Zastosowanie kurtyn świetlnych do zwiększenia bezpieczeństwa i pomiaru obiektów

Kurtyny świetlne to wszechstronna technologia. Choć często kojarzone z zastosowaniami związanymi z bezpieczeństwem, mają szerokie zastosowanie, na przykład jako zabezpieczenia maszyn i tworzenie stref chronionych; transport bliski materiałów, gdzie wykrywają obecność obiektów lub mierzą wielkości przechodzących przedmiotów, zapewnienie właściwego pozycjonowania lub wyrównania obiektów w zastosowaniach związanych z pakowaniem i sortowaniem oraz wykrywanie włamań i kontrola dostępu do obszarów o ograniczonym dostępie.

Aby zapoznać się z porównaniem kurtyn świetlnych i laserowych skanerów bezpieczeństwa oraz przeglądem zastosowań skanerów, należy odnieść się do części 1 tej serii pt. „W jaki sposób laserowe skanery bezpieczeństwa mogą chronić ludzi i maszyny”.

Ten artykuł zaczyna się od omówienia istotnych specyfikacji kurtyn świetlnych oraz standardów działania, przedstawia przykłady zastosowania kurtyn świetlnych w systemach bezpieczeństwa i kontroli dostępu, a także opisuje działanie pomiarowych kurtyn świetlnych. Przedstawia również przykładowe kurtyny świetlne firm Panasonic, IDEC, Omron i Banner Engineering.

Standardy i typy kurtyn świetlnych bezpieczeństwa

Cztery rodzaje parametrów działania bezpieczeństwa zostały zdefiniowane w dokumencie Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) 61496, „Bezpieczeństwo maszyn - Elektroczułe urządzenia ochronne (ESPE)”. Mają do nich zastosowanie typy 2, 3 i 4. Typ 1 nie odnosi się do kurtyn świetlnych bezpieczeństwa.

Norma IEC 61496 dodaje kolejną warstwę wymagań do definicji poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) podanej w normie IEC 61508 i normie Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej (ISO) 13849, która określa poziomy parametrów działania (PL).

Poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) są uszeregowane od 1 do 3, przy czym SIL 3 jest poziomem najwyższym, natomiast poziomy PL są uszeregowane od „a” do „e”, przy czym PLe jest najbardziej wymagający. Zgodnie z klasyfikacją zawartą w normie IEC 61496, kurtyny świetlne zazwyczaj zaliczają się do urządzeń typu 2 i 4, choć niektóre z nich zaliczają się do urządzeń typu 3. Laserowe skanery bezpieczeństwa spełniają wymagania typu 3. Poniżej podano niektóre czynniki ważne dla klasyfikacji typu.

Urządzenia typu 2 muszą spełniać poziom nienaruszalności bezpieczeństwa SIL 1 i poziom PLc. Są one przeznaczone do zastosowań o niższym ryzyku, w których usterki mogą skutkować urazami, takimi jak uderzenia lub stłuczenia, przewrócenia, drobne skaleczenia i otarcia lub uwięzienie, ale nie zmiażdżenie. Norma IEC 61496 wymaga, aby urządzenie przeprowadzało autotest podczas uruchamiania i regularnie w trakcie pracy. W urządzeniach tych brak jest redundantnych obwodów automatycznej samokontroli występujących w kurtynach świetlnych typu 4. Efektywny kąt przysłony (EAA) definiujący pole widzenia nie może przekraczać ±5 stopni. Może to prowadzić do wystąpienia interferencji światła i błędów.

Urządzenia ESPE typu 3, takie jak laserowe skanery bezpieczeństwa i niektóre kurtyny świetlne, muszą spełniać wymagania poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL 2 i PLd) i są „zaprojektowane tak, aby nie stwarzać zagrożenia w wyniku pojedynczej usterki, ale mogą stwarzać zagrożenie w wyniku kumulacji usterek”. Urządzeniom tym stawia się również bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) niż urządzeniom typu 2. Urządzenia typu 3 są odpowiednie do zastosowań, w których bezpieczeństwo ma istotne znaczenie.

Kurtyny świetlne typu 4 są przeznaczone do zastosowań, gdzie bezpieczeństwo ma znaczenie główne. Muszą one spełniać najwyższe standardy, poziom PLe i poziom nienaruszalności bezpieczeństwa SIL 3. Są one zaprojektowane „tak, aby nie stwarzać zagrożenia z powodu pojedynczej usterki lub nagromadzenia usterek”. Mają one mniejszy kąt EAA wynoszący ±2,5 stopnia, dzięki czemu są mniej podatne na interferencję światła i łatwiej rozpoznają obiekty. Muszą one spełniać najsurowsze wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).

Kurtyny świetlne typu 2 są nawet o 30% tańsze niż kurtyny typu 4, ze względu na tańsze elementy optyczne i prostsze obwody wykrywania usterek. Kurtyny świetlne typu 4 są dostępne w szerszym zakresie rozdzielczości, na przykład 14mm dla identyfikacji palców, 30mm dla rąk, 50mm dla nóg i 90mm dla obecności ciała. Z kolei kurtyny świetlne typu 2 są zazwyczaj ograniczone do wyższych rozdzielczości (ilustracja 1).

Ilustracja 1: kurtyny świetlne typu 4 są zazwyczaj dostępne z niższymi minimalnymi rozdzielczościami niż urządzenia typu 2. (Źródło ilustracji: IDEC)

Oprócz wykrywania obiektów o różnych rozmiarach, wiązki w kurtynie świetlnej mogą być indywidualnie sterowane w celu zapewnienia bardziej zaawansowanych funkcji, takich jak wyciszanie, maskowanie oraz pomiar rozmiaru i liczby obiektów.

Wyciszanie i maskowanie kurtyn świetlnych

Wyciszanie i maskowanie kurtyny świetlnej oznacza wyłączanie całości lub części kurtyny świetlnej w określonych sytuacjach. Wyciszanie to automatyczny proces, który tymczasowo zawiesza całość lub część ochrony kurtyny świetlnej, zazwyczaj w trakcie fazy cyklu pracy maszyny, która nie stwarza zagrożenia. Pozwala to na wprowadzenie materiałów do obszaru roboczego bez zatrzymywania czynności stwarzających zagrożenie. Gdy materiał znajdzie się w obszarze roboczym, kurtyna świetlna ponownie aktywuje pełną funkcję ochronną.

Typowe zastosowania wyciszania obejmują:

• Umożliwienie wejścia i wyjścia palet na maszynie do paletyzacji pomiędzy operacjami
• Zapewnienie transportu materiałów między strefami w zautomatyzowanym procesie produkcyjnym, z jednoczesnym zapewnieniem bezpieczeństwa pracowników podczas pracy maszyn

Ilustracja 2: wyciszanie kurtyny świetlnej przepuszcza obiekty o określonych rozmiarach bez przerywania pracy maszyny (po lewej), ale wykrywa inne obiekty, takie jak dłoń lub palce (po prawej) i zatrzymuje maszynę. (Źródło ilustracji: Panasonic)

Maskowanie polega na wyłączeniu części kurtyny świetlnej bez zatrzymywania chronionej maszyny. Może ono również umożliwić ludziom ograniczony dostęp do danego obszaru w bezpiecznym okresie. Typowe zastosowania maskowania obejmują:

• Sięganie do środka w celu załadowania lub rozładowania zrobotyzowanej stacji roboczej w bezpiecznym czasie
• Dostęp do hydraulicznej prasy wykrawającej podczas cyklu podnoszenia

Kurtyna świetlna typu 2

Seria kurtyn świetlnych typu 2 SG2 firmy IDEC jest dostępna w modelach wykrywających ręce i obecność. Na przykład model SG2-90-030-OO-X jest przeznaczony do wykrywania obecności z wysokością kontrolną 300mm i rozdzielczością 90mm. Zawiera on funkcję testowania i ponownego uruchamiania oraz zintegrowany system wyrównywania, który ułatwia wdrażanie. Obrotowe wsporniki mocujące dodatkowo przyspieszają instalację oraz łatwe wyrównanie jednostek emitujących i odbierających, nawet w zastosowaniach wykorzystujących lustra lub działających na odległości do 19m.

Wyciszanie i maskowanie w trudnych warunkach środowiskowych

W zastosowaniach kurtyn bezpieczeństwa w magazynach chłodniczych o temperaturach do -30°C, w takich procesach obróbki metali jak prasy do tłoczenia, które potrzebują ochrony przed wnikaniem oleju IP67G, oraz innych operacjach w trudnych, zakurzonych i zanieczyszczonych środowiskach, jak produkcja samochodów i narzędzia obróbkowe, można wykorzystać serię F3SG-SR firmy Omron. Te kurtyny świetlne typu 4 posiadają funkcje wyciszania oraz stałego i pływającego maskowania.

Kurtyny świetlne F3SG-SR mają wysokość ochrony od 160mm do 2480mm. Gdy wymagane jest wykrywanie dłoni lub innych obiektów o średnicy 25mm, projektanci systemów bezpieczeństwa mogą skorzystać z systemu F3SG-4SRA0280-25-F, który obsługuje elastyczne długości skokowo co 40mm do 1000mm przy użyciu 27 wiązek o wysokości ochronnej 280mm (ilustracja 3).

Ilustracja 3: kurtyna świetlna obsługuje długości z możliwością elastycznego skokowo zwiększania co 40mm przy wysokości ochronnej 280mm. (Źródło ilustracji: Omron)

Odporność na skręcanie, wypaczanie i uderzenia

Gdy kurtyna świetlna jest używana w miejscach, gdzie może być narażona na uderzenia i skręcanie, projektanci systemów mogą skorzystać z kurtyn świetlnych typu 4 z serii SF4D firmy Panasonic. Model SF4D-H32-0 o długości 630mm ma stopień ochrony IP67, rozdzielczość 25mm zapewniającą ochronę rąk oraz zintegrowane funkcje maskowania i wyciszania.

Kluczem do wytrzymałości tych kurtyn świetlnych jest zaprojektowana na nowo jednostka wewnętrzna, która umożliwiła zoptymalizowanie obudowy pod kątem odporności i sztywności. Jednostka wewnętrzna zajmuje mniej niż 40% objętości poprzednich modeli, umożliwiając znaczne zwiększenie grubości obudowy (ilustracja 4). Pomimo tego, że jednostka wewnętrzna jest mniejsza, wyjściowa moc optyczna została zwiększona, a czas odpowiedzi WYŁĄCZENIA wyjść sterujących wynosi 10ms lub mniej, bądź 18ms lub mniej przy połączeniu szeregowym lub równoległym.

Ilustracja 4: bardziej kompaktowa jednostka wewnętrzna i wyższa moc optyczna, która umożliwia jednocześnie zastosowanie znacznie grubszej obudowy. (Źródło ilustracji: Panasonic)

Pomiar za pomocą kurtyn świetlnych

Kurtyny świetlne przeznaczone do pomiaru obiektów zazwyczaj oferują trzy tryby działania: skanowanie proste, skanowanie jednokrawędziowe i skanowanie dwukrawędziowe. Kluczowe specyfikacje obejmują minimalny rozmiar wykrywanych obiektów (MODS) i rozdzielczość krawędziową (ER).

Skanowanie proste jest zwykle trybem domyślnym, a wiązki są kolejno skanowane od końca wyświetlacza do przeciwległego końca układu. Pomiar jest określany po napotkaniu pierwszej odblokowanej wiązki. Typowe czułości dla skanowania prostego przy użyciu trybu niskiego kontrastu to minimalny rozmiar wykrywanych obiektów (MODS) 5mm i rozdzielczość krawędziowa (ER) 5mm. Jeśli używany jest tryb skanera o wysokim wzmocnieniu, MODS wynosi 10mm, a ER wynosi 5mm. Skanowanie jedno- i dwukrawędziowe może zapewnić MODS na poziomie 10mm i ER na poziomie 2,5mm.

Skanowanie jednokrawędziowe rozpoczyna się od zablokowania pierwszej (najniższej) wiązki, co wskazuje na obecność obiektu. Następnie kurtyna sprawdza środkową wiązkę. Skaner bada wiązkę w dolnej ćwiartce, aby sprawdzić, czy środkowa wiązka jest odblokowana. Skaner bada wiązkę w górnej ćwiartce, aby sprawdzić, czy środkowa wiązka jest zablokowana.

Po ustaleniu, czy wiązka w górnej lub dolnej ćwiartce jest zablokowana lub odblokowana, dzielenie liczby wiązek na pół jest kontynuowane aż do znalezienia górnej krawędzi obiektu.

W okolicznościach, w których pierwsza wiązka nie jest zablokowana, można zastosować metodę dwukrawędziową i rozpocząć od wyboru rozmiaru kroku, zwykle 1, 2, 4, 8, 16 lub 32, w zależności od zastosowania. Proces rozpoczyna się od aktywacji wiązki 1 kurtyny. Jeśli ta wiązka jest zablokowana, została zidentyfikowana pierwsza krawędź. Jeśli nie jest zablokowana, kurtyna aktywuje kolejną wiązkę zgodnie z określonym rozmiarem kroku. Na przykład, jeśli wielkość kroku wynosi 4, aktywowana jest wiązka 5.

Jeśli aktywowana wiązka jest odblokowana, kurtyna kontynuuje proces krokowy aż do znalezienia zablokowanej wiązki. W tym momencie przeprowadzane jest wyszukiwanie binarne wstecz w kierunku początku, aby zlokalizować pierwszą zablokowaną wiązkę i odpowiadającą jej krawędź. Proces jest powtarzany, tym razem przy użyciu zidentyfikowanej krawędzi jako punktu odniesienia i procesu krokowego w celu zidentyfikowania niezablokowanej wiązki. Następnie wykonywane jest cofanie się w celu znalezienia wiązki o najwyższym numerze, która jest zablokowana. W ten sposób ustalana jest druga krawędź.

Ilustracja 5: przykład sekwencji wiązek podczas skanowania dwukrawędziowego. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Kurtyny świetlne do pomiarów

Pomiarowe kurtyny świetlne A-GAGE EZ-ARRAY firmy Banner Engineering są przeznaczone do zastosowań takich jak wymiarowanie i profilowanie produktów w czasie rzeczywistym, prowadzenie krawędziowe i środkowe, wykrywanie otworów, zliczanie części i tak dalej. Nadajniki i odbiorniki mają długość od 150 do 2400mm (od 5,9 do 94,5 cala) (ilustracja 6). Na przykład model EA5E600Q ma 600mm (23,6 cala) długości i 120 wiązek. Omawiane kurtyny świetlne wspomagają precyzyjne i szybkie systemy monitorowania oraz kontroli procesów, profilowania i prowadzenia wstęgi. Cechy dodatkowe:

• Liczne opcje skanowania:
  • 16 trybów analizy skanowania (pomiaru)
  • Trzy metody skanowania
  • Selektywne maskowanie wiązki
• Sześciopozycyjny przełącznik DIP do ustawiania trybu skanowania, trybu pomiaru, nachylenia analogowego i ustawienia dyskretnego dla pomiaru komplementarnego lub aktywacji alarmu.

Ilustracja 6: grupa pomiarowych kurtyn świetlnych A-GAGE EZ-ARRAY jest dostępna w długościach od 150mm do 2400mm. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Podsumowanie

Kurtyny świetlne mają znacznie większe możliwości niż tylko uniemożliwianie dostępu do niebezpiecznych i wrażliwych obszarów, chroniąc zarówno ludzi, jak i maszyny. Mogą one zarządzać kontrolą dostępu, wykorzystując funkcje maskowania i wyciszania, aby zwiększyć wydajność. Kurtyny świetlne mogą również wspierać bezdotykowe techniki pomiarowe, które szybko i sprawnie mierzą obiekty w wielu wymiarach.