Le tecniche circuitali applicabili alla sicurezza delle macchine - Prima parte

L’art. 4.5 della norma EN ISO 12100-2 definisce “l’applicazione del principio dell’azione meccanica positiva di un componente su un altro componente”, in questo modo: “Se un componente meccanico mobile muove inevitabilmente anche un altro componente, mediante contatto diretto o attraverso elementi rigidi, questi componenti sono connessi in modo positivo. Un esempio in proposito è il funzionamento dei dispositivi di commutazione ad apertura positiva in un circuito elettrico”.

A questo proposito, la norma sugli equipaggiamenti elettrici delle macchine, la CEI EN 60204-1, all’art. 3.13 definisce l’azione di apertura diretta (di un elemento di contatto) come la “separazione dei contatti per effetto diretto di un movimento specificato dall’attuatore del dispositivo di manovra attraverso elementi non elastici (per esempio non dipendenti da molle)”.

In particolare per un contatto ad apertura positiva, la norma EN 60947-5-1 (CEI 17-45) prescrive che la distanza del contatto deve resistere ad un impulso di tensione di 2,5 kV, quando il contatto viene aperto in modo forzato con forze superiori alla forza di contatto di 10 N (figura 2).

Dove invece un componente meccanico si muova e quindi consenta a un altro di muoversi liberamente (per esempio mediante gravità o a molla) non vi è alcuna azione meccanica positiva del primo sul secondo.

Gli interruttori ad apertura positiva sono quindi interruttori che non hanno nessun collegamento elastico tra i contatti mobili e l‘azionatore sul quale viene applicata la forza di azionamento. Ad esempio un interruttore con asta a molla non può avere l‘apertura positiva dei contatti. Gli interruttori di sicurezza ad apertura positiva usano un’asta di contatto direttamente collegata all’attuatore tramite un collegamento meccanico rigido.

L’obiettivo è quello di interrompere meccanicamente il contatto, forzando l’apertura anche nel caso in cui ci fosse un incollamento causato da una situazione di sovraccarico. Tutti gli interruttori con contatti NC ad apertura positiva riportano il simbolo di apertura positiva sul coperchio rappresentato da una freccia da sinistra verso destra contenuta in un cerchio (figura 4).

Con la trasmissione positiva, le parti meccaniche mobili del dispositivo di interblocco (interruttore di sicurezza) vengono mosse fisicamente dalle parti meccaniche del riparo fisico (per es. porta) per mezzo del contatto diretto o di parti rigide (figura 8).

I contatti Normalmente Aperti (NA) si basano su un meccanismo a molla per l’apertura del circuito. In caso di saldatura non esiste garanzia che tali contatti si separeranno. A causa di questa limitazione questi contatti vengono generalmente usati per il controllo e non sono parte del circuito di sicurezza. I dispositivi di arresto di emergenza, sia che si tratti del classico pulsante a fungo o nelle varianti di interruttore a corda o a pedale, devono essere del tipo ad apertura positiva: lo stabilisce l’art. 10.7.2 della norma CEI EN 60204-1, norma che impone la tecnica ad apertura positiva anche ai sensori di posizione utilizzati in funzioni di sicurezza (art. 10.1.4).

La figura 8-b mostra un esempio di funzionamento in modo positivo con disconnessione forzata dei contatti. I contatti sono considerati normalmente chiuso (NC) quando l\'attuatore è inserito nell\'interruttore (vale a dire a riparo chiuso). Questo chiude un circuito elettrico che permette alla macchina di funzionare. Questa modalità permette l\'individuazione di un eventuale cavo interrotto che determinerà una azione di arresto della macchina. Gli interruttori con contatti ad apertura positiva sono in genere realizzati con i contatti a doppia interruzione. Quando il riparo viene aperto, la linguetta (attuatore) è rimossa dalla testa dell’interruttore e questo causa una rotazione di una camma interna.

La camma spinge il pistone che forza la chiave ad aprire entrambi i contatti, rompendo i contatti potenzialmente saldati. Molti interruttori di sicurezza hanno anche una serie di contatti normalmente aperti (NA) i quali vengono generalmente chiusi dalla forza della molla di ritorno. In caso di rottura della molla, però, il funzionamento dei contatti NA non può essere considerato particolarmente affidabile. Pertanto, essi vengono in genere utilizzati per funzioni di segnalazione (es. per indicare che il riparo è aperto).

Finora abbiamo parlato del modo positivo, ipotizzando l’utilizzo di interruttori e guasti di natura meccanica, ma lo stessa filosofia si può applicare agli interruttori e guasti di natura elettrica. Nei casi in cui l’azionatore del contatto non sia una rotella o una camme, ma bensì una bobina di comando (es. relé, contattori, elettrovalvole, etc.), il modo positivo significa che un segnale viene emesso permanentemente ed un rilevamento ne provoca l’interruzione (basti pensare all’interruzione di una barriera fotoelettrica).

In questa modalità di funzionamento qualsiasi guasto interno, come una fonte luminosa difettosa, un conduttore rotto o tagliato, l’assenza di alimentazione, etc, provoca l’arresto della macchina. In modo negativo invece, un segnale viene generato soltanto al rilevamento ed un guasto interno può avere come conseguenza la mancata apertura del contatto di sicurezza, causando una situazione potenzialmente pericolosa (es. un conduttore rotto in un tappetino elettromeccanico): in assenza del segnale, non è possibile distinguere tra un guasto nel sensore o la non presenza nel campo di rilevamento.

Figura 1 – Contatto ad apertura positiva. La rottura della molla o l’incollamento dei contatti non pregiudicano l’apertura dell’interruttore e il conseguente fermo della macchina (Pizzato)
Figura 2-1 – Meccanismo di apertura positivo: il riparo aperto determina l’apertura dei contatti. Se la molla si guasta il finecorsa si blocca in una condizione di sicurezza (Omron)
Figura 2-2 – Meccanismo di apertura positivo: il riparo chiuso mantiene i contati chiusi. La chiusura è assicurata dalla pressione della molla del finecorsa (Omron)
Figura 3 – Contatto ad apertura negativa. La rottura della molla o l’incollamento dei contatti pregiudicano l’apertura dell’interruttore e il conseguente fermo della macchina (Pizzato)
Figura 4 - Simbolo presente sugli interruttori ad apertura positiva (Omron)
Figura 5 - Guasti pericolosi in modo positivo: rotella consumata o disallineata la macchina continua a funzionare (Pizzato)
Figura 6 - Guasti pericolosi in modo negativo: con contatti incollati o molla guasta la macchina continua a funzionare (Pizzato)
Figura 7 – In modo positivo, con guasti sulla molla o sui contatti la macchina si ferma ugualmente (Pizzato)
Figura 8 – Esempio di strutture con apertura positiva, a sinistra, e negativa, a destra (BGI - Sick)
Figura 8-b – Interruttore a doppi contatti con azione ad apertura positiva (Allen-Bradley)
Figura 8-c – Funzionamento dell’apertura positiva (Omron)

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