Progettazione delle sicurezze in base alla direttiva macchine

La sicurezza e la direttiva macchine.

Nella fase di progettazione di un’automazione industriale è necessario tener conto delle prescrizioni descritte dalla direttiva macchine.

La direttiva 2006/42/CE cioè direttiva macchine, è recepitadallo stato Italiano dal decreto legislativo 27 gennaio 2010 , n. 17 (pubblicazione del 19-2-2010 Supplemento ordinario n. 36/L alla GAZZETTA UFFICIALE Serie generale - n. 41

Quindi la direttiva definisce 2 macro tipologie di macchinari, definite macchine e quasi macchine che si descrivono in questo modo.

Macchine:

l'insieme equipaggiato o destinato ad essere equipaggiato di un sistema di azionamento diverso dalla forza umana o animale diretta, composto di parti o di componenti, di cui almeno uno mobile, collegati tra loro solidamente per un'applicazione ben determinata

l'insieme di al punto precedente, al quale mancano solamente elementi di collegamento al sito di impiego o di allacciamento alle fonti di energia e di movimento

l'insieme di cui ai 2 parti precedenti, pronto per essere installato e che può funzionare solo dopo essere stato montato su un mezzo di trasporto o installato in un edificio o in una costruzione

l'insiemi di macchine, di cui ai 3 parti precedenti, o di quasi-macchine, che per raggiungere uno stesso risultato sono disposti e comandati in modo da avere un funzionamento solidale

l'insieme di parti o di componenti, di cui almeno uno mobile, collegati tra loro solidalmente e destinati al sollevamento di pesi e la cui unica fonte di energia è la forza umana diretta.

Quasi-macchine

l'insiemi che costituiscono quasi una macchina, ma che, da soli, non sono in grado di garantire un'applicazione ben determinata - ad es. un sistema di azionamento - unicamente destinati ad essere incorporati o assemblati ad altre macchine o ad altre quasi-macchine o apparecchi per costituire una macchina.

Per eseguire in modo corretto la fase di progettazione di una macchina o quasi macchina, bisognerà quindi effettuare un fondamentale passaggio, La valutazione del rischio.

Essa viene regolamentata in Italia dal testo unico sulla sicurezza sul lavoro, quale il D.Lgs 81/08 (integrato con il Decreto Legislativo 106/2009.

Tale valutazione permette al costruttore di determinare i canoni con i quali costruire, e di determinare i sistemi per preservare l’utente finale dal rischio di utilizzo di una macchina automatica e non.

Prima di essere immessa sul mercato deve essere predisposta la seguente documentazione:

Il fascicolo tecnico della costruzione sia disponibile. Tale fascicolo deve dimostrare che la macchina è conforme ai requisiti stabiliti dalla direttiva macchine. Esso deve riguardare la progettazione, la fabbricazione e il funzionamento della macchina nella misura necessaria ai fini della valutazione della conformità. Per le quasi-macchine si parla di documentazione tecnica pertinente

Le procedure di valutazione e di conformità siano applicate per le macchine la dichiarazione "CE" di conformità mentre per le quasi-macchine la dichiarazione d'incorporazione: l’atto con cui il fabbricante dichiara, sotto la propria personale responsabilità, che il prodotto è conforme ai requisiti essenziali di sicurezza.

Il manuale d'uso e manutenzione, è parte integrante della macchina. Esso è il mezzo tramite il quale il fabbricante ed il progettista si rivolgono all'utilizzatore per illustrargli il funzionamento della macchina e le caratteristiche di integrazione uomo-macchina.

Il marchio CE apposto nelle immediate vicinanze del nome del fabbricante: la marcatura CE dichiara che il produttore-distributore si assume la responsabilità del prodotto, permettendone la libera circolazione in Europa e l'identificazione dei prodotti non conformi.

Ci sono diversi sistemi utilizzati, dopo aver effettuato una corretta valutazione del rischio, per gestire tutta la serie di sicurezze applicate alla macchina. Esistono centraline di sicurezza con funzioni pre-impostate, centraline di sicurezza programmabili, e veri e propri PLC di sicurezza.

Nei casi dove si articolano diverse sicurezze è indicato pensare all’utilizzo di un sistema programmabile per ovviare ai problemi legati alla versatilità del sistema di sicurezza e per permettere al sistema di sicurezza di essere il meno invasivo possibile rispetto al regolare utilizzo della macchina.

Ci sono numerose marche di centraline e sistemi programmabili di sicurezza tra le maggiori e più conosciute marche troviamo Pilz, Siemes, Sick, Phoenix Contact.

Bus di campo AS-i, interfacce digitali e Precablati

Sistemi precablati e bus di campo e comunicazione digitale
Anche nell'automazione industriale negli ultimi anni si stanno sviluppando molti sistemi per velocizzare e migliorare il cablaggio.
I bus di campo servono principalmente ad eliminare onerose parti cablate.
La trasmissione dei dati relativi allo stato degli ingressi e delle uscite, sia digitali che analogiche, permette di spostare una consistenete parte del cablaggio a bordo macchina.
Ci sono innumerevoli bus di campo sia liberi che proprietari, ovvero il quale utilizzo da parte di terzi è libero oppure utilizzabile, tramite licenza a pagamento.

Vado ad elencare alcuni tra i principali e più utilizzati bus attualmente sul mercato.
Profibus, Profinet, Modbus, DeviceNet, Can open, Sercos, Interbus, Mechatrolink, Ethercat.
questi bus di campo vengono utilizzati per unire tra di loro non solo gli ingressi e le uscite digitali ma anche azionamenti, encoder,
inverter e componenti che per essere interfacciati all'impianto elettrico senza un bus digitale,
al PLC necessitano di una grossa quantità di fili cablati.

Oggi descriverò un sistema L'AS-i bus sul mercato da alcuni anni, ma versatile sistema che può venir utile in molte realtà.
Con i sistemi AS-i e AS-i safe si possono cablare in modo veloce e intuitivo la maggiorn parte dei cablaggio a bordomacchina, sia dell'impianto di sicurezza, sia di della normale sensoristica che delle elettrovalvole.
Il sistema As-i offre molte possibilità di interfaccia grazie anche alla possibilità di connessione con un gran numero di produttori come Siemens, Bosch Rexroth, Schneider Electric, SICK, Mitsubishi Electric, Schmersal, Phoenix Contact e tanti altri individuabili nel sito
http://as-interface.net/Membership/Members

La forte versatilità a mio parere stà nel fatto che il sistema AS-i safe può essere tranquillamente integrato in un bus di campo non sicuro.
Praticamente creando una sotto-rete di sicurezza AS-i il sistema può comunicare con il sistema bus principale semplificando notevolmente l'oneroso cablaggio sia di sicurezza che non di una automazione industriale.
Questo sistema insieme ad altri sistemi di questo genere permettono di utilizzare slave remoti nei quali collegare direttamente
sensori e valvole tramite cavi precablati, con connessioni standard M8 e M12.

L'importanza della numerazione ed organizzazione dello schema elettrico e dell'impianto elettrico industriale

Iniziamo con la premessa che per eseguire un impianto elettrico industriale a regola d'arte ci sono diverse strade e alcune fondamentali regole da seguire.
La prima fondamentale regola è che l'impianto deve essere correttamente dimensionato, la seconda a mio parere è che il cablaggio deve essere numerato secondo criteri facilmente intuibili.
Il progettista dell'impianto, ha quindi in carico la responsabilità di dimensionare correttamente l'impianto e di creare una numerazione dei fili, dei cavi e dei componenti il più semplice possibile.
Nel precedente post ho spiegato le regole principali per eseguire le varie numerazioni, l'organizzazione in zone della macchina, la numerazione dei cavi e delle scatole a seconda della zona nelle quali vengono installate.
In questo post invece spiegherò perché la numerazione dei fili e dei componenti deve seguire la regola del numero di pagina, quello che descrivo non è comunque l'unico sistema e nemmeno il più corretto per effettuare questo tipo di numerazione ma a mio parere è il migliore.

Mettiamo il caso che uno schema sia composto da un grosso numero di pagine supponiamo 200, districarsi all'interno dello schema potrebbe risultare un impresa impossibile, ma se ad esempio il teleruttore K1334 non si accende seguendo la regola del numero di pagina sapremo che a pagina 133 troveremo la bobina del teleruttore e che sotto di essa saranno descritte le pagine nelle quali si trovano i contatti.

La regola consiste nel numerare i componenti e i fili con il numero di pagina e dove è possibile di colonna rispetto alle pagine nella quali sono disegnati, ma non finisce qui, solitamente la numerazione delle pagine è a 3 cifre quindi per comodità e per mantenere uno standard le pagine dello schema di cui sopra inizieranno dalla 100 in su.

Ad esempio aprendo una scatola di derivazione oppure il quadro elettrico potrebbe risultare possibile trovare il filo 12305, e sicuramente a pagina 123 troveremo il filo in questione con indicate le varie connessioni.

Questo metodo permette al personale addetto al cablaggio di individuare sempre in modo facile e veloce la pagina dello schema alla quale stanno lavorando, quindi la logica cablata di quel determinato componente o filo.
Il sistema risulta inoltre molto utile in fase di collaudo, in quanto se un componente all'interno del quadro non funziona e il tecnico intende controllarne il cablaggio, sarà sufficiente leggere il numero del componente e si individuerà la pagine, inoltre se invece il problema di cablaggio o il guasto è già chiaro basterà leggere il numero del filo.
Gli stessi principi sono applicabili in fase di assistenza e quindi nella delicatissima fase di ricerca di un guasto, magari insieme al cliente, che potrebbe non essere esperto in materia elettrica.
Il personale non addetto non dovrebbe mettere mano agli impianti, ma si sa come vanno queste cose, la macchina non funziona il cliente ha bisogno che ritorni a funzionare al più presto, ed il risultato sarà che il cliente si trasformerà nelle braccia del tecnico addetto all'assistenza...
Quindi con un impianto correttamente numerato in tutte le sue parti, senza dimenticare la numerazione dei morsetti e delle morsettiere, sarà più semplice ogni futura operazione di controllo o modifica.
Lo schema in fine deve sempre rispettare realmente le varie connessioni per consentire in ogni caso la rintracciabilità di tutti i componenti e di tutte le parti dell'impianto.

Legenda per la lettura dello schema elettrico

L'immagine precedente descrive il metodo di costruzione e la legenda per la lettura dello schema elettrico.
Questo serve per facilitare il personale addetto al cablaggio, ed i tecnici che dovranno lavorare sulla macchina, che ritrovandosi in mano a volte schemi elettrici prodotti da diversi progettisti, potrebbero trovare difficoltà nella lettura e nell'orientarsi attraverso le pagine dello schema.

Di seguito elenco i punti cardine a mio parere per una buona progettazione e per rendere lo schema facilmente fruibile al personale addetto.

• In prima istanza il progettista deve decidere la struttura generale dello schema, diciamo che le varie normative già da anni prescrivono i tratti generali con i quali deve essere composto uno schema, ma il progettista ha ancora largo margine sulla strada da seguire
• Il metodo descritto e utilizzato da me è quello di comporre lo schema secondo un diagramma ad albero, come ad esempio:

• A01 identifica l'impianto elettrico in quanto a volte può capitare di dover unire più impianti, ovvero più macchine tra di loro per poter comporre un'automazione complessa. quindi potremmo trovare di seguito A02, A03 se iniziassimo a supporre di dover connettere più impianti tra di loro.
• All'interno di questa prima radice troviamo una serie di pagine numerate che avranno contenuti relativi all'impianto A01 e di seguito quelli che vengono definiti i luoghi di montaggio come ad esempio E01, X10, X13, ecc.
• E01 ad esempio risulterà essere il quadro elettrico dell'impianto A01 gli elementi di seguito come X10 o X13 sono le scatole di derivazione.
• I luoghi di montaggio seguono una numerazione che come criterio tiene conto della macchina nel suo insieme e la divide in varie zone ed è facilmente intuibile come nella zona 1 le scatole e le pulsantiere si chiamino ad esempio X10, P17 nella zona 2 la scatola di derivazione si chiamerà X29 e nella zona 3 troveremo la scatola di derivazione X31 e così via, quindi il numero di zona darà il primo numero alla zona di montaggio.
• Chiaramente all'interno di ogni luogo di montaggio ci saranno delle pagine che descriveranno unicamente ciò che viene derivato da quella scatola, come ad esempio sensori ed elettrovalvole. La numerazione della pagina terrà quindi conto di possibili future modifiche, lasciando quindi le riserve necessarie.
• La numerazione dei componenti e dei fili terrà quindi conto delle regole descritte nella pagina di legenda  per la lettura dello schema come anche la numerazione dei cavi, dei connettori e delle morsettiere secondo zona di montaggio, senza dimenticare i casi particolari dettagliatamente descritti in legenda.
• Un'altro punto estremamente importante per rendere fruibile lo schema è il corretto funzionamento dei riferimenti incrociati, ovvero i rimandi tra le pagine delle varie connessioni. Questo lavoro viene facilitato da tutti i produttori di CAD dedicati alla progettazione elettrica come ad esempio Eplan, Ige-xao, Spac, Cadelet, questi sono i più famosi ma ce ne sono molti altri, comunque gli errori sono sempre in agguato, quindi al progettista tocca tenere sempre d'occhio il buon funzionamento degli stessi per permettere ai tecnici di seguire lo schema.
• Un'ultimo appunto e quello relativo agli I/O del PLC che vengono distribuiti all'interno dello schema elettrico nei vari luoghi di montaggio, per poi produrre un resoconto riassuntivo delle connessioni I/O in una zona adibita a questa funzione. Questo permette di disegnare ed inserire tutti i simboli dei componenti installati nelle varie zone, all'interno delle zone di montaggio nello schema, la cosa risulta utilissima in quanto, se una zona contiene fisicamente 5 finecorsa e 6 elettrovalvole, queste saranno graficamente disegnate e verranno descritte tutte le connessioni a loro relative in pochissime pagine nella zona di montaggio dedicata.

Avviamento motore asincrono trifase nelle moderne automazioni

Nel semplice esempio indicato nell'immagine allegata è indicato come viene eseguito il cablaggio di un avviamento motore asincrono trifase in un moderno impianto elettrico industriale.

L'automazione moderna oltre alla parte elettromeccanica di potenza e la parte di logica cablata comprende rispetto ai vecchi impianti ormai superati da decenni il PLC ovvero Programmable logic controller, un tipo di computer industriale utilizzato per sostituire l'obsolete, e onerosa, logica cablata. In commercio ce ne sono di molte marche, tra i più famosi produttori ci sono Siemens, Schneider, ABB, Mitsubishi, Panasonic, Fanuc, Fagor, e la lista potrebbe allungarsi all'infinito.

Nella maggior parte dei casi, quindi anche la semplice accensione di un motore, verrà gestita da un software che ne valuterà la possibile accensione o meno.

Pariamo dall'analisi della colonna n° 1 della pagina di schema:

1. In essa è disegnata la parte di potenza relativa al motore in questione, si parte con il salvamotore, dimensionato a seconda dei dati di targa del motore, i produttori di questa tipologia di prodotti ci aiutano fornendo prodotti dimensionati per le principale taglie di motori in commercio. a fianco del simbolo del salvamotore sono indicati 2 contatti ausiliari utilizzati uno per diseccitare il teleruttore adibito all'accensione del motore e l'altro come INPUT o ingresso di controllo per il PLC che quindi agirà secondo logica programmata.
2. Successivamente sono disegnati i contatti di potenza del teleruttore, ed anche in questo caso i produttori ci aiutano nel dimensionamento con il medesimo principio sopra descritto
3. Un connettore l'XC19 si interpone tra la parte relativa al cablaggio interno al quadro e la parte relativa al cablaggio bordo macchina si può notare come il connettore abbia la parte femmina connessa dal lato quadro elettrico e la parte maschio connessa dal lato bordo macchina per evitare possibili parti esposte in tensione.
4. Sotto al connettore è indicata una linea trasversale ai fili chiamata W113 che indica il cavo multipolare utilizzato per collegare il motore al connettore, in piccolo a fianco dell'intersezione è indicato il numero del filo che viene utilizzato per  la connessione in questione. Questo è uno dei metodi utilizzati per indicare i cavi negli schemi elettrici, a mio parere uno dei più intuitivi. Avremo quindi il filo 1 del cavo W113 connesso da una parte al connettore XC19 pin 1 e all'altro capo il filo numero 1 verrà connesso al morsetto U1 del motore asincrono trifase.
5. In parallelo al motore in fine è connesso un filtro trifase RC a stella utilizzato per addolcire i picchi di tensione e gli archi causati dal teleruttore in fase di apertura e chiusura dei contatti generalmente questi picchi di tensione in gergo vengono definiti "Spike" e possono provocare disturbi alle sensibili parti elettroniche a bordo dei moderni impianti elettrici industriali.

Analisi della colonna n° 4:

1. Il primo componente che incontriamo è un contatto aperto riquadrato in modo tratteggiato, questo relè chiamato K1 fa parte di una scheda di interfaccia con molti relè che nello schema ha il nome di A1620 essa viene utilizzata come tramite tra le uscite "OUTPUT" del PLC e il teleruttore. Queste schede di interfaccia vengono utilizzate poter connettere al PLC carichi di una certa consistenza oppure carichi in corrente alternata, in quanto la maggior parte dei moderni PLC non sopporta la connessione di carichi che superino poche decine di mA in corrente continua.
2. Sotto il contatto di interfaccia è rappresentata la bobina del teleruttore con un rettangolo ed il nome di K1134 i quali contatti di potenza sono stati descritti precedentemente e sono indicati nella colonna 1
3. Sotto la bobina c'è un primo contatto ausiliario N.O. del salvamotore indicato in colonna 1 con il nome di Q1131 che permetterà alla bobina di diseccitarsi in caso di apertura del salvamotore che chiaramente potrebbe intervenire a causa di un cortocircuito o di un sovraccarico è un aggiunta per quanto riguarda la certezza dello sgancio di tutte le fasi in caso di intervento del salvamotore.

Analisi della colonna n°8:

1. Come primo componente abbiamo indicato un contatto N.C. sempre di Q1131, connesso ad un ingresso o INPUT del PLC. Questo tipo di cablaggio permette al PLC di conoscere lo stato del salvamotore e quindi al software di interagire di conseguenza,come ad esempio: In caso di intervento della termica verrà garantita l'apertura dell relè ausiliario K1 della scheda A1620 comandato da un OUTPUT del PLC come spiegato in precedenza, oppure verrà segnalato all'operatore che la termica in questione è intervenuta a causa di un guasto.

Nel prossimo post verranno indicati i criteri per la numerazione in un complesso impianto elettrico.