PESSRA in Ascensori e Scale Mobili - Una Panoramica

Informazioni di base intese come guida rapida per i professionisti del settore degli ascensori e delle scale mobili su questi importanti sistemi elettronici che stanno diventando comuni

By Lakshmanan Raja e Teck Eng Ng

L'elettronica sta facendo grandi progressi nel settore degli ascensori e delle scale mobili, che ora è alla pari con il loro sviluppo in altri settori. Nel nostro settore, quello che era un controllo cablato basato su relè è stato sostituito da interruttori elettronici (ad esempio transistor), quindi ulteriormente migliorato con l'introduzione di microcontrollori e microprocessori. Di conseguenza, l'attuale controller per ascensori e scale mobili è come una scatola nera, che collega tra loro vari sottosistemi attraverso cavi elettrici e interfacce elettroniche in cui i professionisti del campo sono in grado di vedere solo i segnali di ingresso e di uscita. L'operazione è ben coordinata da programmi integrati invisibili all'utente e ai professionisti della manutenzione. Negli ultimi anni sono stati sviluppati e implementati sempre più sistemi elettronici programmabili (PES) per garantire la sicurezza degli utenti. Tali sistemi sono noti come PES nelle applicazioni relative alla sicurezza (PESSRA). Se tali dispositivi sono utilizzati negli ascensori, il termine "per ascensori" viene aggiunto alla fine (PESSRAL). Se utilizzato nelle scale mobili, l'aggiunta diventa “per scale mobili” (PESSRAE).

Questo articolo presenta una panoramica dei sistemi PESSRAL/PESSRAE, con la copertura sull'architettura del dispositivo, la sua affidabilità e informazioni sulla scelta dei giusti livelli di affidabilità. Quindi discute le funzioni di sicurezza che devono essere eseguite dai dispositivi PESSRA e gli stati sicuri da raggiungere. Include anche informazioni sui requisiti delle prove di tipo sulla verifica del livello di affidabilità. Infine, si conclude con i vantaggi e le sfide dell'utilizzo di PESSRA.

Inclusione nel codice

Nei controller di ascensori e scale mobili, i dispositivi elettronici sono stati tradizionalmente utilizzati solo nel controllo del movimento e del funzionamento, con i controlli relativi alla sicurezza cablati e controllati da relè. Negli ultimi tempi, possiamo vedere l'influenza dell'elettronica estesa nell'elaborazione dell'input da dispositivi di sicurezza. In tale controllo, la classica logica cablata si trasforma in un controllo basato sulla funzionalità. I requisiti funzionali sono più basati sui risultati e la sua implementazione è aperta con diverse architetture hardware e software in una varietà di modi. Le fasi di sviluppo dei controller di ascensori e scale mobili sono presentate nella Figura 1. Poiché sempre più produttori di ascensori e scale mobili hanno utilizzato i dispositivi PESSRA nei loro controller, il codice è arrivato a includere i requisiti per loro. Le date ufficiali di inclusione di PESSRA nei codici statunitensi ed europei sono riportate nella Tabella 1.

Architettura del dispositivo

L'architettura generica di un controllore PESSRA è mostrata in Figura 2. Si compone di sensori di ingresso, dispositivo elettronico programmabile e un attuatore di uscita. Non esiste una connessione cablata diretta tra i segnali di sicurezza sul lato di ingresso e sul lato di uscita. I segnali in ingresso vengono elaborati dai dispositivi elettronici programmabili, che poi comandano l'attuatore in uscita. Esempi di dispositivi elettronici programmabili sono: microprocessori/microcontrollori, controllori logici programmabili, array di porte programmabili sul campo, circuiti integrati per applicazioni specifiche e altri dispositivi basati su computer (sensori intelligenti, trasmettitori e attuatori).

Livello di integrità della sicurezza (SIL)

L'affidabilità del dispositivo di sicurezza è sempre molto importante. Quando il sistema elettronico con hardware e software viene utilizzato per prendere decisioni relative alla sicurezza dell'utente, la sua affidabilità viene misurata con SIL. SIL è una misura di affidabilità numerica o tasso di guasto indicativo del sistema PESSRA che esegue la funzione di sicurezza.

Esistono due tipi di funzioni di sicurezza: "modalità a richiesta elevata" o "modalità continua" (probabilità di guasti all'ora) e "modalità a richiesta ridotta" (probabilità di guasto all'anno). Con riferimento alla norma IEC 61508-4 punto 3.5.16, la definizione di alta richiesta è richiesta quando la richiesta di una funzione di sicurezza è maggiore di una volta all'anno e la definizione di bassa richiesta quando è meno frequente. Le caratteristiche chiave di una funzione di sicurezza in modalità ad alta richiesta sono:

• Generalmente fornisce alcune funzioni di controllo durante il normale funzionamento.
• Il guasto della funzione di sicurezza di solito porta a una situazione pericolosa.
• La frequenza delle richieste poste su di essa è elevata, più di una volta all'anno o addirittura continua.

Esempio: freni normali per macchine da trazione

Le caratteristiche principali di una funzione di sicurezza in modalità a richiesta ridotta sono:

• Generalmente non viene utilizzato durante il normale funzionamento.
• Il guasto della funzione di sicurezza comporta la perdita della protezione ma non è di per sé pericoloso.
• La frequenza delle richieste poste su di esso è bassa, meno di una volta all'anno.

Esempio: dispositivo di sicurezza

La maggior parte dei dispositivi PESSRA utilizzati negli ascensori e nelle scale mobili appartiene alla seconda categoria del tipo di funzione di sicurezza in modalità richiesta. Le probabilità di guasto su richiesta per le funzioni a basso tasso di richiesta sono riportate nella Tabella 2, che è tratta da IEC 61508-1. I controllori SIL 4 sono molto affidabili, poiché il loro guasto su richiesta è molto basso, compreso tra 10-5 e 10-4. SIL 1 è il più basso e il suo guasto su richiesta varia da 10-2 a 10-1. SIL 3 è il livello più alto utilizzato per il settore degli ascensori e delle scale mobili.^[3]

L'esempio seguente fornisce un'idea del SIL e del suo tasso di guasto: L'interruttore di arresto di emergenza richiede SIL 3 secondo EN 81-20 e ASME A17.1. Quindi, il suo tasso di fallimento accettabile dovrebbe essere compreso tra 10-4 e 10-3. Se assumiamo che la domanda sia una volta all'anno, è accettabile fallire una volta tra 1,000 e 10,000 anni.

Decidere il rating SIL

Ora conosciamo il SIL, ma come decidiamo quale livello potrebbe essere adatto per una particolare funzione di sicurezza? Possiamo deciderlo con tre passaggi:

1. La frequenza del verificarsi del pericolo dovrebbe essere calcolata sulla base dell'analisi del rischio.
2. Confronta il tasso di occorrenza con il tasso tollerabile (da R2P2[a] o qualsiasi altro standard accettabile).
3. La differenza (ovvero il divario) deve essere colmata con l'appropriato PESSRA SIL (livello di affidabilità)

Il seguente esempio spiegherà quanto sopra: supponiamo che l'ascensore subisca un movimento incontrollato una volta ogni cinque anni. La frequenza di insorgenza del pericolo (#1) è 1/5 anno, che è pari a 0.2/anno. Ogni volta che si verifica il movimento incontrollato, la probabilità che si verifichi un incidente mortale (n. 2) è 0.01. La probabilità di un tasso di incidenti mortali per il nostro sistema è il prodotto di #1 e #2: 0.2/anno X 0.01/anno = 2 X 10-3/anno (due incidenti mortali in 1,000 anni). Tuttavia, il tasso di mortalità tollerabile per il pubblico generalmente utilizzato nella sicurezza funzionale è di 10-5/anno. ^[8]

Qui c'è un divario tra le tariffe tollerabili e quelle effettive. Il controllore PESSRA utilizzato per colmare il gap deve soddisfare:

Tasso di guasto = tasso tollerabile/tasso effettivo = 10-5/(2 X 10-3) = 5 X 10-3 I controllori SIL 2 hanno un tasso di guasto compreso tra 10-3 e 10-2. Questi controller saranno in grado di soddisfare il nostro tasso di errore richiesto di 5 x 10-3. La Figura 3 aiuta a mostrare il processo di calcolo.

Tuttavia, per ascensori e scale mobili, i SIL per le varie funzioni di sicurezza sono stati decisi dai codici sviluppati dall'industria (Figura 4). Esistono 51 funzioni di sicurezza definite per ascensori con rispettiva classificazione SIL in ISO 22201-1. Allo stesso modo, ci sono 26 funzioni di sicurezza definite per scale mobili con rispettiva classificazione SIL in ISO 22201-2. Inoltre, il codice ha anche definito lo stato di sicurezza, che deve essere raggiunto dal controller PESSRA ogni volta che viene richiesta la funzione di sicurezza. Esistono 18 e 10 stati di sicurezza definiti per ascensori e scale mobili nella norma ISO 22201-1/-2. Esempi di stati sicuri sono: interruzione dell'alimentazione alla macchina di trazione, limitazione del campo di traslazione e della velocità, ecc.

Verifica SIL

Poiché l'affidabilità del sistema PESSRA dipende dal SIL, la sua verifica è molto importante. Viene eseguito da un organismo approvato, che è il laboratorio che esegue sia il test che la certificazione. Si tratta di un produttore che gestisce un sistema completo di garanzia della qualità definito e approvato da un'autorità nazionale, o di una terza parte certificata accreditata da un'autorità nazionale per l'ambito di ascensori, scale mobili, marciapiedi mobili e dispositivi di sicurezza corrispondenti.

La domanda di esame del tipo deve essere presentata dal fabbricante del componente o dal rappresentante autorizzato del fabbricante e deve essere indirizzata a un laboratorio di prova autorizzato.

Per eseguire la verifica SIL e il test di tipo, l'ente approvato richiede due circuiti stampati: uno nudo e con componenti completi su di esso e l'altro con dettagli come il layout e la definizione di input/output se il circuito di sicurezza ha solo componenti elettronici. Per PESSRA devono essere forniti dettagli sul software, una descrizione funzionale (inclusa architettura software e interazione hardware/software), descrizione dei dati, variabili e interfacce, ecc. Per maggiori dettagli, fare riferimento alla EN 81-50, clausola 5.6 e Allegato B.

L'ente approvato effettuerà i test meccanici necessari come test di vibrazione, urti e temperatura e un test funzionale sulla codifica e progettazione del software.

Manutenzione e riparazione

Poiché i controllori PESSRA si occupano della sicurezza, la loro manutenzione e riparazione è molto importante. Il produttore deve fornire il manuale di istruzioni, che contiene informazioni sull'esecuzione del test di verifica funzionale e:

• Dettagli di identificazione, etichettatura e certificazione dei componenti PESSRA
• Dettagli di montaggio, connessione, regolazione e formazione
• Frequenza della verifica funzionale

Per quanto riguarda la manutenzione e la riparazione di un dispositivo PESSRA, il manuale di istruzioni deve fornire i dettagli su quanto segue:

• Prove di prova e attività di manutenzione preventiva e a guasto da eseguire
• Misure e tecniche di manutenzione uniche
• Intervallo di tempo delle attività di manutenzione
• Apparecchiatura di prova utilizzata; attività di diagnosi e riparazione guasti
• Attività per la riconvalida
• Obbligo di segnalazione di guasto e manutenzione

Vantaggi e sfide

Con l'avanzare del controllo di ascensori e scale mobili, ci sarà una maggiore applicazione dei sistemi PESSRA. I vantaggi di PESSRA rispetto al controllo cablato sono:

• I dispositivi PESSRA dispongono di componenti intelligenti programmabili in grado di automonitorarsi e rilevare tempestivamente i guasti. Questa funzionalità fornisce avvisi tempestivi sui possibili guasti del sistema, che porteranno a una migliore affidabilità del sistema.
• I dispositivi PESSRA sono collegati tramite bus di comunicazione, quindi il bypass di un singolo dispositivo dovrebbe essere effettuato tramite mezzi software. In questo modo è possibile evitare l'elusione non autorizzata e la manomissione delle funzioni di sicurezza da parte dei cavi di avviamento. Inoltre, è possibile risparmiare spazio riducendo il cablaggio.
• PESSRA è un dispositivo elettronico, quindi le tensioni di funzionamento saranno basse; così, si possono evitare scosse elettriche.

Tuttavia, i vantaggi derivano da alcune sfide, come:

• Il controllo PESSRA coinvolge sia la progettazione hardware che software, quindi sarà molto proprietario, con l'OEM che avrà un vantaggio rispetto a terze parti.
• Per progettare, testare e verificare il funzionamento del sistema è necessario personale specializzato sia in hardware che in software.

Conclusione

Questo articolo fornisce le informazioni di base e una guida rapida su PESSRA per i professionisti del settore degli ascensori e delle scale mobili. Per una conoscenza più approfondita, vedere "Riferimenti".

Referenze

[1] EN 81-20:2014 Regole di sicurezza per la costruzione e l'installazione di ascensori — Ascensori per il trasporto di persone e merci Parte 20: Ascensori per passeggeri e merci.
[2] EN 81-50:2014 Regole di sicurezza per la costruzione e l'installazione di ascensori — Esami e prove Parte 50: Regole di progettazione, calcoli, esami e prove dei componenti degli ascensori.
[3] ISO 22201:2009 Ascensori (ascensori) — Progettazione e sviluppo di sistemi elettronici programmabili in applicazioni di sicurezza per ascensori (PESSRAL).
[4] ISO 22201-2:2013 Ascensori (ascensori), scale mobili e tappeti mobili — Sistemi elettronici programmabili in applicazioni relative alla sicurezza Parte 2: Scale e tappeti mobili (PESSRAE).
[5] ISO/TR 22201-3:2013 Ascensori (ascensori), scale mobili e tappeti mobili
— Sistemi elettronici programmabili in applicazioni relative alla sicurezza Parte 3: Linee guida sul ciclo di vita per sistemi elettronici programmabili relativi a PESSRAL e PESSRAE.
[6] EN 61508-1:2010 Sicurezza funzionale dei sistemi elettrici/elettronici/elettronici programmabili relativi alla sicurezza Parte 1: Requisiti generali.
[7] EN 61508-4:2010 Sicurezza funzionale dei sistemi relativi alla sicurezza elettrica/elettronica/programmabile Parte 4: Definizioni e abbreviazioni.
[8] Smith, David J. e Kenneth GL Simpson. Safety Critical Systems Handbook: A Straight Forward Guide to Functional Safety, IEC 61508 (2010 Ed.) e standard correlati, inclusi Process IEC 61511 e Machinery IEC 62061 e ISO 13849 (Elsevier, 2010).
[9] HSE, Riduzione dei rischi. "Proteggere le persone". Processo decisionale di HSE. Corona, Londra (2001).