SISTEMAS DE SEGURANÇA EM MÁQUINAS INDUSTRIAIS

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1 SISTEMAS DE SEGURANÇA EM MÁQUINAS INDUSTRIAIS Erickson Puchta¹; Luiz Fernando Janke²; Marcelo Granza³ ¹ Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais, Curso de Engenharia Elétrica, Ponta Grossa/PR, Brasil; ² Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais, Curso de Engenharia Elétrica, Ponta Grossa/PR, Brasil: ³ Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais, Curso de Engenharia Elétrica, Ponta Grossa/PR, Brasil: Resumo: O presente trabalho tem como objetivo principal mostrar a aplicabilidade de dois itens de controle de segurança, sendo que um deles é um PLC de segurança e o outro um relé de segurança, bem como verificar as vantagens e desvantagens de cada um. Para execução desse experimento inicialmente desenvolveu-se uma aplicação de segurança utilizando uma ferramenta de programação RSLOGIX 5000, baseada no PLC Compact Guardlogix L43S. Em seguida demonstrou-se através de testes a eficiência dessa aplicação. Para finalizar replicou-se tal aplicação com um relé de segurança. Ambos os sistemas demonstraram um resultado satisfatório, porém o PLC de segurança dá maior flexibilidade e interatividade na hora da programação. A escolha do sistema de monitoramento e controle de segurança está diretamente ligada ao nível de complexidade do sistema. Com um sistema mais complexo, exige-se do desenvolvedor o conhecimento de engenharia de controle. Sendo que com um relé de segurança qualquer eletricista pode implantá-lo e seu custo é menor. Palavras-chave: sistema de segurança, PLC de segurança, relé de segurança. SECURITY SYSTEMS IN INDUSTRIAL MACHINERY Abstract: This work aims to show the applicability of two items of security control, one of which is a safety PLC and the other a safety relay and verify the advantages and disadvantages of each. To run this experiment initially developed a security application using a tool RSLogix 5000 programming, based on PLC Compact GuardLogix L43S. Then it was demonstrated by testing the efficiency of this application. Replied to finish up this application with a safety relay. Both systems showed a satisfactory result, but the safety PLC gives greater flexibility and interactivity at the time of programming. The choice of monitoring and safety control system is directly linked to the level of complexity of the system. With a more complex system, it is required by the developer 's knowledge of control engineering. Since with a safety relay any electrician can deploy it and its cost is lower. Keywords: security system, safety PLC, safety relay. 56

2 1 INTRODUÇÃO Com o estabelecimento da norma NR12, dúvidas na elaboração de um projeto de segurança tornaram-se comuns. Saber o que utilizar para alcançar o nível de segurança desejado está cada vez mais difícil. Isso se dá ao fato de que máquinas e equipamentos estão cada vez mais rápidos e inteligentes. Para oferecer uma segurança contínua para os operadores e técnicos, medidas de proteção tem que ser projetadas para acompanhar o aumento da complexidade dos sistemas de automação. Tradicionalmente, os sistemas de seguranças têm sido instalados separadamente dos sistemas de automação. Há uma boa razão para isso, o sistema de segurança deve sempre estar disponível, ou seja, em constante operação. O sistema deve detectar a invasão da zona de risco através de elementos de detecção, seja ele uma chave de segurança, cortina de luz ou scanners, e devem estar sob constante monitoramento (NR12, 2011). Ao detectar a invasão da zona de risco deve-se desligar imediatamente as fontes de risco, sejam elas pneumática, hidráulica ou cinética (NR12, 2011). Sendo assim, cabe ao projetista analisar como será controlada a detecção de invasão da zona de risco e como desligar essa fonte de risco. Seja ela através de um relé de segurança ou incorporados ao hardware de controle através de um PLC de segurança. 2 REVISÃO DE LITERATURA 2.1 RELÉ DE MONITORAMENTO DE SEGURANÇA (MSR) Relé de monitoramento de segurança MSR (Figura 1) desempenha um papel fundamental em muitos sistemas de segurança. Estes módulos são stand alone (peça única) ou compostos (de acordo com a necessidade) com circuitos adicionais para garantir o desempenho da função de segurança. Relés de segurança de monitoramento executam várias verificações no sistema de segurança. Ao ligar, eles realizam auto verificações em seus componentes interiores. Quando os dispositivos de entrada são ativados, o MSR compara os resultados das entradas redundantes. 57

3 Se for aceitável, o MSR verifica atuadores externos. Se aprovado, o MSR aguarda um sinal de reset para energizar suas saídas. A seleção do comutador de segurança apropriado é dependente de uma série de fatores: tipo de dispositivo que monitora, o tipo de reset, o número e tipo de saídas. Figura 1 - Relé de monitoramento de segurança (MSR) Impedância de entrada de um relé de segurança A impedância de entrada dos relés de segurança de monitoramento determina quantos dispositivos de entrada podem ser ligados ao relé e quão longe os dispositivos de entrada possam ser montados. Por exemplo, um relé de segurança pode ter uma impedância de entrada máxima permitida de 500 ohms (Ω). Quando a impedância de entrada é maior do que 500Ω, o relé não habilitará suas saídas. O projetista tem que tomar cuidado para garantir que a impedância de entrada permaneça abaixo da especificação máxima. O comprimento, tamanho e tipo de fio usado afeta a impedância de entrada. A Tabela 1 apresenta típica resistência de fio de cobre recozido, a 25 C. 58

4 Tabela 1 - Impedância de cabos Fonte: ROCKWELL AUTOMATION (2010) Tratativa de falhas baseado na arquitetura do relé de segurança O processo de avaliação de risco deve ser usado para ajudar a determinar como muitos dispositivos de entradas devem ser ligados a um controle de segurança (relé MSR) e quantas vezes os dispositivos de entrada devem ser verificados. Para garantir que paradas de emergência e travas de porta estão em um estado operacional, eles devem ser verificados em intervalos regulares, conforme determinado pela avaliação do risco. Por exemplo, um canal duplo do MSR com a entrada ligada a um portão intertravado, que deve ser aberta a cada ciclo de máquina (por exemplo, várias vezes por dia) pode não ser verificado. Isso ocorre porque a abertura da proteção faz com que o MSR realize uma auto verificação, as suas entradas e as suas saídas (dependendo da configuração) por falhas individuais. Quanto mais frequente o portão abrir há uma maior chance de integridade do controle do processo. Outro exemplo pode ser paradas de emergência. Desde o advento das máquinas as paradas de emergência são tipicamente utilizadas apenas para situações de emergência, que são susceptíveis de ser raramente utilizado. Portanto, um programa deve ser executado para monitorar o botão de emergência e confirmar a sua eficácia em uma base programada. Um terceiro exemplo pode ser portas de acesso para ajustes da máquina, que, como paradas de emergência pode ser usada raramente. Aqui, novamente, um programa deve ser estabelecido para verificar a eficácia do sistema. Quanto maior o nível de risco, maior a exigência na verificação processo. O relé de segurança (MSR) deve oferecer detecção de erros, o que normalmente ocorre é a auto verificação através de um sistema pulsado. Deste 59

5 modo detectam-se erros de cruzamento de sinais em canais duplos ou até mesmo falhas canal-a-canal mediante a um curto-circuito. Microprocessadores baseados em relés de segurança de monitoramento, como cortinas de luz, scanners a laser e sensores sem contato avançados, detectam estas falhas em uma variedade de formas. Uma maneira comum de detectar avarias é usando teste de pulso diversificada mostrado na Figura 2. Os sinais de saída são pulsados muito rapidamente. O pulso gerado pelo canal 1 é defasado em relação ao pulso do canal 2. Se ocorrer um curto-circuito entre os canais ou uma avaria no atuador, por exemplo, uma chave de segurança (contato seco com acionamento redundante) os pulsos gerados no canal 1 não chegara à recepção do canal 1. Consequentemente irá gerar uma falha. Figura 2 - Verificação de erro através de pulsos. As técnicas de microprocessadores aplicadas nos sistemas de segurança permitem que várias arquiteturas de análise sejam empregadas. Essas arquiteturas lógicas são determinantes na categoria de segurança e no nível de desempenho do relé de segurança determinado pela EN Nas Figuras 3 e 4, categoria B e 1 nota-se que ambas possuem um sistema linear na tratativa da falha, isso porque essas categorias estão mais susceptíveis a perda da função de segurança quando ocorrer uma falha no sistema. A partir da arquitetura apresentada pela categoria 2 (Figura 5), nota-se que há uma maior preocupação em realizar testes para que a função de segurança seja atendida. Mas apenas com as arquiteturas das categorias 3 e 4 (mais utilizadas Figura 6 e 7) a confiabilidade do sistema será garantida, isso 60

6 porque a arquitetura dispõe de análises redundantes e mesmo que ocorra uma falha no sistema, sempre a função de segurança será atendida. Figura 3 - Arquitetura para Categoria B. Figura 4 - Arquitetura para Categoria 1. Figura 5 - Arquitetura para Categoria 2. Figura 61 - Arquitetura para Categoria 3. 61

7 Figura 7 - Arquitetura para Categoria PLC DE SEGURANÇA A necessidade de aplicações de segurança flexíveis e escaláveis levou o desenvolvimento de PLCs de segurança/controladores. Controladores programáveis de segurança fornecem aos utilizadores o mesmo grau de flexibilidade de controle numa aplicação de segurança que eles estão acostumados com o padrão controladores programáveis. No entanto, existem diferenças extensas entre PLCs padrão e segurança. A arquitetura do PLCs de segurança, mostrado na Figura 8 vêm em várias plataformas para acomodar a escalabilidade, garantindo assim os requisitos funcionais e integração com sistemas de segurança mais complexa. Microprocessadores múltiplos são usados para processar a memória I/O, e, comunicações seguras. Circuitos Watchdog realizam vários diagnósticos e análises. Este tipo de arquitetura é conhecido como 1oo2D, isso porque exite dois microprocessadores fabricados por empresas diferentes executando funções de segurança e extensos diagnósticos para assegurar que ambos os microprocessadores estão operando em sincronia. Além disso, cada circuito de entrada é testado internamente muitas vezes a cada segundo para ter certeza de que ele está funcionando corretamente. A Figura 9 mostra um bloco diagrama de uma entrada. Você só pode acionar um botão de emergência uma vez por mês, mas quando o fizer, certamente a função de segurança irá funcionar. 62

8 Figura 8 - Arquitetura 1oo2D para controladores programáveis de segurança. Figura 9 - Arquitetura 1oo2D para placas de entrada com função de segurança Software O software para PLC de segurança é muito parecido com a programação padrão. Todos os diagnósticos adicionais e verificações de erros mencionados anteriormente são feitos pelo sistema operacional, de modo que o programador não precise se preocupar com o que está acontecendo. A maioria dos PLCs de segurança tem instruções especiais usadas para escrever o programa para o sistema de segurança, e essas instruções tendem a imitar a função dos seus homólogos de relés de segurança. Por exemplo, a instrução de parada de emergência na Figura 10 funciona muito bem como um MSR como apresentado na 63

9 Figura 11. Embora a lógica por trás de cada uma dessas instruções seja complexa, os programas de segurança parecem relativamente simples porque o programador simplesmente liga estes blocos juntos como se tivesse ligando um relé de segurança. Estas instruções são certificados por terceiros para garantir sua operação e consistência com as normas aplicáveis. Figura 10 - Sistema de parada de emergência utilizando um PLC de segurança. Fonte: Elaborado pelo autor (2013). 64

10 Figura 11 - Sistema de parada de emergência utilizando um relé de segurança. Fonte: Elaborado pelo autor (2013). 3 MATERIAL E MÉTODOS As experiências relacionadas ao tema foram desenvolvidas com o auxilio de uma maleta de treinamento disponibilizada pelo fabricante. A maleta de treinamento representada na Figura 12 é composta por: PLC de segurança Compact Guard Logix L43S; Point IO (ponto remoto de IO via ethernet) 1734-AENTR/A, com cartões IO Safety; Servo Drive Kinetix 300; MSR57P; Chave de segurança Trojan com solenoide; Botões de emergência; Switch gerenciável; Fonte de alimentação. 65

11 PLC de segurança L43S Remota Ethernet com IO de segurança. Relé de segurança. Figura 12 - Maleta para treinamento de sistemas de segurança. Fonte: Elaborado pelo autor (2013). O software para desenvolvimento dos experimentos é o RSLOGIX5000 V20, do fabricante Rockwell Automation. O ambiente de trabalho é muito parecido com as interfaces de desenvolvimento orientado a objeto, como por exemplo, Delphi e C++Builder. A distribuição das ferramentas e o sistema de organização do projeto deixa o ambiente de programação mais amigável. Na Figura 13 pode-se analisar a distribuição do ambiente de trabalho. O software de desenvolvimento separa em tarefas (TASK) a área de desenvolvimento para controle padrão e a de segurança, disponibilizando uma aba de ferramentas condizente a função que será utilizada (Funções com marcas vermelhas). Sendo assim, se o programador quiser desenvolver o sistema de controle da máquina ou equipamento, ele irá desenvolver o programa na TASK MainTask. E as funções de segurança na SafetyTask. 66

12 Status do PLC quando online. Aba de ferramentas para segurança. Área para rotinas de programas gerais. Área para rotinas de programas de segurança. Ambiente de programação. Indicação do hardware que está sendo utilizado. Figura 13 Software de desenvolvimento RSLOGIX Fonte: Elaborado pelo autor (2013). Inicialmente para o desenvolvimento desse experimento, configurou-se no software de desenvolvimento o hardware disponibilizado na maleta de treinamento (Figura 14). 67

13 Configuração do hardware Figura 14 Configuração do hardware. Fonte: Elaborado pelo autor (2013). Após realizar os testes de configuração de hardware, notou-se que havia a necessidade de habilitar a sincronização de tempos devido à utilização de dispositivos remotos via ethernet. Isso se faz necessário devido à função de segurança, o PLC tem que garantir que dispositivos remotos de segurança entreguem seus pacotes de dados na sua integridade (Figura 15). Caso essa sincronização não seja habilitada nas configurações da CPU, o PLC entrará em STOP porque não consegue garantir a função de segurança. 68

14 Configuração do hardware Figura 15 Sincronização de tempos. Fonte: Elaborado pelo autor (2013). Após a verificação que software e hardware estavam funcionando, inúmeros testes foram realizados para comprovar a eficiência e a limitação de ambos os sistemas de monitoramento (Relé e PLC de segurança). O esquema elétrico utilizado como base para o correto funcionamento das placas de IO da unidade remota está demonstrado na Figura 16, bem como, o do relé de segurança na Figura

15 Figura 16 Esquema de ligação da placa 1734-IB8S e 1734-OB8S. Figura 17 Esquema elétrico do relé MSR57P. 70

16 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Ambos os sistemas tiveram excelentes resultados atendendo os requisitos de segurança na configuração proposta. Entretanto, quando há um aumento na complexidade do sistema de controle, por exemplo, integração de movimento, registro de eventos, e um aumento de funções de segurança. O sistema de segurança monitorado e controlado via PLC de segurança mostrou-se mais eficiente. Integrar funções de segurança com funções de controle da máquina ou equipamento disponibiliza ao programador uma maior flexibilidade de desenvolvimento. Isso propicia uma análise mais apurada na tratativa de segurança, pois se analisa nesse momento o que a máquina está fazendo e como está fazendo para assim dar uma tratativa de segurança ao evento ocasionado (Invasão da zona de risco). 5 CONCLUSÃO Atualmente as máquinas e processos estão cada vez mais rápidos flexíveis e mais poderosos. Para oferecer uma segurança contínua para os operadores e técnicos, medidas de proteção tem que ser projetadas para acompanhar o aumento da complexidade dos sistemas de automação. A escolha de qual sistema de monitoramento e controle de segurança está diretamente ligada ao nível de complexidade do sistema. Quanto mais complexo o sistema, mais conhecimento será exigido do desenvolvedor. Em contra partida, quando se utiliza um relé de segurança, por ser um sistema simples, qualquer eletricista pode desenvolver. REFERÊNCIAS EN 954-1:1996 EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION - Control systems. Safety of machines. Machine control. NR 12:2011 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS segurança no trabalho em máquinas e equipamentos. 71

17 Rockwell Automation Safety Catalog acessado em 24/08/