יסודות מנעולי בטיחות

שמירה על בטיחות אנשי המפעל דורשת שהם יהיו מוגנים מפני סיכונים מכניים לפגיעה גופנית. תחום זה של הנדסת בטיחות נקרא הפחתת סיכונים תעשייתיים. חוקים מקומיים ותקני תעשייה מחייבים חוקית שציוד אוטומטי יכלול מאפייני בטיחות מכניים שונים כדי למנוע אתחול מסוכן של מכונות ולגרום לכיבוי בטוח אם יתעורר סיכון חדש לפגיעה באנשים. הבסיס למערכות בטיחות אלו הם גבולות מוגדרים היטב סביב המכונה - ואמצעי בטיחות או רכיבי הגנה על המכונה.

למרות שאמצעי בטיחות הוא מונח שמשתמשים בו כלאחר יד בספרות מסוימת, התקנים של ארגון התקינה הבינלאומי (ISO) ומספר הולך וגדל של ספקי רכיבי אוטומציה מייחסים לו הגדרה מאוד ספציפית. מקורות תעשייה בעלי-סמכות אלה מגבילים בדרך כלל את ההגנה לרכיבים ותתי-מערכות המקיפים מקטעי ציוד העלולים להיות מסוכנים עקב:

• בתי מתכת וגידור שרשרת או זכוכית
• פאנלי הזזה מזכוכית, דלתות ושערים מסתובבים
• וילונות אור וחיישנים
• רכיבי מחסום מיוחדים של תכנים אלקטרוניים או פיזיים אחרים
• מנעולי בטיחות (Interlock‏) - המוקד של מאמר זה

למרות שהפרימטרים של מכונות מאובטחות מורכבים לרוב מאלמנטים נייחים, המקטעים הנעים או הניתנים-לחדירה שהוזכרו (כולל מגני חלונות, וילונות ודלתות) יכולים לאפשר גישה למפעיל במקומות אסטרטגיים לצורך טיפול, כיוונון או שירות של המכונה. דרך נוחה לסווג את רכיבי הבטיחות הללו היא לקבץ אותם לפי האם מפעיל המכונה או אנשי מפעל אחרים יוצרים מגע פיזי ישיר עם אותו רכיב בטיחות (כמו עם וילונות אור, למשל) או אם חלק ביניים של תת-מקטע של מכונה יוצר מגע עם הרכיב. האחרון כולל מערך של מתגי בטיחות וחיישנים מופעלי-מכונה, כמו גם מנעולי בטיחות.

איור 1‏: על כל אחת מדלתות מכונה זו, ישנם מתגי גבול המוודאים את הסגירה לפני אפשור אתחול המכונה. (מקור תמונה: Getty Images‏)

אם כן, מה בדיוק הם מנעולי בטיחות (Interlock‏)? הם רכיבי בטיחות מכניים, חשמליים או אלקטרו-מכניים המהווים בטבעם מתג קירבה או מיקום. הם מותקנים תמיד על גבולות המכונה בשערים (ניתנים-לחדירה) נעים. שלא כמו וילונות בטיחות או מתגי מפעיל, מנעולי בטיחות אלה מופעלים על-ידי תנועה של מכונה נעה או מקטעים היקפיים. עם זאת, ליתר דיוק, מנעולי בטיחות יכולים להיות מופעלים על ידי מקטעים היקפיים מופעלים או כאלה שנפתחים ידנית. שמם נובע מהאופן שבו הם ננעלים תוך יצירת תלות-הדדית עם תנאי בקר בטיחות מותרים ומצבי שער היקפי... בין אם פתוח או סגור או משהו אחר. במילים אחרות, נעילות בטיחות מספקות משוב לבקרי בטיחות שבתורם מעוררים את מצב המכונה הנכון עבור סט נתון של מיקומי הגנת-מכונה.

תקנים המכתיבים הכללת מנעולי בטיחות

איור 2: מתגי מנעול בטיחות יכולים להתאים לכיווניות שונה. תקני בטיחות בינלאומיים מגדירים את הסיווגים של וריאציות נעילות כאלה. (מקור התמונה: Design World)

כיום, התכנון והשילוב של מנעולי בטיחות של יישומי אוטומציה תעשייתית חייבים לעמוד בחמישה תקנים מלאים - כולל Conformitè Europëenne (CE) Machinery Directive 2006/42/EC. ISO 12100 (והחלקים המאומצים של ISO 14119) מגדירים מנעולי בטיחות כהתקנים המונעים פעולות מסוכנות של מכונות כאשר השערים לאזור המוגן פתוחים. מנעולי הבטיחות הנקראים מנעולי הגנה או מתגי שער ננעלים הולכים צעד אחד קדימה וסוגרים שערים בכפוף לדרישות שלהם עצמם - כולל הדרישה שיהיה מנעול מילוט עבור טכנאים המוצאים עצמם נעולים בתוך תא עבודה מסוכן.

כמה מהתקנים מתייחסים למתג מיקום ליבה או לטכנולוגיית מתג קירבה בתוך הליבה של כל מנעול בטיחות. הם גם מתארים את הדרישות לאופן שבו מקטעי מגן של תאי-עבודה יופעלו אלקטרונית ברשת עם פקדי ציוד - בדרך כלל כדי לשלוח פקודות לכל התנועות העלולות להיות מסוכנות על מנת להאט או אפילו לעצור אותן.

כיוונון הזמן עבור עצירת מכונה

למנעולי הבטיחות האמינים ביותר יש מרווחי עצירת-ציר ספציפיים - המוגדרים כזמן שנדרש למכונה כדי להאט למצב בטוח לאחר שליחת פקודת עצירה. למעשה, מנעולי בטיחות מכוונים עבור מרווחי עצירה אלו כמו גם לזמן שבו יתכן שמפעיל מכונה יוכל להגיע לצירים מסוכנים לאחר שליחת פקודת עצירה. התקנות מנעולי בטיחות ממוטבות:

• ודאו שמצב בטוח מושג הרבה לפני שמפעיל יוכל לגעת או להתקרב לצירי מכונות מסוכנים.
• תמכו בשימוש יעיל במכונה על ידי הימנעות ממצבי נעילה ארוכים מדי.

למעשה, תקן ISO 12100 מפרט כיצד דלתות ופאנלים מוגני מנעולי בטיחות יכולים (עם סגירתם) להתניע מיד את חידוש פעולת המכונה. זאת בניגוד לעצירות חירום המחייבות רצפי התנעה-מחדש של מכונה מורכבים יותר. ההיגיון של תקנים כאלה הוא שהשימוש במנעולי בטיחות הוא שגרתי (כך שהוא לא אמור להפריע לפעילות היומיומית) אך השימוש בעצירות אלקטרוניות אינו שגרתי.

טכנולוגיית הליבה של מנעולי בטיחות

מכונות אוטומטיות חייבות לעמוד בדרישות הבטיחות הבינלאומיות סוג A‏, B‏ ולפעמים C‏. תקן הבטיחות הפונקציונלית ISO 12100-1 ותקני יסוד אחרים סוג A ישימים עבור כל ציוד האוטומציה. פקדים אלקטרוניים העומדים בתקן ISO 12100 יכולים לתת מענה למצבים הכרוכים בתחזוקה בלתי-נמנעת של מקור אנרגיה כלשהו - כלומר על ידי מניעת כל אתחול מכונה בלתי-צפוי. למטרה זו, עצירות אלקטרוניות אינן באף מקרה פתרונות מקובלים... אבל מנעולי בטיחות יכולים להיות.

תקני תחום הביניים סוג B כוללים תקני גישה-בטוחה B1 (כולל ISO‏ 13849-1 ו-62061) כמו גם דרישות ספציפיות למערכת בטוחה B2 (כולל ISO‏ 13850 ו-13851). בניגוד לכך, תקנים סוג C הם מאוד ספציפיים לסוגי המכונות, ולכן הם מחמירים במיוחד ומשמשים בעיקר יצרני OEM עבור תכנון ציוד חדש.

התקנים הספציפיים עבור מנעולי בטיחות הם ISO‏ 14118 ו-14119.

ISO 4118‏ מפרט דרכים למניעת אתחולי מכונה בלתי-צפויים (על ידי פיזור כוח מכני וניתוק הספקת-הכוח החשמלית) עם כניסת מפעיל לסביבת עבודה מסוכנת של מכונה. מערכות כאלה יכולות לנתק את הספקת-הכוח, לעצור מנועים, לשחרר מפעילי כוח נוזלים ולאפשר שחרור של כל האנרגיה הקינמטית שנותרה במקטעים הנעים של המכונה.

בניגוד לתקנים אחרים המוזכרים במאמר זה, ISO 14119‏ מכסה את הפרטים הנדרשים של מנעולי בטיחות על ידי:

• ייחוסים לטכניקות ניתוח סיכונים של תקני בטיחות אחרים.
• הגדרת מאפייני מנעולי בטיחות המונעים כשלי בטיחות בשוגג ובמכוון.

ISO 14119 מגדיר מנעולי בטיחות סוג 1 כמתגי מיקום באמצעות ציר מכני או הפעלת פיקה הניתנים לעקיפה בקלות. מגע הפעלה מתרחש בין חצאים ניתנים-להחלפה (לא-מקודדים). היתרונות של מנעולי בטיחות סוג 1 הם עלות נמוכה ויכולת הגדרת תצורה גבוהה.

מנעולי בטיחות סוג 2 (כפי שהוגדרו לראשונה על ידי DIN EN 1088) כוללים מתגי מיקום שהם פחות ניתנים לעקיפה המבוססים על הפעלה מכנית. החצאים הם לשונות מקודדות (מחוברות) או (עבור מנעולי מגני בטיחות) מפתחות כלואים. האחרונים מאלצים את המפעילים לנעול את כל המגנים לפני שהפקדים מאפשרים את אתחול המכונה ... והסרת המפתח אפשרית רק כאשר המגנים ננעלים. פקדי פרימטר משולבים-במלואם הולכים אפילו רחוק יותר ומאלצים את המפעילים להשתמש באותם המפתחות במתגי אתחול עם מפתח HMI המחזיקים את המפתח כלוא במהלך פעולת המכונה.

תקן ISO 14119 מסווג את כל מתגי הבטיחות ללא-מגע וללא הפעלה מקודדת כמנעולי בטיחות סוג 3. מנעולי הבטיחות הניתנים לעקיפה בקלות הרבה ביותר הם אלה המשתמשים בהפעלה אופטית, אולטרסונית או קיבולית; מעט פחות ניתנים לעקיפה הם מנעולי בטיחות מבוססי אינדוקציה ומגנטיות. כאשר יכולת עקיפה אינה קבילה, חייבים להשתמש במנעולי בטיחות סוג 4 המשתמשים בחצאי מפעיל בפעולה מותאמת או מקודדת ללא-מגע, בין אם מבוססים על RFID, מגנטית או טכנולוגיה אופטית.

השוואת מנעולי בטיחות עם חיישני בטיחות ומתגי פרימטר

איור 3: עצם סגירת מנעולי הבטיחות המגנים אינה מתניעה את האתחול-מחדש של תהליכי מכונה מסוכנים; במקומם, הכבוד הזה מגיע למנעול בטיחות נפרד עם בקרה כפולה או מתג התנעה כמו מתג אצבע קיבולי מגע-רך המוצג כאן. (מקור תמונה: Getty Images‏)

איור 4: בכמה מנעולי בטיחות בעלי יכולת כפולה יש מפעילים המתפקדים כמנעולי הגנה. אלו הם מתגי מיקום עם בריח או מכללים אלקטרומגנטיים היכולים לחסום דלתות עד שהזרוע הרובוטית או המכונה המוגנת מפסיקה את התנועה המסוכנת שלה. למרבה הצער, כמה מהנדסים מאמינים בטעות שכל מנעולי הבטיחות הם מסוג מנעול-מגן. (מקור התמונה: Omron)

מנעולי בטיחות חולקים קווי דמיון עם רכיבי משוב וחישה אחרים בדירוג בטיחות המבוססים על אותן טכנולוגיות ליבה. אך כדי להיות ברור, אף אחד מהרכיבים האחרים האלה אינו שייך לפרימטרי מכונה כמו מנעולי הבטיחות. בנוסף, תקני הבטיחות של ימינו מחייבים שמנעולי הבטיחות לא יתנו את האור הירוק לחידוש הפעולה ללא תהליך היפוך מתקן.

רכיבים המסופקים כחיישני בטיחות תעשייתיים מוודאים (לעיתים קרובות באמצעים אינדוקטיביים או פוטו-אלקטריים ללא-מגע) את מיקומי רכיב מכונה או חלק מעובד עבור בקרים כדי לשלוח פקודות על התגובות המתאימות לתנאים המדווחים. בניגוד לכך, מתגי בטיחות תעשייתיים מכבים ומדליקים את הספקת-הכוח כאשר מתגלה מיקום של אלמנט מכונה או חלק מעובד. לאחר וידוא מצבי ההדק, מתגים כאלה מפעילים ניתוק או חידוש הספקת-הכוח למקטע המכונה הקשור. אין זה מספיק להשתמש במתג קירבה רגיל בתור מנעול בטיחות. דרישות IEC 60947‏ תובעניות דורשות כעת שלרכיבים המשמשים כמנעולי בטיחות יהיו מאפיינים ספציפיים מאוד הקשורים לבטיחות כדי למנוע תקלות וכשלים אחרים.

כמו כן במערכות בטיחות קיימים ממסרים המפעילים או מנתקים ישירות מגעים חשמליים - בסידורים הנפוצים ביותר, מתקשרים למעשה באמצעות מתח פקודה נמוך קדימה כדי בסופו של דבר לעורר זרם גדול יותר דרך מגעי הכוח שעליהם הוא מופקד. נדון בשתי פונקציות נפוצות שמנעולי בטיחות הופכים לתלויות-הדדית: פתיחה של דלת מגן וציר נדחף-מנוע על גבי מכונת עיבוד שבבי. התלות-ההדדית בין שתי פונקציות אלו תמנע מתחנת העיבוד להזיק לתתי-המערכות שלה עצמה או לפצוע את המפעיל. בהקשר זה, מנעולי בטיחות מתפקדים כמתגים ברצף התפעול.

נדירים ביותר הם מנעולי בטיחות משולבים מכנית עם זרועות המסתובבות על ציר כדי לנעול צירי מכונה מסוכנים. נפוצים הרבה יותר הם מנעולי בטיחות אלקטרומכניים ואלקטרוניים המשתמשים במעגלים ומיקרו-מעבדים באופן יעיל וחסכוני לטובת האמינות, והם אפילו ניתנים לשינוי תצורה. לדוגמה, מנעולי בטיחות אלקטרומכניים על ציר בדלתות הפרימטר כוללים מפרק או זרוע מנוף הנפתח עם המגן על ציר; מעבר לזווית המיתוג המוגדרת מופעלות פקודות לעצירת המכונה המוקפת בפרימטר. עם הסגירה מחדש של הדלת, כוח הדלת גורם לסולנואיד של המנעול לסגור מחדש את המעגל.

סוגי חיווט וסולנואידים טיפוסיים במנעולי בטיחות

איור 5: אפשרויות חיבוריות חדשניות רק שיפרו את האמינות של התקנות רבות-מגנים בשנים האחרונות. כאן, מודול ממשק מחובר באמצעות רשתות מתאמי T לרכיבי בטיחות אחרים. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

מנעולי בטיחות מחווטים לרוב עבור לוגיקת סגור-במצב-רגיל או NC כדי לאפשר למכונות לפעול רק אם המעגל סגור. מרבית תקני הבטיחות דורשים שרכיבי מעגל הבטיחות יתחברו בטור כדי לגלות אירועים ושגיאות באמינות מקסימלית (עד לסך כולל מותר של חיישנים). מעל למספר חיישנים זה רמת הביצועים (PL) של התכן עלולה להיפגע ולהגדיל את הסבירות של מיסוך תקלות.

מנעולי בטיחות המשתמשים במתג NC אחד קפיצי (בין אם עבור מיקום או גבול) מספקים בדרך כלל ניתוק חיובי - כך שפתיחת המגן לוחצת על קפיץ מנעול הבטיחות כדי להפריד בין המגעים החשמליים שלו. בניגוד לכך, מנעולי בטיחות אמינים יותר הם עם מתגים-תאומים המשתמשים במתג אחד להפעלה עם פתיחת המגן ובמתג אחר עם מגעים חשמליים פתוחים עם סגירת המגן. דיווח-עצמי אלקטרוני של קצרים (בדרך כלל על ידי ניטור הפרש הפוטנציאל בין שני ערוצי כניסה) הוא מאפיין משלים לגילוי ניתוק חוטים עקב חיתוך, קורוזיה או התחממות-יתר.

האמינות של פעולת סולנואיד בוכנה וסליל הופכת רכיבי בטיחות מבוססי סולנואיד למתאימים עבור יישומי מנעולי בטיחות קריטיים. כניסה חשמלית גורמת בדרך כלל ליציאת בוכנה ליניארית (עם החזרה קפיצית עם כיבוי הספקת-הכוח). כשהם משולבים בתוך מנעולי בטיחות מגנים ומסוג Deadbolt, סולנואידים הם מקור הכניסה עבור מנגנוני הנעילה. תכנים אחרים המבוססים על סולנואידים יכולים גם להבטיח פעולה מכנית נכונה - למשל, כדי להבטיח תנועה עקבית של המסוע אפילו כאשר מטפלים בידית ציוד או מעבדים חלקים הנמצאים על המשטח הנע שלו. יתירויות מבוססות-סולנואידים (עם מתגים מחווטים בטור ודו-קוטביים עבור וידוא המיקום) יכולות למזער איתותי מנעול בטיחות לא-תקינים.

סיכום

מנעולי בטיחות (Interlocks‏) גורמים לסטטוס הפרימטר של המכונה להיות בתלות-הדדית עם פקדי הבטיחות. למעשה, המשוב לפקדים אלה ממנעולי הבטיחות של היום יכול לעורר תגובות מכונה מתוחכמות במיוחד בהתאם למיקומים השונים של שערי המכונה. מנעולי הבטיחות המתקדמים ביותר יכולים למלא משימות מיחשוב קצה אל-כשל, IIoT ומשימות אמינות מעבר ליכולות של מתגים וחיישנים תעשייתיים מסורתיים. האזהרה החשובה היא שמנעולי בטיחות מגנים לא צריכים להיות מסורבלים עבור מפעילי המכונות. פונקציות אוטומטיות ופתיחות נעילה מותנות בדלתות המגן הנפוצות ביותר יכולות לשפר את הפונקציונליות עם הקטנה למינימום של תקלות שלא התגלו.