Sposób doboru i integracji wielowymiarowych systemów bezpieczeństwa w celu ochrony pracowników przed kobotami

Podczas wdrażania robotów współpracujących (kobotów), autonomicznych robotów mobilnych (AMR) i autonomicznych pojazdów kierowanych (AGV) w fabrykach i obiektach logistycznych sprawą kluczową jest bezpieczeństwo. Jest to kwestia jednocześnie złożona i wielowymiarowa.

Ruchy maszyn muszą być monitorowane i kontrolowane zgodnie z normą ISO 13849 Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej (ISO) oraz normami IEC 62061 i IEC 61800-5-2 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC), które określają wymagania bezpieczeństwa oraz wytyczne dotyczące zasad projektowania i integracji związanych z bezpieczeństwem elementów układów sterowania (SRP/CS).

Zapewnienie bezpiecznej pracy kobotów, autonomicznych robotów mobilnych (AMR), autonomicznych pojazdów kierowanych (AGV) i tym podobnych urządzeń często wymaga ustanowienia warstwowej obwiedni bezpieczeństwa z wieloma polami, obejmując wstępne wykrywanie i ostrzeganie o zbliżających się obiektach, jak i wykrywanie obiektów przekraczających strefę niebezpieczną i zatrzymujących maszyny.

Kolejną warstwę analizy i ochrony może stanowić modułowy system kontrolera bezpieczeństwa. Ważnym czynnikiem w przypadku zakłóceń w polu ochronnym i nieoczekiwanych wyzwoleń skanera może być skuteczna i szybka analiza usterek. Jej wdrożenie może wymagać drugiego czujnika do monitorowania pola ochronnego czujnika głównego.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od krótkiego przypomnienia wymagań norm ISO 13849, IEC 62061 i IEC 61800-5-2 oraz przeglądu podstaw dwuwymiarowych (2D) laserowych skanerów bezpieczeństwa z technologią LiDAR. W jego dalszej części omówiono sposób wdrażania warstwowych obszarów bezpieczeństwa do ochrony ludzi przed kobotami, autonomicznymi robotami mobilnymi (AMR), autonomicznymi pojazdami kierowanymi (AGV) i podobnym sprzętem.

Omówiono też wykorzystanie i integrację czujników 2D wyposażonych w technologię LiDAR oraz przedstawiono korzyści płynące z połączenia tych czujników z modułowym, programowanym kontrolerem bezpieczeństwa w celu zwiększenia poziomu bezpieczeństwa, a także zastosowanie kamer zdarzeń do analizy niespodziewanych zakłóceń w polach ochronnych. Przedstawiono także przykładowe urządzenia firmy SICK.

Norma IEC 61508 stanowi podstawową normę „Bezpieczeństwa funkcjonalnego elektrycznych/elektronicznych/programowalnych elektronicznych systemów związanych z bezpieczeństwem (E/E/PE lub E/E/PES)”, czyli ma zastosowanie w odniesieniu do wszystkich branż. Ponadto istnieją jej podsekcje i warianty odnoszące się do konkretnych branż i zastosowań.

Norma IEC 62061, „Bezpieczeństwo maszyn: bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych, elektronicznych i programowalnych elektronicznych systemów sterowania” jest wariantem normy IEC 61508 dla określonych urządzeń. Norma IEC 61800-5-2, „Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej prędkości - Część 5-2: Wymagania dotyczące bezpieczeństwa - Funkcjonalne” również jest związana z normą IEC 61508 i dotyczy projektowania i rozwoju układów napędowych o nastawnej prędkości.

Norma ISO 13849 została opracowana niezależnie, a nie na podstawie normy IEC 61508. Obie dotyczą bezpieczeństwa funkcjonalnego. W normie IEC 61800-5-2 do zdefiniowania wymagań bezpieczeństwa wykorzystano poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL), natomiast norma ISO 13849 definiuje wymagany poziom parametrów działania (PL_r).

Normy ISO 13849 oraz IEC 61508 bazują na koncepcji prawdopodobieństwa niebezpiecznej awarii na godzinę (PFH_d). Analiza bezpieczeństwa funkcjonalnego wg normy ISO 13849 uwzględnia trzy czynniki: dotkliwość ewentualnych obrażeń, częstotliwość narażenia na niebezpieczeństwo oraz możliwość jego ograniczenia i uniknięcia szkód (ilustracja 1):

• Dotkliwość obrażeń
  • S1: niewielka (zwykle odwracalne obrażenia)
  • S2: poważna (zwykle nieodwracalne lub zgon)
• Częstotliwość lub czas trwania narażenia na zagrożenie
  • F1: rzadkie-rzadsze lub czas narażenia jest krótki
  • F2: częste-ciągłe lub czas narażenia jest długi
• Możliwość uniknięcia zagrożenia lub ograniczenia szkód
  • P1: możliwe w określonych warunkach
  • P2: prawie niemożliwe

Ilustracja 1: diagram poziomów PL_r w normie ISO 13849 i odpowiadających im poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) w normie IEC 62061. Obie normy bazują na koncepcji niebezpiecznych awarii na godzinę (PFH_d). (Źródło ilustracji: SICK)

Jak działa technologia LiDAR?

W przypadku użycia czujników bezpieczeństwa 2D LiDAR w zastosowaniach ochrony osobistej zgodnie z normą ISO 13849 wymagany jest certyfikat poziomu PL_b. Modele czujników spełniające ten wymóg można znaleźć w grupie czujników TiM 2D LiDAR. Czujniki 2D LiDAR skanują swoje otoczenie przy użyciu optycznej technologii czasu przelotu (ToF). Czas przelotu (ToF) jest mierzony poprzez wysyłanie impulsów laserowych za pomocą wirującego lustra i wykrywanie odbitego światła. Im więcej czasu odbite światło potrzebuje, aby dotrzeć z powrotem do czujnika, tym dalej znajduje się obiekt.

Pomiar czasu w połączeniu z natężeniem sygnału zwrotnego umożliwia czujnikowi obliczenie pozycji wielu obiektów z milimetrową dokładnością. Wynikowy obraz otoczenia jest aktualizowany 15 razy na sekundę (ilustracja 2). Omawiane urządzenie posiada funkcje nawigacji, orientacji, sterowania i bezpieczeństwa w czasie rzeczywistym.

Ilustracja 2: czujniki TiM 2D LiDAR wykorzystują wirujące lustro i impulsy laserowe do tworzenia obrazu otoczenia, który może być aktualizowany nawet 15 razy na sekundę. (Źródło ilustracji: SICK)

Czujniki TiM 2D LiDAR wykrywają obiekty w zdefiniowanych monitorowanych obszarach (polach). W zależności od modelu, mają one zasięg pracy do 25m i zakres roboczy do 270°.

Dane impulsu powrotnego z lasera są przetwarzane z wykorzystaniem technologii pomiaru odległości wysokiej rozdzielczości (HDDM) lub HDDM+. Technologia pomiaru odległości wysokiej rozdzielczości (HDDM) pozwala uzyskać bardzo wysoką dokładność pomiaru przy niewielkich odległościach i jest odpowiednia do precyzyjnego pozycjonowania w zastosowaniach takich jak dokowanie. Technologia HDDM+ szczególnie dobrze przetwarza odbicia od krawędzi, dzięki czemu najlepiej sprawdza się w zastosowaniach lokalizacyjnych i antykolizyjnych w dynamicznych środowiskach.

W obu przypadkach opatentowana technologia wieloimpulsowa HDDM/HDDM+ umożliwia czujnikom TiM 2D LiDAR wykrywanie w całym zakresie skanowania bez pozostawiania luk, ze stałą precyzją pomiaru. Radzi sobie również z różnymi powierzchniami i współczynnikami remisji.

Czujniki typów TiM1xx, TiM3xx oraz TiM7xx wykrywają, czy we wstępnie zdefiniowanym polu znajdują się obiekty. Szybką adaptację podczas pracy umożliwia szesnaście zestawów pól, każdy z trzema wstępnie skonfigurowanymi polami (ilustracja 3). W celu statycznego monitorowania konturów można określić indywidualne geometrie pól lub zdefiniować referencyjne pola konturów. Można również zdefiniować filtry cyfrowe, obszary maskowane i czasy reakcji, aby zmaksymalizować parametry działania nawet w przypadku ulewnego deszczu, śniegu lub zapylenia.

Ilustracja 3: zestawy pól w czujnikach TiM 2D LiDAR składają się z trzech wstępnie skonfigurowanych pól. (Źródło ilustracji: SICK)

Dostępne są modele, które dostarczają dane z ewaluacji pola oraz modele, które dostarczają dane z ewaluacji i pomiaru pola. Czujniki z ewaluacją pola wykrywają tylko obecność obiektu, natomiast czujniki z ewaluacją i pomiarem pola można wykorzystać do uzyskania dokładnego obrazu skanowanej powierzchni.

Oprócz danych dotyczących odległości, dostępne czujniki TiM 2D LiDAR dostarczają również dane kątowe i sygnał wyjściowy wskaźnika siły odbieranego sygnału (RSSI). Ten rozszerzony zbiór danych może być szczególnie przydatny w zapobieganiu kolizjom i nawigacji autonomicznych robotów mobilnych (AMR) w zmieniającym się środowisku.

Czujniki bezpieczeństwa LiDAR jako pierwsze warstwy ochronne

W grupie czujników TiM 2D LiDAR znajdują się wersje związane z bezpieczeństwem: TiM361S (z ewaluacją pola) oraz TiM781S (z ewaluacją pola i wyjściowymi danymi pomiarowymi), które spełniają wymagania normy PL_b i mogą być używane zarówno w zastosowaniach stacjonarnych, jak i mobilnych. Można je stosować do ochrony osobistej w monitorowaniu dostępu przy kobotach przemysłowych oraz platformach mobilnych, takich jak autonomiczne roboty mobilne (AMR) i autonomiczne pojazdy kierowane (AGV).

• Typ TIM361S-2134101, numer modelu 1090608 jest odpowiedni do użytku wewnątrz budynków, posiada zasięg wykrywania od 0,05 do 10m i jest wyposażony w technologię HDDM.
• Typ TIM781S-2174104, numer modelu 1096363 jest również odpowiedni do użytku wewnątrz budynków dzięki zakresowi wykrywania od 0,05 do 25m i technologii HDDM+.

Uproszczona integracja

Czujniki TiM 2D LiDAR zaprojektowano z myślą o uproszczeniu integracji. Dzięki stopniowi ochrony do IP67, do wnętrza obudowy nie ma dostępu ani pył, ani wilgoć. Są one odporne na silne światło z otoczenia o natężeniu do 80klx. Ich wytrzymała konstrukcja spełnia wymagania normy IEC 60068-2-6 w zakresie odporności na drgania oraz normy IEC 60068-2-27 w zakresie odporności na wstrząsy. Ich odporność można w razie potrzeby zwiększyć, stosując tłumiące mocowania płyt ochronnych.

Kompaktowa konstrukcja, niewielka waga i niski pobór mocy czujników TiM 2D LiDAR sprawiają, że są one dobrze przystosowane do platform mobilnych. Urządzenia typu TIM361S-2134101 i typu TIM781S-2174104 ważą zaledwie 250g, charakteryzują się typowym poborem mocy 4W i mają 60mm długości x 60mm szerokości x 86mm wysokości.

Kolejna warstwa to kontrolery bezpieczeństwa

Skanery laserowe LiDAR wykrywają zagrożenia i wysyłają ostrzeżenia, a modułowy kontroler bezpieczeństwa może stanowić dodatkową warstwę zabezpieczeń w systemie zabezpieczeń. Na przykład kontroler bezpieczeństwa Flexi Soft jest systemem modułowym, który można łączyć z różnymi czujnikami i elementami przełączającymi, w tym skanerami laserowymi. Posiada on poziom nienaruszalności bezpieczeństwa SIL3 według normy IEC 61508 oraz poziom parametrów działania PLe, a także wskaźnik niebezpiecznych awarii na godzinę PFH_d wynoszący 1,07 x 10^-9 według normy ISO 13849.

Podstawowy system składa się z co najmniej dwóch modułów (ilustracja 4):

1. CPU0, podobnie jak model 1043783, jest centralną jednostką logiczną, w której sygnały z czujników, takich jak czujniki LiDAR, są poddawane analizie i ewaluacji, co odciąża centralny kontroler maszyny od analizy bezpieczeństwa. Wyjście centralnej jednostki logicznej CPU0 łączy się z wyższym poziomem sterowania maszyną, takim jak np. programowany sterownik logiczny (PLC), w którym realizowane są funkcje bezpieczeństwa.
2. Podłączenie skanerów laserowych do systemu wymaga modułu rozszerzeń wejścia-wyjścia XTIO, takiego jak model 1044125. Dla każdych dwóch skanerów laserowych potrzebny jest jeden moduł rozszerzeń wejścia-wyjścia XTIO, ponieważ każdy skaner laserowy wykorzystuje trzy wejścia przełączające. Kontroler może obsługiwać maksymalnie 12 modułów wejścia-wyjścia.

Ilustracja 4: system kontrolera bezpieczeństwa Flexi Soft składa się z modułu procesora (1) i co najmniej jednego modułu wejścia-wyjścia (2). (Źródło ilustracji: SICK)

Co się stało?

Ważnym elementem systemu bezpieczeństwa może być zdolność do przeanalizowania i zrozumienia podstawowych przyczyn wszelkich usterek oraz udzielenie odpowiedzi na pytanie: „Co spowodowało wyzwolenie laserowego skanera bezpieczeństwa?” Kamera zdarzeń, EventCam firmy SICK, została zaprojektowana specjalnie do wykrywania i analizowania sporadycznych usterek w warunkach przemysłowych.

Autonomiczna kamera EventCam jest wyposażona w elementy optyczne, oświetleniowe, elektroniczne oraz pamięć i może być zintegrowana z systemami mobilnymi lub stacjonarnymi. Obudowa wykonana z odlewu aluminiowego ma stopień ochrony IP65 i może być montowana w różnych pozycjach. Kamerę EventCam można podłączyć do systemu automatyki, takiego jak np. kontroler bezpieczeństwa, lub bezpośrednio do czujnika.

Po zgłoszeniu błędu kamera EventCam zaczyna zapisywać pojedyncze klatki lub sekwencje wideo. Wewnętrzna pamięć pierścieniowa może przechowywać do 240 sekund przed zdarzeniem i do 100 sekund po zdarzeniu. W trybie wysokiej rozdzielczości (HD) może nagrywać do 25 sekund przed i 15 sekund po zdarzeniu. Liczba klatek na sekundę (fps) wideo waha się od 13 do 65, w zależności od wymaganej rozdzielczości.

Kamera EventCam może być również przydatna podczas przekazywania nowych maszyn lub procesów do użytkowania. Może monitorować nienadzorowane przebiegi próbne, takie jak ciągłe próby trwające kilka godzin lub kilka dni i szybko identyfikować źródła błędów. Do monitorowania jednego procesu można użyć wielu kamer EventCam, aby uzyskiwać informacje wizualne z kilku perspektyw jednocześnie, co pozwala na dogłębniejszą i dokładniejszą analizę błędów (ilustracja 5).

Ilustracja 5: synchronizacja wielu kamer EventCam pozwala na rejestrowanie pojedynczego zdarzenia z kilku perspektyw jednocześnie. (Źródło ilustracji: SICK)

Kamery EventCam są oferowane w dwóch wariantach. Model 1102028 ma zasięg roboczy od 0,4m do 0,6m i jest odpowiedni do użytku z nieruchomymi kobotami o stosunkowo małych przestrzeniach ochronnych. Model 1093139 ma zasięg roboczy od 0,8 do 6m i może obsługiwać większe przestrzenie ochronne spotykane w większych kobotach, autonomicznych robotach mobilnych (AMR) i autonomicznych pojazdach kierowanych (AGV).

Podsumowanie

Pierwszą linią obrony w systemach bezpieczeństwa kobotów, autonomicznych robotów mobilnych (AMR), autonomicznych pojazdów kierowanych (AGV) i tym podobnych maszyn mogą być czujniki 2D LiDAR, takie jak czujniki z grupy TiM firmy SICK. Zapewniają one szereg pól ochronnych do monitorowania obszaru pod kątem obecności ludzi. W analizie przekroczenia granicy bezpieczeństwa i poprawie parametrów działania systemu może pomóc dodanie kontrolera bezpieczeństwa. Identyfikację pierwotnej przyczyny sporadycznych wyzwoleń systemu można sobie ułatwić korzystając z jednej lub kilku kamer EventCam do monitorowania głównego czujnika 2D LiDAR.