Jak vybrat a integrovat vícerozměrné bezpečnostní systémy k ochraně pracovníků před coboty

Bezpečnost má zásadní význam při nasazování kolaborativních robotů (cobotů), autonomních mobilních robotů (AMR) a autonomně řízených vozidel (AGV) v továrnách a logistických provozech. Je též složitá a vícerozměrová.

Pohyby stroje je nutné monitorovat a řídit podle zásad Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) 13849, Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) 62061 a normy IEC 61800-5-2, které poskytují bezpečnostní požadavky a pokyny k zásadám pro návrh a integraci bezpečnostních části řídicích systémů (SRP/CS).

Zajištění bezpečného provozu cobotů, robotů AMR, vozidel AGV a podobných zařízení často vyžaduje vytvoření vrstvené bezpečnostní obálky s více poli od počáteční detekce a varování před blížícími se objekty až po identifikaci, kdy předmět naruší nebezpečnou zónu a zastaví stroj.

Modulární bezpečnostní řídicí systém může přidat další vrstvu analýzy a ochrany. Účinná a rychlá analýza chyb může být důležitým faktorem při řešení přerušení ochranného pole a neočekávaného vypnutí skeneru. Taková situace může vyžadovat druhý senzor na monitorování ochranného pole primárního senzoru.

Tento článek začíná krátkým zopakováním požadavků norem ISO 13849, IEC 62061 a IEC 61800-5-2 a přehledem základů bezpečnostních laserových skenerů s dvourozměrnou (2D) světelnou detekcí a měřením vzdálenosti (LiDAR). Poté poskytuje hlubší náhled do způsobu implementace vrstvených bezpečnostních obálek na ochranu osob před coboty, roboty AMR, vozidly AGV a podobnými zařízeními.

Zabývá se též přehledem využití a integrace 2D senzorů LiDAR a pohledem na výhody spojení těchto senzorů s modulárním programovatelným bezpečnostním ovladačem, které poskytuje další rozměr bezpečnosti, jakož i využitím kamery událostí umožňující chybovou analýzu neočekávaných přerušení ochranných polí. Jsou zde zahrnuta také ukázková zařízení od společnosti SICK.

IEC 61508 je základní norma pro „Funkční bezpečnost elektrických/elektronických/programovatelných elektronických bezpečnostních systémů (E/E/PE nebo E/E/PES)“ a vztahuje se na všechna průmyslová odvětví. Kromě toho existují průmyslové a aplikační podsekce a varianty.

Norma IEC 62061, „Bezpečnost strojních zařízení: Funkční bezpečnost elektrických, elektronických a programovatelných elektronických řídicích systémů“, je variantou normy IEC 61508 specifickou pro strojní zařízení. Norma IEC 61800-5-2, „Systémy elektrických výkonových pohonů s nastavitelnou rychlostí - Část 5-2: Bezpečnostní požadavky - Funkce“, která souvisí také s normou IEC 61508, je standardem pro návrh a vývoj pohonů s nastavitelnou rychlostí.

Norma ISO 13849 byla vyvinuta nezávisle a není odvozena od normy IEC 61508. Obě normy se zabývají funkční bezpečností. Norma IEC 61800-5-2 definuje bezpečnostní požadavky pomocí úrovní integrity bezpečnosti (SIL), zatímco norma ISO 13849 definuje požadovanou úroveň výkonu (PL_r).

Normy ISO 13849 a IEC 61508 jsou založeny na koncepci pravděpodobnosti vzniku nebezpečné poruchy za hodinu (PFH_d). Analýza funkční bezpečnosti podle normy ISO 13849 bere v úvahu tři faktory: závažnost možného zranění, četnost nebo vystavení nebezpečí a potenciál omezení nebezpečí a zabránění poškození (obrázek 1):

• Závažnost zranění
  • S1: Lehké (normálně vratné zranění)
  • S2: Vážné (normálně nevratné zranění nebo smrt)
• Frekvence a/nebo vystavení nebezpečí
  • F1: Zřídka až méně často a/nebo doba vystavení je krátká
  • F2: Časté až nepřetržité a/nebo doba vystavení je dlouhá
• Možnost vyhnout se nebezpečí nebo omezit újmu
  • P1: Možné za určitých podmínek
  • P2: Takřka nemožné

Obrázek 1: odvození úrovní PL_r podle normy ISO 13849 a odpovídající úrovně SIL podle normy IEC 62061. Obě normy jsou založeny na konceptu pravděpodobnosti vzniku nebezpečné poruchy za hodinu (PFH_d). (Zdroj obrázku: SICK)

Jak funguje skenování LiDAR?

Použití 2D bezpečnostních senzorů LiDAR v aplikacích osobní ochrany vyžaduje certifikaci na úroveň PL_b podle normy ISO 13849. Senzory skupiny TiM 2D LiDAR zahrnují modely, které tento požadavek splňují. 2D senzory LiDAR snímají své okolí pomocí optické technologie doby letu (ToF). Doba letu (ToF) je realizována vysíláním laserových pulzů pomocí rotujícího zrcadla a detekce odraženého světla. Čím déle trvá návrat odraženého světlo zpět do senzoru, tím je objekt vzdálenější.

Pomocí měření času v kombinaci s intenzitou zpětného signálu je senzor schopen vypočítat polohu více objektů s milimetrovou přesností. Výsledný obraz okolí je aktualizován až 15krát za sekundu (obrázek 2). Může podporovat navigaci, orientaci, ovládání a bezpečnostní funkce v reálném čase.

Obrázek 2: senzory TiM 2D LiDAR pomocí rotujícího zrcadla a laserových impulzů vytvářejí obraz okolí, který lze aktualizovat až 15krát za sekundu. (Zdroj obrázku: SICK)

Senzory TiM 2D LiDAR detekují objekty v definovaných oblastech (polích) určených k monitorování. V závislosti na modelu mají dosah snímání až 25 m a pracovní rozsah až 270°.

Data zpětného impulzu z laseru se zpracovávají pomocí technologie měření vzdálenosti s vysokým rozlišením (HDDM) nebo HDDM+. Technologie HDDM dosahuje velmi vysoké přesnosti měření na krátké vzdálenosti a je vhodná pro jemné polohování v aplikacích, jako je dokování. Technologie HDDM+ zpracovává odrazy od hran obzvláště dobře a proto je nejlépe vhodná pro lokalizační a antikolizní aplikace v dynamických prostředích.

V obou případech patentovaná vícepulzní technologie HDDM/HDDM+ umožňuje senzorům TiM 2D LiDAR provádět detekci v celém rozsahu skenování bez mezer, čímž je zajištěna konzistentní přesnost měření a schopnost poradit si s různými povrchy a faktory remise.

Senzory typů TiM1xx, TiM3xx a TiM7xx zjišťují, zda se objekty nacházejí v předem definovaném poli. Šestnáct sad po třech předkonfigurovaných polích podporuje rychlé přizpůsobování během provozu (obrázek 3). Je možné specifikovat geometrie jednotlivých polí nebo definovat referenční obrysová pole pro statické sledování obrysů. Dále je možné definovat digitální filtry, maskované oblasti a doby odezvy s cílem maximalizace výkonu i za silného deště, ve sněhu nebo v prachu.

Obrázek 3: Sady polí v senzorech TiM 2D LiDAR se skládají ze tří překonfigurovaných polí. (Zdroj obrázku: SICK)

K dispozici jsou modely, které poskytují data vyhodnocování polí nebo data vyhodnocování a měření polí. Snímače pro vyhodnocování polí pouze určují přítomnost objektu, zatímco data vyhodnocování a měření polí lze využívat k poskytování přesného obrazu snímaného povrchu.

Kromě senzorů poskytujících údaje o vzdálenosti jsou k dispozici senzory LiDAR, které poskytují úhlová data a výstup indikátoru intenzity přijímaného signálu (RSSI). Tato rozšířená datová sada může být praktická zejména pro předcházení kolizím a navigaci robotů AMR v proměnných prostředích.

Bezpečnostní LiDAR, přidání prvních ochranných vrstev

Senzory skupiny TiM 2D LiDAR jsou k dispozici v různých bezpečnostních variantách, a sice TiM361S (vyhodnocování polí) a TiM781S (výstup dat vyhodnocování a měření polí), které splňují požadavky úrovně PL_b a lze jej využívat pro stacionární i mobilní aplikace. Tyto senzory lze používat pro osobní ochranu při monitorování přístupu pro průmyslové coboty a na mobilních platformách, například AMR a AGV.

• Senzor typu TIM361S-2134101, číslo modelu 1090608, je vhodný pro vnitřní použití a vyznačuje rozsahem detekce 0,05 m až 10 m a technologií HDDM.
• Senzor typu TIM781S-2174104, číslo modelu 1096363, je též vhodný pro vnitřní použití a vyznačuje rozsahem detekce 0,05 m až 25 m a technologií HDDM+.

Zjednodušená integrace

Senzory TiM 2D LiDAR jsou navrženy tak, aby zjednodušovaly integraci. Díky krytí až IP67 nebude do krytu pronikat prach ani vlhkost. Senzory jsou vysoce imunní vůči jasnému okolnímu osvětlení až do 80 000 lx. Jejich robustní konstrukce splňuje požadavky na odolnost proti vibracím podle normy IEC 60068-2-6 a odolnost proti nárazům podle normy IEC 60068-2-27. Jejich robustnost lze v případě potřeby zvýšit pomocí tlumených uložení ochranných plechů.

Díky kompaktní konstrukci, nízké hmotnosti a nízké spotřebě energie jsou senzory TiM 2D LiDAR vhodné pro mobilní platformy. Senzory typu TIM361S-2134101 a TIM781S-2174104 váží pouze 250 g, mají typickou spotřebu 4 W a měří 60 mm na délku x 60 mm na šířku x 86 mm na výšku.

Bezpečnostní ovladače přidávají další vrstvu

Laserové skenery LiDAR detekují nebezpečí a odesílají výstrahy, zatímco modulární bezpečnostní ovladač je schopen k ochrannému systému přidat další vrstvu bezpečnosti. Například bezpečnostní ovladač Flexi Soft je modulární systém, který lze připojit k různým senzorům a spínacím prvkům, včetně laserových skenerů. Tento ovladač má klasifikaci SIL3 podle normy IEC 61508 a úroveň PLe s pravděpodobností PFH_d 1,07 x 10^-9 podle normy ISO 13849.

Základní systém je složen alespoň ze dvou modulů (obrázek 4):

1. Modul CPU0, například model 1043783, je centrální logická jednotka, kde probíhá analýza a vyhodnocování signálů ze senzorů, jako je LiDAR, čímž dochází k odlehčení centrální řídicí jednotky stroje od provádění bezpečnostní analýzy. Výstup jednotky CPU0 je propojen se strojem na vyšší úrovni řízení, například s programovatelným logickým automatem (PLC), kde jsou implementovány bezpečnostní funkce.
2. Připojení laserových skenerů k systému vyžaduje rozšiřující I/O modul XTIO, například model 1044125. Vzhledem k tomu, že každý laserový skener využívá tři spínací vstupy, každé dva laserové skenery vyžadují jeden rozšiřující I/O modul XTIO. Ovladač může obsluhovat až 12 I/O modulů.

Obrázek 4: Bezpečnostní řídicí systém Flexi Soft se skládá z modulu CPU (1) a jednoho nebo více I/O modulů (2). (Zdroj obrázku: SICK)

Co se stalo?

Důležitým prvkem v bezpečnostním systému může být schopnost analyzovat a porozumět základní příčině jakýchkoli závad a odpovědět na otázku: „Co se stalo, že došlo ke spuštění bezpečnostního laserového skeneru?“ Kamera událostí, EventCam od společnosti SICK, je speciálně navržena na detekci a analýzu sporadických poruch v průmyslovém prostředí.

Kamera EventCam je autonomní z hlediska optiky, osvětlení, elektroniky a paměti, a lze ji integrovat do mobilních nebo stacionárních systémů. Pouzdro z hliníkové slitiny používá krytí IP65 a může být namontováno v různých polohách. Kameru EventCam lze připojit k automatizačnímu systému, například k bezpečnostní ovladač, nebo přímo k senzoru.

Jakmile je nahlášena chyba, kamera EventCam začne ukládat jednotlivé snímky nebo videosekvence. Do vnitřní ring paměti lze uložit až 240 sekund úseku před a 100 sekund úseku po události. V režimu vysokého rozlišení (HD) lze nahrávat až 25 sekund úseku před a 15 sekund po události. V závislosti na požadovaném rozlišení se frekvence snímků za sekundu (fps) pohybuje v rozsahu 13 do 65.

Kamera EventCam může být také praktická při uvádění nových strojů nebo procesů do provozu. Je schopná monitorovat nekontrolovaný zkušební běh, například vícehodinový nebo vícedenní nepřetržitý test a rychle identifikovat zdroje chyb. Více kamer EventCam je schopno monitorovat jeden proces a poskytovat vizuální informace z několika úhlů současně pro hlubší a důkladnější analýzu chyb (obrázek 5).

Obrázek 5: více EventCams lze synchronizovat pro záznam jedné události z několika úhlů současně. (Zdroj obrázku: SICK)

Kamera EventCam je k dispozici ve dvou variantách. Model 1102028 používá pracovní rozsah 0,4 m až 0,6 m a může být vhodný pro použití se stacionárními coboty s relativně malými ochrannými prostory. Model 1093139 má pracovní rozsah 0,8 m až 6 m a může pokrývat větší ochranné prostory, kde jsou v povozu větší coboti, roboti AMR a vozidla AGV.

Shrnutí

2D senzory LiDAR, například řada TiM od společnosti SICK, mohou poskytovat první obrannou linii v bezpečnostním systému pro coboty, roboty AMR, vozidla AGV a podobné stroje. Poskytují řadu ochranných polí pro sledování přístupu osob. Přidání bezpečnostního ovladače může podpořit analýzu narušení a zvýšit výkon systému. A nakonec platí, že jedna nebo více kamer EventCam může monitorovat primární 2D LiDAR senzor a pomoci tak identifikovat hlavní příčinu jakéhokoli sporadického vypínání.