Системы безопасности станков с ЧПУ
Таблицы
| Категория безопасности | Определение категории | Основные стандарты | Требуемая надежность | Вероятность опасного отказа (PFH) | Диагностическое покрытие | Допустимый риск |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PLa (EN ISO 13849-1) | Базовый уровень защиты | EN ISO 13849-1, IEC 62061 | Низкая | ≥ 10-5 до < 10-4 | Отсутствует | Незначительный |
| PLb (EN ISO 13849-1) | Средне-низкий уровень защиты | EN ISO 13849-1, IEC 62061 | Средне-низкая | ≥ 3 × 10-6 до < 10-5 | Низкое (60%) | Низкий |
| PLc (EN ISO 13849-1) / SIL 1 (IEC 61508) | Средний уровень защиты | EN ISO 13849-1, IEC 61508, IEC 62061 | Средняя | ≥ 10-6 до < 3 × 10-6 | Среднее (90%) | Средний |
| PLd (EN ISO 13849-1) / SIL 2 (IEC 61508) | Высокий уровень защиты | EN ISO 13849-1, IEC 61508, IEC 62061 | Высокая | ≥ 10-7 до < 10-6 | Высокое (99%) | Высокий |
| PLe (EN ISO 13849-1) / SIL 3 (IEC 61508) | Наивысший уровень защиты | EN ISO 13849-1, IEC 61508, IEC 62061 | Очень высокая | ≥ 10-8 до < 10-7 | Очень высокое (>99%) | Критический |
| SIL 4 (IEC 61508) | Высочайший уровень защиты (для критических систем) | IEC 61508 | Исключительная | < 10-8 | Полное | Катастрофический |
| Тип устройства | Принцип работы | Время срабатывания | Защитная дистанция | Категория безопасности | Надежность (MTTF) |
|---|---|---|---|---|---|
| Световые барьеры | Инфракрасные лучи обнаруживают пересечение защитной зоны | ≤ 30 мс | От 0,2 до 40 м | До PLe / SIL 3 | > 20 лет |
| Лазерные сканеры | Сканирование зоны лазерным лучом с обнаружением препятствий | 60-120 мс | До 7 м (программируемая зона) | До PLd / SIL 2 | 15-20 лет |
| Защитные ограждения с блокировкой | Механические барьеры с электронными блокировками | 50-200 мс | Физический барьер | До PLe / SIL 3 | > 25 лет |
| Коврики безопасности | Обнаружение давления через замыкание контактов | 30-50 мс | Площадь покрытия | До PLd / SIL 2 | 8-12 лет |
| Устройства двуручного управления | Требуется одновременное нажатие двух кнопок | ≤ 10 мс | Не применимо | До PLe / SIL 3 | > 20 лет |
| Аварийные выключатели | Прямое отключение питания | ≤ 10 мс | Не применимо | До PLe / SIL 3 | > 25 лет |
| Системы контроля скорости | Мониторинг и ограничение скорости движения оборудования | 100-500 мс | Не применимо | До PLe / SIL 3 | 15-20 лет |
| Функция безопасности | Реализация | Время реакции | Категория безопасности | Интеграция в систему управления | Сертификация |
|---|---|---|---|---|---|
| Аварийная остановка (E-Stop) | Аппаратная, с использованием реле безопасности | ≤ 10 мс | PLe / SIL 3 | Прямое подключение к силовым цепям | EN ISO 13850, IEC 60204-1 |
| Безопасное ограничение скорости (SLS) | Программно-аппаратная через модули безопасности | 100-200 мс | PLd / SIL 2 | Интеграция с приводами через модули безопасности | EN 61800-5-2 |
| Безопасный останов (SS1/SS2) | Программная с аппаратным контролем | ≤ 50 мс | PLd / SIL 2 | Через приводы с функциями безопасности | EN 61800-5-2 |
| Контроль безопасного положения (SLP) | Программная с дублированием датчиков | 60-100 мс | PLd / SIL 2 | Через ЧПУ с модулями безопасности | EN 61800-5-2 |
| Безопасное направление вращения (SDI) | Программно-аппаратная через модули безопасности | 50-100 мс | PLc / SIL 1 | Через приводы с функциями безопасности | EN 61800-5-2 |
| Безопасный режим наладки | Комбинированная (аппаратная и программная) | 100-300 мс | PLd / SIL 2 | Специальные режимы ЧПУ и контроллеров | EN ISO 16090-1 |
| Мониторинг безопасной зоны | Через внешние датчики с логическими модулями | 150-300 мс | PLd / SIL 2 | Через шлюзы безопасности или прямое подключение | EN ISO 13855 |
| Тип системы | Совместимость с системами управления | Аппаратная/программная реализация | Диагностические возможности | Влияние на производительность | Требования к обслуживанию | Стоимость внедрения | Стоимость владения |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Релейные системы безопасности | Универсальная | Полностью аппаратная | Ограниченные | Минимальное | Периодическая проверка контактов (раз в 12 месяцев) | Низкая (3-5 тыс. €) | Низкая (0,5-1 тыс. € в год) |
| Модульные системы безопасности | Хорошая для большинства ЧПУ | Комбинированная | Средние | Низкое | Проверка каждые 6 месяцев | Средняя (5-15 тыс. €) | Средняя (1-2 тыс. € в год) |
| Программируемые контроллеры безопасности | Высокая для современных ЧПУ | Комбинированная с преобладанием программных решений | Расширенные | Среднее | Проверка каждые 3-6 месяцев, обновление ПО | Высокая (15-30 тыс. €) | Средняя (2-4 тыс. € в год) |
| Интегрированные системы безопасности ЧПУ | Только для совместимых систем ЧПУ | Преимущественно программная с аппаратной избыточностью | Полные | Низкое | Проверка каждые 6 месяцев, обновление ПО | Очень высокая (20-50 тыс. €) | Высокая (3-5 тыс. € в год) |
| Распределенные системы безопасности | Высокая, требует интеграции по промышленной сети | Комбинированная распределенная | Расширенные с удаленным доступом | Низкое при правильной настройке | Мониторинг параметров, проверка каждые 3 месяца | Очень высокая (30-60 тыс. €) | Высокая (4-6 тыс. € в год) |
1. Введение в системы безопасности станков с ЧПУ
Современное производство невозможно представить без использования станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Эти высокотехнологичные системы значительно повышают эффективность, точность и гибкость производственных процессов. Однако вместе с преимуществами автоматизации возникают и новые риски безопасности, связанные с высокими скоростями перемещения механизмов, большими усилиями обработки и автоматизированным характером работы.
Системы безопасности станков с ЧПУ представляют собой комплекс технических средств и мер, направленных на предотвращение травм персонала, повреждения оборудования и аварийных ситуаций. По статистике Международной организации труда, около 25% всех несчастных случаев на производстве связаны с механическим оборудованием, при этом среди станочного оборудования наибольшую опасность представляют именно станки с ЧПУ из-за непредсказуемости для оператора их автоматизированных движений.
На одном из металлообрабатывающих предприятий в 2023 году произошел несчастный случай, когда оператор фрезерного станка с ЧПУ получил серьезную травму руки. Анализ инцидента показал, что авария произошла из-за отсутствия системы контроля безопасной зоны и светового барьера, которые могли бы остановить движение фрезы при приближении оператора к опасной зоне. После внедрения этих систем и перехода на уровень безопасности PLd по EN ISO 13849-1 на предприятии не зафиксировано ни одного подобного случая.
2. Стандарты и нормативы безопасности
Системы безопасности станков с ЧПУ строго регламентируются международными и национальными стандартами, которые устанавливают минимальные требования к защите персонала и оборудования. Основными нормативными документами в данной области являются:
- EN ISO 13849-1 - определяет уровни производительности (Performance Level, PL) систем безопасности от PLa до PLe;
- IEC 61508 - устанавливает уровни полноты безопасности (Safety Integrity Level, SIL) от SIL 1 до SIL 4;
- EN ISO 12100 - определяет общие принципы конструирования безопасного оборудования;
- IEC 62061 - устанавливает требования к электрическим системам безопасности;
- EN ISO 16090-1 - регламентирует безопасность фрезерных станков с ЧПУ;
- EN ISO 23125 - определяет требования к токарным станкам с ЧПУ.
Выбор конкретного уровня безопасности (PL или SIL) осуществляется на основе оценки рисков в соответствии с EN ISO 12100. Эта оценка учитывает тяжесть возможных травм, частоту и длительность воздействия опасности, вероятность возникновения опасного события и возможность его предотвращения.
3. Категории безопасности и управление рисками
Как показано в Таблице 1, категории безопасности PLa-PLe и SIL 1-4 определяют различные уровни защиты в зависимости от потенциальных рисков. Важно понимать методологию определения необходимого уровня защиты для конкретного оборудования.
Процесс определения требуемого уровня безопасности включает следующие этапы:
- Идентификация опасностей, связанных с работой станка;
- Оценка рисков для каждой опасности по параметрам тяжести, вероятности и длительности воздействия;
- Определение требуемого уровня снижения риска;
- Выбор категории безопасности (PL или SIL);
- Проектирование и внедрение соответствующих систем безопасности;
- Валидация систем безопасности.
Важно: При определении вероятности опасного отказа (PFH) необходимо учитывать не только электронные компоненты, но и механические элементы системы безопасности. Для расчета PFH используется формула:
PFH = λD × (1 - DC),
где λD - интенсивность опасных отказов, а DC - диагностическое покрытие.
Например, для системы безопасности уровня PLd с λD = 10-5 и DC = 90% получаем:
PFH = 10-5 × (1 - 0,9) = 10-6, что соответствует требованиям PLd.
4. Защитные устройства для станков с ЧПУ
Как видно из Таблицы 2, современные станки с ЧПУ оснащаются различными типами защитных устройств, каждое из которых имеет свои преимущества и ограничения. Выбор оптимального комплекса защитных устройств зависит от типа станка, технологического процесса и уровня требуемой безопасности.
Световые барьеры обеспечивают гибкий доступ к рабочей зоне при сохранении высокого уровня безопасности. Принцип их работы основан на создании невидимой "световой завесы" с помощью инфракрасных лучей. При пересечении этой завесы система безопасности немедленно останавливает опасные движения станка.
Расчет минимального безопасного расстояния для установки световых барьеров производится по формуле:
S = K × T + C,
где S - минимальное расстояние (мм), K - скорость движения тела человека (обычно принимается 1600 мм/с), T - общее время остановки системы (с), C - дополнительное расстояние (мм), зависящее от разрешения световой завесы.
Для фрезерного станка с ЧПУ с временем остановки T = 0,2 с и световым барьером с разрешением 30 мм (C = 128 мм) безопасное расстояние составит:
S = 1600 × 0,2 + 128 = 448 мм
Таким образом, световой барьер должен быть установлен на расстоянии не менее 448 мм от опасной зоны.
Защитные ограждения с блокировкой представляют собой физические барьеры, дополненные датчиками положения, которые интегрированы в систему безопасности станка. Они обеспечивают надежную защиту, но могут ограничивать доступ к рабочей зоне и увеличивать время наладки.
Современные защитные ограждения могут быть оснащены электронными замками с различными функциями:
- Простая блокировка (тип 1) - контролирует положение ограждения;
- Блокировка с фиксацией (тип 2) - предотвращает открытие ограждения до полной остановки опасных движений;
- Блокировка с фиксацией и мониторингом скорости (тип 3) - позволяет открыть ограждение только после снижения скорости до безопасного уровня.
5. Функции безопасности в системах ЧПУ
Как показано в Таблице 3, современные станки с ЧПУ оснащаются множеством встроенных функций безопасности, которые реализуются как на аппаратном, так и на программном уровнях.
Аварийная остановка (E-Stop) является основной и наиболее простой функцией безопасности. Согласно EN ISO 13850, система аварийной остановки должна иметь наивысший приоритет перед всеми другими функциями и режимами работы, а также быть доступной с любой рабочей позиции.
Безопасное ограничение скорости (SLS) позволяет контролировать скорость перемещения осей станка, не допуская превышения предварительно заданных безопасных значений. Эта функция особенно важна в режиме наладки, когда оператор может находиться в непосредственной близости от движущихся частей станка.
Функция безопасного останова (SS1/SS2) обеспечивает контролируемое замедление и остановку приводов с последующим переходом в безопасное состояние. Различают два типа безопасного останова:
- SS1 (Safe Stop 1) - контролируемое замедление с последующим отключением питания приводов;
- SS2 (Safe Stop 2) - контролируемое замедление с последующим удержанием позиции под контролем.
Необходимо учитывать время реакции каждой функции безопасности при расчете общего времени остановки системы. Например, для расчета общего времени остановки фрезерного станка с ЧПУ при срабатывании светового барьера нужно учесть:
Tобщ = Tобнаружения + Tобработки + Tреакции привода + Tмеханической остановки
Где:
Tобнаружения = 30 мс (время обнаружения светового барьера)
Tобработки = 10 мс (время обработки сигнала контроллером безопасности)
Tреакции привода = 50 мс (время реакции привода)
Tмеханической остановки = 110 мс (время механической остановки)
Tобщ = 30 + 10 + 50 + 110 = 200 мс
6. Интеграция систем безопасности
Как представлено в Таблице 4, существует несколько подходов к интеграции систем безопасности в станки с ЧПУ. Выбор конкретного решения зависит от требуемого уровня безопасности, сложности системы управления и экономических факторов.
Релейные системы безопасности являются наиболее простыми и надежными, но обладают ограниченной функциональностью. Они подходят для простых станков с ЧПУ и для реализации базовых функций безопасности, таких как аварийная остановка.
Программируемые контроллеры безопасности (Safety PLC) обеспечивают наибольшую гибкость и функциональность, но требуют значительных затрат на внедрение и обслуживание. Они позволяют реализовать сложные функции безопасности, такие как безопасное ограничение скорости и контроль безопасного положения.
При выборе между различными вариантами интеграции необходимо учитывать не только начальные затраты, но и стоимость владения на протяжении всего жизненного цикла оборудования. Как видно из Таблицы 4, более дорогие решения часто имеют более высокую стоимость владения из-за необходимости периодического обслуживания и обновления программного обеспечения.
Компания, производящая авиационные детали, при модернизации парка фрезерных станков с ЧПУ сравнила два варианта интеграции систем безопасности:
1. Модульная система безопасности: начальные затраты 12 тыс. € на станок, ежегодные затраты на обслуживание 1,5 тыс. €.
2. Интегрированная система безопасности ЧПУ: начальные затраты 35 тыс. € на станок, ежегодные затраты на обслуживание 4 тыс. €.
Расчет на 10 лет эксплуатации показал, что общая стоимость владения для первого варианта составит 27 тыс. €, а для второго - 75 тыс. €. Однако интегрированная система обеспечивала дополнительные возможности по диагностике и предотвращению аварийных ситуаций, что, по оценкам компании, позволяло сократить производственные потери на 8 тыс. € ежегодно. С учетом этого фактора выбор был сделан в пользу интегрированной системы безопасности.
7. Будущее систем безопасности станков с ЧПУ
Развитие технологий Индустрии 4.0 и Интернета вещей (IoT) открывает новые возможности для систем безопасности станков с ЧПУ. Современные тенденции включают:
- Предиктивный анализ безопасности - системы, использующие алгоритмы машинного обучения для прогнозирования потенциальных аварийных ситуаций на основе анализа данных о работе оборудования;
- Адаптивные системы безопасности - системы, которые автоматически подстраивают параметры защиты в зависимости от текущего режима работы и условий окружающей среды;
- Интеграция с системами дополненной реальности - использование AR для визуализации опасных зон и оповещения операторов о потенциальных рисках;
- Коллаборативные функции безопасности - системы, обеспечивающие безопасное взаимодействие человека и станка в общей рабочей зоне.
По данным исследования рынка систем безопасности для промышленного оборудования, проведенного компанией MarketsAndMarkets, к 2026 году объем данного рынка достигнет 15,8 млрд долларов США, при этом среднегодовой темп роста составит 8,2%. Основными драйверами роста являются ужесточение нормативных требований к безопасности, растущая автоматизация производства и повышение осведомленности о важности систем безопасности.
Источники:
- EN ISO 13849-1:2015 "Безопасность оборудования. Элементы систем управления, связанные с безопасностью. Часть 1: Общие принципы проектирования".
- IEC 61508:2010 "Функциональная безопасность электрических/электронных/программируемых электронных систем, связанных с безопасностью".
- EN ISO 12100:2010 "Безопасность машин. Общие принципы проектирования. Оценка рисков и снижение рисков".
- Отчет Международной организации труда "Безопасность и здоровье при использовании производственного оборудования", 2023 год.
- Технические руководства производителей систем безопасности для промышленного оборудования (Pilz, Siemens, Omron, Sick).
- Исследование рынка систем безопасности промышленного оборудования, MarketsAndMarkets, 2023 год.
- Европейский комитет по стандартизации (CEN), Технический комитет TC 114 "Безопасность машин и оборудования".
Отказ от ответственности:
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для информирования специалистов в области промышленной безопасности и автоматизации производства. Информация, содержащаяся в статье, не заменяет профессиональную консультацию и не может служить основанием для принятия решений по обеспечению безопасности конкретного оборудования. При разработке и внедрении систем безопасности необходимо строго следовать требованиям применимых стандартов и нормативных документов, а также руководствам производителей оборудования. Автор не несет ответственности за любые убытки или ущерб, возникшие в результате использования информации из данной статьи.
© 2025. Все данные в статье актуальны на момент публикации.
