ITPO20060006A1 - SAFETY CHECK FOR THE PREVENTION OF INTESTED MACHINE RESTART AND EXCEEDING SPEED DURING THE RUNNING ACTION MAINTAINED - Google Patents

Description

29HDG.2006 29HDG.2006

»«τν3⁄4ι«>©·»ι , . . , ,n »« Τν3⁄4ι «> © ·» ι,. . ,, no

sicurezza per la prevenzione dei riawu intempestivi della security for the prevention of untimely rewu of the

macchina e superamento di velocità durante la marcia ad azione mantenuta. machine and overspeed while running at sustained action.

Introduzione e Scopo Introduction and Purpose

Scopo del presente documento è quello di fornire valide indicazioni su tutta una serie di pericoli correlati con l’avviamento improvviso della macchina e con il superamento di velocità durante il funzionamento ad azione mantenuta (macchine da cartotecnica, tomi, ecc..), proponendo una valida soluzione per ridurre i pericoli che possono essere legati a questi tipi di malfunzionamento. Le normative redatte in campo di sicurezza, in particolare la norma UNI EN 954-1 del dicembre del 1998, prende in esame le parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza affidando tali funzioni solo a componenti e dispositivi ben collaudati e aventi i requisiti evidenziati in detta norma, risaltando l’aspetto che i componenti elettronici, sia essi programmabili che non, non sono adatti per compiere operazioni di emergenza se non diversamente certificati dal costruttore come tali. Ne deriva dunque che l’uso del PLC, dei dispositivi per il controllo dei motori o di altri sistemi a logica programmata, non possono essere utilizzati come componenti di sicurezza e quindi il loro utilizzo, all’interno di un circuito elettrico di comando, può portare all’awiamento improvviso della macchina e/o al superamento di velocità sia in automatico che ad azione mantenuta. The purpose of this document is to provide valid information on a whole series of dangers correlated with the sudden start-up of the machine and with the exceeding of speed during operation with maintained action (paper converting machines, tomes, etc.), proposing a valid solution to reduce the dangers that can be linked to these types of malfunctions. The regulations drawn up in the safety field, in particular the UNI EN 954-1 standard of December 1998, examines the parts of the control systems related to safety, entrusting these functions only to well-tested components and devices and having the requirements highlighted in said standard, highlighting the aspect that electronic components, whether programmable or not, are not suitable for carrying out emergency operations unless otherwise certified by the manufacturer as such. It follows therefore that the use of the PLC, of the devices for the control of the motors or of other systems with programmed logic, cannot be used as safety components and therefore their use, within an electric control circuit, can lead to the sudden start-up of the machine and / or the over-speeding both automatically and with maintained action.

L’avvento dei moduli di sicurezza ha permesso dunque il controllo sul superamento del limite di velocità sia in automatico che durante la marcia ad azione mantenuta ma, in entrambi i casi, un riferimento statico (limite massimo) può non essere sufficiente a impedire il verificarsi di un detto pericolo sia nei confronti della macchina che verso l’operatore addetto in quanto il tempo di arresto dell’ apparato è dovuto alla somma di due fattori: The advent of safety modules has therefore made it possible to control whether the speed limit is exceeded both in automatic mode and during running with maintained action but, in both cases, a static reference (maximum limit) may not be sufficient to prevent the occurrence. of a said danger both towards the machine and towards the assigned operator since the stopping time of the apparatus is due to the sum of two factors:

1) tempo necessario per il superamento della soglia di guardia (limite massimo); 1) time required for exceeding the guard threshold (maximum limit);

2) tempo di arresto dell’organo pericoloso. 2) stopping time of the dangerous organ.

Le cause che portano a malfunzionamenti dell’apparato (es. azionamento di un motore) sono dovute alla presenza di errori che influenzano istante per istante il sistema in oggetto. The causes that lead to equipment malfunctions (eg. Driving a motor) are due to the presence of errors that affect the system in question moment by moment.

L’errore, nella maggior parte dei casi, viene corretto dalla retroazione esistente tra i blocchi della catena, essendo basata su una logica di controllo non di sicurezza, può rappresentare l’anello debole del sistema cosi configurato, incidendo negativamente sull’affidabilità del circuito di sicurezza. The error, in most cases, is corrected by the feedback existing between the blocks of the chain, being based on a non-safety control logic, it can represent the weak link of the system thus configured, negatively affecting the reliability of the circuit. safety.

Da ciò se ne deduce che è bene individuare il prima possibile eventuali cause che possono alterare le condizioni di normale funzionamento in modo da ridurre i tempi di arresto dell’apparato e quindi anche la gravità del rischio. L’introduzione nel mercato di PLC di sicurezza permette dunque di rimuovere i pericoli sopra descritti ma, l’installazione all’intemo di un contesto già esistente può risultare molto difficile e il prezzo del singolo dispositivo in alcuni casi addirittura proibitivo relazionato al costo della macchina. La soluzione di utilizzare un modulo di sicurezza programmabile con l’ausilio di un’apposita logica di controllo, non espleta a pieno i vantaggi offerti dal PLC di sicurezza, il quale permette di controllare istante per istante l’evoluzione del sistema ma rappresenta un giusto compromesso tra le soluzioni già descritte. I vantaggi offerti dal modulo di sicurezza programmabile, associato con opportune logiche di comando, permette di eseguire un numero finito di controlli a soglie predeterminate aumentando i vantaggi offerti dai moduli di sicurezza statici e allo stesso tempo di più facile installazione all’intemo di uno schema elettrico già esistente. From this it follows that it is good to identify as soon as possible any causes that may alter the conditions of normal operation in order to reduce the stopping times of the apparatus and therefore also the seriousness of the risk. The introduction on the market of safety PLCs therefore allows to remove the dangers described above but, the installation within an already existing context can be very difficult and the price of the single device in some cases even prohibitive in relation to the cost of the machine. . The solution of using a programmable safety module with the aid of a specific control logic does not fully carry out the advantages offered by the safety PLC, which allows you to control the evolution of the system moment by moment but represents a correct compromise between the solutions already described. The advantages offered by the programmable safety module, associated with appropriate command logics, allows to perform a finite number of controls at predetermined thresholds, increasing the advantages offered by the static safety modules and at the same time easier to install within a scheme existing electric.

Principio di funzionamento Principle of operation

Il principio di funzionamento del sistema si basa sul controllo dello scostamento tra due rette: una ideale e una reale. La retta ideale (Fig.l) è definita in fase di progetto (velocità sull’asse delle ascisse e tempo su quello delle ordinate) mentre quella reale è data dall’ interpolazione dei valori che il sistema assume a soglie prestabilite durante il funzionamento della macchina. Nella maggiore parte dei casi, le due rette coincidono a meno di una eventuale tolleranza dovuta alla disposizione delle soglie di velocità e alla correlazione con i rispettivi tempi di percorrenza esistenti tra una soglia e la successiva. The operating principle of the system is based on the control of the deviation between two lines: an ideal and a real one. The ideal line (Fig.l) is defined in the design phase (speed on the abscissa axis and time on the ordinate axis) while the real one is given by the interpolation of the values that the system assumes at pre-established thresholds during the operation of the machine . In most cases, the two lines coincide unless there is a possible tolerance due to the arrangement of the speed thresholds and the correlation with the respective travel times existing between one threshold and the next.

Lo scopo del sistema è quello di controllare in sicurezza, ovvero secondo LINI EN 954-1, la rampa di accelerazione e di decelerazione dell’azionamento al fine di evitare che questo ultimo possa assume valori critici non definiti in fase di progetto. The purpose of the system is to safely control, that is, according to LINI EN 954-1, the acceleration and deceleration ramp of the drive in order to prevent the latter from assuming critical values not defined in the design phase.

[ problemi che attualmente si possono presentare durante la gestione della marcia ad azione mantenuta sono essenzialmente di due tipi; superamento della soglia minima di velocità imposta dalla normativa tecnica di riferimento e mancato arresto dell’organo in rotazione a seguito del rilascio del pulsante ad azione mantenuta. Mentre il primo problema viene risolto in parte fissando un livello di guardia (limite massimo) oltre il quale il modulo di sicurezza (dispositivo statico) arresta in sicurezza la macchina, niente è previsto per il formarsi di ulteriori pericoli. Le problematiche connesse con tali modalità di funzionamento sono molteplici e sono riassunte successivamente spiegando anche come il Controllo in sicurezza per la prevenzione dei riawii intempestivi della macchina e superamento di velocità agisca sul sistema diminuendo il tempo di arresto dell’ apparato. [Problems that currently may arise during the management of the running action are essentially of two types; exceeding the minimum speed threshold imposed by the reference technical standards and failure to stop the rotating organ following the release of the maintained action button. While the first problem is partially solved by setting a guard level (maximum limit) beyond which the safety module (static device) stops the machine safely, nothing is foreseen for the formation of further dangers. The problems associated with these operating modes are many and are summarized later, also explaining how the Safety Control for the prevention of untimely restarting of the machine and over speeding acts on the system by decreasing the stopping time of the apparatus.

Arresto della macchina solo a superamento della soglia limite (fase di accelerazione durante la marcia ad azione mantenuta): quasi nella totalità dei casi, l’errore che influenza il sistema si presenta già in fase di avvio e quindi è utile arrestare la macchina non tanto al superamento del limite massimo ma bensì ad un valore decisamene più basso al fine di ridurre o scongiurare il verificarsi di rischi di natura meccanica nei confronti dell’operatore addetto. Questo tipo di funzionamento viene utilizzato per compiere quelle operazioni (manutenzione, pulizia, regolazione, ecc..) che risultano difficilmente automatizzabili e quindi richiedono l’intervento manuale dell’uomo, esponendo questo ultimo al contatto diretto con gli organi pericolosi; si intuisce pertanto come la variabile tempo giochi un ruolo fondamentale al fine di minimizzare eventuali rischi. Il vantaggio proposto dal Controllo in sicurezza per la prevenzione dei riawii intempestivi della macchina e superamento di velocità, introduce delle soglie all’interno del campo di escursione (rampa reale di accelerazione) in modo da paragonare i tempi di percorrenza tra una soglia e la successiva con i valori ottenuti dalla rampa ideale definita in fase di progetto. Nel caso in cui detti valori non siano paragonabili, il modulo di sicurezza programmabile apre i contatti di potenza del contattore di alimentazione posto a monte dell’organo in rotazione arrestandolo. Stopping the machine only when the limit threshold is exceeded (acceleration phase during running with maintained action): almost in all cases, the error affecting the system occurs already in the start-up phase and therefore it is useful to stop the machine not so much when the maximum limit is exceeded but rather at a decidedly lower value in order to reduce or prevent the occurrence of mechanical risks for the operator in charge. This type of operation is used to perform those operations (maintenance, cleaning, adjustment, etc.) that are difficult to automate and therefore require manual intervention by man, exposing the latter to direct contact with dangerous organs; it is therefore clear that the time variable plays a fundamental role in minimizing any risks. The advantage proposed by the Safety Control for the prevention of untimely restarting of the machine and over speeding, introduces thresholds within the range of travel (real acceleration ramp) in order to compare the travel times between one threshold and the next. with the values obtained from the ideal ramp defined in the design phase. In the event that these values are not comparable, the programmable safety module opens the power contacts of the power contactor located upstream of the rotating part, stopping it.

Arresto della macchina a rilascio del pulsante ad azione mantenuta (fase di decelerazione): il rilascio del pulsante ad azione mantenuta, nella maggior parte dei casi, non toglie direttamente potenza al motore ma, poiché i valori di tensione e corrente in gioco sono consistenti, si preferisce arrestare il motore tramite una rampa di decelerazione impostata attraverso il sistema di controllo, in modo da ridurre i tempi di arresto che in alternativa dipenderebbero dalla sola inerzia meccanica, aumentandone di conseguenza l’intervallo temporale. Il sistema così costituito, non essendo certificato per compiere operazioni di sicurezza (UNI EN 954-1) potrebbe, a seguito di un errore, non arrestare il motore portando l’organo in rotazione ad assumere una velocità, anche se pure bassa, ugualmente pericolosa per l’operatore stesso. Stopping the machine by releasing the button with maintained action (deceleration phase): releasing the button with maintained action, in most cases, does not directly remove power from the motor but, since the voltage and current values involved are consistent, it is preferred to stop the motor by means of a deceleration ramp set through the control system, in order to reduce the stopping times which alternatively would depend only on mechanical inertia, consequently increasing the time interval. The system thus constituted, not being certified to perform safety operations (UNI EN 954-1), could, following an error, not stop the motor, bringing the rotating part to assume a speed, even if low, equally dangerous. for the operator himself.

c σ> Il vantaggio offerto da questo particolare tipo di controllo è quello di garantire l’arresto in sicurezza del motore basandosi su una rampa di decelerazione al fine di paragonare i tempi di percorrenza tra una soglia e la successiva con i valori ottenuti dalla rampa ideale definita in fase di progetto. Nel caso in cui detti valori non siano paragonabili, il modulo di sicurezza programmabile apre i contatti di potenza del contattore di alimentazione posto a monte dell’organo in rotazione arrestandolo. c σ> The advantage offered by this particular type of control is to guarantee the safe stop of the motor based on a deceleration ramp in order to compare the travel times between one threshold and the next with the values obtained from the ideal ramp defined in the design phase. In the event that these values are not comparable, the programmable safety module opens the power contacts of the power contactor located upstream of the rotating part, stopping it.

Avviamento improvviso a seguito di un arresto della macchina: come detto precedentemente, visto che le potenze in gioco sono consistenti, si preferisce non togliere alimentazione al motore nel caso di un arresto funzionale o a seguito del rilascio del pulsante di marcia ad impulsi al fine di non provocare manovre ripetute di apertura e chiusura del contattore di potenza posto a monte del circuito di alimentazione dell’ organo rotante. La soluzione proposta non rispecchia a pieno i concetti impartiti dalla documentazione tecnica in vigore ma rappresenta una valida soluzione in quanto consente di arrestare la macchina, a seguito di un avviamento improvviso, solo a superamento di una soglia prossima al valore di 0 m/min e solo a tale valore avviene l’apertura dei contatti di potenza del dispositivo posto a monte in modo da non alterarne l’affidabilità. Sudden starting following a machine stop: as previously mentioned, since the powers involved are consistent, it is preferable not to cut power to the motor in the event of a functional stop or following the release of the impulse start button in order not to provoke repeated opening and closing operations of the power contactor placed upstream of the power supply circuit of the rotating element. The proposed solution does not fully reflect the concepts imparted by the technical documentation in force but represents a valid solution as it allows the machine to be stopped, following a sudden start, only when a threshold close to the value of 0 m / min is exceeded and only at this value does the opening of the power contacts of the device placed upstream take place so as not to alter its reliability.

Esempi applicativi: Application examples:

Alcune operazioni ad esempio pulizia, manutenzione, regolazione, ecc.. non possono essere automatizzate e a tale scopo è necessario l’intervento umano dell’operatore. Durante tali attività, gli organi meccanici ruotano ad una velocità estremamente più bassa rispetto a quella assunta durante la normale marcia automatica. Tale modalità di funzionamento viene gestita da un pulsante di marcia ad azione mantenuta il cui rilascio provoca l’arresto degli organi meccanici in un tempo pari a quello richiesto dalla rampa di decelerazione del sistema. Some operations such as cleaning, maintenance, adjustment, etc. .. cannot be automated and for this purpose the human intervention of the operator is required. During these activities, the mechanical parts rotate at an extremely slower speed than that assumed during normal automatic running. This operating mode is managed by a maintained action start button, the release of which causes the mechanical parts to stop in a time equal to that required by the system deceleration ramp.

Con l’uso di dispositivi a logica programmata non di sicurezza With the use of non-safety programmed logic devices

La variazione di velocità viene eseguita da un dispositivo a logica programmabile non di sicurezza e quindi la presenza di un errore può alterare le condizioni del sistema di comando portando l’utensile in rotazione ad assumere valori estremamente pericolosi sia per la machina che per l’operatore addetto. Un altro genere di problema si verifica a seguito del rilascio del pulsante di marcia ad impulsi il quale, può non garantire l’arresto dell’utensile, essendo interfacciato con un modulo elettronico non di sicurezza . The speed variation is performed by a non-safety programmable logic device and therefore the presence of an error can alter the conditions of the control system causing the rotating tool to assume extremely dangerous values for both the machine and the operator. clerk. Another kind of problem occurs following the release of the impulse start button which may not guarantee the stop of the tool, being interfaced with a non-safety electronic module.

Tramite il modulo programmabile di sicurezza Through the programmable safety module

Il questo caso, visto l’introduzione di un modulo di sicurezza programmabile, è possibile effettuare un controllo, a intervalli predeterminati, sull’organo in rotazione, arrestando questo ultimo nel caso in cui i valori impostati in fase di progetto non siano confrontabili con quelli prelevati dal sistema in evoluzione. Inoltre la soglia minima, prossima al valore di 0 m/min, non garantisce il riavvio intempestivo della macchina ma rappresenta una valida alternativa arrestando gli organi in rotazione solo a superamento del limite minimo in quanto, in molti casi, la continua apertura e chiusura del contattore posto a monte del circuito di alimentazione influenza negativamente l’affidabilità del dispositivo, non garantendone, a momento opportuno, il corretto funzionamento. In this case, given the introduction of a programmable safety module, it is possible to carry out a check, at predetermined intervals, on the rotating part, stopping the latter if the values set during the design phase are not comparable with those taken from the evolving system. Furthermore, the minimum threshold, close to the value of 0 m / min, does not guarantee the untimely restart of the machine but represents a valid alternative stopping the rotating parts only when the minimum limit is exceeded since, in many cases, the continuous opening and closing of the contactor placed upstream of the power supply circuit negatively affects the reliability of the device, not guaranteeing correct operation at the right moment.

Logica di funzionamento in fase di UP durante la marcia ad azione mantenuta Functioning logic in the UP phase during running with maintained action

L’escursione tra il valore minimo e il valore massimo di velocità viene suddiviso in un numero finito di livelli che nel caso specifico sono 6. I valori impostati nei singoli temporizzatori sono leggermente più alti del valore che l’organo in rotazione impiega a passare da un livello al successivo di circa il 10 %. In Fig. 2, il pulsante di marcia ad azione mantenuta abilitata il funzionamento del primo contatore il quale, al raggiungimento del valore massimo, farà partire successivamente il secondo e così via discorrendo fino al temporizzatore 6 utilizzato anche per il resettaggio dell’intero sistema. La logica riportata in Fig. 3 ha lo scopo di riscontare se la velocità del sistema si incrementa fino al valore massimo consentito durante la marcia ad azione mantenuta oppure assuma un valore costante tra un livello e il successivo. Nel caso in cui la velocità dell’organo in rotazione si stabilisca ad esempio tra il livello 1 e il livello due per un tempo superiore a t+2, la porta and e or danno in uscita un valore 1 utilizzato per il blocco del sistema. La logica implementata in Fig 4 ha lo scopo invece di verificare che il sistema si evolva in accordo con quanto definito in fase di progetto ovvero, se il sistema supera il livello 1 e 2 senza che sia trascorso il tempo t+1, le porte and e danno in uscita un valore 1 che viene utilizzato per aprire il contattore di potenza. The excursion between the minimum value and the maximum speed value is divided into a finite number of levels which in the specific case are 6. The values set in the individual timers are slightly higher than the value that the rotating part takes to pass from one level to the next by about 10%. In Fig. 2, the run button with maintained action enabled the operation of the first counter which, upon reaching the maximum value, will subsequently start the second and so on up to the timer 6 also used for resetting the entire system. The logic shown in Fig. 3 has the purpose of detecting whether the speed of the system increases up to the maximum value allowed during running with maintained action or if it assumes a constant value between one level and the next. In the event that the speed of the rotating organ is established, for example, between level 1 and level two for a time greater than t + 2, the and and or gate outputs a value of 1 used for blocking the system. The logic implemented in Fig 4 has the purpose instead of verifying that the system evolves in accordance with what was defined in the design phase, that is, if the system exceeds level 1 and 2 without the time t + 1 having elapsed, the doors and and output a value of 1 which is used to open the power contactor.

Logica di funzionamento in fase di DOWN durante la marcia ad azione mantenuta Functioning logic in the DOWN phase during running with maintained action

Il ragionamento fatto per il controllo in fase di Up si applica, anche se in senso opposto, a quello per la fase di down e quindi non verrà ripetuto. La logica riportata in Fig. 6 ha lo scopo di riscontare se la velocità del sistema si decrementa fino al valore minimo oppure assuma un valore costante tra un livello e il successivo. Nel caso in cui la velocità dell’organo in rotazione si stabilisca ad esempio tra il livello 6 e il livello 5 per un tempo superiore a t-5, la porta and e or danno in uscita un valore 1 utilizzato per il blocco del sistema aprendo di conseguenza il contattore di potenza. The reasoning made for the control in the Up phase applies, even if in the opposite sense, to that for the down phase and therefore will not be repeated. The logic shown in Fig. 6 has the purpose of detecting whether the speed of the system decreases to the minimum value or assumes a constant value between one level and the next. In the event that the speed of the rotating part is established, for example, between level 6 and level 5 for a time greater than t-5, the door and and or output a value of 1 used to block the system by opening consequently the power contactor.

Logica di funzionamento in caso di avviamento improvviso Operating logic in case of sudden start-up

La logica riportata in Fig. 7 ha lo scopo di arrestare la macchina a seguito di avviamenti improvvisi.; la mancata pressione del pulsante di marcia ad azione mantenuta, il verificare di un valore compreso tra il livello 1 e due , conseguentemente al mancato conteggio da parte del temporizzatore 13, arresta il sistema togliendo alimentazione al contattore di potenza; il livello 1 è scelto prossimo al valore zero della macchina. The logic shown in Fig. 7 has the purpose of stopping the machine following sudden starts .; failure to press the run button with maintained action, checking a value between level 1 and two, consequently to the failure of the timer 13 to count, stops the system by cutting off the power supply to the power contactor; level 1 is chosen close to the zero value of the machine.

Claims (1)

Rivendicazioni Il “controllo in sicurezza per la prevenzione dei riavvii intempestivi della macchina e superamento di velocità durante la marcia ad azione mantenuta” è nato allo scopo di garantire il rispetto, tramite componenti di sicurezza in accordo con la norma UNI EN 954-1, delle condizioni previste durante il funzionamento della macchina in modalità ad azione mantenuta in quanto detto funzionamento, è utilizzato nelle grandi macchine industriali (macchine da cartotecnica, tomi industriali, ecc..) per lo svolgimento di quelle operazioni per il quale è necessario la stretta presenza dell’operatore con parti in movimento della macchina. Claims The "safety control for the prevention of untimely restarts of the machine and over speeding during running with maintained action" was created in order to ensure compliance, through safety components in accordance with the UNI EN 954-1 standard, of the conditions provided during the operation of the machine in maintained action mode as said operation, it is used in large industrial machines (paper converting machines, industrial tomes, etc.) for carrying out those operations for which the close presence of the operator with moving parts of the machine.