Europejscy producenci i użytkownicy maszyn są prawnie zobowiązani do zapewnienia ochrony ludzi i środowiska. Maszyny wprowadzane do sprzedaży muszą być bezpieczne niezależnie od tego, czy są stare czy nowe. Podstawowe wymagania w tym zakresie opisano w odpowiednich dyrektywach europejskich, np. dyrektywie maszynowej 2006/42/WE.

Zadaniem systemów bezpieczeństwa jest utrzymanie potencjalnego zagrożenia dla ludzi i środowiska na możliwie najniższym poziomie za pomocą odpowiedniego projektu i wyposażenia technicznego, bez negatywnego wpływu na wydajność. Wymaga to poprawnego działania części sterowania związanych z bezpieczeństwem oraz urządzeń sterowniczych.

System bezpieczeństwa maszyn

W systemie bezpieczeństwa wyróżnić można trzy podstawowe grupy urządzeń: urządzenia wejściowe (aktywatory bezpieczeństwa, tj. wyłączniki awaryjne, kurtyny, skanery, bariery świetlne, czujniki, rygle, zamki, klamki, przyciski sterowania oburęcznego itp.), urządzenia wyjściowe (elektroniczne lub elektromechaniczne przekaźniki, styczniki i cewki zaworów) oraz urządzenia logiczne (układy przetwarzające informacje z urządzeń wejściowych i nimi sterujące, np. sterownik PLC, przekaźnik bezpieczeństwa).

Najważniejszą i najbardziej skomplikowaną grupę stanowią urządzenia logiczne. To właśnie one przyjmują i przetwarzają informacje dostarczane z urządzeń wejściowych, potwierdzają stan bezpieczny i ostatecznie sterują urządzeniami wyjściowymi, a w razie wystąpienia zagrożenia powodują przejście maszyny w tryb bezpieczny lub jej wyłączenie.

Przekaźniki bezpieczeństwa

Bardzo ważnym elementem w zapewnieniu ogólnego bezpieczeństwa maszyn i urządzeń są przekaźniki bezpieczeństwa. To właśnie ich zadaniem jest odłączenie zasilania w przypadku wystąpienia stanu zagrażającego zdrowiu lub życiu pracownika bądź możliwości uszkodzenia elementów wchodzących w skład maszyny.

Obwody odpowiedzialne za bezpieczeństwo montowane są w maszynach od dawna – pierwotnie stosowano tu pojedynczy stycznik elektromechaniczny, w którego obwód zasilania wpinano zazwyczaj jeden aktywator bezpieczeństwa, np. przycisk stopu awaryjnego lub zamek bezpieczeństwa. Jednak w przypadku uszkodzenia stycznika, np. sklejenia się jego styków, bezpieczeństwo maszyny nie było już zapewnione, a ona nadal mogła pracować. Aby to zmienić, do istniejącego stycznika równolegle podłączano drugi, a napięcie sterujące elementami wykonawczymi doprowadzano szeregowo poprzez styki obwodów styczników. Takie rozwiązanie znacznie zwiększyło poziom bezpieczeństwa, ale wciąż niedostatecznie, ponieważ nadal brakowało funkcji kontroli stanu uszkodzeń komponentów wchodzących w skład obwodu bezpieczeństwa.

Współcześnie budowane urządzenia zawierają mikroprocesory, które mogą realizować zadania zwiększające poziom bezpieczeństwa. Wciąż używana nazwa „przekaźnik bezpieczeństwa” jest już w zasadzie nieaktualna – nie jest to już bowiem zwykły przekaźnik, ale urządzenie elektroniczne wyposażone w co najmniej dwa przekaźniki i układ mikroprocesorowy, który umożliwia monitorowanie stanu urządzeń wejściowych i wyjściowych. Takie urządzenie logiczne po załączeniu zasilania wykonuje test elementów wejściowych. Jeśli wykazuje on osiągnięcie stanu bezpiecznego (zamknięte obwody urządzeń wejściowych), urządzenie sprawdza elementy wyjściowe. W przypadku gdy ich stan jest prawidłowy, urządzenie oczekuje na sygnał zresetowania, aby aktywować urządzenia wyjściowe. Kontrola dodatkowych obwodów zapewnia prawidłowe działanie funkcji zapewnienia bezpieczeństwa dzięki monitorowaniu takich wielkości jak: zwarcia międzykanałowe, czas przełączania styków między jednym i drugim kanałem, ciągłość obwodu podłączonego do wyjść układu logicznego.

Funkcje ochronne

Niezawodność całego systemu bezpieczeństwa zależy również od rodzaju i jakości użytych urządzeń wejściowych i wyjściowych oraz od tego, w jaki sposób zestawiono je z urządzeniem logicznym. Funkcja ochronna takiego systemu może polegać na:

- nadzorze nad zatrzymaniem natychmiastowym – w takim wypadku urządzeniem wejściowym najczęściej jest wyłącznik stopu awaryjnego;

- kontroli dostępu do niebezpiecznej strefy (ochrona osób i mienia) – jako urządzenia wejściowe stosuje się tu zamki i rygle bezpieczeństwa, kurtyny i skanery, maty czułe na nacisk, urządzenia zezwalające; do tej grupy zalicza się również urządzenia RFID z wbudowanym przekaźnikiem bezpieczeństwa, czytające nośniki danych z zapisanymi uprawnieniami dostępu;

- kontroli i ograniczeniu prędkości elementów wirujących oraz ruchomych – spektrum urządzeń wejścia jest tu duże, najczęściej stosuje się czujniki monitorujące częstotliwość wirowania lub napięcie resztkowe na zaciskach silnika bądź też przyciski trzymane przez operatora lub skanery bezpieczeństwa spowalniające ruchy maszyny bez jej zatrzymywania;

- kontroli granic bezpieczeństwa, np. ruchu ramienia robota – tu zastosowanie znajdują skanery bezpieczeństwa, w których zdefiniowany jest obszar pracy uznany za bezpieczny.

Obok urządzeń jednofunkcyjnych dostępne są też wielofunkcyjne, które mogą z powodzeniem zastąpić wiele podstawowych przekaźników jednofunkcyjnych lub odpowiednio sprofilowanych pod kątem bezpieczeństwa sterowników PLC. Zazwyczaj umożliwiają one monitorowanie do trzech różnych funkcji bezpieczeństwa, np. oprócz klasycznych funkcji zatrzymania awaryjnego i blokady drzwi mogą monitorować też bariery świetlne, wyłączniki magnetyczne lub drzwi bezpieczeństwa.

Przekaźniki programowalne

Bardziej rozbudowane funkcje można realizować za pomocą programowalnych przekaźników bezpieczeństwa, które mogą zastąpić kilka lub nawet kilkanaście przekaźników konwencjonalnych. W standardowych instalacjach do każdego urządzenia kontrolującego wykorzystuje się osobny przekaźnik, gdy jednak instalacja jest rozbudowana i trzeba zastosować wiele urządzeń zabezpieczających, połączenie każdego z osobnym przekaźnikiem wymagałoby sporo miejsca w szafie sterowniczej i wielu kabli. W takich sytuacjach idealnym rozwiązaniem są programowalne przekaźniki bezpieczeństwa. Do sterowania procesami wykorzystuje się w nich program sterujący wprowadzony do pamięci przekaźnika, który w dowolnym czasie można korygować lub zmieniać bez przebudowy układów peryferyjnych. Przekaźniki te zwane są też inteligentnymi, logicznymi lub ministerownikami.

Standardowy przekaźnik programowalny składa się z trzech podstawowych komponentów: modułów wejściowych, jednostki centralnej i modułów wyjściowych. W skład modułów wejściowych wchodzą cyfrowe i analogowe wejścia, do których podłącza się sygnały z czujników, styków, nadajników itp., aby na ich podstawie realizować wprowadzony program. Jednostka centralna zajmuje się wykonaniem zapisanego w pamięci algorytmu sterowania na podstawie danych odczytanych przez moduły wejściowe. Wyniki obliczeń w postaci sygnałów sterujących są następnie przesyłane do modułów wyjściowych, których zadaniem jest przekazanie ich do odpowiednich urządzeń wykonawczych podłączonych do wyjść przekaźnika.

Przekaźniki programowalne są zwykle wyposażone w wyjścia cyfrowe, a niektóre dodatkowo też w analogowe. Większość ma wbudowane wyświetlacz i klawiaturę, które umożliwiają szybką modyfikację programu sterującego. Programowanie może odbywać się też z poziomu komputera za pomocą odpowiedniego oprogramowania.