Source: http://docplayer.fi/6389693-Mikko-vahajylkka-koneturvallisuus-osana-sahkosuunnittelua.html
Timestamp: 2018-06-23 05:07:16+00:00
Document Index: 7899697

Matched Legal Cases: ['kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'KKO ', 'kko ', 'KKO ', 'KKO ']

Mikko Vähäjylkkä KONETURVALLISUUS OSANA SÄHKÖSUUNNITTELUA - PDF
Download "Mikko Vähäjylkkä KONETURVALLISUUS OSANA SÄHKÖSUUNNITTELUA"
1 Mikko Vähäjylkkä KONETURVALLISUUS OSANA SÄHKÖSUUNNITTELUA Opinnäytetyö CENTRIA AMMATTIKORKEAKOULU Sähkötekniikka Kesäkuu 2013
2 TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Ylivieskan yksikkö Aika Kesäkuu 2013 Tekijä/tekijät Mikko Vähäjylkkä Koulutusohjelma Sähkötekniikan koulutusohjelma Työn nimi KONETURVALLISUUS OSANA SÄHKÖSUUNNITTELUA Työn ohjaaja Jari Halme Sivumäärä Työelämäohjaaja Ilkka Sikala Tämä insinöörityö toteutettiin Apex Automation Oy:lle, joka on Kokkolan seudun johtava energia- ja teollisuusalojen automaatio- ja sähkösuunnittelupalveluita tarjoava suunnittelutoimisto. Yritys on perustettu vuonna 1993, ja siitä on vuosien saatossa kehittynyt yksi alansa merkittävä toimija. Työn aiheena oli selvittää koneiden sähkösuunnittelun kannalta olennaisia vaatimuksia koneen ohjausjärjestelmälle ja sähkölaitteistoille. Tavoitteena oli tuottaa mallipiirejä turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän toteuttamiseksi, sekä laatia vaiheittainen ohjeistus turvapiirien todentamisesta Sistema-ohjelmistotyökalulla. Opinnäytetyössä perehdyttiin ohjausjärjestelmiä käsitteleviin standardeihin, alan kirjallisuuteen ja Sistema-ohjelmistoon, joiden perusteella mallipiirit ja ohjelmiston käytön vaiheittainen ohjeistus laadittiin. Insinöörityön kirjallisen osuuden tarkoitus on ohjeistaa yrityksen uusia sähkösuunnittelijoita turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän suunnittelussa ja todentamisessa. Asiasanat Koneturvallisuus, Ohjausjärjestelmä, Sistema, Suoritustaso, Sähkösuunnittelu
3 ABSTRACT CENTRIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Degree programme Electrical engineering Date June 2013 Author Mikko Vähäjylkkä Name of thesis MACHINE SAFETY AS PART OF THE ELECTRICAL DESIGN PROCESS Instructor Jari Halme Pages Supervisor Ilkka Sikala This thesis was commissioned by Apex Automation Oy, which is a leading engineering office providing automation and electrical design services for industry and energy-related businesses operating in Kokkola area. The company was founded in 1993 and it has developed into one of the major operators over the years. The subject of the thesis was to find out the requirements for machine control system and electrical equipment that are essential for electrical design. The aim was to provide models for the circuit diagrams in order to create a safety-related control system. In addition, the objective was to draw up step by step instructions for the verification of safety circuits using Sistema software. The thesis deals focused on standards related to process control systems, field-specific literature and Sistema software on the basis of which the model circuits and the step-bystep instructions for using the software were created. The written part of the thesis text is intended to instruct the company s new electrical designers in designing and verifying safety-related control systems. Key words Control system, Electrical design, Performance level, Safety of machinery, Sistema
4 KÄSITTEIDEN MÄÄRITTELY B10d Laitevalmistajan ilmoittama toimintakertojen määrä, jonka jälkeen 10% komponenteista vikaantuu vaarallisesti. CCF DCavg EY MTTFd PFH PL PLr SIL STO Common Cause Failure; yhteisvikaatuminen. Yhden alkusyyn aiheuttama vika, joka vaikuttaa useampaan komponenttiin. Diagnostic Coverage average; diagnostiikan kattavuuden keskiarvo, joka määrittelee ohjausjärjestelmän kyvyn havaita järjestelmän eri komponenteissa olevat viat. Euroopan yhteisö; nykyään osa Euroopan Unionia. Mean Time To dangerous Failure; vaarallinen keskimääräinen vikaantumisaika vuosina. Odotettavissa oleva aika ohjausjärjestelmän komponentin tai kanavan vaarallisen vikaantumisen esiintymiseen. Probability of a dangerous random hardware Failure per Hour; Vaarallisen keskimääräisen vikaantumisajan todennäköisyys tuntia kohden. Suoritustasot määrittävä arvo. Performance level; suoritustaso. Erillinen taso, jota käytetään määrittelemään turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän osien kyky suorittaa turvatoiminto ennakoitavissa olosuhteissa. required Performance level; Turvallisuuteen liittyvältä ohjausjärjestelmältä vaadittu suoritustaso, jolla on tarkoitus saavuttaa riskien arvioinnissa vaadittu riskin pienentäminen. Safety Integrity Level; turvallisuuden eheyden taso. Standardien SFS- IEC ja SFS-EN määrittelemä turvallisuustaso. Safe Torque Off; Turvatoiminto, jolla voidaan estää koneen käynnistyminen odottamattomasti tai vahingossa.
5 TIIVISTELMÄ ABSTRACT KÄSITTEIDEN MÄÄRITTELY SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 APEX AUTOMATION OY 3 3 KONETURVALLISUUS Koneiden sähkölaitteistot Ohjausjärjestelmän toiminta Koneen käynnistäminen Koneen pysäyttäminen Hätäpysäytys Pysäytysvyöhykkeet Riskien arviointi Turvalaitteen valinta Ohjausjärjestelmän luokittelu 16 4 TURVAPIIRIN SUUNNITTELU JA TODENTAMINEN Turvapiirin suunnittelu Turvapiirin valvontalaitteet Vaarallisten liikkeiden pysäyttäminen Suora moottorilähtö Taajuusmuuttajalla ohjattu moottori Turvataajuusmuuttajalla ohjattu moottori Venttiiliohjaukset Sistema-ohjelmistotyökalu Turvapiirin todentaminen Sistema-ohjelmistotyökalulla Valoverho Turvarele Turvakäyttöön hyväksytty rele Taajuusmuuttaja 43 5 JOHTOPÄÄTÖKSET JA POHDINTA 45 LÄHTEET 46 LIITTEET KUVIOT KUVIO 1. Pysäytysluokat ja niiden ominaisuudet 7 KUVIO 2. Kahden turvavyöhykkeen välinen valvonta passivoitavalla valoverholla 10 KUVIO 3. Esimerkkejä turvalaitteiden käytöstä 15 KUVIO 4. Ohjausjärjestelmän luokat 17
6 KUVIO 5. Eri luokkien avulla saavutettavissa oleva suoritustaso 23 KUVIO 6. Suoran moottorilähdön turvapysäyttäminen kontaktoreilla 27 KUVIO 7. Taajuusmuuttajalla ohjatun moottorin pysäyttäminen turvatuloilla 29 KUVIO 8. Venttiilien turvatoiminnon toteutus 30 KUVIO 9. Turvatoiminnon toiminnallinen piirikaavio 32 KUVIO 10. Turvallisuuteen liittyvä lohkokaavio 32 KUVIO 11. Sistema-ohjelmiston hierarkia 33 KUVIO 12. Sistema-ohjelmiston riskigraafi 34 KUVIO 13. Todennettavan turvatoiminnon toiminnallinen piirikaavio 36 KUVIO 14. Suoritustason määrittäminen suoraan komponentille 37 KUVIO 15. Komponenttikirjastosta lisätty turvarele 38 KUVIO 16. Alajärjestelmän luokan valinta ja lisävaatimukset 39 KUVIO 17. Yhteisvikaantumisen välttämiseksi tehdyt toimet 41 KUVIO 18. Turvatoiminnon toimintakertojen määrän laskenta 42 KUVIO 19. B10d-arvon avulla laskettu MTTFd-arvo 42 KUVIO 20. Turvatoiminnon polku Sistema-ohjelmistossa 44 TAULUKOT TAULUKKO 1. Riskin tason määrittäminen ja vaadittavat toimenpiteet 12 TAULUKKO 2. Ohjausjärjestelmän suoritustaso riskin suuruuden mukaan 13 TAULUKKO 3. Suoritustasojen määrittely 16 TAULUKKO 4. Suoritustason ja turvallisuuden eheyden tason vastaavuus 19 TAULUKKO 5. Diagnostiikan kattavuuden tasot 22
7 1 JOHDANTO Suunniteltaessa sähköisesti ohjattavia koneita on otettava huomioon myös niiden ohjausjärjestelmän turvallisuusvaatimukset. Teollisuuden parissa työskentelevät sähkösuunnittelijat joutuvat tekemään koneiden sähkösuunnitelmia, vaikka heidän koulutuksessaan ei käsitellä koneturvallisuuteen liittyviä asioita juuri lainkaan. Suunnittelijoiden on perehdyttävä työssään koneturvallisuuden vaatimuksiin, jotta he osaisivat suunnitella koneet niiden mukaisesti. Uusille koneille asetettuja vaatimuksia käsitellään tuoreimmassa konedirektiivissä 2006/42/EY. Konedirektiivi tuli voimaan Suomen liittyessä EU:hun vuonna Se on tullut näkyvimmin yleiseen tietoisuuteen CE-merkinnän yhteydessä. Suomessa konedirektiiviä vastaa valtioneuvoston asetus 400/2008 eli niin sanottu koneasetus. Konedirektiivin perusperiaate on, että koneen valmistaja vastaa koneen turvallisuudesta. Konedirektiivin vaatimuksia täydennetään lukuisilla standardeilla. Koneiden ohjausjärjestelmille asetettujen vaatimusten tunteminen vaatii syvällistä perehtymistä aihetta käsitteleviin standardeihin ja alan kirjallisuuteen. Myös suunnittelijan ammattitaidon ylläpito on tärkeää, koska vanhoja standardeja korvataan uusilla, jolloin niiden sisältökin muuttuu. Esimerkiksi vuoden 2013 aikana vahvistetaan käyttöön uusi koneiden toimintaan kytkettyjä suojuksia käsittelevä standardi EN ISO 14119, joka korvaa vielä voimassa olevan standardin EN Uudesta standardista on odotettavissa suomeksi käännetty versio vuoden 2013 aikana. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on selvittää koneiden sähkölaitteistoja ja ohjausjärjestelmiä käsittelevien standardien vaatimuksia standardien SFS-EN ja SFS-EN ISO pohjalta. Työssä keskitytään erityisesti standardin SFS- EN ISO määrittelemiin yleisiin suunnitteluperiaatteisiin.
8 2 Käsittelen työssäni koneen riskien arvioinnilla määritettyä riskin suuruutta ja sen vaikutusta koneen ohjausjärjestelmältä vaadittuun suoritustasoon. Tarkoituksena on selvittää, mitkä asiat vaikuttavat ohjausjärjestelmän suoritustasoon ja millaisilla suunnitteluratkaisuilla nämä suoritustasot voidaan saavuttaa. Saavutettu suoritustaso voidaan selvittää laskennallisesti Sistema-ohjelmistotyökalun avulla. Pyrin työssäni selvittämään ohjelmiston käytön ja laatimaan vaiheittaisen ohjeistuksen turvapiirin todentamisesta ohjelmistolla. Opinnäytetyö on tehty Apex Automation Oy:n toimeksiantona. Työn kirjallisen osuuden tarkoitus on ohjeistaa koneiden sähkösuunnittelua ja turvapiirien todennuslaskentaa aloittavia uusia suunnittelijoita työssään.
9 3 2 APEX AUTOMATION OY Apex Automation Oy on Kokkolan seudun johtava energia- ja teollisuusalojen automaatio- ja sähkösuunnittelupalveluita tarjoava suunnittelutoimisto. Yritys on perustettu vuonna 1993, ja se on vuosi vuodelta jatkanut tasaista kasvuaan yhdeksi alansa merkittäväksi toimijaksi. Yritys työllistää tällä hetkellä noin 50 työntekijää, ja viimeisen päättyneen tilikauden liikevaihto oli lähes 3,7 miljoonaa euroa. Apex Automation Oy tarjoaa asiakkailleen suunnittelupalveluita ja automaation kokonaisratkaisuja avaimet käteen -periaatteella tai pienempinä kokonaisuuksina. (Apex Automation Oy 2011.) Yrityksen keskeisimpiin asiakkaisiin kuuluvat energiantuotanto- ja jakeluyhtiöt sekä niiden järjestelmätoimittajat, prosessiteollisuus, teollisuuden laite- ja järjestelmätoimittajat sekä liike- ja julkisrakentaminen. (Apex Automation Oy 2011.) Apex Automation Oy:n keskeisimpiä palveluita ovat teollisuuden ja rakennusten sähkösuunnittelupalvelut, kenttälaite- ja virtapiirisuunnittelu, logiikoiden ja prosessiautomaatiojärjestelmien ohjelmointi sekä sähkö- ja automaatiokeskusten valmistus. Lisäksi yritys tarjoaa sähkö- ja koneturvallisuuspalveluita, kaukokäyttöjärjestelmiä, PC-valvomoita sekä koulutus- ja konsultointipalveluita. (Apex Automation Oy 2011.)
10 4 3 KONETURVALLISUUS Koneturvallisuutta käsittelevissä standardeissa SFS-EN , SFS-EN ISO , SFS-EN ISO ja SFS-EN määritellään vaatimuksia automaattisten koneiden turvallisuudelle. Standardissa SFS-EN määritellään yleiset vaatimukset koneiden sähkölaitteistolle, ja standardeissa SFS-EN ISO ja SFS-EN on asetettu vaatimuksia niiden ohjausjärjestelmille. Tämä luku käsittelee standardien olennaisimpia asioita. Keskityn erityisesti ohjausjärjestelmää käsitteleviin standardeihin, koska koneita suunnittelevien henkilöiden on tärkeää tuntea niiden sisältöä. 3.1 Koneen sähkölaitteistot Standardi SFS-EN määrittelee yleisiä vaatimuksia ja suosituksia koneiden sähkölaitteistolle. Näillä ohjeistuksilla pyritään parantamaan koneiden turvallisuutta ja yhdenmukaistamaan niiden ohjausta ja toimintaa. Tässä kappaleessa esitellään lyhyesti tärkeimpiä standardissa käsiteltyjä asioita, jotka on syytä huomioida koneen sähkösuunnittelussa. Koneen sähkönlaadun on täytettävä standardin asettamat vaatimukset. Koneen jännitteelle alttiit osat ja johtavat rakenneosat pitää maadoittaa. Sähkölaitteiden aiheuttamia sähkömagneettisia häiriöitä rajoitetaan suodattimilla ja kaapeleiden suojaamisella, jotta ne eivät aiheuta koneen virhetoimintoja. Koneen tai koneiden jokaisessa sähkönsyötössä on oltava lukittava syötönerotuskytkin, jolla voidaan tarvittaessa erottaa koneen sähkölaitteisto syöttöverkosta. Odottamattoman käynnistyksen estämiseksi pitää olla kytkinlaitteet, ja ne on merkittävä siten, että niiden tarkoitus on helposti tunnistettavissa. Sähkölaitteisto tulee suojata niin, että henki-
11 5 löille ei voi aiheutua sähköiskua suorasta tai epäsuorasta kosketuksesta. Sähkölaitteet on suojattava myös ylivirralta, ylikuormitukselta, ylilämpenemiseltä ja sähkönlaadun muutoksilta. Koneen on kestettävä sen ympäristön aiheuttamat rasitukset. Jos koneessa käytetään vaihtovirralla toteutettua ohjauspiiriä, on käytettävä ohjausjännitemuuntajaa. Koneen sähkölaitteiston kunto on tarkistettava mittaamalla ennen koneen käyttöönottoa. (SFS-EN ) 3.2 Ohjausjärjestelmän toiminta Automaattisten koneiden turvallisuus perustuu suurelta osin ohjausjärjestelmän suorittamiin turvatoimintoihin. Ohjausjärjestelmä koostuu koneen hallintalaitteista, ohjauspiireistä, tehonohjauselimistä ja ohjelmistosta. Ohjausjärjestelmän täytyy sisältää kaikki turvallisuuden kannalta tarpeelliset turvatoiminnot. Koneen turvatoimintoihin kuuluvat turvalaitteen aikaansaama pysäytystoiminto, turvapiirin kuittaus, koneen käynnistys ja uudelleenkäynnistys, paikallinen ohjaus, turvalaitteen passivointi, koneen pakko- ja sallintakäyttö sekä koneen odottamattoman käynnistyksen estäminen. Koneen turvatoiminnot on suunniteltu takaamaan koneen turvallinen käyttö kaikissa olosuhteissa. (Siirilä & Kerttula 2007, 130; Siirilä 2009, ) Koneen käynnistäminen Koneen käynnistämisen ehtona on, että kaikki turvatoiminnot ja suojaukset ovat kunnossa. Tämän ehdon lisäksi koneessa on oltava erillinen käynnistyksen hallintaelin, josta varsinainen käynnistyskäsky annetaan. Kone ei saa käynnistyä silloin, kun siihen kytketään sähkö, paineilma tai muu energiansyöttö, eikä silloin, kun koneen ajotavan valintakytkimen asentoa muutetaan tai kun turvalaite kuitataan
12 6 kuittauspainikkeesta. Joissakin tapauksissa voidaan käyttää automaattisesti kuittaantuvaa turvalaitetta, jolloin kone voi suorittaa seuraavan työvaiheen loppuun automaattisesti. Automaattikuittaukseen vaaditaan kuitenkin tiukkoja lisäehtoja, esimerkiksi käyttäjän jatkuvaa hallintaelimeen vaikuttamista liikkeiden aikana. (Siirilä & SFS-EN , 152.) Koneen pysäyttäminen Myös koneen pysäyttämiselle on oltava erityinen hallintaelin, joka saa aikaan koneen normaalin hallitun tuotantopysäytyksen. Normaalissa pysäytyksessä energiansyöttöjä ei katkaista, vaan kone pysäytetään ohjelmallisesti, ja ohjelma jää odottamaan seuraavaa käskyä. Tämä pysäytystapa ei ole riittävä turvallisuusmielessä, koska kone voi käynnistyä odottamattomasti häiriön, vian tai erehdyksen sattuessa. Siksi koneissa käytetään turvalaitteita, jotka saavat aikaan turvapysäytyksen. Turvapysäytyksessä kaikki energiansyötöt katkaistaan ja kone pysäytetään mahdollisimman nopeasti. Koneen pysäyttäminen voidaan toteuttaa kolmella eri tavalla, joita kutsutaan pysäytysluokiksi. (Siirilä & Kerttula 2007, 132.) Luokan 2 pysäytys on normaali tuotantopysäytys, jossa energiaa voidaan käyttää laitteen nopeaan ja hallittuun hidastukseen. Energiansyöttö jää päälle, vaikka liikkeet on pysäytetty. Jos tätä pysäytysluokkaa käytetään silloin, kun henkilö on vaarallisella alueella, koneen pysähtyneenä pysymistä on luotettavasti valvottava. (Siirilä & Kerttula 2007, 133.) Luokan 1 pysäytys on turvapysäytys, jossa energiaa voidaan käyttää laitteen nopeaan ja hallittuun hidastukseen. Kun liikkeet on pysäytetty, laitteiden energiansyöttö katkaistaan. (Siirilä & Kerttula 2007, 133.)
13 7 Luokan 0 pysäytys on turvapysäytys, jossa energian syöttö katkaistaan välittömästi pysäytyskäskyn jälkeen. Koneen nopea hidastaminen ja pysäyttäminen hoidetaan tarvittaessa jousivoimalla toimivia jarruja käyttäen. (Siirilä & Kerttula 2007, 133.) KUVIO 1. Pysäytysluokat ja niiden ominaisuudet (Siirilä 2009, 277.) Turvalaitteen aikaansaaman turvatoiminnon on saatettava kone turvalliseen tilaan niin nopeasti kuin on tarpeen. Koneen pysähtymisajan täytyy olla niin lyhyt, että turvalaitteeseen vaikuttanut ihminen ei ehdi koskettaa koneen liikkuvia osia ennen niiden pysähtymistä. Jos pysähtymiseen kuluva aika on pitkä, on suojaukseen
14 8 käytettävä lukittavaa suojusta, joka aukeaa vasta, kun liikkeet ovat pysähtyneet. (Siirilä & Kerttula 2007, ) Konedirektiivin mukaan kone tai konelinja on voitava erottaa kaikesta energiansyötöstä lukittavalla syötönerotuskytkimellä. Energiansyötöllä tarkoitetaan sähkön lisäksi myös paineilmaa ja hydrauliikan painetta. Suuressa järjestelmässä yksi syötönerotuskytkin tai sulkuventtiili ei riitä, vaan yksittäinen kone on voitava erottaa energiansyötöstä käsikäyttöisellä syötönerotuskytkimellä tai sulkuventtiilillä huoltoa ja kunnossapitoa varten. (Siirilä 2009, 297.) Hätäpysäytys Hätäpysäytystoiminto vaaditaan kaikissa koneissa lukuun ottamatta käsikäyttöisiä ja kannateltavia koneita. Hätäpysäytys ei ole varsinainen ensisijainen turvatoiminto, vaan sitä käytetään vain, jos jotakin odottamatonta tapahtuu tai koneen normaali pysäytystoiminto vikaantuu. Sellaisissa tilanteissa tuotannon keskeytyminen ja laitteen vaikea uudelleenkäynnistys ovat pieniä ongelmia vahingon välttämiseen verrattuna. Hätäpysäytyksen on ohitettava kaikki muut toiminnot ja saatava aikaan luokan 0 tai 1 pysäytys koneen turvallisuusvaatimusten mukaan. Hätäpysäytyskäskyn on jäätävä voimaan valvontalaitteen kuittaukseen asti hätäpysäyttimeen vaikuttamisen jälkeen. Hätäpysäytyspiirin kuittaus ei saa käynnistää konetta, vaan se on käynnistettävä erillisestä hallintalaitteesta. (Siirilä 2009, ; Siirilä & Kerttula 2007, ) Tavallisin hätäpysäytyslaite on sienimäinen hätäpysäytyspainike. Painikkeiden lisäksi markkinoilla on turvaköysirajoja, jotka voidaan sijoittaa esimerkiksi konelinjaston läheisyyteen siten, että koneen käyttäjillä on riittävän lyhyt matka nopeaa
15 9 hätäpysäytystä varten. Jos konetta voidaan ohjata useasta paikasta, on jokainen ohjauspaikka varustettava hätäpysäytyslaitteella Pysäytysvyöhykkeet Konelinja tai koneyhdistelmä koostuu useista yhdessä toimimaan suunnitelluista yksittäisistä koneista. Tällaisten järjestelmien turvatoimintojen suunnittelu ja toteuttaminen on haastavaa, koska turvatoiminnon on koskettava varsinaisen koneen lisäksi myös muita linjaston koneita, jos niiden toiminnan jatkuminen voi aiheuttaa vaaratilanteita. Selkein ratkaisu turvatoiminnon toteuttamiseksi konelinjassa on pysäyttää koko konelinjasto ruuhkien ja virhetoimintojen välttämiseksi. Tämä ei kuitenkaan ole aina järkevää tuotannon ja toiminnan joustavuuden kannalta, koska luokan 0 tai 1 pysäyttäminen koko linjastolle on turhaa, jos pysäyttämistarve liittyy vain yhteen koneen osaan. Tästä syystä konelinjastossa on tarvittaessa oltava useita turvavyöhykkeitä. (Siirilä & Kerttula 2007, 133.) Turvavyöhykkeisiin jaetulla konelinjalla voidaan tuotantoa jatkaa muilla koneilla, vaikka yhteen linjan osaan olisi tullut häiriö. Muut linjan koneet voivat jatkaa tuotantoa niin kauan, kuin tuotetta riittää tai sillä on tilaa siirtyä eteenpäin. Sen jälkeen näiden koneiden pitää pysähtyä pysäytysluokan 2 tilaan. Häiriön poistuttua yksittäisestä koneesta konelinjasto jatkaa toimintaansa automaattisesti. Turvavyöhykkeitä käytettäessä vyöhykkeet on erotettava toisistaan turvalaitteilla tai suojuksilla. Pääsy turvavyöhykkeeltä toiselle ei saa olla mahdollista ilman, että turvalaite havaitsee sen ja saattaa koneen turvalliseen tilaan. (Siirilä & Kerttula 2007, 133.) Konelinjoissa, joissa tuote liikkuu turvavyöhykkeiden välillä, on tarpeen käyttää turvalaitteen passivointia. Passivoinnilla tarkoitetaan turvatoiminnon väliaikaista automaattista poistamista esimerkiksi silloin, kun valmistettava tuote siirtyy turva-
16 10 vyöhykkeeltä toiselle. Passivointi täytyy toteuttaa siten, että turvatoiminto on poiskytkettynä vain sen hetken, kun tuote on turvalaitteen havaitsemisalueella. Kun tuote on siirtynyt havaitsemisalueelta, turvatoiminto palautuu automaattisesti ja turvavyöhykkeiden välinen valvonta jatkuu normaalisti. (Siirilä & Kerttula 2007, ) KUVIO 2. Kahden turvavyöhykkeen välinen valvonta passivoitavalla valoverholla (Sundcon Oy) Turvavyöhykkeisiin jakaminen vaikuttaa myös riskien pienenemiseen, koska koneen käyttäjän on helpompi hallita konelinjastoa pienempinä turvavyöhykkeinä. Jos yksittäisen koneen turvapiiri laukeaa, sen kuittaaminen on turvallisempaa, koska kuittauspaikalta voidaan nähdä koko kuitattava turva-alue. Jos koko konelinja olisi yksi iso turva-alue, kuittaus menettäisi merkityksensä, koska koneenkäyttäjä ei voi nähdä kuittauspaikalta koko kuitattavaa turva-aluetta. (Siirilä & Kerttula 2007, 133.) Suurissakin järjestelmissä hätäpysäytys on toteutettava ensisijaisesti siten, että hätäpysäytyskäsky vaikuttaa koko konelinjan koneisiin. Tästä voidaan kuitenkin
17 11 poiketa, jos järjestelmä suunnitellaan siten, että pysäytysvyöhykkeet ja niiden hallintaelimet on helppo erottaa toisistaan. Lisäksi on huolehdittava siitä, että eri vyöhykkeisiin kuuluvat koneet erotetaan selvästi toisistaan turvalaitteilla tai suojuksilla, ja siitä, että vyöhykkeiden rajapinnoissa ei ole mitään vaaroja. (Siirilä & Kerttula 2007, 135.) 3.3 Riskien arviointi Koneen valmistajan velvollisuus on varmistaa, että koneen suunnittelun yhteydessä tehdään riskien arviointi, koska kone on suunniteltava ja rakennettava niin, että riskien arvioinnin tulokset otetaan huomioon. Riskien arviointiin kuuluu määrittää koneen käytön raja-arvot, joihin sisältyvät koneen normaali käyttö ja ennakoitavissa oleva väärinkäyttö. Arvioinnissa on tunnistettava koneen aiheuttamat vaarat ja arvioitava riskien suuruus. Riskien suuruuden ja mahdollisten terveyshaittojen tai vammojen perusteella on arvioitava, onko riskejä pienennettävä konedirektiivin vaatimusten täyttämiseksi. Jos riskejä on pienennettävä, konetta täytyy muuttaa tai turvalaitteita lisätä. (Siirilä 2009, 39.) Riskien arviointiin on useita eri menetelmiä, mutta varsinaista standardisoitua menetelmää ei ole olemassa. Yleisesti kaikissa menetelmissä arvioidaan vahinkojen vakavuutta ja todennäköisyyttä. Arvioinnissa olisi huomioitava ihmisen erehtyväisyys, ja tahallinen riskin ottaminen ja se, joutuvatko koneen käyttäjä tai muut työntekijät olemaan vaaravyöhykkeellä. Myös ohjausjärjestelmän vikaantuminen ja siitä aiheutuvat seuraukset on huomioitava. Erityisesti automaattisissa koneissa, joissa on liikkuvia osia ja joiden parissa ihmiset työskentelevät, riskien suuruus kasvaa. Tällöin ohjausjärjestelmän ja muiden suojalaitteiden on estettävä koneen joutuminen sellaiseen tilaan, josta voisi aiheutua vaaraa ympäristölle. (Siirilä 2009, )
18 12 Riskien arvioinnin perusteella päätetään, millä keinoilla koneen riskejä pienennetään. Jos konetta ei voi suojata kiinteillä suojilla niin, että niiden avulla riskit saataisiin riittävän pieneksi, on riskejä pienennettävä ohjausjärjestelmällä. Ohjausjärjestelmän merkitys turvallisuudelle on sitä suurempi, mitä suurempi osa riskeistä vähennetään sen avulla. Riskien arvioinnilla ohjausjärjestelmälle määritellään suoritustaso, joka sen on täytettävä. (Siirilä 2009, 57.) Riskien arvioinnin yleisessä menetelmässä vahingon vakavuus jaetaan asteikolle Asteen 1 vahingon vakavuudesta esimerkkinä voisi olla pieni nipistys, haava tai mustelma, kun taas asteen 100 vahingon vakavuus voisi olla kuolema tai hyvin vakava vammautuminen. Muut mahdolliset vahingot jaotellaan vakavuuden mukaan näiden arvojen välille. Vahingon todennäköisyys pisteytetään asteikolle 0,1 1. Asteen 1 vahingon toteutuminen on käytännössä varmaa, kun taas asteen 0,1 toteutuminen on äärimmäisen epätodennäköistä. (Siirilä 2009, 40,43,45.) Riskin suuruus lasketaan kertomalla vahingon vakavuuden arvioitu arvo sen todennäköisyyden arvioidulla arvolla. Laskennalla saadaan riskille lukuarvo, joka kuvaa riskin suuruutta (TAULUKKO 1). Tämä tarkoittaa sitä, että suuriakin vahinkoja aiheuttavan koneen riski saadaan pieneksi, jos todennäköisyys vahingolle saadaan pieneksi. Toisaalta voidaan ajatella, että pienenkin vahingon aiheuttavan koneen riski kasvaa suureksi, jos vahingon todennäköisyys on suuri. (Siirilä 2009, 52.) TAULUKKO 1. Riskin tason määrittäminen ja vaadittavat toimenpiteet (mukaillen Siirilä 2007, 47) RISKIN TASO LUKUARVO VAADITTAVAT TOIMENPITEET Sietämätön Riskiä on pienennettävä Merkittävä Riskiä on pienennettävä Kohtalainen Riskiä on pienennettävä Siedettävä 6 15 Seuranta ja myöhemmin tehtävä uudelleen arviointi Vähäinen 0,1 5 Toimenpiteitä ei tarvita
19 13 Riskin tasojen mukaan on määritelty taulukko, joka kertoo vaadittavan ohjausjärjestelmän suoritustason, jos riskiä ei voida vähentää muilla toimenpiteillä (TAU- LUKKO 2). TAULUKKO 2. Ohjausjärjestelmä suoritustaso riskin suuruuden mukaan (mukaillen Siirilä 2009, 58) RISKIN TASO VAADITTU SUORITUSTASO (PL) VAADITTU EHEYSTASO (SIL) Sietämätön e 3 Merkittävä d 2 Kohtalainen c 1 Siedettävä b 1 Vähäinen a Esimerkkinä riskien arvioinnista voidaan kuvitella kone, jonka aiheuttama suurin vahinko voisi olla käden leikkautuminen irti. Vahinko on aika vakava, mutta ei kuitenkaan verrattavissa kuolemaan, joten sen suuruus olisi arviolta 80. Kone on kuitenkin hyvin suojattu, ja vaara-alueelle pääsyä valvotaan turvalaitteilla, joten todennäköisyys vahingolle olisi epätodennäköinen eli 0,2. Tämä laskenta aiheuttaisi lukuarvon 16 eli kohtalaisen riskin. Tässä tapauksessa ohjausjärjestelmän tulisi täyttää suoritustaso c. 3.4 Turvalaitteen valinta Jos riskien arvioinnissa havaittua riskiä ei ole mahdollista pienentää kiinteillä suojuksilla, on käytettävä turvalaitetta. Turvalaitteen tehtävä on varmistaa, että koneen liikkuviin osiin päästään koskettamaan vain niiden ollessa pysähtyneinä, ja estää odottamaton liike henkilön ollessa vaarakohdassa. Havaitsemisvyöhykkeen on oltava aukoton, sillä vaaravyöhykkeelle ei saa päästä ilman turvalaitteen havahtumista. Oikean turvalaitteen valinta käyttökohteeseen on tärkeää, koska huonosti valittu laite tai huonosti toteutettu turvapiiri voi haitata merkittävästi koneen
20 14 käyttöä. Tällöin vaarana on tahallinen turvalaitteen ohittaminen koneen käytön helpottamiseksi. Tämä puolestaan aiheuttaa vaaratilanteita, koska turvapiiri ei turvalaitteen ohittamisen jälkeen ole toiminnassa. (Siirilä 2009, 348,354.) Markkinoilla on turvalaitteita, joilla voidaan tehdä aluevalvontaa ja kulunvalvontaa, tai käyttäjä voidaan sitoa tiettyyn paikkaan koneen käytön ajaksi. Aluevalvontaan käytettäviä turvalaitteita ovat laserskannerit ja tuntomatot. Käytettäessä kyseisiä turvalaitteita henkilöstä saadaan havainto koko ajan hänen ollessaan vaaravyöhykkeellä. Jos turvalaite havaitsee henkilön vaaravyöhykkeellä, turvapiiriä ei voi kuitata toimintakuntoon eikä kone käynnistyä. Aluevalvontaan käytettävien turvalaitteiden valvonta-alueeseen ei saa jäädä aukkopaikkoja, joissa ihmisen olisi mahdollista olla vaaravyöhykkeellä. Tuntomattojen ja laserskannereiden käyttö on perusteltua, jos vaaravyöhykettä ei ole mahdollista suojata esimerkiksi aidoilla tai vyöhykkeelle on huono näkyvyys koneen ohjauspaikalta. (Siirilä 2009, 398.) Kulunvalvontaan perustuvia turvalaitteita ovat erilaiset valosähköiset laitteet, kuten valoverhot ja valopuomit. Kulunvalvontaan tarkoitetuilla turvalaitteilla turvatoiminto saavutetaan, kun henkilö katkaisee valosähköisen turvalaitteen tuottaman valonsäteen. Turvalaite ei voi havaita henkilöä vaaravyöhykkeellä, kun hän ei ole enää laitteen havaitsemisalueella. Tässä tapauksessa turvapiirin kuittaaminen ja koneen käynnistäminen vahingossa ovat mahdollisia henkilön ollessa vaaravyöhykkeellä. Kulun valvontaan perustuvien turvalaitteiden valinta on perusteltua, jos kone on suojattu aidoilla, koneen alueelle on hyvä näkyvyys ohjauspaikalta, vaaravyöhykkeellä täytyy käydä suhteellisen useasti tai koneen valmistama tuote siirretään valoverholla valvotusta aukosta aidan ulkopuolelle. (Siirilä 2009, 398.) Kone voidaan suojata myös kiinteillä suojuksilla kokonaan, mutta huoltoa ja kunnossapitoa varten vaaravyöhykkeellä on toisinaan käytävä. Kiinteään suojukseen on mahdollista tehdä avattava suojus, jonka kautta kulku vaaravyöhykkeelle voidaan järjestää. On kuitenkin huomioitava, että avattavassa suojuksessa on oltava turvalaite, joka sallii koneen käyttämisen vain silloin, kun se on suljettu. Jos suojus
21 15 avataan kesken koneen toiminnan, liikkeet on pysäytettävä. Avattava suojus voidaan myös varustaa lukinnalla, jos ihminen voi ehtiä sen kautta vaarallisiin liikkuviin osiin ennen niiden pysähtymistä. (Siirilä 2009, ) Koneen käyttäjän joutuminen vaaravyöhykkeelle voidaan estää myös käyttämällä turvalaitteena pakkokäyttöisiä hallintalaitteita. Ne sijaitsevat vaaravyöhykkeen ulkopuolella, ja käyttäjän on vaikutettava niihin koko ajan koneen liikkeiden aikana. Tällaiset turvalaitteet suojaavat vain koneen käyttäjän, joten kone on mahdollista käynnistää toisen ihmisen ollessa vaarakohdassa. Pakkokäyttöisen hallintalaitteen käyttäminen turvalaitteena on perusteltua silloin, kun koneen täytyy olla jatkuvasti ihmisen valvonnassa tai sen liikkeitä ei tarvitse suorittaa jatkuvasti. (Siirilä 2009, 398.) KUVIO 3. Esimerkki turvalaitteiden käytöstä (Siirilä 2013)
22 Ohjausjärjestelmän luokittelu Koneen ohjausjärjestelmää käsitellään standardeissa SFS-EN ISO (osa 1, Yleiset suunnitteluperiaatteet), SFS-EN ISO (osa 2, Kelpuutus) ja SFS- EN 62061(Toiminnallinen turvallisuus). Standardi SFS-EN ISO jakaa ohjausjärjestelmän nimettyihin rakenteisiin eli luokkiin ja suoritustasoihin, kun taas standardi SFS-EN määrittelee ohjausjärjestelmälle turvallisuuden eheyden tasot. Esittelen tässä kappaleessa tarkemmin standardin SFS-EN ISO mukaisen jaottelun, koska sen käyttö on perusteltua koneiden turvallisuutta käsiteltäessä. Käsittelen lyhyesti myös turvallisuuden eheyden tasojen mukaisen jaottelun, koska laitevalmistajat voivat ilmoittaa tuotteidensa turvaluokituksen turvallisuuden eheyden tasoilla. Ohjausjärjestelmästandardissa SFS-EN ISO esitetään turvallisuuden arviointiin yksinkertaistettu menetelmä, jossa arviointi perustuu nimettyihin rakenteisiin eli luokkiin ja suoritustasoihin eli PL -tasoihin (a, b, c, d, e), jotka määritellään vaarallisen vikaantumisen todennäköisyytenä tuntia kohti (TAULUKKO 3). Suoritustasoilla määritellään turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän kyky suorittaa turvatoiminto. Luokat (B, 1, 2, 3, 4) kuvaavat ohjausjärjestelmän rakennetta, eli miten ohjausjärjestelmän turvallisuus on varmistettu vikatilanteissa. TAULUKKO 3. Suoritustasojen määrittely (mukaillen ISO , 34) Suoritustaso (PL) a b c d e Keskimääräinen vaarallisen vian todennäköisyys tunnissa PFH [1/h] 10ˉ⁵ < 10ˉ⁴ 3 x 10ˉ⁶ < 10ˉ⁵ 10ˉ⁶ < 3 x 10ˉ⁶ 10ˉ⁷ < 10ˉ⁶ 10ˉ⁸ < 10ˉ⁷
23 17 KUVIO 4. Ohjausjärjestelmän luokat (Sundquist 2010, 9) Luokassa B komponenttien määrän tulee olla mahdollisimman pieni turvallisuuteen liittyvässä järjestelmässä. Komponenttien on kestettävä odotettavissa olevat käyttö- ja ympäristöolosuhteet. Rakenteessa on noudatettava yleisiä turvallisuuden perusperiaatteita. Vaarallisten vikaantumisten välisen keskimääräisen aika eli MTTFd-arvon on oltava 3 29 vuotta. (Siirilä 2009, 143.) Luokassa 1 on käytettävä luokan B vaatimusten lisäksi hyvin koeteltuja turvallisuusperiaatteita ja komponentteja siten, että viat ovat epätodennäköisiä ja tapahtuvat turvalliseen suuntaan. Hyvin koetellut komponentit on tarpeen ylimitoittaa ja niiden mekaanisesta pakkotoimisuudesta on huolehdittava. MTTFd-arvon on oltava vuotta. (Siirilä 2009, ) Luokassa 2 vaatimuksena on luokkien B ja 1 yleisten turvallisuuden perusperiaatteiden ja hyvin koeteltujen turvallisuusperiaatteiden lisäksi se, että koneen ohjaus-
24 18 järjestelmä tarkistaa turvatoimintojen toimivuuden tietyin väliajoin. Vian havaitsemisen jälkeen kone on pysäytettävä tai sen käynnistäminen estettävä. Diagnostiikan keskimääräinen kattavuuden pitää olla 60 98%. Yhteisvikojen todennäköisyyden eli CCF-arvon on oltava pieni. MTTFd-arvon täytyy olla vuotta. (Siirilä 2009, 144.) Luokassa 3 on noudatettava luokkien B ja 1 yleisiä turvallisuuden perusperiaatteita ja hyvin koeteltuja turvallisuusperiaatteita. Yksittäisen vian sattuessa ohjausjärjestelmän on pystyttävä suorittamaan turvatoiminto. Järjestelmän täytyy myös havaita useimmat viat. Vikasietoisuus saavutetaan käyttämällä piirin kahdennusta. Diagnostiikan keskimääräisen kattavuuden on oltava 60 98% ja yhteisvikojen todennäköisyyden pieni. MTTFd-arvon pitää olla vuotta. (Siirilä 2009, 144.) Luokassa 4 on noudatettava luokkien B ja 1 turvallisuuden perusperiaatteita ja hyvin koeteltuja turvallisuusperiaatteita ja luokan 3 vaatimusta yksittäisestä viasta. Järjestelmän täytyy havaita kaikki viat. Vaatimukset voidaan toteuttaa piirien kahdennuksilla ja jatkuvalla automaattisella vikaantumisen valvonnalla. Diagnostiikan keskimääräisen kattavuuden on oltava %, Yhteisvikojen todennäköisyyden pitää olla pieni ja MTTFd-arvon vuotta. (Siirilä 2009, 144.) Turvatoiminnon suoritustason määrittämiseen tarvitaan luokan lisäksi tiedot laitteiden vaarallisen vikaantumisen todennäköisyydestä (MTTFd-arvo), turvapiirin diagnostiikan kattavuuden keskiarvo (DCavg-arvo) sekä tiedot turvapiirin yhteisvikaantumisen todennäköisyydestä (CCF-arvo). Laitevalmistaja on yleensä määrittänyt laitteelleen MTTFd-arvon. Jos valmistaja ei ole ilmoittanut sitä, on suunnittelussa mahdollista käyttää standardissa SFS-EN ISO liitteessä C taulukoituja yleisiä arvoja laitteille (LIITE 1). Samassa standardissa liitteessä E on taulukoitu turvapiireille diagnostiikan kattavuuden arvoja erilaisia ratkaisuja käytettäessä (LIITE 2). Liitteessä F puolestaan esitellään toimenpiteitä turvapiirissä olevien laitteiden yhteisvikaantumisen välttämiseksi (LIITE 3).
25 19 Standardissa SFS-EN ohjausjärjestelmän kykyä selvitä vikatilanteessa turvatoiminnoista kuvataan turvallisuuden eheyden tasoilla (SIL 1, 2, 3). Standardi SFS-EN on erityisesti komponenttien valmistajien ja tyyppitarkastuksia tekevien laitosten käyttämä standardi. Standardia käytetään pääasiassa prosessiteollisuuden turvallisuuden tarkasteluissa. Standardin päätarkoitus on, että kone toimii turvallisuusvaatimusten mukaisesti ja ei-toivotuilta toiminnoilta vältytään. Standardi SFS-EN on tehty laajemman ohjausjärjestelmää käsittelevän standardin SFS-IEC pohjalta, ja siinä esitellään myös turvallisuuden eheyden taso SIL 4. Koneissa turvallisuuden eheyden ylin arvo on käytännössä SIL 3. Tasoa SIL 4 käytetään vain sovelluksissa, joiden aiheuttamat seuraukset voivat olla katastrofaaliset, kuten ydinvoimaloissa. Koneiden ei oleteta saavan toiminnallaan aikaan katastrofaalisia seurauksia, joten taso SIL 3 on riittävä. (Siirilä 2009, 103, 143, 195.) On siis olemassa kaksi standardia, jotka molemmat esittävät oman tapansa ohjausjärjestelmän turvallisuuden tasojen arviointiin. Tämän takia standardissa SFS- EN ISO esitetään taulukko suoritustasojen ja turvallisuuden eheyden tasojen vertaamiseksi keskenään. TAULUKKO 4. Suoritustason ja turvallisuuden eheyden tason vastaavuus (ISO , 44) SUORITUSTASO TURVALLISUUDEN EHEYDEN TASO (PL) (SIL) a Ei vastaavuutta b 1 c 1 d 2 e 3
26 20 4 TURVAPIIRIN SUUNNITTELU JA TODENTAMINEN Turvapiirin suunnittelun lähtökohtana on riskienarvioinnista saatu suoritustaso PLr, joka ohjausjärjestelmän tulee täyttää. Suoritustason jälkeen arvioidaan toteutettavalle ohjausjärjestelmälle luokka, jolla on mahdollista saavuttaa vaadittu suoritustaso. Lisäksi on arvioitava, kuinka korkeaan keskimääräiseen vaaralliseen vikaantumisaikaan on päästävä, kuinka yhteisvikaantuminen on huomioitava järjestelmässä ja kuinka korkea diagnostiikan kattavuuden tulee olla. Järjestelmän rakenteella ja komponenttivalinnoilla on suuri merkitys siihen, mihin suoritustasoon voidaan päästä. Suunnittelun aikana on todennettava, että turvapiiri täyttää sille asetetun suoritustason. Käytän standardiin SFS-EN ISO perustuvaa Sistemaohjelmistotyökalua todentamislaskentaan. 4.1 Turvapiirin suunnittelu Kappaleessa ohjausjärjestelmän suunnittelu luokissa 1 4 määriteltiin, että niissä on käytettävä turvallisuuden perusperiaatteita ja hyvin koeteltuja turvallisuusperiaatteita. Lisäksi luokassa 1 oli käytettävä hyvin koeteltuja komponentteja siten, että viat ovat epätodennäköisiä ja tapahtuvat turvalliseen suuntaan. Hyvin koetelluilla komponenteilla tarkoitetaan sitä, että niitä on käytetty pitkään vastaavissa turvallisuuteen liittyvissä piireissä ja niiden toiminnasta on saatu hyviä kokemuksia. (Siirilä & Kerttula 2007, 162.) Turvallisuuden perusperiaatteilla tarkoitetaan asioita, joita käsittelin aiemmin kappaleessa Koneen sähkölaitteistot.
27 21 Hyvin koeteltujen turvallisuusperiaatteiden mukaan valvontatoiminnoissa on käytettävä laitteita, joissa on mekaanisesti yhteen kytketyt koskettimet, jotta esimerkiksi kärkien kiinnihitsautuminen havaitaan. Turvallisuuteen liittyvässä ohjausjärjestelmässä käytetään suojattuja kaapeleita, joiden suojavaippa on kytketty maadoitukseen, jotta voidaan välttää kaapelivikoja. Laitteet ja liittimet sijoitetaan niin, etteivät ne vahingossa pääse koskettamaan toisiaan. Piirien komponentit ylimitoitetaan niin, että koskettimissa käytetään vain puolta niiden nimellisvirrasta. Komponentit valitaan siten, että niiden kytkentälukumäärä on kymmenen kertaa vähemmän kuin laitteille ilmoitettu mekaaninen ja sähköinen elinikä. Turvaratkaisut pyritään toteuttamaan mahdollisimman pienellä komponenttimäärällä. Turvallisuustoimintoihin liittyvät komponentit ja kaapeloinnit pidetään erillään muista toiminnoista. (Siirilä & Kerttula 2007, 163.) Komponenttivalinnoilla on suuri merkitys siihen, kuinka korkea suoritustaso voidaan saavuttaa. Laitevalmistaja ilmoittaa laitteen datalehdessä sille suoraan suoritustason, jonka se täyttää, tai MTTFd-arvon keskimääräiselle vaaralliselle vikaantumiselle. Jotkut valmistajat eivät anna suoraan MTTFd-arvoa vaan antavat B10darvon, joka ilmoittaa toimintakertojen määrän, jonka jälkeen 10 % komponenteista vikaantuu vaarallisesti. Yleisesti datalehdissä on saatavilla komponenttien mekaaninen ja sähköinen kestävyys. Mekaanisen kestävyyden arvoa voidaan käyttää B10d-arvona silloin, kun laiteessa käytetty kuorma on alle puolet sen nimellistehosta. Muutoin on käytettävä sähköisen kestävyyden arvoa. Joskus voi tulla vastaan komponentteja, joille valmistaja ei ole ilmoittanut mitään edellä mainituista arvoista. Näissä tapauksissa voidaan käyttää komponenteille arvioituja yleisiä MTTFd- tai B10d-arvoja, joita on määritelty yleisille komponenteille standardissa SFS-EN ISO (LIITE 1). Diagnostiikan kattavuuteen arvon (DCavg) määrittää suurelta osin turvapiirin valvontalaite. Diagnostiikalla tarkoitetaan ohjausjärjestelmän kykyä havaita järjestelmän eri komponenteissa olevat viat. Jos niitä havaitaan, ohjausjärjestelmän on saatettava kone turvalliseen tilaan. Oikein suunnitellussa ohjausjärjestelmässä tapahtuva johtimen irtoaminen tai katkeaminen aiheuttaa koneen pysähtymisen tai
28 22 käynnistyksen estämisen. Näin turvallinen tila saavutetaan eikä viasta aiheudu vaaratilannetta. Turvapiirin valvontalaitteissa diagnostiikka hoidetaan yleisesti erillistä takaisinkytkentäpiiriä käyttäen, ja sillä varmistetaan järjestelmän ohjaamien komponenttien toiminta. Lisäksi kehittyneissä laitteissa valvotaan myös turvalaitetta, jolloin saadaan tieto esimerkiksi rikkoontuneesta anturista tai katkenneesta johdosta. Standardin SFS-EN ISO liitteessä E esitellään diagnostiikan kattavuuden arvoja erilaisia valvontaratkaisuja käytettäessä (LIITE 2). (Siirilä & Kerttula 2007, 169.) TAULUKKO 5. Diagnostiikan kattavuuden tasot (mukaillen ISO , 48) DIAGNOSTIIKAN KATTAVUUSTASO VAIHTELUALUE % Olematon 60 Matala Keskimääräinen Korkea 98 Yhteisvikaantuminen (CCF) tarkoittaa sitä, että yhdestä viasta seuraa vika useampaan laitteeseen. Ohjausjärjestelmän on selvittävä tällaisistakin tilanteista niin, että koneen turvallisuus säilyy. Järjestelmän suunnittelussa on käytettävä standardin SFS-EN ISO liitteen F taulukon mukaisia keinoja yhteisvikaantumisen välttämiseksi (LIITE 3). Yhteisvikaantumisen välttämiseen käytetyistä menetelmistä voi maksimissaan saada 100 pistettä. Järjestelmän on saavutettava vähintään 65 pisteen verran näistä toimenpiteistä, jotta se täyttää yhteisvikaantumisen todennäköisyyden vaatimukset. (Siirilä 2009, ) Yhteisvikaantumisen vaaraa voidaan vähentää seuraavilla keinoilla: - turvallisuuteen liittyvien signaali- ja sähkökaapeleiden suojaaminen tai niiden riittävä erottaminen toisistaan - erilaisten tekniikoiden (elektroninen komponentti, sähkömagneettinen rele) käyttäminen turvapiirissä - vika-analyysin tulosten huomioon ottaminen
29 23 - laitteiden suojaaminen ylivirralta, ylijännitteeltä ja ylipaineelta - hyvin koeteltujen komponenttien valinta - yhteisvikaantumisen vaarojen ymmärtäminen (suunnittelijat ja kunnossapitäjät) - laitteiden likaantumisen ja sähkömagneettisten häiriöiden estäminen (SFS-EN ISO , 132.) Kaikki kappaleessa Turvapiirin suunnittelu esitellyt asiat vaikuttavat osaltaan siihen, mihin suoritustasoon suunnitellulla järjestelmällä on mahdollista päästä. Lopullinen suoritustaso määräytyy siitä, miten nämä asiat ovat tasapainossa keskenään (KUVIO 4). KUVIO 5. Eri luokkien avulla saavutettavissa oleva suoritustaso (Siirilä 2009, 167)
30 24 Kuviosta 4 voidaan havaita, että luokan 1 yksikanavaisella rakenteella voidaan melkein saavuttaa suoritustaso c, kun vaarallinen vikaantumisaika on pitkä. Toisaalta luokan 3 kahdennetulla ja valvotulla rakenteella saavutetaan vain sama suoritustaso c, kun vaarallinen vikaantumisaika on keskinkertainen ja diagnostiikan kattavuus on %. 4.2 Turvapiirin valvontalaitteet Kaikki turvatoiminnon aikaansaavat komponentit kuuluvat turvapiiriin. Se on ketju, joka alkaa turvalaitteesta ja päättyy esimerkiksi energiansyötön katkaiseviin kontaktoreihin. Turvapiirissä on aina valvontalaite, joka tutkii turvalaitteelta tulevaa signaalia ja toteuttaa sen perusteella turvatoiminnon. Valvontalaitteina voidaan käyttää ohjelmoitavaa logiikkaa, turvarelettä tai ohjelmoitavaa turvalogiikkaa. Jokaisella komponentilla on käyttötarkoituksesta riippuen omat hyvät puolensa. Ohjelmoitava logiikka on yleinen automaattisten koneiden ohjauslaite. Sitä voidaan käyttää myös turvapiirien valvontaan, mutta sillä ei saada aikaan niin hyvää diagnostiikan kattavuutta kuin turvapiirien valvontaan valmistetuilla laitteilla. Ohjelmoitavan logiikan ohjelmalla on mahdollista tehdä aikaperusteista valvontaa, mutta sillä saavutetaan vain matala diagnostiikan kattavuus. Ohjelmoitavaa logiikkaa on kuitenkin hyödyllistä käyttää esimerkiksi vanhan koneen saneerauksen yhteydessä niissä tapauksissa, joissa sähkökeskuksissa ei ole riittävästi tilaa uusille valvontalaitteille ja ohjelmoitava logiikka on keskuksessa jo entuudestaan. Ohjelmoitavaa logiikkaa käytettäessä turvapiireistä voi tulla monimutkaisia, koska muita komponentteja tarvitaan turvapiiriin enemmän. Monimutkaisuus ja suuri komponenttien määrä voivat aiheuttaa sekaannusta, ja piirillä on suurempi todennäköisyys vikaantua.
31 25 Turvarele on turvapiirien valvontaan suunniteltu laite, jolla voidaan valvoa pieniä ja yksinkertaisia turvapiirejä. Turvarele sisältää kaksi erillistä relettä, joita ohjataan samalla ohjaussignaalilla. Erillisten releiden koskettimet on kytketty sarjaan, ja ne ovat pakkotoimisia luotettavamman turvatoiminnon aikaansaamiseksi. Pakkotoimisuudella tarkoitetaan koskettimien mekaanista yhteen kytkentää, jolloin kaikki koskettimet vaihtavat tilansa samanaikaisesti. Turvareleellä aikaansaatava hyvä suoritustaso sekä korkea diagnostiikan kattavuus saavutetaan kahdennetuilla piireillä ja kattavalla valvonnalla. Turvarele kykenee itse testaamaan valvottavan turvalaitteen piiriä ja takaisinkytkennän avulla ohjattavia toimilaitteita. Jos turvarele havaitsee turvalaitteen tilan muutoksen tai piirissä olevan vian, se katkaisee jännitesyötöt ohjattavilta toimilaitteilta, ja koneen turvallinen tila saavutetaan. Turvarele on mahdollista kuitata takaisin toimintaan automaatti- tai käsikuittauksella, jos vika piirissä on poistunut ja turvalaite muuttanut tilan takaisin. Turvareleen valinta valvontalaitteeksi on perusteltua silloin, kun turvapiirissä on yhdestä kahteen valvottua turvalaitetta ja kummallakin niistä saadaan aikaan sama turvallinen tila, esimerkiksi kaikkien liikkeiden pysäyttäminen. Turvalogiikka on yleisin valvontalaite konelinjoissa tai suurissa koneissa, joissa turvalaitteiden määrä on suurempi ja ohjausjärjestelmältä vaaditaan monentasoisia turvatoimintoja. Turvalogiikan etuina turvareleeseen verrattuna ovat suurempi turvatulojen ja -lähtöjen määrä. Lisäksi turvalogiikalla on mahdollista tehdä useita eritasoisia turvapysäytyksiä. Esimerkiksi hätäpysäytyspainikkeeseen vaikutettaessa kaikki koneen liikkeet pysähtyvät, kun taas valoverhoon vaikuttaminen pysäyttää vain yhden kuljettimen. Turvalogiikalla on mahdollista päästä korkeaan diagnostiikan kattavuuteen kattavan valvonnan avulla. Suurin ero turvalogiikan ja turvareleen välillä on se, että turvarele voidaan ottaa käyttöön pelkillä kytkennöillä, mutta turvalogiikan toiminta täytyy määrittää ohjelmallisesti. Useimmat ohjelmoitavat logiikat voidaan kytkeä osaksi turvaväylää, jolloin on mahdollista muodostaa suuriakin turvakokonaisuuksia.
32 Vaarallisten liikkeiden pysäyttäminen Kappaleessa Koneen pysäyttäminen todettiin, että koneen ohjausjärjestelmän suorittamassa turvapysäytyksessä koneen vaaralliset liikkeet on pysäytettävä niin nopeasti kuin mahdollista. Sähköisesti ohjattavissa koneissa tämä tarkoittaa sähkönsyötön katkaisemista toimilaitteilta, jotka saavat aikaan liikkeitä. Liikkeitä tuotetaan tavallisesti moottoreilla, paineilmalla tai hydrauliikalla. Moottoreita käytettäessä voidaan valita suora moottorilähtö tai taajuusmuuttajalla ohjattuja moottori. Hydrauliikkaa tai paineilmaa käytettäessä konetta ohjataan venttiileillä. Esittelen tässä kappaleessa liitteenä olevien yksinkertaisten mallipiirikaavioiden avulla vaihtoehtoja turvatoiminnon toteuttamiseen Suora moottorilähtö Mallipiirissä 1 (LIITE 4) on kuvattu turvatoiminto, jossa on kaksi sarjaan kytkettyä turvarelettä. Ensimmäinen valvoo hätäpysäytyspainiketta ja toinen kosketuksetonta ovirajaa. Hätäpysäytintä painamalla tai turvaovi avaamalla saavutetaan sama turvatoiminto, eli suoralla käytöllä ohjattavan moottorin pysähtyminen kontaktoreiden avulla. Suoralla käytöllä ohjattavan moottorin turvapysäyttäminen toteutetaan kontaktoreilla moottorin päävirtapiirissä (KUVIO 6). Jos vaadittuun suoritustasoon pääseminen vaatii piirin kahdentamista, joudutaan moottorin syöttöjännite katkaisemaan kahdella turvapiirin ohjaamalla kontaktorilla. Niiden koskettimien kiinnihitsautumisen valvonta toteutetaan avautuvilla koskettimilla, jotka kytketään turvareleiden takaisinkytkentäpiireihin. Liikkeiden nopeaan pysäyttämiseen käytetään jarrua, joka pysäyttää moottorin jousivoimalla sähkönsyötön katketessa. Kun moottori
33 27 halutaan käynnistää, sähkönsyöttö palautuu moottorille ja jarru aukeaa. Tällaisella turvapiirillä voidaan saavuttaa suoritustaso d (LIITE 4). KUVIO 6. Suoran moottorilähdön turvapysäyttäminen kontaktoreilla Taajuusmuuttajalla ohjattu moottori Taajuusmuuttajalla ohjattu moottori on yleinen ratkaisu koneissa, joissa tarvitaan momentin tai nopeuden säätöä. Myös taajuusmuuttajalla ohjatun moottorin pysäyttäminen voidaan hoitaa katkaisemalla päävirtapiiri kontaktoreilla. Mallipiirissä 2 (LIITE 5) on esitetty turvalogiikalla toteutettu turvapiiri. Turvalogiikka valvoo hätäpysäytyspainiketta ja ovirajaa. Turvaovi on lisäksi varustettu lukolla, jota ohjataan turvalogiikalla. Hätäpysäytyspainiketta painamalla tai turvaovi avaamalla saavutetaan koneen turvallinen tila, jolloin taajuusmuuttajalla ohjattu moottori pysähtyy. Kontaktorien koskettimien kiinnihitsautumisen valvonta hoidetaan turvalogiikan takaisinkytkentäpiirillä, ja oven lukinnan lukitustieto saadaan omana piirinään tur-
34 28 valogiikkaan. Moottorin nopeaa pysäyttämistä varten voidaan käyttää sähköllä avattavaa jarrua. Liitteen 5 mukaisella turvapiirillä voidaan saavuttaa suoritustaso d Turvataajuusmuuttajalla ohjattu moottori Taajuusmuuttajan jatkuva sähkönsyötön katkaiseminen rasittaa taajuusmuuttajaa ja voi lyhentää sen käyttöikää. Tämän takia uudempiin taajuusmuuttajiin on kehitetty sisäinen turvatoiminto Safe Torque Off (STO), jonka avulla taajuusmuuttajalla ohjattu moottori saadaan pysäytettyä ohjauspiirin avulla. Taajuusmuuttajassa on turvatulot, joihin kytketään jännite silloin, kun turvapiiri sallii koneen liikkeet. Turvapiiri on kahdennettu, eli kumpaankin turvatuloon on syötettävä ohjausjännite, jotta taajuusmuuttaja voi ohjata moottoria. Turvatulojen käytön etuna on komponenttien määrän pieneneminen turvapiirissä, koska sähkönsyöttöä katkaisevia kontaktoreita ei tarvita. Mallipiirissä 3 (LIITE 6) esitetään turvapiiri, joka on toteutettu turvalogiikalla. Se valvoo hätäpysäytyspainiketta ja valoverhoa. Hätäpysäytintä painettaessa tai valoverhon havahtuessa aikaansaadaan turvatoiminto, jolloin turvataajuusmuuttajalla ohjattu moottori pysäytetään releiden koskettimien katkaiseman ohjausjännitteen avulla. Releiden avautuvat koskettimet sekä turvataajuusmuuttajan takaisinkytkentätieto on kytketty turvalogiikan takaisinkytkentäpiiriin, jotta turvalogiikka voi havaita laitteissa ilmenevät viat. Käytettäessä turvataajuusmuuttajaa voidaan myös jarrun ohjaus toteuttaa taajuusmuuttajalla, koska turvapysäytyksessäkin taajuusmuuttajan sähkönsyöttö säilyy ja se voi ohjata releen avulla moottorin jarrua.
35 29 KUVIO 7. Taajuusmuuttajalla ohjatun moottorin pysäyttäminen turvatuloilla Venttiiliohjaukset Käytettäessä hydrauliikkaa ja paineilmaa koneen liikkeiden tuottamiseen on muistettava myös vaarallisten liikkeiden pysäyttäminen. Mallikuvassa 3 (LIITE 6) on esitetty turvataajuusmuuttajalla ohjatun moottorin lisäksi myös paineilmaventtiileiden ohjauksia. Turvatoiminnon tapahtuessa turvatoiminnon aikaansaavien releiden koskettimet aukeavat, joten paineilmaventtiilien sähkönsyöttö katkeaa. Tämä aiheuttaa sen, että jousella palautuva venttiili Y1 sulkeutuu, mutta kaksisuuntainen venttiili Y2 jää siihen tilaan, jossa se sattuu turvatoiminnon tapahtuessa olemaan. Venttiili Y2 voi tässä tapauksessa mahdollistaa liikkeet, vaikka sähkönsyöttö olisi katkaistu. Liikkeiden estämiseksi on käytettävä paineenpoistoventtiiliä Y4, joka
36 30 turvatoiminnon sattuessa poistaa ilman koneen paineilmajärjestelmästä, jolloin koneen liikkeet pysähtyvät. Releiden kärkien K0.0 K0.2 ajatellaan ohjautuvan konetta ohjaavan logiikan avulla. (KUVIO 7). KUVIO 8. Venttiilien turvatoiminnon toteutus Mallipiirissä 3 (LIITE 6) on esitetty kokonaisuutena kuvion 7 sisältö. Liitteestä 6 voidaan havaita, että turvapiiri on muilta osin rakenteeltaan kahdennettu, mutta venttiilit ovat rakenteeltaan luokkaa 1. Tästä seuraa, että turvapiirillä voidaan saavuttaa vain suoritustaso c. Jos ohjausjärjestelmän vaadittu suoritustaso olisi korkeampi, venttiilit pitäisi vaihtaa kahdennettuihin turvaventtiileihin tai niiden asentotietoa valvoa.
37 Sistema-ohjelmistotyökalu Sistema on Saksassa IFA:ssa kehitetty tietokoneavusteinen suunnitteluohjelma koneiden turvallisuuteen liittyvien ohjausjärjestelmien suunnitteluun. Ohjelmisto on ilmainen, ja siitä on tehty myös suomennos. Sistema kattaa kaikilla eri teknologioilla toteutettavat koneiden ohjausjärjestelmät. Se perustuu kaikilta osin standardin SFS-EN ISO määräyksiin. Ohjelmiston automaattisella laskennalla voidaan selvittää suunnitellun ohjausjärjestelmän saavuttama suoritustaso. Ohjelmiston käytön etuna on, että vältytään hankalilta luotettavuusteknisiltä laskelmilta, jotka perustuvat Markovin dynaamisiin malliratkaisuihin. Yhdenmukaisten käsitteiden ja menetelmien seurauksena suunnitteluvirheet ja väärinkäsitykset vähenevät. Lisäksi vaatimustenmukaisuuden varmistamisesta ja dokumenttien laadinnasta tulee helpompaa. (Sundquist 2009.) Ennen varsinaisen ohjelman käyttöä suunnittelijan pitää laatia toiminnallinen piirikaavio turvatoiminnosta, jonka hän haluaa ohjelmistolla todentaa (KUVIO 9). Toiminnallisella piirikaaviolla tarkoitetaan yksinkertaistettua piirikaaviota, johon on piirretty kaikki turvapiirin kannalta olennaiset komponentit. Sellaisia komponentteja, jotka eivät vaikuta turvatoiminnon suorittamiseen, ei tarvitse esittää toiminnallisessa piirikaaviossa.
38 32 KUVIO 9. Turvatoiminnon toiminnallinen piirikaavio Toiminnallisesta piirikaaviosta muodostetaan turvallisuuteen liittyvä lohkokaavio, jossa näkyy jokainen turvallisuuteen vaikuttava komponentti anturista toimilaitteeseen (KUVIO 10). Jos turvatoiminnossa käytetään kaksikanavaista rakennetta, molempien kanavien tulee näkyä lohkokaaviossa. KUVIO 10. Turvallisuuteen liittyvä lohkokaavio Turvallisuuteen liittyvän lohkokaavion avulla voidaan aloittaa varsinainen ohjelmiston käyttö. Sen aloitus alkaa luomalla uusi projekti (PR) ohjelmaan. Ohjelma käyt-
39 33 tää hierarkiaa, jossa projekti on jaettu turvatoimintoihin ja ne edelleen pienempiin osiin laitetasolle (KUVIO 11). KUVIO 11. Sistema-ohjelmiston hierarkia (Sundquist 2010, 11) Projektin luomisen jälkeen sille voidaan lisätä turvatoiminto (SF), jolle määritellään riskien arvioinnista saatu vaadittava suoritustaso PLr. Jos riskien arviointia ei ole tehty erikseen, voidaan vaadittava suoritustaso määrittää ohjelmistossa olevalla riskigraafilla (KUVIO 12). Se perustuu täysin standardissa SFS-EN ISO esitettyyn riskien arviointimenetelmään.
40 34 KUVIO 12. Sistema-ohjelmiston riskigraafi Kun turvatoiminto ja siltä vaadittava suoritustaso on määritelty, voidaan aloittaa turvallisuuteen liittyvän lohkokaavion tietojen lisääminen turvatoimintoon. Tässä vaiheessa komponenttivalintojen pitää olla tehtynä, koska niiden toiminta-arvot täytyy tuntea laskennassa. Komponentit lisätään turvatoiminnon alajärjestelmään (SB) komponenttikohtaisesti. Jos samaa komponenttia käytetään usein samassa turvatoiminnossa, riittää, kun se lisätään kerran alajärjestelmään. Jos järjestelmä sisältää kahdennuksia, nämä lisätään alajärjestelmissä oleviin kanaviin (CH). Komponentin syöttäminen onnistuu kahdella tavalla. Useimmilla valmistajilla on ladattavissa ohjelmistoon turvakomponenteistaan kirjasto, josta komponentin voi lisätä laskentaan. Valmistaja on määrittänyt kirjastossa oleville komponenteille luokan, MTTFd-arvon ja DCavg-arvon, joten komponentti täytyy vain lisätä alajärjestelmään, eikä muita muutoksia tarvitse tehdä. Toinen tapa on määrittää komponentti manuaalisesti. Tätä tapaa tarvitaan, jos valmistajan kirjastosta ei löydy ky-
41 35 seistä komponenttia. Jotkut valmistajat voivat ilmoittaa suoraan laitteelleen suoritustason, jonka vaatimukset se täyttää. Tällöin voidaan lisätylle alajärjestelmälle syöttää tieto täytetystä suoritustasosta, eikä muuta tietoa tarvita Monille komponenteille valmistaja on ilmoittanut datalehdessään vain B10d-arvon. Tällaisissa tapauksissa komponentille on määriteltävä luokka ja DCavg-arvo. Lisäksi B10d-arvo on lisättävä elementtitasolle (EL). Käytettäessä komponentin B10d-arvoa täytyy ohjelmalle syöttää arvioitu komponentin käyttökertojen määrä, jonka avulla ohjelma laskee komponentille MTTFd-arvon todennuslaskentaan. Kun kaikki turvallisuuteen liittyvän lohkokaavion laitteet on lisätty laskentaohjelmistoon ja laitteille syötetty tarvittavat arvot, voidaan suorittaa todentamislaskenta. Sistema laskee syötetyillä arvoilla turvapiirin saavuttaman suoritustason PL ja vertaa sitä riskigraafilla tai riskien arvioinnilla saatuun tasoon PLr. Turvapiiri hyväksytään, jos sen saavuttama suoritustaso on vähintään sama kuin vaadittu suoritustaso. Ohjelma antaa raportin turvapiirien saavuttamista suoritustasoista (LIITE 4). Raportit liitetään koneen dokumentteihin todistamaan sitä, että koneen ohjausjärjestelmä täyttää sille määritellyt turvallisuusvaatimukset. 4.5 Turvapiirin todentaminen Sistema-ohjelmistotyökalulla Käsittelen tässä kappaleessa esimerkkitapauksen turvapiirin todentamisesta edellisessä luvussa mainittujen ohjeiden mukaisesti. Esimerkki kattaa kolme eri tapaa lisätä komponentti laskentaan. Käytän esimerkkipiirinä valoverholla valvottua taajuusmuuttajaohjattua kuljetinta. Taajuusmuuttajassa turvapysäytyksen toteuttamiseen on käytetty turvapiirin ohjaamia turvatuloja (KUVIO 13).
42 36 KUVIO 13. Todennettavan turvatoiminnon toiminnallinen piirikaavio Ennen turvapiirin syöttämistä ohjelmistoon on syytä ladata laitevalmistajien komponenteistaan laatimat kirjastot ja avata ne ohjelmistoon. Kirjastot ovat ladattavissa ilmaiseksi ohjelmiston verkkosivujen kautta. Todentaminen aloitetaan perustamalla uusi projekti. Projektille perustetaan turvatoiminto ja nimetään se esimerkiksi Kuljettimen valvonta. Turvatoiminnolle määritellään riskien arvioinnilla saatu vaadittu suoritustaso. Ajatellaan sen olevan tässä esimerkissä PLd.
43 Valoverho Turvapiirissä (KUVIO 13) olevat komponentit B1.1 ja B1.2 on Omronin valmistama valoverho F3S-TGR-CL4, jossa on lähetin ja vastaanotin. Valmistaja ilmoittaa datalehdessään valoverhon täyttävän suoritustason PLe vaatimukset. Valoverhon lisääminen laskentaan tapahtuu perustamalla turvatoiminnolle uusi alajärjestelmä, joka nimetään välilehdellä Dokumentaatio nimellä Valoverho. Siirrytään välilehdelle PL, jossa määritellään komponentille suoraan suoritustaso PLe, koska valmistaja ilmoittaa datalehdessään sen täyttyvän (KUVIO 14). Muita muutoksia komponentille ei tarvitse tehdä, koska ohjelmiston automatiikka vaihtaa välilehdellä Luokka olevan luokan automaattisesti tasolle 4. KUVIO 14. Suoritustason määrittäminen suoraan komponentille
44 Turvarele Turvapiirissä (KUVIO 13) oleva komponentti K100 on Omronin valmistama turvarele G9SA-301. Laite löytyy suoraan Omronin laatimasta turvakomponenttien kirjastosta. Turvareleen lisääminen laskentaan tapahtuu lataamalla turvatoiminnolle kirjastosta uusi alajärjestelmä. Omronin turvakomponenttien kirjaston täytyy olla ladattuna tietokoneelle, ja se pitää lisätä ohjelmaan. Tämän jälkeen voidaan valita Omronin kirjastosta turvarele laitetunnuksella G9SA-301 ja ladata se turvatoimintoon (KU- VIO 15). Muita muutoksia ei tarvitse tehdä, koska valmistaja on määrittänyt laitteen arvot kirjaston komponenteille. KUVIO 15. Komponenttikirjastosta lisätty turvarele Turvakäyttöön hyväksytty rele Turvapiirissä (KUVIO 13) olevat komponentit K1 ja K2 ovat Omronin valmistamia G7SA turvakäyttöön hyväksyttyjä releitä. Komponentteja ei ole saatavissa valmis-
45 39 tajan kirjastosta, eikä niille ole määritelty niiden täyttämää suoritustasoa, joten komponentit on lisättävä manuaalisesti laskentaan. Valmistaja ilmoittaa komponenttien mekaaniseksi eliniäksi 10 miljoonaa käyttökertaa. Releiden lisääminen laskentaan aloitetaan lisäämällä uusi alajärjestelmä ja nimeämällä se G7SA-turvahyväksytyt releet. Nimeämisen jälkeen siirrytään lehdelle PL ja valitaan vaihtoehto Määritä PL/PFH Luokan, MTTFd- ja DCavg-arvojen avulla, koska releet täytyy lisätä manuaalisesti. Tämän jälkeen siirrytään välilehdelle Luokka, jossa määritellään alajärjestelmän luokaksi 4, koska turvapiiri on kahdennettu ja releiden avautuvat koskettimet kytketty turvareleen takaisinkytkentäpiiriin (KUVIO 16). Takaisinkytkennällä mahdolliset viat paljastuvat. KUVIO 16. Alajärjestelmän luokan valinta ja lisävaatimukset
46 40 Luokan 4 lisävaatimuksena on, että turvallisuuden perusperiaatteita ja hyvin koeteltuja turvallisuusperiaatteita on käytetty. Olen esittänyt nämä asiat kappaleessa Turvapiirin suunnittelu. Jos vaatimukset täytetään, ne voidaan valita täytetyksi yllä olevan kuvan mukaisesti. Lisäksi vaatimuksena on yksittäisen vian sieto ja se, että vikojen kerääntyminen ei saa johtaa turvatoiminnon menettämiseen. Kun turvapiirin valvontalaitteena on turvarele, viat havaitaan, joten niitä ei pääse kertymään. Piirin kahdennuksella saadaan aikaan yhden vian sieto, joten vaatimukset yksittäisestä viansiedosta ja vikojen kerääntymisestä tulevat täytetyiksi. Kun alajärjestelmän luokka 4 on valittu, ohjelmisto tekee piiristä automaattisesti kahdennetun. Koska releen arvot syötetään manuaalisesti ja piiri on kahdennettu, voidaan valita välilehdillä MTTFd ja DCavg valinnat Määritä arvo lohkojen avulla. Näiden valintojen jälkeen siirrytään välilehdelle CCF. Tällä välilehdellä täytyy määrittää toimet, jotka on tehty yhteisvikaantumisen välttämiseksi. Ohjelmassa on valmis kirjasto, josta löytyy standardin SFS-EN ISO mukainen luettelo toimintoja yhteisvikaantumisen välttämiseksi (KUVIO 17). Kirjastosta valitaan ne toimet, jotka on otettu huomioon suunnittelussa. Valituista toimenpiteistä pitää saada vähintään 65 pistettä, jotta vaatimukset yhteisvikaantumisen välttämisestä täyttyvät. Jos pistemäärä on arvioitu standardin taulukon mukaan, sen voi syöttää myös suoraan ohjelmaan.
47 41 KUVIO 17. Yhteisvikaantumisen välttämiseksi tehdyt toimet Seuraavaksi siirrytään välilehdelle Lohkot, valitaan Tuntematon lohko ja Muokkaa. Annetaan lohkolle nimi K1. Sen jälkeen siirrytään välilehdille MTTFd ja DC ja valitaan Määritä arvo elementin avulla, jonka jälkeen siirrytään välilehdelle Elementit. Tällä välilehdellä valitaan Tuntematon elementti (EL) ja valitaan Muokkaa. Annetaan elementille nimi K1 ja valitaan sen teknologiaksi Sähkömekaaninen. Siirrytään lehdelle MTTFd ja valitaan vaihtoehto Määritä MTTFd-arvo B10d-arvon avulla. Valmistaja antaa releen mekaaniseksi eliniäksi 10 miljoonaa kertaa. Mekaanista elinikää voidaan käyttää B10d-arvona, kun komponenttia kuormitetaan alle puolella sen nimellisvirrasta. Tämän releen kärjen virrankesto on kuusi ampeeria, joten turvatulokäytössä virta jää varmasti alle kolmen ampeerin. B10darvoksi voidaan syöttää 10 miljoonaa. Tämän jälkeen täytyy määrittää turvatoiminnon toimintakertojen määrä vuodessa. Se voidaan laskea ohjelmalla, kun tiedetään koneen käyttötunnit vuodessa ja arvio siitä, kuinka usein turvapysäytystä tarvitaan.
48 42 Kuvitellaan, että kuljetinta käytettäisiin koko vuoden ajan, kahdessa vuorossa, viisi päivää viikossa, ja turvatoiminto olisi tarpeen suorittaa kerran tunnissa. Tämä laskenta tekee yhteensä 260 päivää ja käyttöaika on 16 tuntia päivässä. Toimintakertojen laskentaikkuna voidaan täyttää kuvion 18 mukaisesti. KUVIO 18. Turvatoiminnon toimintakertojen määrän laskenta Määritetyillä arvoilla ohjelma laskee releen K1 MTTFd-arvon. Se kertoo releen vaarallisen vikaantumisen keskimääräisen ajan, jonka jälkeen se on vaihdettava (KUVIO 19). KUVIO 19. B10d-arvon avulla laskettu MTTFd-arvo
49 43 Lopuksi siirrytään välilehdelle DC ja määritellään elementin diagnostiikan kattavuus. Ohjelmassa on valmis kirjasto, josta löytyy standardin SFS-EN ISO mukainen luettelo diagnostiikan kattavuuden toimenpiteitä ja niiden arvoja. Arvo on mahdollista syöttää myös suoraan elementille. Koska releen K1 avautuva kosketin on kytketty turvareleen takaisinkytkentäpiiriin, voidaan diagnostiikan kattavuudeksi asettaa 99 %. Nyt turvahyväksytty rele K1 on lisätty ja määritetty kanavaan 1. Tämän jälkeen releen K2 määrittäminen kanavaan 2 on helppoa, koska releet ovat samanlaiset ja suorittavat samaa turvatoimintoa. Avataan ohjelmassa vasemmalla sijaitsevasta polusta Kanava 1 ja valitaan lohko K1. Kopioidaan lohko K1 kanavaan 2 ja nimetään lohko ja lohkon sisässä oleva elementti nimellä K2. Nyt kopioidut lohkot ovat määrityksiltään identtiset ja kaikki tarpeellinen releiden määrittämiseksi on tehty Taajuusmuuttaja Turvapiirissä (KUVIO 13) oleva komponentti U1 on Omronin valmistama taajuusmuuttaja MX2. Laitetta ei löydy valmistajan kirjastosta, mutta laitteen tuoteesitteessä ilmoitetaan sen täyttävän suoritustason PLd, kun turvatuloja ja laitteen takaisinkytkentää käytetään. Taajuusmuuttajan takaisinkytkentä näkyy kuviossa 13 koskettimena 11-CM2. Taajuusmuuttajan lisääminen tapahtuu samoin kuin valoverhonkin lisääminen. Turvatoiminnolle lisätään uusi alajärjestelmä, nimetään se MX2-taajuusmuuttajaksi ja ilmoitetaan sen täyttävän suoritustason PLd. Ohjelman automatiikka valitsee komponentin luokaksi automaattisesti luokan 4. Sitä voidaan käyttää, koska taajuusmuuttajan turvatuloissa on kahdennettu rakenne ja taajuusmuuttajan avautuva kosketin on kytketty turvareleen takaisinkytkentäpiiriin.
50 44 Kun kaikki turvapiirin laitteet on syötetty ohjelmaan lohkokaavion mukaisessa järjestyksessä valmistajan antamien arvojen mukaisesti, kaikki tarvittavat määritykset ovat valmiina. Tämän jälkeen laskentapolun tulisi näyttää kuvion 20 mukaiselta. Jos ohjelmalle ei ole syötetty kaikkia todennuslaskentaan tarvittavia tietoja, se ilmoittaa siitä komponenttikohtaisesti. Ohjelman oletuksena on, että todennettavan turvapiirin käyttöikä on 20 vuotta. Jos turvapiirissä on sellaisia komponentteja, jotka eivät täytä vaadittua käyttöikää, ohjelma ilmoittaa komponenttien vaihdon tarpeesta tietyn käyttöajan jälkeen. Kun laskenta on saatu suoritettua ja turvapiirille asetetut vaatimukset täytettyä, voidaan ohjelmasta tulostaa yksityiskohtainen raportti piirin vaatimustenmukaisuudesta (LIITE 7). KUVIO 20. Turvatoiminnon polku Sistema-ohjelmistossa
51 45 5 JOHTOPÄÄTÖKSET JA POHDINTA Työn tarkoituksena oli selvittää koneiden sähkölaitteistoja ja ohjausjärjestelmiä käsittelevien standardien vaatimuksia sähkösuunnittelijan näkökulmasta. Työ vaati paljon perehtymistä aihetta käsitteleviin standardeihin ja alan kirjallisuuteen. Koneturvallisuutta käsitteleviä standardeja ja kirjallisuutta on saatavilla paljon, joten ongelmana oli työn rajaaminen ja olennaisten asioiden käsittely. Tähän työhön on kerätty paljon keskeistä tietoa siitä, mitä koneen sähkösuunnittelijan tulee perussuunnittelutaitojen lisäksi tietää ohjausjärjestelmästä ja sen vaatimuksista. Luonnollisesti kirjallisuudessa ja standardeissa on paljon hyödyllistä lisätietoa, jota tässä työssä ei käsitellä. Tarkoituksena oli myös tutkia, millaisilla ohjausjärjestelmäratkaisuilla saavutetaan haluttu suoritustaso ja miten sen vaatimustenmukaisuus todennetaan. Suoritustason määräytymiseen vaikuttavia tekijöitä ovat ohjausjärjestelmän luokka, komponenttien vaarallinen keskimääräinen vikaantumisaika, diagnostiikan kattavuuden keskiarvo ja yhteisvikaantumisen välttämiseksi tehdyt toimet. Koska vaikuttavia tekijöitä on monia, suoritustason lopullinen todentaminen on syytä tehdä siihen suunnitellulla ohjelmistolla. Sistema-ohjelmisotyökalun käyttäminen on suositeltavaa turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän suunnittelussa. Ohjelmiston avulla voidaan määrittää ohjausjärjestelmän vaadittu suoritustaso ja selvittää suunnitellun ohjausjärjestelmän saavuttama suoritustaso, kun komponenttitiedot ja ohjausjärjestelmän rakenne ovat tiedossa. Ohjelmisto suorittaa vaativat matemaattiset todentamislaskelmat automaattisesti, joten laskuvirheiltä vältytään. Suunnittelijan on kuitenkin tunnettava ohjausjärjestelmää koskevan standardin SFS-EN ISO sisältö, jotta todennettavan ohjausjärjestelmän tiedot syötetään oikein laskentaan. Ohjelmistoon on saatavilla useilta laitevalmistajilta laajat komponenttikirjastot, joten tietojen syöttäminen ohjelmistoon onnistuu tehokkaasti.
52 46 LÄHTEET Apfeld, R., Hauke, M., Schaefer, M., Rempel, P., Ostermann, B The SISTEMA Cookbook 1. Sankt Augustin: Institute for Occupational Safety and Health of DGUV (IFA). Apex Automation Oy Www-dokumentti. Saatavissa: Luettu SFS-EN ISO Koneturvallisuus. Turvallisuuteen liittyvät ohjausjärjestelmien osat. Osa 1: Yleiset suunnitteluperiaatteet Helsinki: Suomen Standardisoimisliitto SFS. Standardien lainaukset on julkaistu Suomen Standardisoimisliito SFS ry:n luvalla. SFS-EN ISO Koneturvallisuus. Turvallisuuteen liittyvät ohjausjärjestelmien osat. Osa 2: Kelpuutus Helsinki: Suomen Standardisoimisliitto SFS. SFS-EN Koneiden sähkölaitteisto. Osa 1: Yleiset vaatimukset Helsinki: Suomen Standardisoimisliitto SFS. Siirilä, T AMSC-koneturvaseminaari Advancetec Oy. Vantaa Siirilä, T KONETURVALLISUUS Ohjausjärjestelmät ja turvalaitteet. 2. uudistettu painos. Keuruu: Inspecta Koulutus Oy. Siirilä, T., Kerttula, T KONETURVALLISUUDEN PERUSTEET. Keuruu: Opiks-Tiimi Oy. Sundcon Oy. Apex-SKT-koulutusmateriaali, Apex Automation Oy. Sundquist, M Ohjelmistotyökalun Sistema käyttö koneiden turvatoimintojen suunnittelussa. MetSta ry, verkkojulkaisut. Www-dokumentti. Saatavissa: pdf. Luettu Sundquist, M Koneiden ohjausjärjestelmien suunnittelutyökalu Sistema. Sesko. Www-dokumentti. Saatavissa: Luettu
53 LIITTEET LIITE 1. SFS-EN ISO Liite C LIITE 2. SFS-EN ISO Liite E LIITE 3. SFS-EN ISO Liite F LIITE 4. Mallipiirikaavio 1. Suoran moottorilähdön turvapysäytys kahta turvarelettä käyttäen LIITE 5. Mallipiirikaavio 2. Taajuusmuuttajalla ohjatun moottorin turvapysäytys turvalogiikkaa käyttäen LIITE 6. Mallipiirikaavio 3. Turvataajuusmuuttajan ja venttiileiden turvatoiminnon toteuttaminen turvalogiikkaa käyttäen LIITE 7. Sisteman raportti todennetusta turvatoiminnosta
54 LIITE 1/1
55 LIITE 1/2
56 LIITE 2/1
57 LIITE 2/2
58 LIITE 2/3
Toni Ojajärvi. KONETURVALLISUUS RIMOITUSKONEELLA UPM Kymmene OYJ Alholman saha
Toni Ojajärvi KONETURVALLISUUS RIMOITUSKONEELLA UPM Kymmene OYJ Alholman saha Opinnäytetyö CENTRIA AMMATTIKORKEAKOULU Kone ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Helmikuu 2015 TIIVISTELMÄ Yksikkö Kokkola-Pietarsaari
KÄYTTÖTAPARYHMÄ Toimintatilat
KÄYTTÖTAPARYHMÄ Toimintatilat 2 SISÄLLYSLUETTELO 1 OHJAUSJÄRJESTELMÄ JA SEN RAKENNE... 3 1.1 Hätäpysäytysvyöhyke... 3 1.2 Turvallisuusvyöhyke... 3 1.3 Käyttötaparyhmä... 6 2 TOIMINTATILAT... 6 2.1 Jännite
Rumpuhakkurin sähkösuunnittelu sekä turvallisuusmäärittely
Rumpuhakkurin sähkösuunnittelu sekä turvallisuusmäärittely Jukka Kovalainen Opinnäytetyö Maaliskuu 2017 Tekniikan ja liikenteen ala Insinööri (AMK), automaatiotekniikan tutkinto-ohjelma Kuvailulehti Tekijä(t)
1 (37) TURVALAITTEIDEN PASSIVOINNIN TURVALLINEN TOTEUTTAMINEN Kirjoittaja: Tapio Siirilä Julkaisupäivämäärä: 28.1.2014 METSTA, Metalliteollisuuden Standardisointiyhdistys ry Eteläranta 10, PL 10, 00131
Ilmanvaihtokoneen hätäpysäytys
Ilmanvaihtokoneen hätäpysäytys Samuli Tyrväinen Opinnäytetyö Toukokuu 2016 Tekniikan ja liikenteen ala Insinööri (AMK), automaatiotekniikan tutkinto-ohjelma Kuvailulehti Tekijä(t) Tyrväinen, Samuli Työn