Comprensión básica de los circuitos de seguridad

Este artículo revisa los fundamentos de los circuitos de seguridad de la maquinaria automatizada. En el debate se abordarán las normas que dictan las características requeridas; las configuraciones comunes; los mecanismos para abordar las fallas y evitar la manipulación; y las funciones de los componentes que se encuentran a menudo en las instalaciones de circuitos de seguridad.

Historia y función de los circuitos de seguridad

En el período industrial temprano, la maquinaria era extremadamente peligrosa. Era común que tanto los trabajadores de las fábricas como los agrícolas perdieran dedos, extremidades e incluso sus vidas por quedar atrapados en la maquinaria en movimiento. Esto condujo al desarrollo de sistemas de vigilancia y otros dispositivos de seguridad.

Los enclavamientos, que hacen que el estado de dos o más funciones de la máquina sea interdependiente, son el núcleo de la función de los sistemas de seguridad actuales. Esto evita que las máquinas hieran a los operadores o dañen sus propios componentes. Por ejemplo, un enclavamiento puede impedir que una máquina se ponga en marcha si su guarda está abierta y detener la máquina si se abre una guarda durante su funcionamiento.

Muchos sistemas de enclavamiento simples son puramente mecánicos. Por ejemplo, en algunos diseños de máquinas, el guardia gira sobre un eje con una leva de enclavamiento acoplada. Cuando la guarda está abierta, la leva se engancha con una leva correspondiente en el eje de transmisión de la máquina para evitar el funcionamiento del eje. Eso significa que solo es posible que la máquina funcione cuando la guardia está cerrada.

La mayoría de las máquinas modernas utilizan circuitos electrónicos de seguridad o incluso control por microprocesador para implementar sistemas de seguridad de enclavamiento. La electrónica ofrece una flexibilidad mucho mayor en la disposición de las guardias y la complejidad de los procedimientos de seguridad que las soluciones mecánicas.

Los típicos circuitos electrónicos de seguridad solo permiten que la máquina funcione si el circuito está cerrado; una estructura llamada operación normalmente cerrada (NC). También cablean componentes de seguridad en serie para maximizar la eficacia y minimizar la complejidad y el costo.

Considere una instalación de seguridad típica con un número de interruptores de posición que son NC cuando la sección correspondiente de la guarda está cerrada. Estos interruptores de posición están cableados en la instalación en serie, de modo que si alguna sección de la guarda no se cierra correctamente, todo el circuito se abrirá y la máquina no funcionará. De hecho, los controles de un circuito de seguridad también requieren un cableado en serie para garantizar condiciones seguras en caso de que se aflojen las conexiones o de que se produzcan interrupciones repentinas (como el corte) en el cableado del componente de seguridad.

Una advertencia relacionada con el cableado en serie de los circuitos de seguridad: cuando un circuito contiene más de cuatro interruptores de seguridad o incluye interruptores o puertas de uso frecuente, hay una disminución en el nivel de rendimiento del diseño (PL_r, que se detalla en la sección del siguiente artículo), así como un aumento del riesgo de enmascaramiento de fallos. Esto último es cuando la aparición y resolución de un interruptor o fallo abierto oscurece la presencia de otro interruptor o fallo abierto. El enmascaramiento de fallas es más probable que ocurra cuando una instalación incluye contactos sin voltaje, como los relés que no tienen otras conexiones de energía más allá de la conexión del interruptor. En los casos en que ese riesgo sea inaceptable, pueden ser necesarios sistemas y metodologías de cableado más sofisticados.

Figura 1: Aquí se muestra un controlador de seguridad de la serie SC10 de Banner Engineering diseñado para ofrecer la funcionalidad de tres módulos de relé de seguridad. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Los enclavamientos con llave atrapada se utilizan a menudo para asegurar que todos los guardias se cierren con llave antes de operar una máquina. En estos sistemas, las cerraduras de cada guardia de seguridad tienen llaves que solo pueden ser retiradas cuando la guardia está cerrada. Las llaves pueden ser llevadas a la unidad de control o de potencia y utilizadas para activar la maquinaria. Del mismo modo, las llaves se mantienen cautivas mientras la máquina está activada y solo se pueden retirar de la unidad de alimentación después de que la máquina se haya apagado. Las llaves pueden usarse para abrir las protecciones de nuevo.

Evaluaciones de riesgo y los requisitos de las normas rectoras

La norma ISO 14119 cubre la seguridad de la maquinaria con dispositivos de enclavamiento asociados a los resguardos y esboza los principios de diseño y selección para garantizar la seguridad de la maquinaria. Se refiere a otras normas sobre principios generales de evaluación y reducción de riesgos en el diseño de maquinaria.

La función básica de una guardia de enclavamiento es evitar la ejecución de operaciones peligrosas que cubre hasta que esa guardia se cierre. Así que si algo o alguien fuerza a la guardia a abrirse durante la operación, la operación de la guardia debe detenerse. En algunos casos, se puede instalar un dispositivo de bloqueo de la guardia para evitar que se abra la guardia durante el funcionamiento de la máquina.

Cabe señalar que, aunque las máquinas pueden funcionar cuando las guardas están cerradas, el cierre de una guarda no debe desencadenar el inicio de una operación peligrosa. En cambio, tales operaciones deberían requerir un comando de inicio separado. Una excepción es algo llamado protección de control - un tipo especial de guarda de enclavamiento con una función de arranque capaz de iniciar una operación peligrosa cuando la guarda está cerrada, sin un comando de arranque separado.

En la ISO 14119 también se contempla el concepto de superar (defeat) el sistema de seguridad. Esta es una acción que evita los enclavamientos de una máquina. Por ejemplo, un operario puede apoyar accidental o deliberadamente un objeto pesado en un interruptor de posición mientras la guarda está abierta, lo que a su vez puede permitir el acceso a espacios de trabajo que se vuelven peligrosos cuando la máquina está en funcionamiento. Los sistemas de seguridad adecuadamente diseñados hacen imposible vencer los enclavamientos de cualquier manera razonablemente previsible, ya sea manualmente o con objetos fácilmente disponibles en las cercanías. Esto incluye la remoción de los interruptores o actuadores utilizando herramientas que se usan para operar la máquina o que están disponibles fácilmente, como destornilladores, herramientas hexagonales, cinta adhesiva o alambre. Esto también significa que las llaves de repuesto no deben ser accesibles para los sistemas de llaves atrapadas.

La norma ISO 14119 clasifica los dispositivos de enclavamiento en cuatro categorías:

• Los dispositivos de enclavamiento Tipo 1 tienen interruptores de posición accionados mecánicamente con actuadores no codificados como una leva rotativa, una leva lineal o una bisagra. Estos son relativamente fáciles de derrotar descansando un objeto en el interruptor o manteniéndolo en posición de alguna otra manera.
• Los dispositivos de enclavamiento de Tipo 2 tienen interruptores de posición accionados mecánicamente con actuadores codificados como un actuador con forma (lengüeta) o una llave atrapada. Estos son considerablemente más difíciles de derrotar.
• Los dispositivos de enclavamiento Tipo 3 tienen interruptores de posición sin contacto con actuadores no codificados como los interruptores de proximidad. La dificultad de vencer los enclavamientos de tipo 3 depende del principio de actuación que se aplique. Los actuadores capacitivos, ultrasónicos y ópticos pueden ser derrotados por una amplia gama de objetos. Los actuadores inductivos pueden ser derrotados por cualquier objeto metálico férrico. Los actuadores magnéticos requieren un imán para derrotarlos.
• Los dispositivos de enclavamiento Tipo 4 tienen interruptores de posición sin contacto con actuadores codificados, como etiquetas RFID, imanes codificados o etiquetas ópticas codificadas. Estos son extremadamente difíciles de derrotar si se construyen adecuadamente de manera que el actuador codificado no pueda ser removido.

Cuando se diseña un circuito de seguridad, deben seleccionarse dispositivos de enclavamiento para minimizar la posibilidad de una derrota. También se debe considerar:

• El rendimiento de parada del sistema general, que es la cantidad de tiempo que se requiere para que la máquina sea segura después de que se emita una orden de parada.
• El tiempo de acceso, que es el tiempo que tarda una persona en llegar al peligro después de que se haya iniciado el comando de parada.

El rendimiento general del sistema de parada debe ser significativamente más rápido que el tiempo de acceso. También debería considerarse si las protecciones requieren una liberación de emergencia, para permitir la apertura manual desde el exterior, o una liberación de escape para permitir la liberación manual desde el interior.

La ISO 13849 está referenciada por la ISO 14119, y consta de dos partes, que abarcan los principios de diseño y validación de la parte relacionada con la seguridad de un sistema de control (SRP/CS). De acuerdo con esta norma, el SRP/CS puede ser clasificado conforme a:

• Resistencia a las fallas
• Comportamiento si se produce una falta

Todo trabajo de diseño de una máquina que incorpore seguridad debe comenzar con una evaluación de riesgos según la norma ISO 12100 para identificar los peligros y estimar los riesgos. El proceso de reducción de riesgos implica entonces aplicar primero un diseño inherentemente seguro, luego las salvaguardias y finalmente la información para su uso. Toda medida de protección que dependa del sistema de control deberá ser evaluada mediante un proceso iterativo especial. Esto implica determinar el nivel de rendimiento requerido (PL_r) para cada función de seguridad y su tiempo medio hasta el fallo peligroso (MTTF_D) para determinar la fiabilidad de la SRP/CS. A cada pieza se le puede asignar un nivel de rendimiento desde a hasta e, siendo PL_a el que tiene la mayor probabilidad de una falla peligrosa y PL_e el que tiene la menor probabilidad. La forma específica en que pueden producirse los fallos implica las consideraciones expuestas anteriormente para la norma ISO 14119.

Variaciones en los circuitos de seguridad y algunos ejemplos de arreglos

Para grandes recintos como las celdas robóticas cerradas, las disposiciones de seguridad son un poco diferentes. Esto se debe a que los guardias suelen estar cerrados con el operador dentro del espacio de trabajo activo. Así que, en muchos casos, los sistemas de llave atrapada se utilizan para asegurar que los operadores estén fuera del espacio de trabajo al cerrar las puertas; y solo entonces puede el robot comenzar su operación a toda velocidad.

Por supuesto, los robots tradicionales pueden funcionar generalmente en un modo de enseñanza de baja velocidad con el operador en la celda, pero cuando funcionan a plena velocidad (a diferencia de los robots de colaboración) no deben acercarse mucho a los humanos. Incluso en el modo de aprendizaje, a menos que el robot esté equipado con un sistema de retroalimentación de fuerza, sigue existiendo el peligro de que el operador sea aplastado. Por lo tanto, la unidad de control manual está normalmente equipada con un interruptor de hombre muerto que apagará el robot si el operador queda incapacitado.

Figura 2: Particularmente únicos son los circuitos de seguridad asociados con la robótica, especialmente para la robótica que emplea colgantes de enseñanza (como se muestra aquí) así como robots de colaboración.

Otra situación de automatización que requiere una seguridad especializada es la de los sistemas transportadores atendidos por personal. En este caso, puede ser necesario que el personal trabaje junto a los transportadores que funcionan con bastante rapidez. Esto entraña un riesgo importante de atrapamiento que provoca lesiones graves, por lo que debe evitarse siempre que sea posible. Pero cuando esos espacios de trabajo son esenciales para la productividad de una operación, como en los centros de cumplimiento de la Amazonia, por ejemplo, deben instalarse interruptores de parada distribuidos en forma de cuerdas de tracción y tiras de parada. Esto le da al personal un medio fiable para detener el transportador en toda su longitud. Tales paradas deben ser arregladas de manera que un operador pueda fácilmente agarrarlas o presionarlas sin tener que cazarlas durante una emergencia.

Los dispositivos de seguridad también deben colocarse de manera que una persona herida o inconsciente que caiga o sea arrastrada hacia el transportador desencadene automáticamente una parada. Pueden ser necesarios múltiples dispositivos de parada y circuitos redundantes, y cuando los transportadores son accesibles desde ambos lados, dichos dispositivos de seguridad deben estar presentes también en ambos lados.

Componentes comunes del circuito de seguridad

Los interruptores mecánicos incluyen interruptores de posición, utilizados para detectar las posiciones de la puerta y de la guardia, e interruptores de parada activados manualmente, como los botones de la palma de la mano de parada electrónica y las cuerdas de tracción. Los interruptores sin contacto, como los sensores de luz e inductivos, también pueden utilizarse de manera similar. Estos tipos de componentes de enclavamiento tienden a ser utilizados con guardias y puertas físicas. Están bien cubiertos por las normas mencionadas anteriormente. Otros tipos de componentes de seguridad que pueden utilizarse en los circuitos de seguridad son las cortinas de luz, los escáneres láser y las alfombras de seguridad.

Las Alfombrillas de seguridad utilizan sensores de presión incrustados en una plataforma de goma para proporcionar una forma sencilla de detectar cuando una persona entra en una zona vigilada. En los últimos años han sido sustituidos en gran medida por sistemas ópticos como las cortinas de luz y los escáneres láser.

Las cortinas de luz pueden eliminar la necesidad de una protección física creando una protección virtual para detener un eje de la máquina si alguno de los haces de la cortina se rompe. La cortina de luz consta de dos partes: un transmisor y un receptor. El transmisor proyecta un conjunto de haces de luz paralelos. El receptor detecta estos haces y si alguno de ellos se rompe, activa una parada de la máquina. Los beneficios de las cortinas de luz incluyen una clara visibilidad del área de trabajo, así como un acceso sin restricciones y un rápido movimiento dentro y fuera del área protegida.

Los Escáneres láser funcionan de forma muy parecida a las cortinas de luz. Sin embargo, en lugar de tener un transmisor y un receptor separados para mantener una barrera, los escáneres láser pueden monitorear las puertas y las áreas de portal desde una sola pieza de hardware. En otras palabras, las cortinas de luz proporcionan una protección perimetral, mientras que los escáneres láser proporcionan protección a los portales más grandes en áreas como las células transportadoras y robóticas. Como con todos los componentes de seguridad, el uso de los escáneres de láser requiere el cálculo de la distancia mínima de seguridad. Este valor depende del rendimiento global del sistema de parada y del tiempo de acceso. Sin embargo, es probable que el rendimiento general del sistema de parada sea considerablemente mayor en el caso de los escáneres de láser que en el de las cortinas de luz, debido al procesamiento adicional que conlleva.

Figura 3: Los escáneres láser de seguridad de la serie SX de Banner Engineering pueden salvaguardar los puntos de acceso y las áreas en aplicaciones industriales. El dispositivo escanea continuamente 275° para proteger al personal y a la maquinaria con advertencias y zonas de seguridad personalizables con un software de configuración gratuito. Las funciones de silenciamiento también son configurables en este software que, junto con los sensores de silenciamiento conectados en red al escáner de la serie SX, eliminan la necesidad de un módulo o controlador adicional. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Los circuitos electrónicos de seguridad y los componentes de seguridad actuales ofrecen a los ingenieros de diseño de plantas y fabricantes de equipos originales opciones flexibles para proteger al personal y al equipo. El software y otros recursos de los proveedores ayudan a simplificar la especificación de los sistemas de seguridad para las disposiciones tradicionales de enclavamiento, los espacios de trabajo protegidos por diseños de llave atrapada, e incluso las áreas flexibles que requieren que el personal de la planta o los operadores de maquinaria trabajen en estrecha proximidad a los transportadores, la robótica y otros equipos móviles asociados con la automatización industrial.