Jak mohou miniaturní bezpečnostní laserové skenery maximalizovat ochranu a produktivitu

Rostoucí složitost automatizace továrních a logistických provozů s koncepcí Industry 4.0 vyžaduje nové přístupy k návrhu systémů, které současně maximalizují bezpečnost a produktivitu.

Flexibilní charakter provozů s koncepcí Industry 4.0 znamená, že umístění a rozsah nebezpečných operací se může příležitostně měnit a bezpečnostní systémy se tak musejí rychle přizpůsobovat. Vzniká potřeba rekonfigurovatelného, programovatelného a flexibilního bezpečnostního systému.

Velkým přínosem může být schopnost zřízení varovných zón, které včas upozorní pracovníky blížící se k nebezpečné oblasti dříve, než přistoupí příliš blízko. Tyto zóny zabraňují tomu, aby pracovníci náhodně vstupovali do nebezpečného prostoru a spouštěli tak bezpečnostní zařízení vypínající stroj. Takové řešení zvyšuje dobu provozuschopnosti a produktivitu.

Tento článek začíná stručným přehledem mezinárodních norem o bezpečnostních rohožích a laserových skenerech, poté přechází ke srovnání aplikačních kritérií bezpečnostních rohoží a laserových skenerů a zabývá se faktory, jako jsou kontaktní provoz oproti bezkontaktnímu provozu, ochrana výstražného pole a nastavitelnost.

Na závěr článek uvádí příklady miniaturních bezpečnostních laserových skenerů od společnosti SICK, posuzuje jejich vyhovění požadavkům několika aplikací společně s možnostmi instalace a konfigurace a popisuje způsob snadné výměny skenerů v případě jejich poškození.

Klíčové bezpečnostní normy zahrnují (IEC) 61508, „Funkční bezpečnost elektrických/elektronických/programovatelných elektronických bezpečnostních systémů (E/E/PE nebo E/E/PES)“ od Mezinárodní elektrotechnická komise, (ISO) 13849, „Bezpečnost strojních zařízení - Bezpečnostní části ovládacích systémů“ od Mezinárodní organizace pro normalizaci, a IEC 61496, „Bezpečnost strojních zařízení - Elektrocitlivé ochranné prostředky.“

Bezpečnostní rohože a bezpečnostní laserové skenery splňují různé části těchto norem. Například norma IEC 61508 definuje řadu úrovní integrity bezpečnosti (SIL). Bezpečnostní laserové skenery splňují požadavky úrovně SIL 2. Stejně tak některé, ale nikoli všechny, bezpečnostní rohože. Některé bezpečnostní rohože splňují pouze požadavky úrovně SIL 1, která je o řád méně přísná než úroveň SIL 2.

Bezpečnostní zařízení úrovně SIL 1 jsou určena pro použití v aplikacích s nízkým rizikem, kde následky selhání nejsou vážné, například základní ochrana stroje, nekritické procesy a jednoduché alarmy. Bezpečnostní zařízení úrovně SIL 2 jsou navržena tak, aby omezovala rizika, která by mohla vést k vážným zraněním nebo významným škodám na životním prostředí, nikoli však ke katastrofickým událostem.

Norma ISO 13849 definuje úrovně výkonu (PL) pomocí podobných koncepcí jako norma SIL. Bezpečnostní rohože obvykle splňují požadavky na certifikaci úrovně PLc, zatímco bezpečnostní laserové skenery musí vyhovovat přísnější certifikaci PLd. Některé instalace bezpečnostních rohoží mohou také splňovat požadavky na úroveň výkonu PLd.

Aby bezpečnostní laserový skener mohl být certifikován, musí splňovat úrovně SIL 2, PLd a IEC 61496-3, které se konkrétně vztahují na aktivní optoelektronická ochranná zařízení reagující na difúzní odrazy (AOPDDR nebo laserové skenery). Ačkoli jsou dopady různých bezpečnostních certifikací na bezpečnostní rohože a laserové skenery důležité, při maximalizaci ochrany a produktivity jsou pouhým začátkem.

Další kritéria

Správně specifikované bezpečnostní rohože a laserové skenery mohou splňovat bezpečnostní požadavky jak norem IEC, tak i ISO. Tím však problematika nekončí; v aplikacích automatizace továrních a logistických provozů s koncepcí Industry 4.0 je třeba zohlednit více aspektů.

Bezpečnostní rohož je maticí mechanických spínačů. Pokud se na rohoži ocitne zátěž, jako je člověk, dojde k sepnutí jednoho nebo více spínačů s odesláním signálu do ovladače rohože, který zastaví provoz chráněného systému.

Mechanická povaha bezpečnostních rohoží může být důvodem k obavám. Za prvé správná funkce rohože vyžaduje existenci přímého kontaktu s osobou, která po ní přechází. Za druhé, rohože jsou vystaveny opotřebení a (někdy doslova) roztržení. Osoby mohou na rohož upustit těžké a/nebo ostré nástroje a tím ji poškodit (obrázek 1). Rohož může také poškodit přejíždějící vysokozdvižný vozík. Funkci rohože mohou narušit také faktory prostředí, jako je únik korozivních materiálů.

Obrázek 1: aktivace bezpečnostní rohože vyžaduje fyzický kontakt a její funkce může být narušena nehodami a nepříznivými faktory prostředí. (Zdroj obrázku: SICK)

Nastavitelnost

Bezpečnostní rohože jsou ze své podstaty pevné instalace a nejsou nastavitelné. Existují různé velikosti a konfigurace rohoží podle specifických požadavků na instalaci. Tato situace může přinášet problémy v továrních a logistických provozech s koncepcí Industry 4.0, které při změně požadavků na procesy podléhají rekonfiguraci.

Provádění změn v systémech založených na bezpečnostních rohožích může vyžadovat pořízení nové rohože, což prodlužuje dobu potřebnou k uvedení přechodu do provozu. To může negativně ovlivnit dostupnost stroje a celkovou produktivitu.

Jedním ze způsobů minimalizace takového dopadu je mít po ruce různé velikosti náhradních bezpečnostních rohoží. Přechod a výměna poškozených rohoží se tak může urychlit. Tento postup je však velmi nákladný. Vzhledem k tomu, že nikoli všechny rohože jsou kompatibilní se všemi ovladači, může tento postup také vyžadovat mít připravenou celou řadu různých ovladačů bezpečnostních rohoží.

Tyto problémy lze vyřešit použitím bezpečnostních laserových skenerů. Bezpečnostní laserové skenery nejsou založeny na mechanických spínačích, ale jedná se o elektronická zařízení, která lze upravit s ohledem na různé potřeby aplikací.

Bezpečnostní laserové skenery jsou bezkontaktní technologií, která využívá infračervený (IR) laser ke dvourozměrnému snímání okolí. Tyto skenery vydávají krátké impulsy IR záření. Pokud světelný impuls zasáhne předmět, odrazí se zpět do skeneru. Vzdálenost od objektu lze určit s vysokou mírou přesnosti na základě časového intervalu mezi okamžikem vyslání impulzu a návratem odraženého světla.

Schopnost stanovení vzdálenosti překážek umožňuje bezpečnostním laserovým skenerům vytvořit řadu varovných a ochranných polí na základě blízkosti objektu. Některé bezpečnostní laserové skenery mohou používat i desítky definovaných polí. Tato schopnost může být užitečná pro aplikace, jako je navigace pro autonomní mobilní roboty.

Bezpečnostní laserové skenery S300 Mini Standard od společnosti SICK jsou optimalizovány pro bezpečnostní aplikace, které vyžadují současnou aktivací tří polí - jednoho ochranného a dvou výstražných polí. Díky kompaktním rozměrem 102 x 116 x 105 mm (Š x Vx H) se tyto skenery stávají vhodnými pro aplikace, jako jsou robotické pracovní buňky a automaticky řízená vozidla (AGV) (obrázek 2).

Obrázek 2: porovnání velikostí bezpečnostního laserového skeneru S30 Mini Standard a plechovky s nápojem. (Zdroj obrázku: SICK)

Skenery S300 Mini Standard používají snímací úhel í 270° pokrývající širokou oblast a volitelné rozlišení pro detekci ruky, nohy nebo těla. Tyto skenery podporují dosah varovného pole až 8 m a jsou k dispozici se třemi maximálními rozsahy ochranného pole:

• Jeden metr, model 1058000
• Dva metry, model 1050932
• Tři metry, model 1056430

Dynamická prostředí

Dynamická prostředí, kde se mění uspořádání či provozní podmínky, nebo kde se pohybují vozidla AVG, mohou využívat výhod konfigurovatelných bezpečnostních laserových skenerů. Detekční zóny lze upravit podle potřeby tak, aby vyhovovaly měnícím se potřebám ochrany.

Nastavení více varovných polí může být praktické zejména pro zabránění nadměrnému přiblížení osob a vypnutí stroje. Výstražná signalizační zařízení mohou obsahovat jednoduché blikající světlo při narušení prvního výstražného pole a výstražnou sirénu nebo klakson při vstupu do druhého výstražného pole. Pro výpočet velikosti ochranných polí existují konkrétní pravidla.

Výpočty bezpečné vzdálenosti

Norma ISO 13855, „Bezpečnost strojních zařízení - Umístění ochranných prvků s ohledem na přiblížení lidského těla, obsahuje pokyny pro výpočet minimální bezpečné vzdálenosti potřebné k zastavení stroje, pokud se k němu přiblíží osoba. Norma ISO 13855 se vztahuje na několik typů bezpečnostních zařízení, včetně bezpečnostních laserových skenerů, bezpečnostních světelných závěsů, zařízení citlivých na tlak, bezpečnostních rohoží a podlah a dalších.

Může být praktická při výpočtu velikosti bezpečnostních polí pro bezpečnostní laserové skenery (obrázek 3). Běžný vzorec pro výpočet bezpečné vzdálenosti S zní S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, kde:

• K = rychlost přiblížení (1600 mm/s, definovaná v normě ISO 13855)
• TM = doba zastavení stroje nebo systému
• TS = doba odezvy bezpečnostního laserového skeneru a následného ovladače
• ZG = obecný přídavek = 100 mm
• ZR = přídavek zohledňující chyby měření vlivem odrazu
• CRO = přídavek na zabránění dosažení

Obrázek 3: s využitím směrnice ISO 13855 lze provádět výpočty velikostí bezpečnostních polí (červená) pro bezpečnostní laserové skenery, jako je S300 Mini Standard. (Zdroj obrázku: SICK)

Automaticky řízená vozidla

Automaticky řízená vozidla (AGV) v továrnách, skladech a distribučních centrech s koncepcí Industry 4.0 přemísťují jednotlivé předměty rychle, efektivně a bez lidského zásahu. U některých vozidel AGV se k detekci překážek používají spínací lišty nebo nárazníky. Toto řešení může omezit rychlost jízdy vozidla AGV, přičemž pásy nebo nárazníky mohou být fyzicky poškozeny, což vyžaduje výměnu vozidla AGV a jeho vyřazení na určitou dobu z provozu.

Pro zachování bezpečnosti, flexibility a maximální dostupnosti mohou vozidla AGV spínací lišty a nárazníky jako primární bezpečnostní zařízení nahradit laserovým bezpečnostním skenerem na detekci překážek a bezpečné zastavení. Malá velikost skeneru S300 Mini usnadňuje jeho integraci i do nejmenších vozidel AGV (obrázek 4).

Obrázek 4: bezpečnostní laserové skenery S300 Mini Standard lze díky jejích kompaktní velikosti montovat na malá vozidla AGV. (Zdroj obrázku: SICK)

Použití dvou bezpečnostních laserových skenerů může poskytnout rozšířenou chráněnou oblast. Pokud jsou skenery namontovány v předních rozích vozidla AGV, chráněná oblast zahrnuje také přední část a obě boční strany vozidla. Předpokládejme, že skenery jsou namontovány diagonálně proti sobě na přední a zadní části vozidla. V takovém případě bude chráněný prostor obklopovat vozidlo AGV ze všech stran, což umožní jeho bezpečný pohyb v obou směrech.

Konfigurace, instalace a údržba

K definování ochranných a varovných polí pomocí stolního počítače nebo notebooku lze použít konfigurační a diagnostický software (CDS) od společnosti SICK. Software obsahuje intuitivní rozhraní pro návrh a implementaci aplikací. Software také vypočítává a ukládá všechna konfigurační a diagnostická data pro rychlé uvedení do vozidla provozu a/nebo efektivní odstraňování problémů. Konfigurace a diagnostika mohou být implementovány během uvádění do provozu nebo údržby.

Společnost SICK také nabízí výběr montážních souprav na fyzické připevnění bezpečnostních laserových skenerů S300 Mini. Souprava 1a, model 2034324, je základní montážní držák bez ochranného krytu optiky, přičemž souprava 1b, model 2034325, obsahuje ochranu optiky (obrázek 5). Dále je možné přidat doplňkové montážní držáky, včetně soupravy 2, model 2039302, a soupravy 3, model 2039303, které umožňují vyrovnání skenerů ve dvou rovinách. Maximální úhel nastavení je ±11° v obou rovinách.

Obrázek 5: montážní souprava 1b obsahuje ochranný kryt optiky. (Zdroj obrázku: SICK)

Montážní soupravy také podporují rychlou výměnu poškozených hlav skeneru. Náhradní hlava skeneru se připojuje k systémové zástrčce, která je trvale namontována na stroji. Náhradní hlava ihned stáhne konfigurační data ze systémové zástrčky a převezme naprogramované bezpečnostní úlohy, aniž by bylo nutné konfigurační data přeprogramovat nebo ručně stahovat. Jedná se o proces plug-and-play, který minimalizuje prostoje stroje.

Shrnutí

Bezpečnostní laserové skenery S300 Mini Standard představují robustní alternativu k bezpečnostním rohožím v továrnách, skladech a distribučních centrech s koncepcí Industry 4.0, kde současně maximalizují bezpečnost a produktivitu. Skenery splňují bezpečnostní normy IEC 61508, ISO 13849 a IEC 61496 a jsou vhodné pro pevné instalace a mobilní platformy, jako jsou vozidla AGV. A nakonec platí, že bezpečnostní laserové skenery S300 Mini Standard podporují flexibilní a rychlou konfiguraci, instalaci a údržbu.