Instytut Technik Innowacyjnych EMAG Leszek Kasprzyczak

Transkrypt

1 Konferencja Bezpieczeństwa Przemysłowego , Solec Zdrój Instytut Technik Innowacyjnych EMAG Leszek Kasprzyczak Algorytm wyznaczania Poziomu Zapewnienia Bezpieczeństwa na przykładzie funkcji zatrzymania awaryjnego inspekcyjnego robota górniczego

2 Wprowadzenie do projektu Mobilnej Platformy Inspekcyjnej Finansowany przez NCBiR w Programie Badań Stosowanych Czas trwania: 36 miesiące Liczba etapów: 12 Zakończenie: październik 2015 Wykonawcy: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG (wyposażenie elektroniczne i programowalne robota) Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP (mechanika + napędy)

3 Założenia funkcjonalne MPI

4 Założenia funkcjonalne MPI Pomiar CH 4, CO, CO 2, O 2, T, RH Wizualizacja stanu wyrobiska Pomiar metanu na wysokości 1 m powyżej platformy robota Transmisja danych do konsoli operatora Archiwizacja pomiarów i obrazów z kamer na dysku konsoli operatora Zasięg robota 1000 m w głąb wyrobiska Pokonywanie: pochyłości wzdłużnych i bocznych 30 o, przeszkód o wysokości 20 cm przejazd przez miejsca zawodnione o głębokości do 40 cm Prędkość do 1 m/s (3,6 km/h) praca w temp. do +60 C i wilgotności ~100% Kategoria M1

5 Mobilna Platforma Inspekcyjna Podatny wysięgnik do zasysania gazu Iskrobezpieczne kamery B/W i oświetlenie Osłona nadciśnieniowa z kamerą RGB i IR Iskrobezpieczne sterowniki układy czujników transmisyjne zasilające Układarka światłowodu Felgi stalowe i opony przewodzące elektrycznie Przegub skrętny Korpusy ognioszczelne z napędami, sterownikami, akumulatorami

6 Badania demonstratora MPI - ATEX podzespołów i całego robota - EMC całego robota - PL, SIL systemów bezpieczeństwa - Ruchowe i funkcjonalne w CSRG S.A.

7 Badania ATEX

8 Badania ATEX - Zastosowano podwójne niezależne zabezpieczenia przeciwwybuchowe lub iskrobezpieczeństwo kategorii ia (seria PN-EN 60079) - Przeprowadzono badania i przygotowano dokumentacje certyfikacyjne na zgodność z normami zharmonizowanymi z dyrektywą ATEX w jednostkach certyfikujących OBAC Sp. z o.o., TEST Sp. z o.o. na podzespoły robota i konstrukcję całościową Σ = M1

9 Badania EMC demonstratora MPI Badania odporności na wyładowania elektrostatyczne ESD Kontaktowe do powierzchni przewodzących ±4 kv W powietrzu do powierzchni izolacyjnych ±2 kv, ±4 kv, ±8 kv EUT spełnił kryterium oceny działania A

10 Badania EMC demonstratora MPI Badania odporności na promieniowane pole elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej MHz: 10 V/m 1,4-2,0 GHz: 3 V/m 2,0-2,7 GHz: 1 V/m EUT spełnił kryterium oceny działania A

11 Badania EMC demonstratora MPI Level in dbµv/m Pomiar elektromagnetycznych zaburzeń promieniowanych P N -E N E le c tric Fie ld S tre n g th M M G Frequenc y in H z P re v ie w R e s u lt 2 -A V G P re v ie w R e s u lt 1 -P K + P N -E N E le c tric Fie ld S tre n g th 3 m Q P Fin a l_ R e s u lt Q P K

12 Ocena i redukcja ryzyka ISO 12100:2010 Analiza ryzyka Początek Ocena ryzyka Ograniczenia maszyny Identyfikacja zagrożeń Szacowanie ryzyka Ewaluacja ryzyka powstały inne zagrożenia? Ograniczenia maszyny Maszyna samobieżna Masa ok kg prędkość maks. 0,7 m/s ryzyko zostało dostatecznie zmniejszone? Dokumentacja Koniec zasięg do 1000 m gabaryty dł. 240 cm, szer. 115 cm, wys. 180 cm zagrożenie można usunąć? ryzyko można zmniejszyć za pomocą rozwiązań konstrukcyjnych bezpiecznych samych w sobie? ryzyko można zmniejszyć stosując osłony i urządzenia ochronne? ponownie określić ograniczenia? Krok 1 Rozwiązania konstrukcyjne bezpieczne same w sobie Krok 2 Techniczne środki ochronne. Uzupełniające środki ochronne Krok 3 Informacje dla użytkownika osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? Zasilanie z akumulatorów 42 V Zespoły opracowane według technik budowy przeciwwybuchowej. Praca w otamowanych wyrobiskach, tzn. odciętych od dostępu świeżego powietrza i personelu MPI może być użytkowana w obecności ludzi podczas transportowania Dominujący kolor jaskrawy pomarańcz wybrano ze względów na doskonałą widoczność nawet w słabym oświetleniu

13 Ocena i redukcja ryzyka ISO 12100:2010 Analiza ryzyka Początek Ocena ryzyka Ograniczenia maszyny Identyfikacja zagrożeń Identyfikacja zagrożeń Szacowanie ryzyka Ewaluacja ryzyka ryzyko zostało dostatecznie zmniejszone? zagrożenie można usunąć? ryzyko można zmniejszyć za pomocą rozwiązań konstrukcyjnych bezpiecznych samych w sobie? Dokumentacja Krok 1 Rozwiązania konstrukcyjne bezpieczne same w sobie Koniec powstały inne zagrożenia? osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? Podczas przejazdu MPI w obecności ludzi istnieje możliwość najechania kołem/kołami na kończyny dolne osoby znajdującej się w pobliżu pojazdu lub uderzenie korpusem pojazdu w kończyny dolne. Towarzyszyć temu mogą zagrożenia zmiażdżeniem i złamaniem kończyn, a także otarcia, przecięcia. Podobne zagrożenia możliwe są podczas prezentowania MPI podczas targów itp. Krok 2 ryzyko można zmniejszyć stosując osłony i urządzenia ochronne? Techniczne środki ochronne. Uzupełniające środki ochronne osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? ponownie określić ograniczenia? Krok 3 Informacje dla użytkownika osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka?

14 Ocena i redukcja ryzyka ISO Analiza ryzyka Początek Ocena ryzyka Ograniczenia maszyny RYZYKO Identyfikacja zagrożeń Szacowanie ryzyka Ewaluacja ryzyka ryzyko zostało dostatecznie zmniejszone? Dokumentacja Koniec powstały inne zagrożenia? związane z danym zagrożeniem jest funkcją CIĘŻK OŚCI SZK ODY zagrożenie można usunąć? ryzyko można zmniejszyć za pomocą rozwiązań konstrukcyjnych bezpiecznych samych w sobie? ryzyko można zmniejszyć stosując osłony i urządzenia ochronne? Krok 1 Rozwiązania konstrukcyjne bezpieczne same w sobie Krok 2 Techniczne środki ochronne. Uzupełniające środki ochronne osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? - lekka - ciężka - śmiertelna - 1 osoba - wiele osób i PRAWDOPODOBIEŃSTWA POWSTANIA tej szkody Częstość i czas trwania narażenia Prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia zagrażającego ponownie określić ograniczenia? Krok 3 Informacje dla użytkownika osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? Możliwość uniknięcia lub ograniczenia szkody

15 Szacowanie ryzyka RYZYKO związane z danym zagrożeniem jest funkcją CIĘŻKOŚCI SZKODY - lekka - ciężka - śmiertelna - 1 osoba - wiele osób i PRAWDOPODOBIEŃSTWA POWSTANIA tej szkody Częstość i czas trwania narażenia Prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia zagrażającego Możliwość uniknięcia lub ograniczenia szkody Podczas jazdy MPI potencjalna ciężkość szkody jest duża. Jednakże prawdopodobieństwo powstania tej szkody jest niskie, ponieważ częstość narażenia osób jest niska (operator podczas sterowania znajduje się w bezpiecznej odległości). Prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia zagrażającego jest niskie (podzespoły opracowano wg norm przeciwwybuchowych - redundancja i nieuszkadzalność elementów istotnych ze względu na bezpieczeństwo). Natomiast możliwość uniknięcia szkody jest duża, ponieważ pojazd ma niską prędkość. W przypadku operowania MPI w odizolowanym wyrobisku pojazd nie stanowi zagrożenia dla ludzi ze względu na ich nieobecność. Podczas transportu ciężkość szkody jest duża. Jednakże wyposażenie pojazdu w odpowiednie komponenty ułatwiające transport (zaczepy, śruby oczkowe) umożliwia transport MPI z wykorzystaniem suwnic, dźwigów i wózków widłowych. W celu zminimalizowania ryzyka podczas transportowania istotne jest przestrzeganie przez operatorów przepisów BHP danego stanowiska pracy. W takim przypadku prawdopodobieństwo powstania szkody jest niskie. W celu wyeliminowania zagrożeń związanych z przecięciem ostrymi krawędziami i narożami, krawędzie obudów, osłon i blach zostały stępione i wyrównane, a naroża zaokrąglone.

16 Ocena i redukcja ryzyka ISO Analiza ryzyka Ocena ryzyka Początek Ograniczenia maszyny Identyfikacja zagrożeń Ewaluacja ryzyka Decyzja czy wymagane jest zmniejszenie ryzyka. Szacowanie ryzyka Ewaluacja ryzyka ryzyko zostało dostatecznie zmniejszone? zagrożenie można usunąć? ryzyko można zmniejszyć za pomocą rozwiązań konstrukcyjnych bezpiecznych samych w sobie? Dokumentacja Krok 1 Rozwiązania konstrukcyjne bezpieczne same w sobie Koniec powstały inne zagrożenia? osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? Zastosowanie urządzeń do transportu i przestrzeganie przepisów BHP dla danego środka transportu minimalizuje ryzyko wystąpienia szkody i nie jest konieczne dalsze minimalizowanie ryzyka w tym zakresie. W przypadku mało prawdopodobnej awarii polegającej na niekontrolowanej jeździe zagrażającemu zdrowiu otaczających go osób należy zastosować funkcję zatrzymania awaryjnego. Krok 2 ryzyko można zmniejszyć stosując osłony i urządzenia ochronne? Techniczne środki ochronne. Uzupełniające środki ochronne osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka? ponownie określić ograniczenia? Krok 3 Informacje dla użytkownika osiągnięto zamierzone zmniejszenie ryzyka?

17 Graf ryzyka przypisania wymaganego PLr Duże ryzyko Małe ryzyko START Ciężkość urazów S 1 lekkie -odwracalne S 2 poważne -nieodwracalne S 1 Częstość narażenia i/lub czas jego trwania F 1 rzadko/krótko F 2 często/długo F 1 F 2 F 1 Możliwość uniknięcia zagrożenia P 1 możliwe P 2 niemożliwe P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 Wymagany PLr a b c S 2 F 2 P 2 P 1 P 2 d e Możliwość uniknięcia zagrożenia: P 1 możliwe (identyfikacja zagrożenia gołym okiem, obsługa MPI przez specjalistów, niska prędkość, możliwość ucieczki/uniku, intuicyjne rozmieszczenie przycisków wyłączenia awaryjnego)

18 Funkcja bezpieczeństwa zatrzymania awaryjnego Wyłączniki bezpieczeństwa Akumulator iskro M BLDC Przekaźnik iskro Stycznik hermetyzowany Akumulator główny hermetyzowany Sterownik silnikowy hermetyzowany

19 Identyfikacja podsystemów SRP/CS realizujących funkcję zatrzymania awaryjnego Wyłączniki awaryjne S1 i S2 Przekaźnik KAi Stycznik KSj BLDC SRP/CS1 SRP/CS2 SRP/CS3 Wyposażenie testujące A1 Konsola operatora

20 Wyznaczanie poziomów PL podsystemów SRP/CS 1-3 W celu wyznaczenia poziomu PL systemu złożonego z podsystemów SRP/CS należy najpierw określić poziomy PL podsystemów na podstawie: wartości średniego czasu do niebezpiecznego uszkodzenia (MTTFd krótki, średni długi), struktury systemu (kategorii B,1,2,3,4) pokrycia diagnostycznego (DC brak, niskie, średnie, wysokie) odporności na uszkodzenie spowodowane wspólną przyczyną (CCF tylko dla kategorii 2,3,4)

21 Podsystem SRP/CS 1 (wyłączniki awaryjne) MTTF d MPI może pracować 90 dni na rok (d op ), 24 godz./dobę (h op ), a przywołanie funkcji bezpieczeństwa założono 1 cykl/godz. (t cycle ) (na każdy wyłącznik awaryjny osobno) W dokumentacji wyłącznika trwałość wynosi 1 mln cykli. Jednakże tabela C.1 ISO wiersz 12 podaje gorszy przypadek dla urządzeń stopu awaryjnego, B 10d = cykli. Podsystem SRP/CS1 jest jednokanałowy i spełnia wymagania kategorii B oraz 1, ponieważ został zaprojektowany zgodnie z właściwymi normami oraz jest odporny na wpływ czynników zewnętrznych, a także spełnia podstawowe i sprawdzone zasady bezpieczeństwa. MTTFd długi, Kategoria 1, DC brak, CCF nie dotyczy

22 Osiągnięty poziom PL podsystemu SRP/CS 1 Podsystem wyłączników awaryjnych: Kategoria 1, MTTFd długi, DC brak, CCF nie dotyczy PL SRP/CS1 =c PL a b c d e Kategoria B PFH D x DC Brak Brak Niskie Średnie Niskie Średnie Wysokie MTTF d krótki średni długi DC brak niskie średnie wysokie

23 Podsystem SRP/CS 2 (przekaźnik) Nazwa elementu RA DZ1 DZ2 Obwód drukowany PCB Przekaźnik KA1 Listwa przyłączowa L17V SUMA 1/MTTFd el i [lat] 2,46E-5 2,63E-5 2,63E-5 1,91E-5 1,08E-3 8,76E-5 1,26E-3 Na podstawie baz danych Siemens SN z programu MTBF Calculator firmy ALD MTTF d SRP/CS2 =790 lat = długi, Kategoria 1, DC brak, CCF nie dotyczy

24 Osiągnięty poziom PL podsystemu SRP/CS 2 Podsystem przekaźnika: Kategoria 1, MTTFd długi, DC brak, CCF nie dotyczy PL SRP/CS2 =c PL a b c d e Kategoria B PFH D x DC Brak Brak Niskie Średnie Niskie Średnie Wysokie MTTF d krótki średni długi DC brak niskie średnie wysokie

25 Podsystem SRP/CS 3 (stycznik) Nazwa elementu F1 F4 C1 U1 C2 R1 R2 D1 D2 Stycznik KS Obwód drukowany PCB Listwa przyłączowa L36V Listwa przyłączowa KS/B SUMA 1/MTTFd el i [lat] 2,19E-4 6,66E-5 3,82E-5 2,86E-4 9,55E-5 1,93E-6 1,93E-6 1,33E-5 1,33E-5 1,08E-3 1,91E-5 8,76E-5 8,76E-5 2,01E-3 MTTF d SRP/CS3 = 497 lat = długi

26 Podsystem SRP/CS 3 (stycznik) Styk pomocniczy stycznika (NC) jest sprzężony mechanicznie ze stykami głównymi (NO). Wg ISO bezpośrednie monitorowanie urządzeń elektromechanicznych przez mechanicznie sprzężone styki pozwala uzyskać pokrycie diagnostyczne DC=99%, zatem przypisuje się DC wysokie. Kategoria 2 CCF 65 punktów Odseparowanie Zróżnicowanie Środek / Wymaganie Odseparowanie obwodów sygnałowych (przewodów elektrycznych), dostateczne odstępy powierzchniowe i powietrzne Różne technologie lub fizyczne zasady, np. pierwszy kanał programowalny a drugi kanał sprzętowy; pomiar cyfrowy i analogowy; elementy różnych producentów Punkty/ Spełnione Projekt, zastosowanie, doświadczenie Ochrona przed przepięciem, przeciążeniem 15 Zastosowanie wypróbowanych elementów 5 Ocena, Analiza Kompetencje, Szkolenia Przeprowadzenie analizy rodzajów i skutków uszkodzeń (FMEA), aby uniknąć uszkodzeń spowodowanych wspólną przyczyną w projektowaniu Szkolenie projektantów w kierunku pojmowania przyczyn i skutków uszkodzeń spowodowanych wspólną przyczyną 5 5 Wpływy środowiska Badania na kompatybilność EMC 25 Testy podsystemu pod kątem czynników środowiskowych 10 Σ = 75

27 Osiągnięty poziom PL podsystemu SRP/CS 3 Podsystem stycznika: Kategoria 2, MTTFd długi, DC wysoki, CCF 65 punktów PL SRP/CS3 =d PL a b c d e Kategoria B PFH D x DC Brak Brak Niskie Średnie Niskie Średnie Wysokie MTTF d krótki średni długi DC brak niskie średnie wysokie CCF 65

28 Określenie całkowitego PL funkcji zatrzymania awaryjnego Tabela 11 z ISO :2006 Najniższy PL podsystemu a b c d e Liczba podsystemów posiadających taki PL Maks. możliwy do uzyskania PL systemu > 3 niedozwolony 3 a > 2 a 2 b > 2 b 2 c > 3 c 3 d > 3 d 3 e

29 PL osiągnięte PLr wymagane? PL c = PL r c

30 Podsumowanie Wzrost świadomości dotyczącej bezpieczeństwa, a także odpowiedzialność prowadzących akcję powodują, że sztab wolałby użyć robota inspekcyjnego niż narażać człowieka - podobnie jak ma to miejsce w działaniach saperskich i pirotechnicznych. Przewiduje się, że analogiczne rozwiązania mogą być obligatoryjne w górnictwie. Roboty górnicze oprócz wymagań funkcjonalnych muszą spełniać wymagania dyrektyw europejskich - ATEX, EMC i MD. Niestety osłony ognioszczelne, osłony z nadciśnieniem i hermetyzacja powodują wzrost masy i gabarytów, a co za tym idzie pogorszenie funkcjonalności. Istotne jest zastosowanie optymalnego projektowania, aby spełnić konieczne wymagania przeciwwybuchowe z jednej strony, z zachowaniem jak największej funkcjonalności robota z drugiej. Film

31 Dziękuję za uwagę Pytania? Sugestie dr inż. LESZEK KASPRZYCZAK Instytut Technik Innowacyjnych EMAG Katowice, ul. Leopolda 31 Tel