Czujniki bezpieczeństwa funkcjonalnego

W branży technologii czujników bezpieczeństwa funkcjonalnego czujniki są często oznaczane jako „Safety”. Są to czujniki, które przekształcają wielkości mechaniczne w dane elektryczne. Nie zawsze jednak odzwierciedla to nasze rozumienie bezpieczeństwa. Czujniki bezpieczeństwa TWK Elektronik spełniają bardzo wysokie wymagania i normy, dlatego w tym przypadku możemy z pełnym przekonaniem mówić o „prawdziwym bezpieczeństwie”.

Normy i certyfikacja czujników bezpieczeństwa

IEC 61508 (SIL) i ISO 13849 (PL)

Zalecamy dokładne przyjrzenie się czujnikom bezpieczeństwa, aby upewnić się, że stosujemy właściwe rozwiązania. Najpierw przyjrzyjmy się międzynarodowym normom, które regulują kwestie bezpieczeństwa funkcjonalnego. Pierwszą z nich jest IEC 61508, obejmująca bezpieczeństwo funkcjonalne systemów elektronicznych z klasyfikacją SIL (Safety Integrity Level). Drugą jest ISO 13849, dotycząca bezpieczeństwa maszyn oraz elementów systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem, z klasyfikacją PL (Performance Level). Im wyższa klasyfikacja, tym większa niezawodność i mniejsze prawdopodobieństwo, że błąd, który mógłby spowodować zagrożenie, nie zostanie wykryty przez dany komponent. Wiele z czujników TWK posiada klasyfikację SIL2 oraz PLd. Niektóre osiągają nawet SIL3 lub PLe. Ważne jest, aby poziom bezpieczeństwa był potwierdzony przez niezależną instytucję. Dlatego czujniki bezpieczeństwa TWK są dokładnie testowane i certyfikowane przez TÜV zgodnie z jedną lub obiema z tych norm, w zależności od wymagań. Czasami uwzględniane są również inne normy, takie jak ISO 26262 z poziomem ASIL D.

Jak TWK osiąga wysoki poziom bezpieczeństwa?

Aby osiągnąć te poziomy bezpieczeństwa, należy spełnić wiele wymagań projektowych. Istotne jest również nie tylko formalne spełnienie poziomu klasyfikacji (np. SIL2), lecz posiadanie odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa, ponieważ czujnik jest zazwyczaj elementem całego łańcucha transmisji, a cały ten łańcuch musi spełniać określony poziom. Jakie środki podejmuje TWK, aby osiągnąć ten cel?

Po pierwsze, ruch mechaniczny musi być wykrywany niezawodnie i bez zwłoki. Wymaga to połączenia kształtowego pomiędzy czujnikiem a poruszającym się elementem aplikacji. Enkodery obrotowe TWK oferują szeroki wybór typów wałów, które to umożliwiają, w tym wały pełne z klinem i rowkiem pod wpust oraz wały drążone. Zapobiega to niezauważonemu skręceniu. Z tego powodu każdy czujnik musi być również solidnie zamocowany do aplikacji przez użytkownika.

Redundancja i diagnostyka sygnałów

Zajrzyjmy do wnętrza: technologia czujników TWK jest redundantna. Sygnały z podwójnych czujników są następnie porównywane w sterowniku, który zawiera niezbędne oprogramowanie (firmware) do przetwarzania sygnałów oraz ich wyprowadzania (kontrola wiarygodności). Tylko wtedy, gdy odchylenie mieści się poniżej wartości progowej, sygnał – np. pozycja wału z czujnika 1 enkodera obrotowego – jest przekazywany jako wiarygodna wartość poprzez interfejs, zazwyczaj magistralowy. Oprogramowanie układowe sterownika jest zaprojektowane w taki sposób, aby wszystkie procesy wewnętrzne – odczyt danych, obliczenia, transmisja, zapisywanie wartości pośrednich itd. – były zabezpieczone sumami kontrolnymi CRC. Dodatkowe procesy testowe i kontrolne, tzw. podwójne sprawdzenia, umożliwiają bezpieczną funkcjonalnie pracę. Przykładowo przekaźniki wartości granicznych w przełącznikach krzywkowych SIL2 oraz czujnikach drgań są stale monitorowane pod kątem prawidłowego stanu przełączania. Poziom SIL3 idzie jeszcze dalej: sterowniki przetwarzania sygnałów są projektowane redundantnie.
Również sprzęt podlega procedurom kontrolnym: czy wszystkie napięcia zasilania mieszczą się w zakresie nominalnym? Czy obszary pamięci RAM i ROM działają prawidłowo? Czy sterowniki wyjściowe są aktywne?

Bezpieczna transmisja danych i kontrola sprzętu

Kolejnym krokiem jest transmisja uzyskanych danych, czyli danych o pozycji i prędkości lub danych dotyczących przyspieszenia i nachylenia. Ta transmisja również odbywa się podwójnie – albo poprzez standardowe i odwrócone wzorce bitowe wysyłane bezpośrednio jeden po drugim (np. w CANopen Safety), albo z dodatkowymi danymi bezpieczeństwa CRC (np. dane F w PROFIsafe). Dane parametryzacji czujnika są zawsze zabezpieczone sumą kontrolną. Taki sposób transmisji zapewnia, że bezpieczna wartość pomiarowa określona przez czujnik bezpiecznie dociera do sterownika. „Bezpiecznie” oznacza, że prawdopodobieństwo niewykrytego błędu jest bardzo niskie, zgodnie z zatwierdzoną klasyfikacją SIL/PL. Oznacza to, że ryzyko stwarzane przez system lub maszynę jest bardzo małe, choć nie może zostać całkowicie wyeliminowane.

Jednak nie tylko gotowy czujnik podlega rygorystycznym zasadom w celu spełnienia kryteriów bezpieczeństwa, lecz cały proces rozwoju. Przed rozpoczęciem oraz w trakcie opracowywania nowego produktu bezpieczeństwa określane są wszystkie wymagania, które muszą zostać spełnione. W celu zapewnienia funkcjonalności definiowane są również wszystkie powiązane procedury testowe – przypadki testowe. Może to obejmować kilka tysięcy pojedynczych procesów, aby uchwycić wszystkie właściwości. Tylko tak skrupulatne podejście prowadzi do bezpiecznego rezultatu.

Fail-safe i proces rozwoju czujników bezpieczeństwa

Celem wszystkich tych działań jest zatem zawsze zapobieganie awariom oraz – jeśli do awarii jednak dojdzie – jak najszybsze jej wykrycie. W przypadku wykrycia nieprawidłowego działania czujnik natychmiast przechodzi w stan bezpieczny (fail-safe). Oznacza to, że do systemu sterowania wysyłana jest informacja o błędzie (bit statusu), a czujnik przestaje transmitować dane. Wszystkie przekaźniki bezpieczeństwa (jeśli są obecne) zostają otwarte. Sterownik bezpieczeństwa reaguje, przełączając system lub jego części w stan bezpieczny, aby zapobiec uszkodzeniom.

Doświadczenie TWK w technologii czujników safety

TWK rozpoczęło projektować czujniki bezpieczeństwa funkcjonalnego już kilkanaście lat temu. Doświadczenie i know-how producenta w tym obszarze zapewniły mu silną pozycję rynkową. Dlatego nadal rozwija i produkuje prawdziwie bezpieczne enkodery obrotowe oraz inklinometry.

źródło: https://www.twk.de/en/company/news/press/one-question-safety-or-true-safety