W jaki sposób laserowe skanery bezpieczeństwa mogą chronić ludzi i maszyny

Laserowe skanery bezpieczeństwa pomagają w zwiększeniu bezpieczeństwa w obiektach przemysłowych i logistycznych. Mogą chronić ludzi przed niebezpiecznymi interakcjami z maszynami oraz zabezpieczać maszyny przed niezamierzoną ingerencją ludzi.

Maksymalizacja skuteczności laserowych skanerów bezpieczeństwa wymaga kilku czynników. Pierwszym z nich jest określenie, czy skaner laserowy jest najlepszym rozwiązaniem, czy też inna technologia, na przykład kurtyna świetlna, może być lepiej dopasowana do danego zastosowania.

Po ustaleniu, że skaner jest najlepszym wyborem, należy podjąć następujące ważne decyzje:

• Dobór optymalnych pól i zestawów pól ochrony bezpieczeństwa
• Zastosowanie normy np. ISO 13855 Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej do określenia pozycji zabezpieczeń w odniesieniu do drogi zbliżającej się osoby
• Dobór prawidłowej wartości próbkowania wielokrotnego
• Dobór skanera o optymalnym zestawie funkcji

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od omówienia czynników, które wpływają na wybór pomiędzy skanerem i kurtyną świetlną. W dalszej jego części opisano ważne kryteria doboru skanerów i przedstawiono reprezentatywne laserowe skanery bezpieczeństwa firm IDEC, Omron, SICK oraz Banner Engineering.

Skaner czy kurtyna?

Jedną z pierwszych kwestii do rozważenia jest charakter chronionej przestrzeni fizycznej Zarówno skanery, jak i kurtyny świetlne mogą chronić ludzi przed obrażeniami ciała i zabezpieczać maszyny przed ingerencją. Chociaż możliwości ochronne skanerów i kurtyn świetlnych w pewnym stopniu się pokrywają, generalnie urządzenia te są odpowiednie do różnych zastosowań, takich jak:

Zabezpieczenie punktu pracy, czyli aktywnego obszaru maszyny, w którym wykonywana jest praca. Do tego zastosowania odpowiednie są kurtyny świetlne, ponieważ można je umieścić w optymalnym miejscu, a ich rozdzielczość można ustawić tak, aby wykrywały palce, dłonie lub stopy i nogi, zapewniając wymagany poziom ochrony. Skanery zwykle wymagają większej minimalnej odległości od zagrożeń ze względu na ich dłuższy czas reakcji i generalnie nie są używane do zabezpieczania punktów pracy.

Ochrona obwodowa, która chroni wiele stron maszyny. Podobnie jak w przypadku ochrony miejsca pracy, kurtyny świetlne dobrze sprawdzają się w kompaktowych rozwiązaniach do ochrony obwodowej. Jeśli jakaś osoba przekroczy obwód, może zostać wysłany sygnał zatrzymania maszyny. Podczas gdy zarówno kurtyny świetlne, jak i skanery mogą być stosowane w ochronie obwodowej, świetlne kurtyny bezpieczeństwa są coraz częściej stosowane w ochronie obwodowej, a skanery są częściej stosowane w ochronie obszarów.

Kontrola dostępu i ochrona obszarów, które można zrealizować za pomocą kurtyny świetlnej lub skanera, w zależności od potrzeb konkretnego zastosowania. Kurtyny świetlne są odpowiednie, gdy istnieje pojedynczy punkt wejścia. Na przykład indywidualne monitorowanie i ocena poszczególnych wiązek światła pozwala kurtynie świetlnej na odróżnienie „wysokiej” osoby od „niskiego” transportera materiałów, na przykład palety przekraczającej próg, a następnie odpowiednie modyfikowanie reakcji.

Skanery można skonfigurować do monitorowania obszaru o kącie 275° w celu utworzenia zdefiniowanej przez użytkownika dwuwymiarowej strefy chronionej (ilustracja 1). Pozwalają również na ustanawianie wielu stref ochronnych w oparciu o odległość między osobą a chronioną maszyną i odpowiednio spowalniać lub zatrzymywać ją.

Ilustracja 1: laserowy skaner bezpieczeństwa może monitorować obszar o kącie 275°, tworząc dwuwymiarową strefę chronioną i wysyłając alarm w przypadku nieoczekiwanej obecności osoby lub przedmiotu w tym obszarze (czerwone linie). (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Systemy mobilne, na przykład autonomiczne roboty mobilne (AMR) i pojazdy kierowane automatycznie (AGV), które mogą skorzystać na zastosowaniu wielu skanerów. Skanery te mogą być zasilane bateryjnie oraz mogą ze sobą współpracować, jednocześnie monitorując dziesiątki stref bezpieczeństwa wokół pojazdu. W zależności od prędkości pojazdu, jego pozycji i przewidywanych zmian kierunku, mogą być aktywowane różne strefy. Dane ze skanerów można uzupełniać za pomocą enkoderów w kołach i innych danych wejściowych czujników wspomagających nawigację autonomicznego robota mobilnego (AMR).

Jaki poziom bezpieczeństwa?

Po zdefiniowaniu chronionej przestrzeni fizycznej należy wziąć pod uwagę potrzebny poziom bezpieczeństwa. Oprócz korzyści w różnych zastosowaniach, kurtyny świetlne i laserowe skanery bezpieczeństwa obsługują różne poziomy bezpieczeństwa określone przez różne normy międzynarodowe. Na przykład norma ISO 13849-1 definiuje niezawodność bezpiecznych funkcji sterujących za pomocą poziomów zapewnienia bezpieczeństwa (PL) od „a” do „e”, przy czym PLe oznacza najwyższy poziom.

Laserowe skanery bezpieczeństwa spełniają kryteria poziomu PLd i są odpowiednie do użycia w zastosowaniach, w których bezpieczeństwo jest priorytetem. Klasa PLd jest przyznawana systemom z prawdopodobieństwem wystąpienia niebezpiecznej awarii co 1 do 10 milionów godzin (od 141 do 1141 lat w oparciu o ciągłość pracy). Kurtyny świetlne są dostępne w szerszym zakresie opcji od PLc do PLe.

IEC 62061, Bezpieczeństwo maszyn: kolejną ważną normą jest bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych, elektronicznych i programowanych elektronicznych systemów sterowania. Opiera się ona na strategii oceny i redukcji ryzyka w odniesieniu do funkcji sterowania bezpieczeństwem, takich jak kurtyny świetlne i laserowe skanery bezpieczeństwa. Zawiera ona specyfikacje wymagań funkcjonalnych oraz wymagania dotyczące poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL).

Przykłady wymagań funkcjonalnych obejmują częstotliwość operacji, czas reakcji, tryby pracy, cykle pracy, środowisko pracy, funkcje reakcji na usterki itp. Zdefiniowane poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) są mierzone w skali od 1 do 4 (ilustracja 2).

Ilustracja 2: laserowe skanery bezpieczeństwa spełniają kryteria poziomów PLd oraz SIL3 i są odpowiednie do użycia w zastosowaniach, w których ważne jest bezpieczeństwo. (Źródło ilustracji: SICK)

Norma ISO 13855 definiuje sposób rozmieszczania skanerów w zależności od drogi podejścia osoby. Na przykład, jeśli skaner jest zamontowany na wysokości 300mm, rozdzielczość 70mm jest wystarczająca do wykrycia ludzkiej nogi. Przy mniejszych wysokościach instalacji zalecana minimalna rozdzielczość wynosi 50mm.

Specyfikacje skanera

Po ustaleniu, że laserowy skaner bezpieczeństwa spełnia wymagania danego zastosowania i zapewnia wymagany poziom bezpieczeństwa nadchodzi czas na zastanowienie się nad specyfikacjami. Przykłady ważnych specyfikacji skanera:

Kąt skanowania. Dostępnych jest wiele kątów skanowania, na przykład: 190°, 270° i 275°. Kąt skanowania i jego struktura określają sposób instalacji skanera w systemie w celu monitorowania obszarów zainteresowania.

Strefy ochronne. Laserowe skanery bezpieczeństwa posiadają wiele stref ochronnych, w tym główną strefę ochronną i co najmniej jedną strefę ostrzegawczą. Niektóre mogą wykorzystywać zeskanowane dane do automatycznej konfiguracji, aby ignorować nieruchome obiekty w strefach ostrzegawczych (ilustracja 3). W niektórych przypadkach laserowy skaner bezpieczeństwa może skanować wiele stref sekwencyjnie lub jednocześnie. Na przykład jeden skaner może obsługiwać do 70 unikalnych zestawów stref bezpieczeństwa. W autonomicznych robotach mobilnych (AMR) ta funkcja umożliwia skanerowi dostosowanie skanowanych obszarów w zależności od otoczenia i prędkości ruchu.

Ilustracja 3: przekazanie do eksploatacji można przyspieszyć stosując skaner, który wykorzystuje zeskanowane dane do automatycznej konfiguracji w celu identyfikacji nieruchomych obiektów w strefach ostrzegawczych. (Źródło ilustracji: IDEC)

Zasięg pola ochronnego. Jest to maksymalna odległość, na jaką chroniony obszar może rozciągać się od skanera. Typowe wartości wahają się od 3 do 10m. Wymagany zasięg pola ochronnego zależy od lokalnych przepisów oraz czasu reakcji i rozdzielczości skanera.

Rozdzielczość. Jest ona mierzona w milimetrach i określa minimalny rozmiar obiektu, który skaner może dokładnie wykryć. Typowe wartości wahają się od 30mm do 200mm.

Czas odpowiedzi. Nazywany również czasem wykrywania - określa, jak szybko skaner może rozpoznać, że zbliża się do niego jakiś obiekt. Typowe wartości wahają się od 60 do 500ms.

Próbkowanie. Określa, ile razy obiekt musi być kolejno zeskanowany, aby został rozpoznany przez skaner. Domyślnie zwykle wymagane są co najmniej dwa skany próbkowania. Jednak w przypadku niektórych skanerów i okoliczności, rozpoznanie obiektu może wymagać dziesięciu lub więcej kolejnych skanów próbkowania.

Podwójne strefy ochronne

Laserowe skanery bezpieczeństwa posiadają różne cechy i funkcje, które odpowiadają potrzebom różnych zastosowań. Na przykład laserowe skanery bezpieczeństwa SE2L firmy IDEC posiadają funkcje konfiguracji urządzenia nadrzędnego i podrzędnego oraz podwójne strefy ochronne. Funkcja konfiguracji urządzenia nadrzędnego i podrzędnego umożliwia komunikację jednego skanera z maksymalnie trzema innymi skanerami. Może to znacznie uprościć projekt systemu i umożliwić zastosowanie tańszego kontrolera, ponieważ kontroler bezpieczeństwa musi komunikować się tylko z urządzeniem nadrzędnym, które przekazuje instrukcje do skanerów podrzędnych. Model SE2L-H05LP może być instalowany z użyciem kabli o długości od 2 do 20m, co dodatkowo zwiększa elastyczność.

Czas cyklu skanowania tych skanerów wynosi 30ms i mogą one obejmować 32 wzory w obszarze skanowania. Korzystając z funkcji dwustrefowej, pojedyncze urządzenie SE2L może niezależnie skanować dwie sąsiednie strefy jednocześnie, eliminując potrzebę stosowania drugiego skanera i upraszczając projekt systemu.

Niska moc zapewniająca bezpieczeństwo pracy przy zasilaniu bateryjnym

Ważną kwestią może być wydłużenie czasu pracy pojazdów kierowanych automatycznie (AGV) i autonomicznych robotów mobilnych (AMR). W tych zastosowaniach korzystne może być zastosowanie kompaktowego (104,5mm) laserowego skanera bezpieczeństwa OS32C-SP1-4M firmy Omron. Pobiera on maksymalnie 5W (3,75W w trybie czuwania) i posiada 70 zestawów stref bezpieczeństwa oraz stref ostrzegawczych, dzięki czemu może być używany w skomplikowanych środowiskach (ilustracja 4). Pozostałe funkcje:

• Minimalną rozdzielczość można ustawić na 30, 40, 50 lub 70mm.
• Strefa bezpieczeństwa różni się w zależności od rozdzielczości:
  • 1,75m (rozdzielczość 30mm)
  • 2,5m (rozdzielczość 40mm)
  • 3,0m (rozdzielczość 50 mm)
  • 4,0m (rozdzielczość 70mm)
• Promień strefy ostrzegawczej maksymalnie 15m
• Konfigurowany czas odpowiedzi od 80ms do 680ms.
• Czas przełączania stref można ustawiać w zakresie od 20ms do 320ms

Ilustracja 4: laserowy skaner bezpieczeństwa niskiej mocy obsługuje 70 zestawów stref bezpieczeństwa i stref ostrzegawczych, dzięki czemu jest odpowiedni do autonomicznych robotów mobilnych (AMR) działających w skomplikowanych lub dynamicznych środowiskach. (Źródło ilustracji: Omron)

Potrójne pola z możliwością wyboru próbkowania i rozdzielczości

Laserowe skanery bezpieczeństwa S300 Mini Standard firmy SICK posiadają możliwość wyboru rozdzielczości wykrywania i poziomów próbkowania. Na przykład model S32B-2011BA obsługuje średnice rozdzielczości 30, 40, 50 i 70mm. Dla każdego pola można indywidualnie zdefiniować próbkowanie wielokrotne i wartości rozdzielczości, z uwzględnieniem jednoczesnych pól ochronnych (ilustracja 5). Omawiane skanery obsługują maksymalnie 48 dowolnie konfigurowanych pól i 16 przełączanych zestawów pól. Funkcja potrójnego pola pozwala na jednoczesne użycie jednego pola ochronnego i dwóch pól ostrzegawczych.

Ilustracja 5: laserowe skanery bezpieczeństwa S300 Mini Standard mogą obsługiwać wiele poziomów próbkowania i różne rozdzielczości dla poszczególnych pól skanowania. (Źródło ilustracji: SICK)

Eliminacja potrzeby stosowania programowanego sterownika logicznego (PLC) bezpieczeństwa

Laserowe skanery bezpieczeństwa SX5 firmy Banner Engineering posiadają zintegrowaną funkcję wyciszania, która może monitorować sygnały i reagować na nie oraz automatycznie wstrzymywać działanie funkcji zabezpieczeń w celu przejścia obiektu przez strefę bezpieczeństwa bez generowania polecenia zatrzymania. Funkcja wyciszania pozwala na zawieszenie całej strefy bezpieczeństwa (wyciszenie całkowite) lub tylko jej części (wyciszenie częściowe dynamiczne).

Urządzenie nadrzędne SX5, na przykład SX5-ME70, może sterować maksymalnie trzema jednostkami zdalnymi, takimi jak SX5-R. Skaner może również odczytywać dane wejściowe enkodera inkrementalnego w celu modyfikacji strefy bezpieczeństwa w oparciu o prędkość pojazdu. Funkcje te pozwalają wyeliminować potrzebę stosowania dodatkowego sprzętu sterującego, takiego jak programowany sterownik logiczny (PLC) bezpieczeństwa.

Podsumowanie

Odpowiednio określone, skonfigurowane i zintegrowane laserowe skanery bezpieczeństwa dobrze sprawdzają się w ochronie ludzi i maszyn w takich zastosowaniach, jak kontrola dostępu, ochrona obszarów oraz w systemach mobilnych, takich jak pojazdy kierowane automatycznie (AGV) i autonomiczne roboty mobilne (AMR). Spełniają one wymagania poziomów PLd oraz SIL3 i są odpowiednie do użycia w zastosowaniach, w których ważnym czynnikiem jest bezpieczeństwo. Omawiane skanery są dostępne z różnymi kombinacjami cech i funkcji, odpowiednimi do różnych potrzeb.