Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible

+’9 cx Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Máster Máster en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Leonardo Antonio Solís Cordova Tutor: Dr. Luis Fernando Castaño Castaño Sevilla, 2018 iii Proyecto Fin de Máster Máster en Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Autor: Leonardo Antonio Solís Córdova Tutor: Dr. Luis Fernando Castaño Castaño Dep. de Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 v Proyecto Fin de Máster: Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Autor: Leonardo Antonio Solís Córdova Tutor: Luis Fernando Castaño Castaño El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 El Secretario del Tribunal vii A mi familia, Mercedes, Miguel, Ruth y Álvaro. ix Agradecimientos Quisiera agradecer a todas aquellas personas que de una otra manera siempre me han estado a mi lado no solo en los buenos momentos; principalmente a mi madre y la señora de mi vida Mercedes, a mi padre Miguel que más que padre ha sido un amigo, y por su puesto a mi hermano Álvaro y mi hermanita que siempre será mi hermanita Ruth. Leonardo Antonio Solís Córdova Sevilla, 2018 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2-1. Lista de entradas del PLC principal de Schneider M340. 4 Tabla 2-2. Lista de salidas del PLC principal de Schneider M340. 6 Tabla 2-3. Lista de sensores para el alimentador de bandejas. 12 Tabla 2-4. Lista de actuadores para el alimentador de bandejas. 12 Tabla 3-1. Principales normas de los tipos de normas A, B y C. 12 Tabla 3-2. Pasos para el desarrollo de seguridad funcional. 13 Tabla 3-3. Estimación para la gravedad del daño posible (Se). 18 Tabla 3-4. Estimación para frecuencia y duración de la exposición al peligro Fr. 19 Tabla 3-5. Estimación para la probabilidad de que se produzca una situación peligrosa (Pr). 19 Tabla 3-6. Estimación para la probabilidad de evitar el daño (Av). 20 Tabla 3-7. Asignación del nivel SIL. 20 Tabla 3-8. Categorías para los sistemas según EN ISO 13849-1. 24 Tabla 5-1. Detalle de los riesgos existentes y eliminados en la célula de fabricación flexible. 56 Tabla 7-1. Presupuesto de los materiales para la implementación de los sistemas de seguridad funcional para la célula de fabricación flexible. 73 xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Etapas del ciclo de vida de una máquina. 1 Figura 2-1. Esquema general de la célula de fabricación flexible. 3 Figura 2-2. Almacén robótico matricial ASRS. 8 Figura 2-3. Esquema del almacén robótico matricial ASRS. 9 Figura 2-4. Robot SCORBOT-ER 4u con su dispensador de piezas para pallets. 9 Figura 2-5. Robot Sony SCARA. 10 Figura 2-6. Distribución de sensores y actuadores para el alimentador de bandejas. 13 Figura 2-7. Alimentador de bandejas de la célula de fabriación flexible. 13 Figura 3-1. Estructura para las normas europeas de seguridad para máquinas. 11 Figura 3-2. Riesgos típicos dentro del funcionamiento de una máquina. 14 Figura 3-3. Pasos definidos en una función de seguridad. 17 Figura 3-4. Esquema para determinar el riesgo relacionado con el peligro identificado. 18 Figura 3-5. Asignación de un nivel de prestaciones PL. 21 Figura 3-6. Equivalencia entre SIL y PL. 21 Figura 3-7. Subsistemas del sistema de control eléctrico relacionado con la seguridad (SRECS). 23 Figura 3-8. Bloques para las función de seguridad. 23 Figura 3-9. Relación entre categorías, la DC promedio y el MTTFD para cada canal y PL. 27 Figura 3-10. Diagrama de flujo del método de trabajo según la norma EN ISO 13849-1. 28 Figura 4-1. Eliminación de zonas cortantes usando medidas de diseño inherentemente seguras. 29 Figura 4-2. Ejemplos típicos de interruptores de enclavamiento. 30 Figura 4-3. Barrera inmaterial. 31 Figura 4-4. Tapiz de seguridad. 31 Figura 4-5. Mando bimanual e interruptor accionado por pedal. 32 Figura 4-6. Mandos de validación. 33 Figura 4-7. Tipos de dispositivos para sistemas de control. 33 Figura 4-8. Dispositivos de parada de emergencia. 34 Figura 5-1. Dimensiones de la célula de fabricación flexible desde la vista superior. 36 Figura 5-2. Riesgo de atrapamiento en las cintas transportadoras. 38 Figura 5-3. Riesgo eléctrico en el cuadro de control principal. 39 Figura 5-4. Riesgo de caída de objetos en las cintas transportadoras. 39 Figura 5-5. Riesgo de aire comprimido en las cintas transportadoras. 40 Figura 5-6. Riesgo de atrapamiento y/o aprisionamiento en el alimentador de bandejas. 41 Figura 5-7. Riesgo eléctrico en el cuadro de control del alimentador de bandejas. 41 Figura 5-8. Riesgo de aire comprimido en las instalaciones neumáticas del alimentador de bandejas. 42 Figura 5-9. Riesgo de golpes por parte del robot manipulador del almacén robotizado. 43 Figura 5-10. Riesgo eléctrico presente en los dispositivos eléctricos instalados en la Mesa 1. 43 Figura 5-11. Riesgo de golpes con el manipualdor de pallets ubicado en la mesa de trabajo 1. 44 Figura 5-12. Riesgo de golpes en el área de trabajo del brazo robótico SCORBOT. 44 Figura 5-13. Riesgo eléctrico presente en los dispositivos eléctricos ubicados en la parte inferior del puesto de trabajo del brazo robótico SCORBOT. 45 Figura 5-14. Resguardo fijo para la parte superior de la estructura de aluminio del manipulador del puesto de trabajo de la mesa 1 para la reducción del riesgo por golpes. 51 Figura 5-15. Resguardo con 4 paneles de metacrilato en las partes laterales de la estructura de aluminio del manipulador del puesto de trabajo de la mesa 1 para la reducción del riesgo por golpes. 52 Figura 5-16. Pegatina de advertencia indicando el riesgo por caída de objetos. 53 Figura 5-17. Pegatina de advertencia indicando el riesgo de atrapamiento. 54 Figura 5-18. Pegatina de advertencia indicando el riesgo de golpes en la zona de trabajo de los manipuladores. 54 Figura 5-19. Pegatina de advertencia indicando el riesgo de electrocución para los diferentes cuadros de control de la célula de fabricación flexible. 55 Figura 5-20. Pegatina de advertencia indicando el riesgo por aire comprimido de la célula de fabricación flexible. 55 Figura 5-21. PL requerido para el riesgo de atrapamiento en los elevadores de las cintas transportadoras. 56 Figura 5-22. PL requerido para el riesgo de golpes por caída de objetos desde las cintas transportadoras. 57 Figura 5-23. PL requerido para el riesgo de atrapamiento o aprisionamiento entre el cilindro elevador y la estructura de aluminio del alimentador de bandejas. 57 Figura 5-24. PL requerido para el riesgo de golpes por parte del brazo robótico ubicado en medio de las dos estanterías del alamacén robotizado. 58 Figura 5-25. PL requerido para el riesgo de golpes por parte del manipulador de pallets instalado en la mesa 1. 58 Figura 5-26. PL requerido para el riesgo de golpes por parte del brazo robótico SCORBOT. 59 Figura 5-27. Puestos de trabajo de la célula de fabricación flexible. 60 Figura 5-28. Diseño del perímetro de seguridad alrededor de la célula de fabricación flexible. 61 Figura 5-29. Zona para la instalación de contactos magnéticos en la una de las puerta laterales del almacén robotizado. 62 Figura 5-30. Zona para la instalación de barreras inmateriales a la salida del alimentador de bandejas. 63 Figura 5-31. Subsistemas para establecer una función de seguridad. 63 Figura 5-32. Función de seguridad para los tapices de seguridad. 64 Figura 5-33. Función de seguridad para los interruptores de seguridad. 65 Figura 5-34. Función de seguridad para los contactos magnéticos. 65 Figura 5-35. Función de seguridad para las setas de emergencia. 66 Figura 5-36. Esquema eléctrico para función de seguridad con los 15 tapices. 66 Figura 5-37. Ubicación del cuadro de seguridad dentro del esquema de la célula de fabricación flexible. 67 Figura 5-38. Cálculo del MTTFD de cada bloque para la función de seguridad con tapices de seguridad. 68 Figura 5-39. Cálculo del MTTFD de cada bloque para la función de seguridad con interruptores de seguridad. 69 Figura 5-40. Cálculo del MTTFD de cada bloque para la función de seguridad con contactos magnéticos. xix 69 Figura 5-41. Cálculo del MTTFD de cada bloque para la función de seguridad con setas de emergencia. 70 Figura 5-42. Verificación de la seguridad funcional para la célula de fabricación flexible. 71 Notación PL Nivel de prestaciones PLr Nivel de prestaciones requerido MTTFD Tiempo medio hasta fallo peligroso B10𝑑 Número de ciclos hasta que el 10% de los componentes sufren un fallo peligroso 𝑇10𝑑 Tiempo medio hasta que el 10% de los componentes sufren un fallo peligroso CCF Fallo de causa común DC Cobertura del diagnóstico 𝑃𝐹𝐻𝐷 Probabilidad de fallo peligroso por hora SRECS Safely related electrical control systems SIL Nivel de integridad de seguridad UE Unión Europea ABB Acrónimo de Ase Brown Boveri, es una empresa multinacional. VAC Volatje de corriente alterna VAC Volatje de corriente continuo mm Milímetros cm Centímetros Hz Hertzios PLC Controlador lógico programable CPU Unidad central de procesamiento 1 1 INTRODUCCIÓN Una célula de fabricación flexible se define como un conjunto de máquinas que pueden realizar un paso de un determinado proceso de fabricación mucho más grande o simplemente realizar un proceso particular; al ser flexible la célula es capaz de acomodarse fácilmente a procesos con diferentes productos. Las distintas máquinas de la célula trabajan en conjunto para llevar a cabo una tarea específica, disminuyendo principalmente los costos operativos y el tiempo de producción. Las máquinas de las células de fabricación flexible son operadas por un control y procesan el mismo material o producto; donde el control de las tareas de los puestos de trabajo de mecanizado es gestionado por una unidad central de procesamiento (CPU) que usualmente es un PLC. El sistema de control se encarga del monitoreo de equipos, alarmas y de la administración de programas. Como parte del aprendizaje e investigación, en los laboratorios del departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática (Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla) se encuentra una célula de fabricación flexible que permite la manipulación de diferentes puestos de trabajo, los mismos que se detallarán más adelante. La célula anteriormente mencionada presenta ciertos riesgos eléctricos, mecánicos y neumáticos que pueden afectar de manera significativa a la salud del profesor y del alumnado que estará en contacto con todos los dispositivos, equipos, estructuras, cables, robots, etc., dicho la anterior, es imprescindible realizar un estudio para minimizar a un rango tolerable o eliminar a cada uno de los peligros que atenten contra el bienestar de las personas cuando uno o más puestos de trabajo de la célula se encuentren en funcionamiento. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar los sistemas de seguridad funcional para la célula de fabricación flexible dando cumplimiento a la normativa impuesta por la Directiva de Máquinas 2006/42/CE que entró en vigencia el 29 de diciembre del 2009, la misma que indica que toda máquina dentro de la Unión Europea (UE) debe garantizar un nivel mínimo de seguridad para la propia máquina y para todos los usuarios que intervenga en las etapas de: diseño/fabricación, instalación, ajuste/funcionamiento y mantenimiento en la vida útil de la máquina. Figura 1-1. Etapas del ciclo de vida de una máquina. Como primer paso se presenta una descripción de cada puesto de trabajo instalado como parte de la célula de fabricación flexible, para posteriormente identificar cada uno de los riesgos que pueden existir en su funcionamiento de manera individual o de manera colectiva con el resto de los puestos de trabajo, básicamente el objetivo es definir qué aspectos de la célula de fabricación flexible pueden causar algún daño de cualquier tipo a las personas que van a estar en contacto. Los principales riesgos a tener en cuenta son los atrapamientos, aplastamientos, cortes con herramientas, bordes afilados en la máquina o en el material que se procesa Introducción 2 teniendo en cuenta diversos factores que intervienen en la célula como, por ejemplo: la estabilidad de la célula, el ruido que produce, la vibración, la emisión de sustancias o radiaciones, superficies calientes que puedan producir quemaduras y la fricción al trabajar con altas velocidades. Una vez identificados los riesgos que intervienen en el funcionamiento de la máquina se realiza un estudio detallado con el fin de optar por medidas que permitan eliminar o reducir a un nivel tolerable a cada uno de los riesgos existentes dentro de la vida útil previsible de la célula de fabricación flexible. Dentro de las medidas se debe elegir que elementos o dispositivos (sensores, relés, PLC, etc.) añadir a la célula para reducir o eliminar los riesgos existentes. 3 2 CÉLULA DE FABRICACIÓN FLEXIBLE n este apartado se describe a cada uno de los sistemas o puestos de trabajo que contienen la célula de fabricación flexible instalada en los laboratorios del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática. 2.1 Descripción de la célula instalada La célula de fabricación flexible ubicada en el laboratorio del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática se divide en varios puntos o estaciones de trabajo; dichos puestos de trabajo están conectados entre sí mediante un circuito de cinco bandas transportadoras; cada banda que componente el circuito se encarga de transportar un conjunto de pallets con alguna pieza sobre ellos. La Figura 2-1 muestra un esquema general de la célula de fabricación flexible con sus respectivos puestos de trabajo, así como también de los demás elementos como sensores, actuadores, retenedores, bandas, motores, etc. Cada uno de los elementos mencionados anteriormente tiene conexión con el autómata principal que se encuentra en el cuadro eléctrico en el centro de la célula, por tal razón es pertinente mencionar cual entrada o salida del PLC corresponde a cada uno de los elementos de la célula. La Tabla 2-1 detalla los elementos asociados a las entradas del PLC mientras que la Tabla 2-2 a los elementos asociados a las diferentes salidas del autómata. Figura 2-1. Esquema general de la célula de fabricación flexible. E Célula de Fabricación Flexible 4 Tabla 2-1. Lista de entradas del PLC principal de Schneider M340. TIPO NOMBRE ENTRADA PLC M340 NO ED_PRESOSTATO Neumatic %I0.1.0 NO ED_PREVIO_DESVIO_1 Sensor SPD1 %I0.1.1 NO ED_POSICION_DESVIO_1 Sensor SPos1 %I0.1.2 NO ED_FIN_DESVIO_1 Sensor SFD1 %I0.1.3 NO ED_PREVIO_DESVIO_2 Sensor SPD2 %I0.1.4 NC ED_BARRA_DESVIO_2 Sensor SBarra2 %I0.1.5 NO ED_PREVIO_DESVIO_3 Sensor SPD3 %I0.1.6 NO ED_POSICION_DESVIO_3 Sensor SPos3 %I0.1.7 NO ED_FIN_DESVIO_3 Sensor SFD3 %I0.1.8 NO ED_PREVIO_DESVIO_4 Sensor SPD4 %I0.1.9 NC ED_BARRA_DESVIO_4 Sensor Sbarra4 %I0.1.10 NO ED_PREVIO_CRUCE Sensor SPC %I0.1.11 NO ED_POSICION_ASR Sensor SPASR %I0.1.12 NC ED_BARRA_CRUCE Sensor SBarraC %I0.1.13 NO ED_POSICION_CRUCE Sensor SPosC %I0.1.14 NO ED_POSICION_SONY1 Sensor SPosSony1 %I0.1.15 NO ED_POSICION_SONY2 Sensor SPosSony2 %I0.1.16 NO ED_POSICION_PUMA1 Sensor SPosPuma1 %I0.1.17 NO ED_POSICION_PUMA2 Sensor SPosPuma2 %I0.1.18 NO ED_POSICION_VENTOSA Sensor SPVento %I0.1.19 NO ED_POSICION_AUX Sensor SPAux %I0.1.20 NO ED_PULSADOR_VERDE Pulsador %I0.1.21 NO ED_PULSADOR_AZUL Pulsador %I0.1.22 NC ED_PULSADOR_PARADA Pulsador %I0.1.23 NC ED_SEGURIDAD Set + MagTerm %I0.1.24 - LECTOR CODIGO BARRAS B0 Verde %I0.1.25 - LECTOR CODIGO BARRAS B1 Marrón %I0.1.26 - LECTOR CODIGO BARRAS B2 Rosa %I0.1.27 - LECTOR CODIGO BARRAS B3 Azul %I0.1.28 - LECTOR CODIGO BARRAS RDY Violeta %I0.1.29 5 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible - L %I0.1.30 - L %I0.1.31 NO ED_PORT_PinzaCerrada Blanco-Gris %I0.1.32 NO ED_PORT_PinzaAbierta Gris-Ros %I0.1.33 NC ED_PORT_HOME_H Blanco-Rosa %I0.1.34 NC ED_PORT_HOME_V Amarillo-Blanco %I0.1.35 NO ED_MESA_INDUCTIVO Marrón %I0.1.36 NO ED_MESA_CAPACITIVO Rosa %I0.1.37 NO ED_MESA_FC1_Medida Verde %I0.1.38 NO ED_MESA_FC2_Medida Azul %I0.1.39 NO ED_MESA_FOTOELECT Marrón-Verde %I0.1.40 NC ED_MESA_HOME Rosa-Azul %I0.1.41 NO ED_VENTOSA_FC1 Violeta %I0.1.42 NO ED_VENTOSA_FC2 Gris %I0.1.43 NO ED_VENTOSA_FC1_Cil_Giro Blanco %I0.1.44 NO ED_VENTOSA_FC2_Cil_Giro Negro %I0.1.45 NO ED_CINTA_BARRERA Amarillo-Marrón %I0.1.46 NO ED_HOME_BANDEJA Gris-Marrón %I0.1.47 * ED_AlarmaVariador %I0.1.48 NO ED_ALI_PIEZ1_HOME Blanco %I0.1.49 NC ED_ALI_PIEZ1_FOTO Negro %I0.1.50 NO ED_ALI_PIEZ2_HOME Rosa %I0.1.51 NC ED_ALI_PIEZ2_FOTO Azul %I0.1.52 * L %I0.1.53 * L %I0.1.54 * L %I0.1.55 * L %I0.1.56 * L %I0.1.57 * L %I0.1.58 * L %I0.1.59 - L %I0.1.60 - L %I0.1.61 - L %I0.1.62 NO ED_AlimentadorBandejas24V %I0.1.63 Célula de Fabricación Flexible 12 Tabla 2-3. Lista de sensores para el alimentador de bandejas. ÍTEM DESCRIPCIÓN NOMENCLATURA 1 Sensor de Bandeja Previa S1 2 Sensor de Bandeja Elevación S2 3 Sensor Alto Retenedor Previo S3 4 Sensor Bajo Retenedor Previo S4 5 Sensor Alto Retenedor Elevación S5 6 Sensor Bajo Retenedor Elevación S6 7 Sensor Superior Cilindro Elevador S7 8 Sensor Inferior Cilindro Elevador S8 9 Sensor Superior Cilindro Giro S9 10 Sensor Inferior Cilindro Giro S10 11 Sensor de Barrido S11 Tabla 2-4. Lista de actuadores para el alimentador de bandejas. ÍTEM DESCRIPCIÓN VÁLVULA ASOCIADA 1 Retenedor de bandeja previa V5 2 Retenedor de bandeja elevación V6 3 Cilindro de elevación V1, V2 4 Cilindro de giro V3, V4 13 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Figura 2-6. Distribución de sensores y actuadores para el alimentador de bandejas. Figura 2-7. Alimentador de bandejas de la célula de fabriación flexible. 2.1.6 Zona de clasificación Este puesto de trabajo consta de los siguientes subsistemas de trabajo: Célula de Fabricación Flexible 14 • Alimentador de piezas. Es el encargado de la extracción o almacenaje de piezas mediante un motor paso a paso. • Pórtico. Su función es desplazar las piezas entre el alimentador de bandejas con la banda transportadora de piezas o con la cinta 5. • Cinta transportadora de piezas. Se encuentra ubicada entre la zona del pórtico y la mesa giratoria para la clasificación de piezas. • Mesa de clasificación. Permite la clasificación de piezas mediante un conjunto de sensores situados estratégicamente en la mesa circular, al ser una mesa circular se puede girar mediante un motor paso a paso. Mediante los sensores se puede detectar el color, la medida de la pieza y el material de la pieza. 11 3 NORMATIVA ara que un máquina o en este caso la célula de fabricación flexible con todos sus respectivos puestos de trabajo sean considerados como seguros, se realizará un análisis para la evalución de los posibles riesgos que resultan de su funcionamiento. La evaluación y la reducción de los riesgos se encuentran bien detallados y de manera extensiva en el reglamento de EN ISO 14121-1. Las normas vigentes dentro de la UE no indican un valor o puntuación para cada uno de los riesgos ni tampoco un valor máximo que no debe superarse, debido a que la puntuación que supuestamente se asignaría a cada riesgo depende de varias estimaciones que varian en función de la persona que realiza la evaluación. Las normas europeas de seguridad para máquinas se rigen a la siguiente estructura. Figura 3-1. Estructura para las normas europeas de seguridad para máquinas. Donde las normas de tipo A son las normás fundamentales de seguirdad y aportan los conceptos básicos, los principios de diseño y los aspectos generales que se deben aplicar a cualquier tipo de máquina; por otro lado las normas de tipo B o también conocidas como normas de seguridad genéricas son las responsables de tratar sobre un aspecto de la seguridad o de algún tipo de dispositivo de seguridad que puede utilizarse en una amplia gama de máquinas, dentro de las normas tipo B existe dos subtipos: ➢ Nomas tipo B1, se encargan de tratar los aspectos particulares de la seguridad dentro de la máquina, por ejemplo: distancias de seguridad, temperatura de superficies, ruido, etc. ➢ Normas tipo B2, tratan sobre los dispositivos encargados de la seguridad de la máquina; por ejemplo: dispositivos de enclavamiento, dispositivos de protección sensibles a presión, mando bimanual, protectores, etc. Finalmente, las normas tipo C (normas de seguirdad para máquinas) describen los requisitos específicos de seguridad para una máquina determianda. Las normas tipo C tiene prioridad sobre las tipo A y B. Las principales normas tratadas dentro los tipos de normas A, B y C se detallan brevemente a continuación en P Normativa 12 12 la Tabla 3-1. Tabla 3-1. Principales normas de los tipos de normas A, B y C. NORMA TIPO DESCRIPCIÓN EN ISO 12100-1 A Seguridad de las máquinas - Conceptos básicos, principios generales para el diseño. Parte 1: Terminología básica, metodología. EN ISO 12100-2 A Seguridad de las máquinas - Conceptos básicos, principios generales para el diseño. Parte 2: Principios técnicos. EN ISO 14121-1 A Seguridad de las máquinas – Evaluación de los riesgos. Parte 1: Principios. EN 574 B Dispositivos de mando a dos manos. EN ISO 13850 B Parada de emergencia – Principios de diseño. EN IEC 62061 B Seguridad funcional de sistemas de control electrónicos programables, electrónicos y eléctricos relativos a la seguridad. EN ISO 13849-1 B Seguridad de la máquina – Partes de los sistemas de mando relativos a la seguridad. Parte 1: Principios generales para el diseño. EN 349 B Distancias mínimas para evitar el aplastamiento de partes del cuerpo humano. EN SO 13857 B Seguridad de la maquinaria – Distancias de seguridad para evitar que las extremidades inferiores y superiores lleguen a zonas de peligro. EN IEC 60204-1 B Seguridad de la maquinaria – Equipo eléctrico de máquinas – Parte 1: Requisitos generales. EN 999 ISO 13855 B Posicionamiento de los equipos de protección en función de las velocidades de aproximación de las partes del cuerpo humano. EN 1088 ISO 14119 B Dispositivos de enclavamiento asociados a resguardos – Principios de diseño y selección. EN IEC 61496-1 B Equipos de protección electrosensibles. Parte 1: Requisitos generales y ensayos. EN IEC 60947-5-5 B Aparamenta de baja tensión. Parte 5-5: Aparatos y elementos de conmutación para circuitos de mando – Aparato de parada de emergencia eléctrica con enclavamiento mecánico. EN 842 B Señales visuales de peligro – Requisitos generales, diseño y ensayos. EN 1037 B Prevención de una puesta de marcha intempestiva. EN 953 B Resguardos – Requisitos generales para el diseño y construcción de resguardos fijos y móviles. EN 201 C Maquinaria de plásticos y caucho – Máquinas de moldeo por inyección – Requisitos de seguridad. 13 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible EN 692 C Máquinas-Herramienta – Prensas mecánicas – Requisitos de seguridad. EN 693 C Máquinas-Herramienta – Prensas hidráulicas – Requisitos de seguridad. EN 289 C Maquinaria de plásticos y caucho – Seguridad – Máquinas de moldeo por soplado indicadas para la producción de artículos huecos – Requisitos de diseño y construcción. EN 422 C Máquinas de moldeo por soplado para la producción de piezas huecas – Requisitos de diseño y construcción. EN ISO 10218-1 C Robots para entornos industriales – Requisitos de seguridad. Parte 1: Robot. EN 415-4 C Seguridad de las máquinas de embalaje. Parte 4: paletizadoras y despaletizadoras. EN 619 C Equipos y sistemas de manipulación continua – Requisitos de seguridad y EMC para equipos de manipulación mecánica de cargas de unidad. EN 620 C Equipos y sistemas de manipulación continua – Requisitos de seguridad y EMC de cintas transportadoras fijas para material a granel. Existe más de una forma o técnica para la evaluación de riesgos, y dado que su metología depende de varios factores se puede afirmar que ninguna técnica es la correcta para identificar los riesgos. Con la ayuda de la normativa establecida podemos fijar los principios básicos de seguridad, teniendo una visión general al momento de identificar los riesgos dentro de la célula de fabricación flexible. Teniendo en cuenta la normativa vigente para la implementación de sistemas de seguridad funcional, se pueden defirnir ciertos pasos o procedimientos para llevar a cabo la evaluación de riesgos para posteriormente determinar las medidas que permitan la reducción o eliminación de cada uno de los riesgos. La Tabla 3-2 muestra los pasos a seguir. Tabla 3-2. Pasos para el desarrollo de seguridad funcional. PASO TAREA PASO 1 Analizar riesgos y evaluar cómo eliminarlos o minimizarlos (estrategia en 3 pasos, véase en EN ISO 12100-1). PASO 2 Definir la funcionalidad y la prestación de seguridad necesarias para eliminar el riesgo o reducirlo a un rango tolerable. PASO 3 Diseñar y crear las funciones del sistema de seguridad. PASO 4 Garantizar que el sistema de seguridad cumple los requisitos definidos. PASO 5 Volver a la evaluación de riesgos para asegurarse de que el sistema de seguridad realmente sirve para reducir los riesgos como se espera. PASO 6 Documentar el diseño y elaborar documentación para el usuario. PASO 7 Demostrar la conformidad de la máquina con los EHSR de la Directiva de Máquinas mediante evaluaciones de conformidad y documentos técnicos. Normativa 14 14 Dependiendo de la complejidad de la seguridad funcional de la máquina se puede escoger entre las siguientes soluciones: ➢ Relés de seguridad: Para aplicaciones de pequeña escala. ➢ PLC de seguridad: Usado en aplicaciones de mayor complejidad con un número de entradas y salidas seguras. El sistema de seguridad queda al margen del resto de la solución de control. ➢ Soluciones en Red: Trabajan sobre redes como Profibus o DeviceNet. Son soluciones que comparten la misma red que el control pero que disponen de un controlador de seguridad y de módulos de entrada y salida de seguridad propios, debido a que no se pueden integrar en la misma cabercera que las entradas y salidas estándar. ➢ Otra solución consiste en integrar la seguridad de todas las máquinas y procesos sobre redes de Ethernet Industrial de control. A continuación, se prentende describir y a su vez explicar de manera detallada pero no exhaustiva los pasos definidos para la implementación de sistemas de seguridad funcional mencionados en la Tabla 3-1. 3.1 Evaluación de riesgos. Según la directiva de máquinas 2006/42/CE, toda máquina debe ser sometida a una evaluación de posibles riesgos que pueda presentar en el transcurso de su vida útil, y los resultados obtenidos deben ser tomados en cuenta al momento de diseñar dicha máquina. Se entiende por riesgo a la combinación de la probabilidad de que se produzca un daño y de sus consecuencias, teniendo una lista detalla de riesgos en EN ISO 14121-1. Figura 3-2. Riesgos típicos dentro del funcionamiento de una máquina. 15 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Mediante el proceso de evaluación de riesgos, los diseñadores pueden implementar una máquina intrínsecamente segura, llevando a los riesgos mas elevados a un rango tolerable mediante cambios en el diseño o aplicando determinadas medidas de seguridad dentro del funcionamiento de la maquinaria. Como se indico en la Tabla 3-1, la norma encargada de la seguridad de las máquinas, de los principios generales para el diseño y minimización del riesgo es la norma EN ISO 12100-1. Dentro de esta norma la evaluación de riesgos se divide en dos partes: ➢ Análisis de riesgos: Encargada de identificar y de estimar los posibles riesgos dentro de la máquina. ➢ Valoración de riesgos: Decide si el riesgo es aceptable o si es necesaria la aplicación de ciertas medidas para la reducción del riesgo a un rango torerable. 3.1.1 Determinación de los límites y uso de la máquina Una evaluación de riesgos inicia determinando el alcance de la máquina, esto incluye el espacio físico que ocupa la máquina para desarrollar todas sus aplicaciones previstas y todas las etapas operativas durante el ciclo de vida completo de la máquina. En esta etapa se determinan los siguientes aspectos: ➢ Límites de espacio, por ejemplo, el espacio requerido para la mecanización por todos los ejes de una máquina herramienta. Dicho de otra manera, se necesitan describir las dimensiones ocupadas por una determinada máquina o parte de ella. ➢ Tiempo de vida útil de la máquina, tomándose en cuenta desde la fase de transporte, pasando por la operación hasta llegar a su reciclaje o desecho. Así, por ejemplo, por razones de seguridad, según la norma EN ISO 13849 un mando se debe reemplazar cada 20 años. ➢ Límites externos, se refieren a las condiciones de entorno y a las características de los materiales que se procesan en el funcionamiento de la máquina. 3.1.2 Identifiación del riesgo En estapa se realiza una identificación sistemática y ordenada de las fuentes que pueden producir algún tipo de riesgos previsibles en todas las fases de la vida útil de la máquina. Los riesgos se enumeran por separado, aunque sean del mismo tipo. 3.1.3 Estimación del riesgo Se realiza una indicación del grado de riesgo para cada uno de los riesgos que se producen en los dispositivos, estructuras y elementos que intervienen en el funcionamiento de la máquina. Conforme con la norma ISO 13849-1 el riesgo se calcula mediante tres factores: 1) Gravedad del daño (G, gravedad). 2) Frecuencia de exposición al riesgo (F, frecuencia). 3) Posibilidad que tiene de evitar o limiatr el daño (P, posibilidad). Normativa 16 16 Cada uno de los factores anteriormente mencionados tiene dos opciones de operación, teniendo las siguientes: • G1: Hematomas, abrasiones, heridas punzantes y lesiones leves por aplastamiento. • G2: Lesiones esqueléticas, amputaciones y muerte. • F1: Menos de una vez cada dos semanas. • F2: Mas de una vez cada dos semanas. • P1: Movimientos lentos de la máquina, mucho espacio, baja potencia. • P2: Movimientos rápidos de la máquina, concurrido, alta potencia. Al definir los factores G, F y P en cada uno de los riesgos indentificados, se puede obtener el correspondiente nivel de prestaciones requerido (PLr), el mismo que es necesario para la fuente que ocaciona el riesgo. 3.1.4 Evaluación del riesgo Una vez que se hayan evaluado e identificado los elementos que por alguna razón puedan presentar algún tipo de riesgo en contra de la seguridad, se procede a evaluar si es necesario aplicar medidas para la reducción de cada uno de los riesgos identificados mediante el uso de medidas preventivas, dichas medidas deben conducir a la minimización suficiente del riesgo. Para la minimización del riesgo se debe tomar en cuenta las siguientes condiciones: 1) Se han considerado todas las condiciones de servicio y las interacciones con el usuario. 2) En la medida de lo posible, los riesgos se han minimizado o eliminado. 3) Se han considerado nuevos riesgos resultantes de las medidas tomandas en los pasos anteriores. 4) Los usuarios serán informados de manera adecuada sobre los riesgos restantes. 5) Las medidas preventivas tomadas son compatibles. 6) La facilidad de manejo no ha sido afectada. Finalmente, la evaluación de riesgos incluye una valoración de riesgos en la que se determina individualmnete si cada riesgo esta dentro de un rango tolerable garantizando una seguridad suficiente o si se deben optar por medidas para su reducción o eliminación. 3.2 Reducción de riesgos La reducción de riesgos se incluye en la norma EN ISO 12100-2, y tiene por objetivo eliminar cualquier riesgo mediante determinadas medidas adoptadas a lo largo de la vida útil de la máquina, incluidas las etapas de: transporte, montaje, desmontaje, desactivación y desmontaje. En general si se puede reducir un riesgo, deberá deducirse. El proceso para la evaluación de los riesgos es un procedimiento interactivo, es decir, cada riesgo debe intendificarse, asignarle una prioridad, cuantificarse, diseñar medidas para reducirlo y una vez terminado este 17 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible proceso se debe repetir para evaluar si los riesgos residuales están dentro de un rango aceptable. Es posible que al optar por medidas para la reducción de riesgos se adicionen nuevos riesgos. Es evidente que la forma más adeacuada para eliminar los riesgos se la realiza en la etapa de diseño de la máquina, un claro ejemplo es cambiar el diseño de la máquina o el proceso de operación de esta. La norma EN ISO 12100-1 divide a este método en tres pasos: 1) Medidas de diseño intrínsicamente seguras. Creación de un diseño más seguro o cambio de proceso, por ejemplo: reducción de la potencia, evitar interferencias en las zonas de peligro, etc. 2) Medidas de protección y salvaguardas complemetarias. Utilización de dispositivos de protección y/o seguridad, por ejemplo: cerramientos, cortinas fotoeléctricas o dispositivos de mando. 3) Información para el uso. Informar sobre cómo puede utilizarse la máquina correctamente para que este dentro de los parámetros de seguridad. 3.3 Establecimiento de los requisitos para las funciones de seguridad Se establece que una determinada función de seguridad es una medida “ACTIVA” que se toma para minimizar la probabilidad de que ocurra un evento indeseado y por ende exista una exposición al riesgos para los usuarios que intervengan en funcionamiento de la máquina. Una función de seguridad implica la actuación de tres pasos: Figura 3-3. Pasos definidos en una función de seguridad. Si una determinada función de seguridad falla puede maximizar de forma inmediata el riesgo o peligro producido en el funcionamiento de la máquina. La función de seguridad no pertenece de forma directa al funcionamiento de la máquina; es decir, si la función de seguirdad falla, la máquina puede seguir normalmente con sus tareas de operación específicas, pero con un riesgo de lesión asociado mayor. El nivel de fiabilidad de la función se basa en dos factores: SIL (nivel de integridad de la seguridad, EN 62061) y por el PL (nivel de prestaciones, ISO 13849-1). Para el cáculo del SIL o del PL se ocupan técnicas de valoración diferentes para la función de seguridad; sin embargo, sus resultados son equivalentes ya que los términos y definiciones son similares para cada uno. 3.3.1 Asignación de un nivel de integridad de la seguridad (SIL) En función de la evaluación de riesgos realizada en las etapas anteriores según la norma EN ISO 14121-1, se procede a realizar un calculo estimado del nivel de SIL necesario para cada función de seguridad de control relacionada con la seguridad (SRCF). Los parámetros que interviene en este proceso se muestran a continuación en la Figura 3-4. Normativa 24 24 3.4.1 Categoría La estructura del componente o de los componentes en el bloque se evalúa para determinar la catergoría (que pueden ser B, 1, 2, 3 y 4) a la que corresponde. Para la categoría 4, por ejemplo, los fallos individuales no provocan ninguna pérdida de la función de seguridad; y para la obtención de esta categoría utilizando contactores se debe tener dos canales; es decir, dos contactores, que puedan cortar la alimentación eléctrica que ingresa a la máquina individualmente. Los contactores deben ser controlados conectando contactos de apertura a una de las entradas de prueba, por ejemplo, un relé de seguridad. Para controlar este tipo de tarea, los contactores deben tener contactos con maniobra de apertura positiva. La norma EN ISO 13849-1 define la clasificación de los sistemas por categorías según se muestra a continuación en la Tabla 3-8. Tabla 3-8. Categorías para los sistemas según EN ISO 13849-1. CATEGORÍA DESCRIPCIÓN EJEMPLO Categoría B Cuando se produce un fallo, se puede perder la función de seguridad. Categoría 1 Cuando se produce un fallo, se puede perder la función de seguridad, pero el MTTFd de cada canal en esta categoría es superior al de la categoría B. Por consiguiente, la pérdida de la función de seguridad es menos probable. Categoría 2 El comportamiento del sistema de categoría 2 permite que: si se produce un fallo, puede producirse la pérdida de la función de seguridad entre los ciclos de comprobaciones; la pérdida de la función de seguridad se detecta mediante ciclos de comprobación. Categoría 3 El SRP/CS para la categoría 3 debe diseñarse de modo que un único fallo en cualquiera de estas partes relacionadas con la seguridad no produzcan la pérdida de la función de seguridad. Siempre que sea razonablemente posible, este único fallo debe detectarse antes o en la siguiente demanda de la función de seguridad. Categoría 4 El SRP/CS para la categoría 4 debe diseñarse de modo que un único fallo en cualquiera de las partes relacionadas con la seguridad no produzcan la pérdida de la función de seguridad, y este único fallo se detecte antes o en la siguiente demanda de las funciones de seguridad, es decir, de inmediato, al activar o al finalizar el ciclo de operación de la máquina. Su esta detección no es posible, una acumulación de fallos sin detectar no debe producir la pérdida de la función de seguridad. 25 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible En la sección de los compontentes de seguridad, así como en el proyecto de implementación se debe tener en cuenta una serie de parámetros como: MTTFd, DC, CCF que definen la norma y que son definidos a continuación. 3.4.2 Cobertura del diagnóstico (DC) La cobertura del diagnóstico es utilizada para caractizar la eficiencia de la monitorización de fallos en el sistema de seguridad. La DC no solo se basa en el número de componentes que puedan fallar de manera peligrosa, sino que también debe tener en cuenta la tasa total de fallos peligrosos. La cobertura del diagnostico se define según la siguiente fórmula: 𝐷𝐶 =𝜆𝑑𝑑 𝜆𝑑 Donde, 𝜆𝑑 se define como la tasa de fallos peligrosos (donde se contemplan los fallos detectados y no detectados). 𝜆𝑑𝑑 se definde como la tasa de fallos peligrosos detectados. Referente a los fallos que son detectados por el sistema de seguridad consecuente llevará a la máquina a un estado seguro. El método mas eficiente para determinar la cobertura del diagnóstico (DC) se detalla en el Anexo “E” de la norma ISO 13849-1, donde se incluye diversas medidas y su correspondencia con la DC. Por ejemplo, se puede tener un valor de DC = 99% (que corresponde a una DC alta) para un par de contactores. 3.4.3 Tiempo medio hasta fallo peligroso (MTTFD) El tiempo medio hasta que se produzca un fallo peligroso está relacionado directamente con la fiabilidad de cada uno de los componentes de seguridad. Lo aporta el fabricante del componente y se representa en años. Para calcular el MTTFD para un bloque determinado, su punto de partida es el valor 𝐵10𝑑 (promedio de ciclos hasta que el 10% de los componentes sufre un fallo peligroso); además se debe tener conocimiento del promedio de ciclos al año que ejecutará el componente. El cálculo del promedio de ciclos es el siguiente: 𝑀𝑇𝑇𝐹𝐷 = 𝐵10𝑑 0,1 𝑥 𝑛𝑜𝑝 𝑛𝑜𝑝 =𝑑𝑜𝑝 𝑥 ℎ𝑜𝑝 𝑥 3600 𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 Donde, 𝑛𝑜𝑝 es el número de ciclos al año. 𝑑𝑜𝑝 son los días de funcionamiento al año. ℎ𝑜𝑝 son las horas de funcionamiento al año. 𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 es el tiempo de ciclo en segundos. Normativa 26 26 Por ejemplo, si se tiene los siguientes valores: 𝑑𝑜𝑝 = 365 días, ℎ𝑜𝑝 = 24 horas y 𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 1.800 segundos (2 veces/hora) tenemos como resultado un 𝑛𝑜𝑝 = 17.520 cicos. Con un valor de 𝐵10𝑑 = 2000000 tenemos como resultado un MTTFD = 1.141 años que corresponde a un nivel alto del MTTFD. Al calcular el MTTFD se tiene que realizar procedimeinto de cálculo según el valor del número total de ciclos de funcionamiento del componente; un ejemplo común son los contactores que trabajan de modo simultáneo para varias funciones de seguridad. Esto significa que se tiene que sumar el número estimado de ciclos al año de todas las funciones de seguridad que utilicen los contactores. Para los componetes electromecánicos, mecánicos y neumáticos cuyo MTFFD se calcule a partir de un valor 𝐵10𝑑 se debe tener en cuenta que si el valor del MTTFD es inferior a 200 años es necesario sustituir el componente después del 10% del valor del MTTFD para que las condiciones de cumplimineot del PL sigan siendo válidas; es decir, que si un componente con un MTTD = 160 años debe sustituirse después de 16 años. 3.4.4 Fallo por causa común (CCF) En las categorías 3 y 4 (tolerables a fallo único) el principio se basa en la premisa de que no se producirán fallos peligrosos en ambos canales al mismo tiempo en el intervalo de prueba de diagnóstico. Si el intervalo entre pruebas de diagnóstico es corto (menor a 8 horas) es fácil asumir que dos fallos no relacionados tienen una probabilidad muy baja de producirse en ese periodo. Por otra parte, es posible que un suceso que ocacione un fallo en un componente pueda producir otro fallo en un componente diferente, teniendo como resultado fallos por causa común (CCF). Se define como factor beta (β) al grado de predisposición del sistema de fallos por causa común. A continuación, se enumeran los fallos por causa común más frecuentes: ➢ Cortocircuitos entre canales. ➢ Sobretensión, sobreintensidad. ➢ Pérdida de alimentación eléctrica. ➢ Fallos provocados por errores de transmisión en los que se utiliza comunicación digital. ➢ Fallos provacados por interferecnias electromágneticas (EMI). ➢ Fallos provocados por condiciones ambientales como: temperatura, humedad, vibraciones, etc. Una lista más detallada se describe en el Anexo F de la norma EN ISO 13849-1, donde se asigna una puntuación a cada medida que se tome en el sistema de seguridad, teniendo que implementar suficientes medidas para evitar fallos por causa común hasta alcanzar puntaje mínimo de 65/100 puntos. 3.5 Verificación de la seguridad funcional Para la verificación o validación del nivel de prestaciones, el PL de la función de seguridad tiene que ser igual o superior al PLr requerio (PLr ≤ PL). Si la función de seguridad está formada por varios subsistemas, sus correspondientes niveles de prestaciones deberán de igual manera ser iguales o mayores que el nivel de prestaciones requerido para cada una de las funciones de seguridad. Para facilitar el proceso de verificación se recomienda usar subsistemas certificados, ya que tendrán bien definidos los valores de prestaciones de seguridad. Para verificar el PL de un sistema de seguridad formado por varios subsistemas certificados se tiene que determinar la susceptibilidad del sistema a fallos por causa común (CCF) mediante la lista de comprobación de CCF. 27 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Figura 3-9. Relación entre categorías, la DC promedio y el MTTFD para cada canal y PL. 3.6 Resumen Para resumir todas las etapas descritas en los apartados anteriores, se utiliza el diagrama de flujo mostrado en la Figura 3-10. Normativa 28 28 Figura 3-10. Diagrama de flujo del método de trabajo según la norma EN ISO 13849-1. 29 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible 4 ÓRGANOS DE ACCIONAMIENTO na vez realizado el proceso de verificación de la seguridad funcional de una determinada máquina (proceso realizado en le capítulo anterior), se procede a ejecutar un estudio con el fin de determinar todos los elementos, equipos y dispositivos que cumplan con las especificación técnicas necesarias para asegurar que sistema de seguridad funcional de la máquina funcione correctamente en todas la etapas de su vida útil para evitar posibles lesiones de cualquier tipo sobre los usuarios que interactúen con dicha máquina. Algunos de los riesgos pueden evitarse con medidas fáciles de implementar; el ejemplo, el uso de un disolvente no inflamable para las tareas de limpieza puede eliminar el peligro de incendio cuando se utiliza disolventes inflamables; a esta fase se la conoce diseño inhenerente seguro y es la única manera de eliminar un posible riesgo. A continuación, se presentan mas ejemplos, al eliminar la transmisión al final del rodillo en un transportador se reduce la probabilidad de algún tipo de atrapamiento en el rodillo. Al sustituir las poleas rayadas por discos uniformes evidentemente elimina los posibles peligros de amputaciones. Si se evitan los bordes, las esquinas y las protuberancias afiladas se evitan los cortes y rasguños. Si se aumenta la distancia mínima se puede reducir o en el mejor de los casos eliminar el riesgo de aplastamiento de alguna extremidad del usuario. Si se reducen las fuerzas, las velocidades y las presiones en general se están reduciendo la probabilidad de posibles lesiones. Figura 4-1. Eliminación de zonas cortantes usando medidas de diseño inherentemente seguras. Sin embargo, se tiene que verificar que no se está introduciendo un riesgo por otro; por ejemplo, las herramientas accionadas con aire evitan los peligros asociados a la electricidad, pero pueden introducir otros peligros por el uso de aire comprimido, como la introducción de aire en el cuerpo o el ruido generado por el compresor. En general la principal prioridad es la eliminación de los peligros o la reducción de los riesgos hasta que alcancen un nivel tolerable a través del uso de medidas de diseño inherentemente seguras. 4.1 Protección y medidas protectoras complemetarias En el caso que no sea posible aplicar un diseño inherentemente seguro (dando como resultado la presencia de U Órganos de Accionamiento 30 30 posibles riesgos y peligros dentro del funcionamiento de la máquina) es necesario la utilización de medidas de protección. Esta medida puede incluir protecciones fijas, protecciones de enclavamiento, detección de presencia para avitar arranques inesperados, etc. El objetivo principal de las medidas de protección es evitar que las personas entren en contacto con los peligros y riesgos, o bien reducirlos a un nivel que se considere aceptable o tolerable. Las protecciones en sí mismas pueden ser de tipo fijo para cercar o distanciar un peligro, o bien móviles para que puedan cerrarse automáticamente o se accionen o se enclaven eléctricamente según los requerimientos. 4.2 Dispositivos de protección Entre los principales dispositivos de protección utilizados dentro del sistema de protección tenemos que se describen a continuación. 4.2.1 Interruptores de enclavamiento Los interruptores de enclavamiento son usados típicamente para detectar la posición de las protecciones móviles para el interbloqueo del control, y normalmente para permitir tareas como la carga o descarga, acciones de limpieza, configuración de equipos, etc. Se protege al usuario al detener a la máquina cuando el actuador se retira del cabezal del interruptor, cuando se acciona la palanca o el pulsador, cuando la protección se abra o la bisagra de la protección gira 5°, normalmente en máquinas que tiene baja inercia; es decir, en máquinas con tiempos rápidos de parada. Figura 4-2. Ejemplos típicos de interruptores de enclavamiento. 31 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible 4.2.2 Barreras inmateriales Las barreras inmateriales son usadas para detectar la aproximación de dedos, manos o el cuerpo de una persona a una zona peligrosa. Su resolución puede ser de hasta 14mm, 30 mm y mas de 30mm dependiendo del fabricante y del tipo de barrera. Usualemente las barreras inmateriales son usadas en aplicaciones de manutención, packaging, cintas transportadoras, en áreas de almacenamiento, entre otras. Estos dispositivos se han diseñado para la protección de las personas que interactúen de alguna forma con la máquina, deteniendo las acciones que produzcan posibles riesgos o peligros en el que se corten los haces de luz. La principal ventaja con la instalación de barreras inmateriales es evitar puertas y protecciones que reduzcan el tiempo requerido para cargar, inspeccionar o realizar ajustes dentro de una determinada área de trabajo de la máquina en cuestión. Figura 4-3. Barrera inmaterial. 4.2.3 Tapices de seguridad Los tapices de seguridad detectan la presencia de la persona que entra en contacto con el tapiz provocando la parada del movimiento peligroso. Los tapices normalmente se emplean frente o alrededor de las máquinas o robots que presentan algún tipo de peligro; son capaces de proporcionar una zona de protección entre los operarios de la máquina y los movimientos peligroso que pueden ocurrir en el desarrollo de las tareas de la máquina. Los tapices de seguridad se han diseñado para garantizar la seguridad del personal y servir de complemento a los productos de seguridad como las barreas inmateriales. Figura 4-4. Tapiz de seguridad. Órganos de Accionamiento 32 32 4.2.4 Dispositivos accionados mediante enclavamientos por electroimán Los dispositivos accionados mediante enclvamientos por electroimán son usados par evitar la aperturade las protecciones. Durante las fases peligrosas del funcionamiento de la máquina (a diferencia de los enclavamientos sin electroimán), estos se utilizan en cargas que presentan alta inercia; es decir, en los casos en los que el tiempo de detención es largo y es preferible permitir el acceso únicamente cuando se haya verificado que el movimiento peligroso se ha detenido. Se utilizan a menudo en aplicaciones de circuitos de temporización (en el que se conoce y define el tiempo de detención de la máquina) o en la parada real de velocidad cero (en la que el tiempo de parada puede variar) para permitir el acceso únicamente cuando se den condiciones seguras. Los dispositivos de enclavamiento deben ser seleccionados para reducir la probabilidad de fallos y defectos sin impedir las tareas de producción de la máquina. 4.2.5 Mandos bimanuales e interruptores de pedal Estos dispositivos son usados para garantizar que el usuario se encuentra fuera del área de peligro al momento que está ocurriendo un determinado movimiento peligroso; por ejemplo, el recorrido descendente en apliaciones donde se use una prensa. Los mandos bimanuales y los interruptores de pedal principalmente bridan seguridad al operario de la máquina. Figura 4-5. Mando bimanual e interruptor accionado por pedal. 4.2.6 Mandos de validación Los mandos de validación permiten el acceso en condiciones específicas de riesgo reducido y son usados para funciones de mantenimiento, puesta en marcha, ajuste, etc. Disponen de un posición central y dos posiciones de “no funcionamiento” (totalmente liberado o presinado). 33 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Figura 4-6. Mandos de validación. 4.3 Sistemas de control Las señales provenientes de los dispositivos de protección generalmente son controladas por relés de seguridad, controladores de seguridad o autótamas de seguridad (denominados “dispositivos de resolución de lógica programable”), y que a su vez son utilizados para accionar dispositivos de salida como, por ejemplo: contactores. La elección del dispositivo de resolución de lógica programable depende de muchos facores, incluido el número de entradas de seguridad que se tiene que adquirir, el coste, la complejidad de las funciones de seguridad, la necesidad de reducir el cableado mediante la descentralización con un específico bus de campo como el sistema AS-Interface Safety at Work o SafeEthertnet, o incluso la necesidad de enviar señales de seguridad o datos en largas distancias a través de máquinas de gran tamaño. Figura 4-7. Tipos de dispositivos para sistemas de control. El uso de los dispositivos electrónicos complejos y software en los controladores de seguridad y los autómatas de seguridad en parte ha contribuido con el desarrollo de las normativas relacionadas con los sistemas de control eléctricos relacionados con la seguridad. La protección incluirá algún tipo de sistema de control y la Directiva de Máquinas destaca diversos requisitos sobre las prestaciones del sistemas de control, en especial exige que los sistemas de control deben diseñarse y montarse de modo que se evite la genereacion de situaciones peligrosas. 4.4 Medidas protectoras complementarias Las medidas protectoras complementarias se refieren específicamente a las paradas de emergencia, ya que no Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 40 40 flexible. Las mangueras encargadas de la conducción del aire también se consideran como un posible riesgos debido a que puede tener la presencia de una o más fugas en su material. Figura 5-5. Riesgo de aire comprimido en las cintas transportadoras. 5.1.3.2 Alimentador de Bandejas. Actualmente el alimentador de bandejas se encuentra ubicado sobre la cinta 4; y previamente se optó por medidas de seguridad para minimizar los posibles accidentes como, por ejemplo: eliminar el riesgo de atrapamiento de dedos en el sistema cremallera/piñón con la instalación de salvaguardas, así como también la eliminación del riesgo de atrapamiento de manos y/o dedos entre el mecanismo usado para el giro de las bandejas mediante la instalación de una estructura de aluminio cubierta con 4 paneles de metacrilato en la parte superior. Sin embargo, aún presenta diversos riesgos que pueden accionar situaciones de peligro en contra del profesor y alumnos. RIESGO 5. Riesgo de atrapamiento y aprisionamiento de dedos y/o mano, entre el cilindro elevador de bandejas y la estructura de aluminio que sirve como soporte del alimentador de bandejas. Se debe mencionar que el alimentador de bandejas tiene instalado un sistema para detectar los atrapamientos mediante un mecanismo basado en interruptores de seguridad, los mismos que se activan una vez que ocurre el atrapamiento. Para la eliminación total del riesgo es necesario optar por una medida que garantice totalmente la seguridad del usuario. 41 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Figura 5-6. Riesgo de atrapamiento y/o aprisionamiento en el alimentador de bandejas. RIESGO 6. El alimentador de bandejas dispone de su propio cuadro eléctrico de control, y por lo tanto existe la presencia de riesgo por electrocución de corriente alterna con 230VAC/50Hz que puede ocasionar diversas lesiones o incluso la muerte al usuario que entre en contacto con la tensión de alimentación del cuadro de control. Figura 5-7. Riesgo eléctrico en el cuadro de control del alimentador de bandejas. Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 42 42 RIESGO 7. Finalmente, el alimentador de bandejas presenta el riesgo al usar aire comprimido. Este riesgo se encuentra presente en diferente sitios de la célula de fabricación flexible, tanto en el cuadro eléctrico de control del alimentador de bandejas, donde además de las instalaciones eléctricas están las electroválvulas para el control de los dos cilindros (de elevación y de giro), así como también en los cilindros que están instalados en la estructura del alimentador de bandejas. Debido a que puede existir un fallo en los materiales (mangueras) que son usados para la conducción del aire comprimido y producir alguna fuga, se puede decir que también existe riesgo en el sistema de conducción desde las electroválvulas situadas en el tablero de control hasta los cilindros ubicados en la estructura del alimentador de bandejas. Figura 5-8. Riesgo de aire comprimido en las instalaciones neumáticas del alimentador de bandejas. 5.1.3.3 Almacen robotizado ASRS El almacén robótico matricial ASRS de Eshed Robotic es un equipamiento que tiene seguridades incluidas de fábrica (siendo la principal medida de seguridad un aislamiento formado con una estructura de acrílico que cubre al almacén de posibles intrusos); sin embargo, con el transcurso del tiempo se han ido deteriorando. El riesgo que se pudo indentificar para el almacén es el siguiente: RIESGO 8. Riesgo de posibles golpes por parte del robot manipulador situado en el centro de las dos estanterías del almacen. Dicho riesgo se produce cuando el robot manipulador se encuentra en funcionamiento y el usuario realiza la apertura de una de las puertas laterales de la estructura de acrílico para su posterior ingreso al almacén. 43 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Figura 5-9. Riesgo de golpes por parte del robot manipulador del almacén robotizado. 5.1.3.4 Mesa de trabajo 1 En la mesa de trabajo 1 se encuentra presente los siguientes riesgos: RIESGO 9. Un alto riesgo de electrocución, ya que debajo de la mesa están instalados dispositivos y elementos eléctricos que no disponen de ninguna cubierta para su protección (PLC, módulos de E/S, tomas de alimentación, etc.) y que son alimentados con 230VAC/50Hz; estos elementos pueden causar desde quemaduras hasta lesiones irreversibles a los usuarios. Figura 5-10. Riesgo eléctrico presente en los dispositivos eléctricos instalados en la Mesa 1. Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 44 44 RIESGO 10. Riesgo de posibles golpes por parte del robot que se encarga de la manipulación de pallets. Actualmente no se encuentra instalada ninguna protección en su estructura para evitar o minimizar la exposición a este riesgo cuando los estudiantes ingresan a la zona de operación del manipulador. Figura 5-11. Riesgo de golpes con el manipualdor de pallets ubicado en la mesa de trabajo 1. 5.1.3.5 Brazo robótico SCORBOT-ER 4u En el puesto de trabajo donde se encuentra instalado el brazo robótico SCORBOT se determinaron los siguientes riesgos: RIESGO 11. Riesgo de posibles golpes por parte del robot SCORBOT. Dicho riesgo se produce cuando el brazo robótico se encuentra en funcionamiento y el usuario ingresa en el área de operación de dicho robot. Figura 5-12. Riesgo de golpes en el área de trabajo del brazo robótico SCORBOT. 45 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible RIESGO 12. En la parte inferior del brazo robótico SCORBOT y al igual que en la Mesa 1, actualmente están instalados dispositivos y elementos eléctricos que no disponen de una ninguna cubierta de protección; dicho la anterior existe un riesgo de electrocución que puede afectar a los estudiantes. Figura 5-13. Riesgo eléctrico presente en los dispositivos eléctricos ubicados en la parte inferior del puesto de trabajo del brazo robótico SCORBOT. 5.1.4 Cálculo de riesgos presentes en la célula de fabricación flexible El cálculo del nivel de prestaciones requerido (PLr) para cada uno de los riesgos identificados se lo realiza de manera individual; donde además se determinan tres parámetros importantes para su posterior evaluación: 1) Gravedad del riesgo (leve/normalmente reversible o grave/irreversible o muerte). 2) Frecuencia y duración de la exposición al posible riesgo (rara vez/exposición baja o frecuentemente/exposición larga). 3) Posibilidad de evitar la fuente de riesgo o minimizar el daño (evitable en determinadas circunstancias o difícilmente evitable). 5.1.4.1 Cintas transportadoras RIESGO 1. Para el riesgo de atrapamiento, aprisionamiento y enganche de dedos, mano o pelo del usuario; para el caso de la transmisión mecánica que se produce en los engranajes instalados en las cintas transportadoras. Gravedad: Debido a la velocidad angular en los engranajes, dimensiones, diseño y a su constitución del material, y teniendo en cuenta que el atrapamiento puede ocurrir en las ruedas dentadas las lesiones que pueden afectar al usuario se consideran como reversibles con asistencia médica. Frecuencia: Teniendo en cuenta que los cinco mecanismos para la elevación de las bandejas se encuentran instalados en puntos específicos del circuito formado por las cinco cintas transportadoras, permitiendo así la circulación de las bandejas. Dicho circuito, se encuentra formando un perímetro rectangular alrededor de los demás puestos de trabajo. Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 46 46 Dentro de las actividades de formación, los estudiantes podrán acercarse constantemente a las cintas para observar y/o manipular las bandejas, pallets o piezas. La frecuencia y tiempo de exposición al riesgo es alta. Posibilidad de evitar la fuente de riesgo: El riesgo se considera como evitable en determinadas circunstancias. RIESGO 2. Para el riesgo de electrocución, presente en el cuadro eléctrico principal con una tensión de alimentación de 230VAC/50Hz. Gravedad: La corriente eléctrica a su paso por el cuerpo humano puede producir diversas lesiones físicas (por ejemplo: quemaduras, contracciones musculares, dificultades respiratorias, paros cardiacos, caídas, etc.) hasta el fallecimiento por fibrilación ventricular. Dicho la anterior y teniendo en cuenta que los alumnos no tienen la experiencia suficiente en el manejo de equipos de media tensión y que usualmente tampoco utilizan guantes y zapatos dieléctricos, se establece el peor de los casos del riesgo por electrocución. En el cuadro eléctrico al existir alimentación de corriente alterna de 230VAC/50Hz, la gravedad en el caso más desfavorable es la muerte. Frecuencia: Actualmente todos los dispositivos eléctricos se encuentran ubicados dentro de un cuadro eléctrico que a su vez está dentro del perímetro formado por las cintas transportadoras, dificultando así el acceso al riesgo. Los estudiantes no tienen permitido el acceso a la apertura del cuadro eléctrico. La apertura del cuadro eléctrico se realiza únicamente para las operaciones de mantenimiento por el personal capacitado, y las mismas que son llevadas a cabo 1 vez cada 5 años. Posibilidad de evitar la fuente de riesgo: El riesgo se considera como difícilmente evitable. RIESGO 3. Para el riesgo de golpes en las extremidades inferiores del usuario, en el caso de la caída de objetos como, por ejemplo: bandejas, pallets, y piezas que se encuentren sobre circuito de las bandas transportadoras. Gravedad: Teniendo en cuenta que el conjunto de la bandeja, pallet y diversas piezas que se movilizan a través del circuito de las cintas transportadoras, pueden llegar a tener un peso de unos 4Kg aproximadamente. El cálculo de la fuerza que ejerce la bandeja y pallet con piezas al caerse de alguna de las cintas en el caso más desfavorable es el siguiente: Donde la distancia entre la cinta transportadora y el suelo es: 98cm (h = 0.98m) La velocidad al caer es: 𝑣 = √2𝑔ℎ = 4.38 𝑚/𝑠 La energía cinética justo antes del impacto con el suelo es: 𝐸𝑐 =1 2𝑚𝑣2=38.42 𝐽 La fuerza media de impacto sobre el suelo es: 𝐹 = 𝐸𝑐/𝑑 = 3841 𝑁 = 391𝐾𝑔𝑓 ; donde d es la distancia que recorre el objeto después del impacto (1cm). Para el cálculo de la gravedad de este riesgo, se debe considerar que los estudiantes al entrar en contacto con la célula de fabricación flexible no disponen del calzado de punta de acero para minimizar las lesiones por caída de objetos en las extremidades inferiores. Para una fuerza de 391𝐾𝑔𝑓 y al tratarse de superficies de contacto planas, la caída del conjunto de objetos 47 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible formados por una bandejas, pallet y piezas sobre un pie del estudiante se considera como reversible con atención médica. Frecuencia: Dentro de las actividades de formación, los estudiantes podrán acercarse constantemente a las cintas transportadoras para observar y/o manipular las bandejas, pallets o piezas. La frecuencia y tiempo de exposición al riesgo es alta. Posibilidad de evitar la fuente de riesgo: El riesgo puede ser evitable en determinadas circunstancias. RIESGO 4. Para el riesgo de aire comprimido presente el todo el circuito de las bandas transportadoras, esto debido a la distribución de la instalación para las electroválvulas neumáticas encargadas de la activación de los retenedores. Gravedad: Teniendo en cuenta que las mangueras para las conexiones neumáticas pueden estar sometidas durante su vida útil a flexiones, golpes, erosiones, etc., pudiendo ocasionar la ruptura de estas, lo que ocasionaría un movimiento repentino de serpenteo o látigo del aire comprimido que pueden afectar a zonas sensibles del usuario (ojos, heridas abiertas, oído, boca, etc.) provocando lesiones irreversibles en casos específicos; esto debido a que lo estudiantes principalmente no disponen de protecciones visuales y auditivas que pueden reducir el riesgo. Frecuencia: Las instalaciones neumáticas incluyendo las mangueras para la conexión se encuentran ubicadas alrededor de todas las cintas transportadoras para el manejo de electroválvulas y retenedores. El estudiante no tiene permitido en ninguna circunstancia la manipulación del sistema neumático. El acceso a la manipulación del sistema neumático es permitido al personal encargado de llevar a cabo su mantenimiento, y esto se lo realiza 1 vez cada 5 años. Posibilidad de evitar la fuente de riesgo: El riesgo se considera como difícilmente evitable, debido a la rapidez con el que se propaga el riesgo. 5.1.4.2 Alimentador de bandejas RIESGO 5. Para el riesgo de atrapamiento y aprisionamiento de dedos y/o mano, entre el cilindro elevador de bandejas y/o la estructura del mecanismo del giro de bandejas o con la estructura de aluminio. Gravedad: Para determinar la gravedad del riesgo se realiza el siguiente cálculo. Cálculo de la fuerza que ejerce el cilindro en el caso más desfavorable: Donde el diámetro del cilindro de elevación es: 40mm (radio = 0.02m) 𝑆 = 𝜋𝑟2= 0.0004 𝑚2 La presión de trabajo del cilindro es: 5bar 𝑃 = 50986 𝐾𝑔𝑓/ 𝑚2 La fuerza F aplicada por el cilindro es entonces: 𝐹 = 𝑃.𝑆 = (50986𝐾𝑔𝑓 𝑚2)𝑥(0.0004 𝑚2)=64𝐾𝑔𝑓Para una fuerza de 64𝐾𝑔𝑓, y al tratarse de superficies de contacto planas se considera que las posibles lesiones que afectan al usuario en caso de Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 48 48 atrapamiento de dedos y/o mano pueden ser consideradas de gravedad baja; es decir, la gravedad de las posibles lesiones pueden llegar a ser reversibles con atención media. Frecuencia: Debido a que el acceso a la zona de este riesgo por atrapamiento de la máquina tenga como fin la reordenación, desbloqueo y ajuste o colocación de las bandejas, que ocurren normalmente después de que se haya producido un determinado fallo por una operación indebida (por ejemplo, fallos en la programación o mala manipulación desde el panel de control ubicado en el cuadro eléctrico de control), por situaciones que habitualmente se producen durante la formación del estudiante, hace difícil estimar datos de frecuencia y duración de la exposición al peligro. Dicho lo anterior y teniendo en cuenta que el alimentador va a ser utilizado durante varios años por un número indeterminado de alumnos, se considerará que la frecuencia o duración de la exposición al peligro puede ser alta. Posibilidad de evitar la fuente de riesgo: El riesgo se considera como difícilmente evitable RIESGO 6. Para el riesgo de electrocución con corriente alterna de 230VAC/50Hz que existe en su propio cuadro eléctrico de control. Gravedad: Teniendo en cuenta que los alumnos no tienen la experiencia suficiente en el manejo de equipos de media tensión se establece el peor de los casos del riesgo por electrocución. En el cuadro eléctrico al existir alimentación de corriente alterna de 230VAC/50Hz, la gravedad en el caso mas desfavorable es la muerte. Frecuencia: Actualmente todos los dispositivos eléctricos se encuentran ubicados dentro de un cuadro eléctrico dificultando así el acceso al riesgo. Los estudiantes no tienen permitido el acceso a la apertura del cuadro eléctrico. La apertura del cuadro eléctrico se realiza únicamente para las operaciones de mantenimiento por el personal capacitado, y las mismas que son llevadas a cabo 1 vez cada 5 años. Posibilidad de evitar la fuente de riesgo: El riesgo se considera como difícilmente evitable. RIESGO 7. Para el riesgo de aire comprimido presente en las electroválvulas neumáticas ubicadas en el cuadro eléctrico de control, en los cilindros de giro y elevación situados en la estructura de aluminio del alimentador y en las instalación para la distribución del aire comprimido. Gravedad: De igual manera que el riesgo de aire comprimido presente en las cintas transportadoras; las lesiones provocadas por este tipo de riesgo se pueden considerar como irreversibles en casos específicos. Frecuencia: Como se mencionó anteriormente, la instalación neumática se encuentran dentro del cuadro eléctrico de control, dificultando de esta manera su acceso. La apertura del cuadro eléctrico se realiza únicamente para las operaciones de mantenimiento por el personal capacitado, y las mismas que son llevadas a cabo 1 vez cada 5 años. Posibilidad de evitar la fuente de riesgo: El riesgo se considera como difícilmente evitable. 49 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible 5.1.4.3 Almacén robotizado ASRS RIESGO 8. Para el riesgo de posibles golpes por parte del robot manipulador cuando está en funcionamiento y que, además se encuentra situado en el centro de las dos estanterías del almacén. Gravedad: Teniendo en cuenta las dimensiones del manipulador, así como también de la velocidad máxima (50m/min) con la que se puede movilizar, la gravedad del riesgo se considera como reversible con atención médica. Frecuencia: El almacén robotizado cuenta con una estructura de aislamiento hecha de acrílico para evitar el acceso indebido de los usuarios; sin embargo, dispone de dos puertas a sus lados laterales para permitir la manipulación de los pallets cuando se encuentra fuera de funcionamiento; por lo tanto, se considera que la frecuencia o duración de la exposición al peligro es baja. Los estudiantes tienen restringido el acceso al almacén para manipular los pallets. Donde el personal encargado de llevar a cabo las tareas de mantenimiento son los únicos con autorización de acceso, el mantenimiento se lo realiza 1 vez cada 5 años. Posibilidad de evitar la fuente de riesgo: El riesgo se considera difícilmente evitable. 5.1.4.4 Mesa de trabajo 1 RIESGO 9. Para el alto riesgo de electrocución presente en los dispositivos y elementos eléctricos que están instalados a la intemperie y que son alimentados con 230VAC/50Hz. Gravedad: En el cuadro eléctrico al existir alimentación de corriente alterna de 230VAC/50Hz, la gravedad en el caso más desfavorable es la muerte. Frecuencia: Teniendo en consideración que los dispositivos eléctricos donde pueden ocurrir el riesgo por electrocución se encuentran ubicados a la intemperie (no disponen de un adecuado cuadro eléctrico) debajo de la Mesa de trabajo 1, y que además los alumnos constantemente se sitúan por los ordenadores que se encuentran muy cerca de la Mesa 1, ya que les permiten controlar los puestos de trabajo de la célula. La frecuencia o duración de la exposición al peligro se considera alta. Posibilidad de evitar la fuente de riesgo: El riesgo se considera como difícilmente evitable. RIESGO 10. Para el alto riesgo de golpes por parte del manipualdor que se encuentra instalado en la parte superior de la mesa de trabajo 1, y que cuenta con dos motores para que se pueda movilizar en los ejes “x”, “y” a lo largo de la estructura de aluminio prevista alrededor de la mesa. Gravedad: Debido a la que la estructura de aluminio del manipulador es controlada a través de dos motores de baja potencia que actualmente no disponen de protección por sobre corriente y que, además sus movimientos no pueden llegar a ser bruzcos; la gravedad puede considerarse como reversible con atención médica. Frecuencia: Teniendo en cuenta que la mesa de trabajo es un paso constante para los estudiantes ya que se encuentra instalada junto a las mesas que contienen a los ordenadores que tiene comunicación con los Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 56 56 Tabla 5-1. Detalle de los riesgos existentes y eliminados en la célula de fabricación flexible. TIPO UBICACIÓN ESTADO OBSERVACIONES RIESGO 1: Atrapamiento. Cintas transportadoras. Existente. Necesario calcular el PL. RIESGO 2: Eléctrico. Cintas transportadoras. Eliminado. Uso de cuadro eléctrico. RIESGO 3: Golpes. Cintas transportadoras. Existente. Necesario calcular el PL. RIESGO 4: Aire comprimido. Cintas transportadoras. Eliminado. Uso de presión de trabajo baja. RIESGO 5: Atrapamiento. Alimentador de bandejas. Existente. Necesario calcular el PL. RIESGO 6: Eléctrico. Alimentador de bandejas. Eliminado. Uso de pupitre de control. RIESGO 7: Aire comprimido. Alimentador de bandejas. Eliminado. Uso de presión de trabajo baja. RIESGO 8: Golpes. Almacén robotizado. Existente. Necesario calcular el PL. RIESGO 9: Eléctrico. Mesa de trabajo 1. Eliminado. Uso de cuadro eléctrico. RIESGO 10: Golpes. Mesa de trabajo 1. Eliminado. Uso de paneles y salvaguarda. RIESGO 11: Eléctrico. Mesa del SCORBOT. Eliminado. Uso de cuadro eléctrico. RIESGO 12: Golpes. Mesa del SCORBOT. Existente. Necesario calcular el PL. 5.1.6.1 Cálculo del PL requerido El cálculo del PL para cada uno de los riesgos detectados y aún existentes se detalla en las siguientes figuras. Para el RIESGO 1: Figura 5-21. PL requerido para el riesgo de atrapamiento en los elevadores de las cintas transportadoras. 57 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Para el RIESGO 3: Figura 5-22. PL requerido para el riesgo de golpes por caída de objetos desde las cintas transportadoras. Para el RIESGO 5: Figura 5-23. PL requerido para el riesgo de atrapamiento o aprisionamiento entre el cilindro elevador y la estructura de aluminio del alimentador de bandejas. Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 58 58 Para el RIESGO 8: Figura 5-24. PL requerido para el riesgo de golpes por parte del brazo robótico ubicado en medio de las dos estanterías del alamacén robotizado. Para el caso del RIESGO 10, con la instalación de los paneles de seguridad se reduce la frecuencia a la exposición del riesgo a baja, y teniendo en cuenta que la zona de trabajo del manipulador es un área para la manipulación de pallets, el estudiante tendrá acceso a dicha zona mediante el panel lateral móvil. Figura 5-25. PL requerido para el riesgo de golpes por parte del manipulador de pallets instalado en la mesa 1. 59 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Para el RIESGO 12: Figura 5-26. PL requerido para el riesgo de golpes por parte del brazo robótico SCORBOT. 5.1.6.2 Diseño de la seguridad funcional La célula de fabricación básicamente tiene una forma rectangular, dicho de otra manera, sus puestos de trabajo están distribuidos de tal manera que forman un rectángulo. En la Figura 5-27 se puede observar que el contorno del rectángulo viene definido claramente por las 4 cintas transportadoras, teniendo en la parte externa a los puestos de trabajo de la mesa 1 [1], el alimentador de bandejas con su cuadro eléctrico [2 y 3], y el almacen robotizado [6], mientras que en la parte interna están, el cuadro eléctrico principal [5], la mesa giratoria y la cinta transportadora 5 [4] y la mesa de trabajo del SCORBOT [7]. Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 60 60 Figura 5-27. Puestos de trabajo de la célula de fabricación flexible. Aprovechando la distribución de los puestos de trabajo y una vez identificados todos los posibles riesgos; se propone diseñar un perímetro de seguridad compuesto por quince tapices de seguridad para que los estudiantes no puedan acceder a las zonas donde existe peligro de lesiones o incluso muerte en el caso de electrocución; es decir, cuando el estudiante entre en contacto con uno de los tapices inmediatamente los puestos de trabajo deberán dejar de funcionar. Las dimensiones de los tapices se han elegido teniendo en cuenta las medidas típicas que se pueden encontrar en el mercado, siendo sus medidas de 500 x 500 mm y de 750 x 500 mm. Como se puede observar en la Figura 5-28, los tapices de seguridad restringen el acceso a los puestos de trabajo de las cintas transportadoras, el alimentador de bandejas, la mesa de trabajo del brazo robótico SCORBOT, el cuadro eléctrico principal y la mesa giratoria; eliminando de esta manera los siguientes riesgos: Para las cintas transportadoras: • Golpes en las extremidades inferiores por caída de objetos desde las cintas. • Atrapamiento o aplastamiento en los cinco elevadores instalados sobre las cintas transportadoras. • Electrocución en el cuadro eléctrico principal. • Riesgo por aire comprimido distribuido en el circuito de las cintas transportadoras. Para el alimentador de bandejas: • Riesgo de atrapamiento y aprisionamiento entre el cilindro elevador y la estructura de aluminio. Para la mesa de trabajo del SCORBOT-ER 4u: • Golpes a los estudiantes por parte del robot SCORBOT cuando se encuentra en funcionamiento. 61 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Figura 5-28. Diseño del perímetro de seguridad alrededor de la célula de fabricación flexible. Con la implementación del perímetro de seguridad es necesario retirar los equipos (brazos robóticos, y controlador) que se encuentran junto a la célula de fabricación flexible, para que tanto el profesor como los estudiantes puedan movilizarse sin ningún inconveniente y no provocar paros repentinos en el funcionamiento de la célula debido al espacio reducido entre la célula y el resto de los equipos que se encuentran instalados en el laboratorio. El primer robot se encuentra empotrado junto a la cinta 2, el otro robot está instalado cerca del alimentador de bandejas en la cinta 4, y finalmente el controlador está junto al puesto de trabajo de mesa 1. No es pertinente colocar tapices de seguridad alrededor de la mesa de trabajo 1 y del cuadro de control de la alimentador de bandejas debido a la alta concurrencia de los estudiantes a estas zonas, ya que como parte de su formación pueden interactuar con el panel de control dispuesto para el manejo de las tareas del alimentador de bandejas, así como también, los estudiantes deben realizar tareas de programación, control y monitoreo de los puestos de trabajo mediante el uso de los ordenadores que se encuentran frente a las zonas anteriormente mencionadas. Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 62 62 Para la eliminación del riesgo de golpes por parte del robot manipulador situado en el centro de las dos estanterías del almacén de pallets, y teniendo en cuenta que este riesgo se produce cuando el usuario realiza la apertura de cualquiera de las dos puertas de acceso instaladas en las partes laterales del almacén, se propone la instalación de contactos magnéticos codificados (uno en cada puerta), con el objetivo de cortar la alimentación del almacén en funcionamiento si se detecta la apertura de una de las puertas de acceso a los pallets. Figura 5-29. Zona para la instalación de contactos magnéticos en la una de las puerta laterales del almacén robotizado. Bajo las mismas condiciones que las del almacén, se elimina el riesgo de golpes por parte del manipulador de pallets de la mesa de trabajo 1, con la instalación de contactos magnéticos codificados en el panel de seguridad móvil. Con fines de formación del estudiante, el alimentador de bandejas puede realizar sus tareas funcionales (alipar y girar bandejas) sin la necesidad de que las cintas transportadoras estén en funcionamiento; es decir, que cuando el perímetro de seguridad formado por los tapices no este en funcionamiento y se requiera la puesta en marcha únicamente del alimentador de bandejas, el riesgo por atrapamiento entre el cilindro elevador y la estructura de aluminio seguirá presente. En este caso para minimizar el riesgo se hace uso de los dos sistemas mecánicos formados con 4 interruptores de seguridad (2 a la entrada y 2 a la salida del alimentador) para detectar la intrusión de dedos, manos y/ brazo del estudiante. 63 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Figura 5-30. Zona para la instalación de barreras inmateriales a la salida del alimentador de bandejas. 5.1.7 Diseño de la seguridad funcional Para definir las funciones de seguridad requeridas para la célulda de fabricación flexible lo más recomendable es dividir a cada una de ellas en bloques independientes; usualmente se realiza una descomposición en subsistemas para la entrada, la lógica y la salida que pueden ser, por ejemplo, interruptor - relé de seguridad – contactores. Figura 5-31. Subsistemas para establecer una función de seguridad. Para los dos niveles de PL = “c” y los dos otros cuatro niveles de PL = “b”, y teniendo en cuenta las categorías descritas en la Tabla 3-8, se define la estructura de la categoría 1 para cada una de las funciones de seguridad de la célula de fabricación flexible. Sistemas de Seguridad para la Célula de Fabricación Flexible 64 64 5.1.7.1 Elección de los componentes para el sistema de seguridad de la célula de fabricación flexible Mediante la estructura de la Figura 3-7, para los riesgos 1, 3, 5, 8, 10 y 12 presentes en los puestos de trabajo de la célula se definen los siguientes componentes: Dispositivos de entrada: 15 tapices de seguridad, 4 interruptores de seguridad, 2 pares de contactos magnéticos y 8 setas de emergencia, Los 15 tapices son para el perímetro de seguridad alrededor de la célula, los 4 interruptores de seguridad se encuentran instalados actualmente en el alimentador de bandejas, los contactos magnéticos son para las puertas del almacén robotizado y de la mesa de trabajo 1. Actualmente las setas de emergencia se encuentran instaladas en los puestos de trabajo, y se distribuyen de la siguiente manera: 4 para el circuito de cintas transportadoras, 1 para la mesa de trabajo 1, 1 ubicada en el almacén, 1 en la estructura del alimentador de bandejas y la última en la mesa de trabajo del SCORBOT. Dispositivos lógicos: Un relé de seguridad (con tres canales). Los tapices de seguridad se los conectan en cascada mediante sus conectores, usualmente con un máximo de 30 tapices para determinados relés de seguridad (dependiendo del fabricante). Dichos tapices conectados en cascada necesitan usar 2 canales del relé de seguridad para su funcionamiento. Dispositvios de salida: Como dispositivos de salida se establecen contactores, los mismos que se encargan del corte de la alimentación de tensión en los puestos de trabajo de la célula para eliminar o minimizar los riesgos generados. En total se disponen de 29 funciones de seguridad para la eliminación y reducción de los posibles riesgos que se pueden presentar durante el funcionamiento de uno o más puestos de trabajo de la célula de fabricación flexible. Los esquemas para las cada una de las funciones se muestran a continuación. Esquema para la función de seguridad de los tapices de seguridad: Figura 5-32. Función de seguridad para los tapices de seguridad. 65 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible Esquema para la función de seguridad de los interruptores de seguridad: Figura 5-33. Función de seguridad para los interruptores de seguridad. Esquema para la función de seguridad de los contactos magnéticos: Figura 5-34. Función de seguridad para los contactos magnéticos. Conclusiones y Trabajos Futuros 72 72 6 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS l estudio realizado permitió crear diferentes sistemas de seguridad funcional para la célula de fabricación flexible que se encuentra instalada en el departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática (Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla) cumpliendo de esta manera la normativa impuesta por la Directiva de Máquinas 2006/42/CE que entró en vigencia el 29 de diciembre del 2009, la misma que indica que toda máquina dentro de la Unión Europea (UE) debe garantizar un nivel mínimo de seguridad para la propia máquina y para todos los usuarios (para este caso los estudiantes) que intervengan en las etapas de: diseño/fabricación, instalación, ajuste/funcionamiento y mantenimiento en la vida útil de la máquina. Para la identificación de cada uno de los posibles riesgos se realizó una evaluación de manera individual de cada uno de los puestos de trabajo, determinando un total 12 riesgos que atentaban en contra de la salud de los estudiantes, pudiendo ocasionar desde lesiones leves hasta una muerte por electrocución generada por los dispositivos que requieren una tensión de alimentación de 230VAC/50Hz. Con todos los riesgos identificados dentro del funcionamiento de la célula de fabricación flexible se pudo optar por medidas que en todos los casos se consiguió eliminar los riesgos y peligros que atentaban en contra de la salud del usuario; es importante mencionar que una vez realizado el estudio para la implementación de los sistemas de seguridad funcional no se generó o adicionó algún otro tipo de riesgo eléctrico, mecánico o neumático. Como trabajo futuro, se recomienda la implementación de los sistemas de seguridad funcional que se pudieron establecer a lo largo del presente proyecto, donde se determinaron los elementos, compontes, dispositivos, tanto eléctricos y electrónicos que permitirán garantizar la eliminación de los 12 riesgos identificados. Para la instalación de los dispositivos se debe tener en cuenta que actualmente en la célula de fabricación flexible ya se encuentran instalados las setas de emergencia, y los interruptores de seguridad; por tal razón se deben realizar una nueva conexión eléctrica para centralizar los sistemas de seguridad funcional en un determinado cuadro de control que únicamente se encargará de la seguridad funcional en cada una de las etapas de la vida útil de la célula de fabricación flexible. E 73 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible 7 PRESUPUESTO DE MATERIALES inalmente se propone una lista de materiales de diferentes proveedores para la implementación de los sistemas de seguridad funcional de la célula de fabricación flexible. El coste de los materiales mostrados están establecidos por el fabricante hasta la presentación del presente proyecto, se debe tener en cuenta que los precios pueden cambiar conforme transcurra el tiempo. Los dispositivos para la implementación de las funciones de seguridad que actualmente se encuentran instalados en la célula de fabricación flexible (los 4 interruptores de seguridad del alimentador de bandejas, las 8 setas de emergencia distribuidas en puntos estratégicos de cada puesto de trabajo) se encuentran en buenas condiones y presentan un correcto funcionamiento, por tal razón no es necesaria la sustitución de los materiales anteriormente mencionados. Tabla 7-1. Presupuesto de los materiales para la implementación de los sistemas de seguridad funcional para la célula de fabricación flexible. PROVEEDOR CANT. ELEMENTO COSTE UNIT. COSTE TOTAL PILZ 11 Alfombra de seguridad PSENmat Dimensiones: 1000X600x32mm. Conexión serie: 22 alfombras. Tiempo de reacción: ≤ 25ms 850,00€ 9350,00€ PILZ 1 Relé de seguridad PNOZ e4.1p 24VDC 2so, compatible con alfombras de seguridad. 148,90€ 148,90€ PILZ 1 Relé de seguridad PNOZ X7.1 24VDC/AC 1n/ o 1n/c. 120,40€ 120,40€ PILZ 2 Interruptor de seguridad mágnetico PSEN 1.1p- 20/PSEN 1.1-20/8mm/1unit 56,80€ 113,60€ PILZ 1 PSEN cable 2m con conector acodado para interruptor de seguridad magnético 9,50€ 9,50€ PILZ 1 PSEN cable 5m con conector acodado para interruptor de seguridad magnético 12,90€ 12,90€ PILZ 2 Pulsador de emergencia SET.1: PIT es3.1/2n/c (2N/C, 1 N/O terminales) 34,30€ 68,60€ PILZ 2 Pulsador de emergencia SET3.1: PIT es3.1/2n/c (2N/C terminales) 30,00€ 60,00€ ABB 1 Fuente de alimentación de montaje en carril DIN; IN:230VAC, OUT:24VDC/2.5A 82,92€ 82,92€ Schneider 2 Contactor LC1D25P7 TeSys D 3P, 440V 25A, 51,81€ 103,62€ F Presupuesto de Materiales 74 74 Electric AC-3, 230VAC BOBINA Varios 5 Placa de metaclilato 100cm x 100cm de 5mm de grosor 55,00€ 275,00€ Schneider Electric 1 Gabinete eléctrico NSYS3D10640P, IP66 1000x600x400mm 257,70€ 257,70€ Schneider Electric 1 Gabinete eléctrico NSYCRN86300, IP66 800x600x300mm 198,52€ 198,52€ Schneider Electric 1 Gabinete eléctrico NSYCRN64250, IP66 600x400x250mm 93,54€ 93,54€ ABB 1 Disyuntor mini MCB 2P/10A 26,97€ 26,97€ Varios 1 Cable para control y fuerza, carril din, canaleta ranurada, etc. 200,00€ 200,00€ NOTA: PRECIO NO INCLUYE IVA. GRAN TOTAL 11.122,17€ Con fines de formación del estudiante, se pueden llevar a cabo prácticas únicamente con el alimentador de bandejas cuando las cintas transportadoras no estén en funcionamiento; es decir, cuando el perímetro de seguridad formado por los tapices esté desactivado; teniendo en cuenta esta consideración es necesaria la utilización de dos relés de seguridad para gestionar las funciones de seguridad, el primer relé es el encargado del manejo de las tapices de seguridad, mientras que el segundo relé maneja a los interruptores de seguridad instalados en el alimentador de bandejas, las setas de emergencia, y los contactos magnéticos. A la salida de cada relé se deberá conectar un contactor (uno para cada relé) para cortar la tensión de alimentación de los puestos de trabajo y eliminar los riesgos existentes dentro de la célula de fabricación flexible; además cada relé dispondrá de una seta de emergencia y de un pulsador para el rearme del sistema que deberá ser accionado una vez que el usuario haya verificado que todos los riesgos y peligros se encuentren controlados, garantizando de esta manera el bienestar de los estudiantes. 75 Implementación de los sistemas de seguridad funcional para una célula de fabricación flexible BIBLIOGRAFÍA Y SITIOS WEB DE CONSULTA - EN ISO 14121-1 Seguridad de las máquinas. Evaluación del riesgo - Parte 1: Principios. - EN ISO 12100-1 Seguridad de las máquinas. Conceptos básicos, principios generales para el diseño - Parte 1: Terminología básica, metodología. - EN ISO 12100-2 Seguridad de las máquinas. Conceptos básicos, principios generales para el diseño - Parte 2: Principios técnicos. - EN IEC 60204 Seguridad de las máquinas. Equipo eléctrico de las máquinas. Requisitos generales. - EN ISO 13850 Seguridad de las máquinas. Parada de emergencia. Principios de diseño. - EN IEC 62061 Seguridad de las máquinas, Seguridad funcional de sistemas de control eléctricos, electrónicos y programables relativos a la seguridad. - EN IEC 61508 Seguridad funcional de los sistemas eléctricos / electrónicos / electrónicos programables relacionados con la seguridad. - EN ISO 13849-1 Seguridad de las máquinas - Partes de los sistemas de mando relativas a la seguridad - Parte 1: Principios generales para el diseño. - Web oficial de Schneider Electric - www.oem.schneider-electric.com - Web oficial de ABB - www.abb.es