportello, interruttore a chiave,relè di riposo, ecc.

HR xxxassente per soluzione con sicurezza funzionale FS

Soluzione senza sicurezza funzionale

HSCI
Inverter

Quadro elettrico

PSL

POWER MODULE
READY
RESET

Pannello di comando
HDL

BF 2xx(X112)

USBTE 6xx

X79

MB 620 FS
VW

UUV

Per la soluzione di sicurezza HEIDENHAINcon sicurezza funzionale FS (FunctionalSafety), nell'hardware e nel software
sono integrate le funzioni rilevanti per lasicurezza. Con l'impiego dei componenti
HEIDENHAIN a due canali gruppo I/O
PL 6000 FS, pannello di comando macchina
MB 620 FS e un volantino sicuro HR xxx FS,il cablaggio della macchina risulta essenzialmente semplificato. È possibile rinunciarecompletamente alle combinazioni di contattori di sicurezza SSK, ai sistemi supplementari per la sorveglianza di velocità e assi
nonché al cablaggio del canale di sicurezzaesterno. Un programma PLC sicuro
consente al costruttore della macchina diadattare con flessibilità la sicurezza funzionale integrata alle più diverse tipologie dimacchine utensili.

HSCI

Modulo diabilitazione
assi
PSL

InverterV

Il fondamento della soluzione di sicurezza
per controlli numerici senza sicurezza
funzionale integrata è una configurazione adue canali.
Un canale di sicurezza viene quindi realizzato mediante encoder e cablaggio esterni(ad esempio combinazioni di contattori disicurezza SSK, relè di sicurezza) per ilcomando del consenso per assi e mandrini
negli inverter o nei moduli di abilitazione
degli assi. Il secondo canale è il controllo
numerico che è composto dall'unità logica
MC e dai moduli di regolazione CC ecomanda gli inverter tramite l'interfaccia
PWM. Le combinazioni di contattori disicurezza esterni (SSK) rappresentano inquesta soluzione le unità centrali per il rilevamento e l'elaborazione di tutti i gruppi
rilevanti per la sicurezza (ad esempio interruttore a chiave, tasto di arresto d'emergenza). Per il controllo della velocità o degli
assi sono richiesti anche gruppi esterni. I
sistemi esterni generano sulla base delleloro informazioni in ingresso i segnali in
uscita che fungono a loro volta da segnaliin ingresso per entrambi i canali di sicurezza del sistema di controllo.

WCC 6110

MC 6xxx
Tasto di consenso,
interruttore a chiave

Relè di sicurezza

Finecorsa,
interruttore arrestod'emergenza,
contatto sportello,
relè di riposo

PL 62xx FS

HR xxx FS

Soluzione con sicurezza funzionale FS

Cataloghi, depliant e schede tecniche sono
disponibili all'indirizzo www.heidenhain.it����������������������������
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636 223 · 01 · A · 04 · 9/2011 · PDF

Per ulteriori informazioni:• Catalogo
iTNC 530 HSCI-Informazioni per ilcostruttore di macchine• Informazioni tecniche
Sistemi di misura di posizione disicurezza