Jak mohou bezpečnostní laserové skenery chránit osoby a stroje

Bezpečnostní laserové skenery mohou přispívat ke zvýšení bezpečnosti v průmyslových a logistických provozech. Mohou chránit osoby před nebezpečnými interakcemi se stroji, jakož i stroje před neúmyslným zásahem osob.

K maximalizaci účinnosti bezpečnostních laserových skenerů je potřeba několik faktorů. Prvním z nich je určit, zda je nejlepším řešením laserový skener, nebo zda se pro danou aplikaci může lépe hodit jiná technologie, například světelný závěs.

Jakmile je rozhodnuto, že skener je nejlepší volbou, je třeba učinit důležitá rozhodnutí, včetně následujících:

• Výběr optimálních bezpečnostních ochranných polí a jejich sad.
• Použití standardu, jako je norma 13855 Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) pro zajištění polohy s ohledem na přístup osob.
• Výběr správné hodnoty vícenásobného vzorkování.
• Výběr skeneru s optimální sadou funkcí.

Tento článek začíná přehledem faktorů, které ovlivňují, kdy zvolit skener a kdy světelný závěs. Následně uvede důležitá výběrová kritéria pro použití skenerů a představí reprezentativní bezpečnostní laserové skenery od společností IDEC, Omron, SICK a Banner Engineering.

Skener nebo závěs?

Jedna z prvních úvah zní: jaký fyzický prostor je chráněn? Skenery i světelné závěsy mohou chránit osoby před zraněním a stroje před nežádoucími zásahy. Ačkoliv se ochranné funkce skenerů a světelných závěsů do jisté míry překrývají, jsou obecně vhodné pro různé aplikace, jako například:

Ochrana místa provozu, což se týká aktivní oblasti stroje, kde je vykonávána práce. Pro takové aplikace jsou vhodné světelné závěsy, neboť je lze umístit na optimální místo a jejich rozlišení nastavit tak, aby detekovaly prsty, ruce nebo nohy a poskytovaly požadovanou úroveň ochrany. Skenery obvykle potřebují delší minimální vzdálenost od místa nebezpečí z důvodů delších časů jejich odezvy a obecně se k ochraně místa provozu nepoužívají.

Perimetrická ochrana, která hlídá stroj z více stran. Stejně jako ochrana místa provozu jsou i světelné závěsy vhodné k poskytování kompaktních řešení perimetrické ochrany. Pokud osoba překročí vymazený perimetr, může být vyslán signál k zastavení a stroj se zastaví. Ačkoli lze u perimetrické ochrany používat světelné závěsy i skenery, u této ochrany se častěji používají bezpečnostní světelné závěsy, zatímco skenery se častěji používají při ochraně oblasti.

Kontrola přístupu a ochrana oblasti, kterou lze implementovat pomocí světelného závěsu nebo skeneru v závislosti na konkrétních potřebách aplikace. Světelné závěsy jsou vhodné tam, kde je jediné přístupové místo. Například individuální monitorování a vyhodnocování každého paprsku světla umožňuje světelnému závěsu rozlišovat mezi „vysokou“ osobou a „krátkým“ nosičem materiálu, například paletou překračující práh, a podle toho upravit reakci.

Skenery lze nastavit tak, aby monitorovaly 275° oblast a vytvářely uživatelsky definovanou dvourozměrnou chráněnou zónu (obrázek 1). Na základě vzdálenosti mezi osobou a chráněným strojem mohou také definovat více ochranných zón a podle potřeby stroj zpomalit nebo zastavit.

Obrázek 1: bezpečnostní laserový skener, jako je tento, je schopen monitorovat oblast v rozsahu 275°, vytvořit dvourozměrnou chráněnou zónu a v případě vniknutí neočekávané osoby nebo předmětu to této oblasti (červené linie) spustit poplach. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Mobilní systémy jako autonomní mobilní roboti (AMR) a automaticky řízená vozidla (AGV), které mohou těžit z používání více skenerů. Tyto skenery mohou být napájeny z baterie a instalovány tak, aby spolupracovaly a současně monitorovaly desítky bezpečnostních zón kolem vozidla. Různé zóny lze aktivovat na základě rychlosti vozidla, polohy a předpokládaných změn směru. Data ze skenerů lze doplnit o kodéry na kolech a další senzorové vstupy na podporu navigace robotů AMR.

Jakou úroveň bezpečnosti?

Po definování fyzického prostoru, který má být chráněn, je dalším hlediskem potřebná úroveň bezpečnosti. Kromě toho, že mají různé aplikační výhody podporují světelné závěsy a bezpečnostní laserové skenery různé úrovně bezpečnosti definované celou řadou mezinárodních norem. Například norma ISO 13849-1 definuje spolehlivost bezpečnostních funkcí pomocí výkonových úrovní (PL) v rozsahu „a“ až „e“, přičemž PLe představuje nejvyšší úroveň.

Bezpečnostní laserové skenery splňují kritéria PLd a jsou vhodné pro použití v aplikacích, kde je bezpečnost hlavní prioritou. Klasifikace PLd je udělována systémům s pravděpodobností nebezpečné poruchy každých 1 až 10 milionů hodin (141 až 1141 let na základě nepřetržitého provozu). Světelné závěsy jsou k dispozici v širším rozsahu možností PLc až PLe.

Další důležitou normou je IEC 62061, Bezpečnost strojních zařízení: Funkční bezpečnost elektrických, elektronických a programovatelných elektronických řídicích systémů. Norma je založena na hodnocení a strategii snižování rizik pro bezpečnostní funkce, jako jsou světelné závěsy a bezpečnostní laserové skenery. Zahrnuje specifikace funkčních požadavků a požadavky na úroveň integrity bezpečnosti (SIL).

Příklady funkčních požadavků zahrnují frekvenci provozu, dobu odezvy, provozní režimy, pracovní cykly, pracovní prostředí, funkce reakce na poruchu apod. Výsledná úroveň integrity bezpečnosti (SIL) se měří pomocí stupnice v rozsahu 1 až 4 (obrázek 2).

Obrázek 2: bezpečnostní laserové skenery, které splňují kritéria norem PLd a SIL3, jsou vhodné pro použití v aplikacích, kde je důležitá bezpečnost. (Zdroj obrázku: SICK)

Norma ISO 13855 definuje způsob umístění skenerů s ohledem na přístup osob. Je-li například skener namontován ve výšce 300 mm, rozlišení 70 ¨mm je dostatečné pro detekci lidské nohy. Při nižších montážních výškách je doporučené minimální rozlišení 50 mm.

Technické parametry skeneru

Jakmile se potvrzeno, že bezpečnostní laserový skener splňuje požadavky aplikace a je schopen podporovat potřebnou úroveň bezpečnosti, je čas zohlednit technické parametry. Příklady důležitých parametrů skeneru:

Úhel skenování. K dispozici je několik úhlů skenování, například 190°, 270° a 275°. Úhel skenování a jeho struktura určují způsob montáže skeneru do systému, aby monitoroval potřebné oblasti.

Ochranné zóny. Bezpečnostní laserové skenery používají více ochranných zón, včetně primární ochranné zóny a jedné nebo více varovných zón. Některé mohou pomocí naskenovaných dat provádět automatickou konfiguraci pro ignorování stacionárních objektů ve varovných zónách (obrázek 3). V některých případech může bezpečnostní laserový skener postupně nebo současně snímat více zón. Například jeden skener může podporovat až 70 jedinečných sad bezpečnostních zón. U robotů AMR tato funkce umožňuje skeneru upravit skenované oblasti na základě okolí a rychlosti pohybu.

Obrázek 3: uvedení do provozu lze urychlit použitím skeneru, který využívá naskenovaná data pro automatickou konfiguraci s cílem identifikace stacionárních objektů ve varovných zónách. (Zdroj obrázku: IDEC)

Rozsah ochranného pole. Jedná se o maximální vzdálenost chráněné oblasti od skeneru. Typické hodnoty se pohybují od 3 do 10 m. Požadovaný rozsah ochranného pole závisí na místních předpisech a na době odezvy a rozlišení skeneru.

Rozlišení. Měří se v mm a určuje minimální velikost objektu, jakou je skener schopný přesně detekovat. Typické hodnoty se pohybují od 30 do 200 mm.

Doba odezvy. Tento parametr, který se také nazývá čas detekce, určuje rychlost, s jakou skener dokáže rozpoznat přiblížení objektu. Typické hodnoty se pohybují od 60 do 500 ms.

Vzorkování. Tento parametr udává, kolikrát musí být objekt po sobě naskenován, aby byl skenerem rozpoznán. Podle výchozích nastavení tento parametr obvykle dosahuje alespoň dvou skenovacích vzorků. U některých skenerů a za určitých okolností však může k rozpoznání objektu vyžadovat deset nebo více po sobě jdoucích vzorkování.

Dvojité ochranné zóny

Bezpečnostní laserové skenery mají různé vlastnosti a funkce vyhovující potřebám různých aplikací. Například bezpečnostní laserové skenery SE2L od společnosti IDEC zahrnují funkci master/slave a dvojité ochranné zóny. Funkce master/slave (nadřízený/podřízený) umožňuje jednomu skeneru komunikovat až se třemi dalšími skenery. Toto řešení může výrazně zjednodušit návrh systému a umožnit použití levnějšího ovladače, neboť bezpečnostní ovladač potřebuje komunikovat pouze s nadřízeným skenerem, který předává pokyny podřízeným skenerům. Model SE2L-H05LP lze instalovat pomocí kabelů o délce 2 až 20 m, což dále zvyšuje flexibilitu.

Tyto skenery používají skenovací cyklus o délce 30 ms a mohou zahrnovat 32 vzorů v oblasti skenování. Pomocí funkce dvou zón může jedna jednotka SE2L nezávisle skenovat dvě sousední zóny současně, což odstraňuje potřebu druhého skeneru a zjednodušuje návrh systému.

Bezpečnost při provozu na baterie díky nízké spotřebě

Důležitým aspektem může být prodloužení doby provozu vozidel AGV a robotů AMR. Tyto aplikace mohou s výhodou využívat kompaktní, bezpečnostní laserový skener (104,5 mm) OS32C-SP1-4M od společnosti Omron. Skener odebírá výkon max. 5 W (3,75 W v pohotovostním režimu) a má k dispozici 70 sad kombinací bezpečnostních a varovných zón, čímž se stává vhodným pro použití ve složitých prostředích (obrázek 4). Další vlastnosti zahrnují:

• Možnost nastavení minimálního rozlišení na 30, 40, 50 nebo 70 mm.
• Velikost bezpečnostní zóny se mění podle rozlišení:
  • 1,75 m (rozlišení 30 mm)
  • 2,5 m (rozlišení 40 mm)
  • 3,0 m (rozlišení 50 mm)
  • 4,0 m (rozlišení 70 mm)
• Poloměr varovné zóny až 15 m
• Nastavitelná doba odezvy 80 ms až 680 ms.
• Možnost nastavení času sepnutí zóny v rozsahu 20 ms až 320 ms

Obrázek 4: tento nízkoenergetický bezpečnostní laserový skener podporuje 70 sad kombinací bezpečnostních a varovných zón, čímž se stává vhodným pro autonomní mobilní roboty (AMR) pracující ve složitých nebo dynamických prostředích. (Zdroj obrázku: Omron)

Trojitá pole s volitelným vzorkováním a rozlišením

Bezpečnostní laserové skenery S300 Mini Standard od společnosti SICK používají volitelná rozlišení detekce a úrovně vzorkování. Například model S32B-2011BA podporuje rozlišení (velikosti minimálních detekovatelných objektů) 30, 40, 50 a 70 mm. Vícenásobné vzorkování a rozlišení lze individuálně definovat pro každé pole, včetně simultánních ochranných polí (obrázek 5). Tyto skenery podporují až 48 volně konfigurovatelných polí a 16 přepínatelných sad polí. Funkce trojitého pole umožňuje současné použití jednoho ochranného a dvou varovných polí.

Obrázek 5: bezpečnostní laserové skenery S300 Mini Standard jsou schopny implementovat více úrovní vzorkování a různá rozlišení pro každé snímací pole. (Zdroj obrázku: SICK)

Eliminace potřeby bezpečnostního programovatelného logického automatu (PLC)

Bezpečnostní laserové skenery SX5 od společnosti Banner Engineering používají integrovanou funkci potlačení schopnou monitorovat signály, reagovat na ně a automaticky pozastavit bezpečnostní funkci, aby umožnila průchod objektu bezpečnostní zónou bez generování příkazu k zastavení. Funkce potlačení umožňuje pozastavení celé bezpečnostní zóny (úplné potlačení) nebo jen její části (částečné dynamické potlačení).

Hlavní jednotka SX5, například model SX5-ME70, je schopná ovládat až tři vzdálené jednotky, například SX5-R; skener může také načítat vstupy inkrementálního kodéru a následně bezpečnostní zónu upravovat podle rychlosti vozidla. Tyto funkce mohou eliminovat potřebu dalšího řídicího hardwaru, jako je bezpečnostní programovatelný logický automat (PLC).

Závěr

Pokud jsou bezpečnostní laserové skenery správně specifikovány, nakonfigurovány a integrovány, jsou vhodné k ochraně osob a strojů v aplikacích, jako je kontrola přístupu, ochrana oblasti a v mobilních systémech, včetně vozidel AGV a robotů AMR. Skenery splňují požadavky norem PLd a SIL3 a jsou vhodné pro použití v aplikacích, kde je důležitým hlediskem bezpečnost. Tyto skenery jsou k dispozici s různými kombinacemi vlastností a funkcí, aby vyhovovaly široké škále aplikačních požadavků.