Využití světelných závěsů ke zvýšení bezpečnosti a měření objektů

Světelné závěsy jsou všestrannou technologií. Ačkoli jsou závěsy často spojovány s bezpečnostními aplikacemi, mají mnohostranné využití, včetně ochrany strojů a vytváření chráněných zón; manipulace s materiálem pro detekci přítomnosti předmětů nebo měření velikosti procházejících předmětů; zajištění správného umístění nebo vyrovnání předmětů pro balení a třídění; a detekce narušení a kontrola přístupu do zakázaných oblastí.

Srovnání světelných závěsů a bezpečnostních laserových skenerů společně s přehledem aplikací skenerů naleznete v části 1 této série s názvem „Jak mohou bezpečnostní laserové skenery chránit osoby a stroje.“

Tento článek začíná prozkoumáním důležitých technických parametrů světelných závěsů a jejich výkonnostních norem, představuje příklady použití světelných závěsů v bezpečnostních systémech a systémech kontroly přístupu a popisuje funkci měřicí světelných závěsů. Průběžně prezentuje ukázkové světelné závěsy od společností Panasonic, IDEC, Omron a Banner Engineering.

Normy a typy bezpečnostních světelných závěsů

Podle normy 61496 Bezpečnost strojních zařízení - Elektrická snímací ochranná zařízení (ESPE) Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) jsou definovány čtyři typy bezpečnostních vlastností. Relevantní typy jsou 2, 3 a 4. Typ 1 není pro aplikace bezpečnostních světelných závěsů definován.

Norma IEC 61496 přidává další vrstvu požadavků nad rámec definic úrovní integrity bezpečnosti (SIL) podle normy IEC 61508 a 13849 Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO), která definuje úrovně výkonnosti (PL).

Úrovně SIL jsou odstupňovány od 1 do 3, přičemž SIL 3 je nejvyšší úroveň. Úrovně PL jsou odstupňovány od „a“ do „e“, přičemž úroveň PLe je nejnáročnější. Při použití klasifikace podle normy IEC 61496 jsou světelné závěsy obecně hodnoceny jako typy 2 a 4, ačkoli několik z nich je hodnoceno jako zařízení typu 3. Bezpečnostní laserové skenery splňují požadavky typu 3. Některé důležité faktory v klasifikaci typů zahrnují:

Zařízení typu 2 musí splňovat úrovně SIL 1 a PLc. Tato zařízení jsou určena pro použití v aplikacích s nižším rizikem, kde poruchy mohou způsobit zranění, jako jsou boule nebo modřiny, sražení k zemi, drobné řezné rány a oděrky nebo zachycení, nikoli však rozdrcení. Norma IEC 61496 vyžaduje, aby zařízení provádělo automatickou kontrolu během spouštění a poté pravidelně během provozu. Tato zařízení nejsou vybavena záložními obvody automatické kontroly přítomnými ve světelných závěsech typu 4. Efektivní aperturní úhel (EAA), který definuje zorné pole, musí být ±5 stupňů nebo užší. Tento požadavek může mít za následek možné optické rušení a chyby.

Zařízení ESPE typu 3, například bezpečnostní laserové skenery a několik světelných závěsů, musí splňovat úrovně SIL 2 a PLd a být „navržena tak, aby při nebezpečí nemohla neselhala kvůli jediné poruše, ale pouze v důsledku akumulace více poruch.“ Tato zařízení mají také přísnější požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) než zařízení typu 2. Zařízení typu 3 jsou vhodná pro aplikace, kde je důležitá bezpečnost.

Světelné závěsy typu 4 jsou navrženy pro použití tam, kde je hlavním hlediskem bezpečnost. Musejí splňovat nejvyšší úrovně PLe a SIL 3. Jsou navrženy tak, aby „při nebezpečí neselhaly kvůli jediné poruše, ani při akumulaci více poruch." Používají menší efektivní aperturní úhel EAA = ±2,5 stupňů, čímž jsou méně náchylné k optickému rušení a schopné snadněji rozpoznávat předměty. Musejí splňovat nejpřísnější požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC).

Díky levnější optice a jednodušším obvodům detekce poruch jsou světelné závěsy typu 2 až o 30 % levnější než světelné závěsy typu 4. Světelné závěsy typu 4 jsou k dispozici v širším rozsahu rozlišení, včetně 14 mm pro identifikaci prstů, 30 mm pro identifikaci rukou, 50 mm pro identifikaci nohou a 90 mm pro identifikaci přítomnosti těla. Naproti tomu světelné závěsy typu 2 jsou obecně omezeny na vyšší rozlišení (obrázek 1).

Obrázek 1: světelné závěsy typu 4 jsou obvykle k dispozici s menším minimálním rozlišením než jednotky typu 2. (Zdroj obrázku: IDEC)

Kromě detekce objektů různé velikosti lze paprsky světelného závěsu ovládat individuálně a poskytovat tak pokročilejší funkce, jako je potlačení, zatemnění a měření velikosti a počtu objektů.

Potlačení a zatemnění světelných závěsů

Funkce potlačení a zatemnění světelného závěsu představuje vypnutí celého světelného závěsu nebo jeho části za určitých okolností. Potlačení je automatický proces, který pozastavuje celou ochranu světelného závěsu nebo její část a obvykle probíhá během úseku cyklu stroje, který není nebezpečný. Může povolit vstup materiálů do pracovního prostoru bez zastavení jakékoli nebezpečné činnosti. Jakmile materiál vstoupí do pracovního prostoru, bude plná ochranná funkce světelného závěsu obnovena.

Mezi typické aplikace potlačení patří:

• Umožnění vjezdu/výjezdu palet na paletizačním stroji mezi operacemi
• Umožnění pohybu materiálu mezi oblastmi v automatizovaném výrobním procesu a současná ochrana pracovníků v době aktivity strojů

Obrázek 2: funkce potlačení světelného závěsu umožní průchod objektů určité velikosti bez přerušení provozu stroje (vlevo), avšak na základě detekce dalších objektů, například ruky nebo prstů (vpravo), zastaví stroj. (Zdroj obrázku: Panasonic)

Zatemnění zahrnuje vypnutí části světelného závěsu, aniž by došlo k vyřazení ochrany stroje. Může také osobám povolit omezený přístup do strojní oblasti v bezpečném období. Typické aplikace zatemnění zahrnují:

• Sáhnutí k naložení nebo vyložení robotické pracovní stanice během bezpečného období
• Přístup k hydraulickému děrovacímu lisu během vzestupného cyklu

Světelný závěs typu 2

Světelné závěsy typu 2 řady SG2 od společnosti IDEC jsou dostupné v modelech s ochranou rukou a detekce přítomnosti. Například model SG2-90-030-OO-X je určen k detekci přítomnosti s kontrolní výškou 300 mm a rozlišením 90 mm. Zahrnuje funkci testování/restartu a integrovaný systém vyrovnání pro urychlení instalace. Instalaci a snadné vyrovnání vysílacích a přijímacích jednotek dále urychlují otočné montážní držáky, a to i v aplikacích, které používají zrcadla nebo pracují na vzdálenost až 19 m.

Potlačení a zatemnění v náročném prostředí

Aplikace bezpečnostních světelných závěsů v chladírenských skladech s teplotami klesajícími až na -30 °C, kovozpracující provozy, například lisovací stroje vyžadující ochranu IP67G proti vniknutí oleje a další provozy v náročném prašném a znečištěném prostředí, například výroba automobilů a obráběcí stroje, mohou využívat světelné závěsy řady F3SG-SR od společnosti Omron. Tyto světelné závěsy typu 4 zahrnují funkce potlačením jakož i pevného a plovoucího zatemnění.

Světelné závěsy F3SG-SR používají ochranné výšky 160 mm až 2 480 mm. Je-li vyžadována detekce rukou nebo jiných předmětů o průměru 25 mm, konstruktéři bezpečnostních systémů mohou využít světelný závěs F3SG-4SRA0280-25-F podporující flexibilní délky s krokem 40 mm až 1 000 mm pomocí 27 paprsků s ochrannou výškou 280 mm (obrázek 3).

Obrázek 3: tento světelný závěs podporuje flexibilní délky s krokem 40 mm a ochrannou výškou 280 mm. (Zdroj obrázku: Omron)

Odolnost proti zkrutům, deformacím a nárazům

Při použití světelného závěsu tam, kde by mohl být vystaven nárazům a zkrutům, mohou konstruktéři systémů využívat světelné závěsy řady SF4D typu 4 od společnosti Panasonic. Model SF4D-H32-0 délce 630 mm používá krytí IP67, rozlišení 25 mm pro ochranu rukou a integrované funkce zatemnění a potlačení.

Klíčem k odolnosti těchto světelných závěsů je přepracovaná vnitřní jednotka, která umožnila optimalizaci pouzdra směrem k robustnosti a pevnosti. Vnitřní jednotka zabírá méně než 40 % objemu předchozích modelů, což umožňuje podstatné zvýšení tloušťky pouzdra (obrázek 4). Ačkoli je vnitřní jednotka menší, optický výkon byl zvýšen a doba reakce řídicích výstupů je 10 ms nebo kratší, popř. 18 ms nebo kratší při sériovém nebo paralelním zapojení.

Obrázek 4: kompaktnější vnitřní jednotka podporuje vyšší optický výkon a zároveň umožňuje použití výrazně silnějšího tělesa. (Zdroj obrázku: Panasonic)

Měření pomocí světelných závěsů

Světelné závěsy určené pro měření objektů mají obvykle tři režimy: přímé skenování, jednohranové a dvouhranové skenování. Klíčové technické parametry zahrnují minimální detekční velikost objektu (MODS) a hranové rozlišení (ER).

Výchozím režimem je obvykle přímé skenování, kdy jsou paprsky postupně skenovány od zobrazovacího konce až k protějšímu konci pole. Při nalezení prvního odblokovaného paprsku se stanoví naměřené hodnoty. Typické citlivosti pro přímé skenování s použitím režimu nízkého kontrastu jsou MODS = 5 mm a ER = 5 mm. Pokud je použit režim skeneru s velkou výkonnostní rezervou, pak MODS = 10 mm a ER = 5 mm. Jedno- a dvouhranové skenování je schopné poskytnout hodnoty MODS = 10 mm a ER = 2,5 mm.

Jednohranové skenování začíná blokováním prvního (nejnižšího) paprsku, které indikuje přítomnost objektu. Poté závěs zkontroluje prostřední paprsek. Skener se poté podívá na paprsek ve spodní čtvrtině a zjistí, zda je prostřední paprsek odblokován. Poté se skener podívá na paprsek v horní čtvrtině a zjistí, zda je blokován prostřední paprsek.

Jakmile je stanoveno, zda je paprsek nahoře nebo ve spodní čtvrtině zablokován nebo odblokován, dělení počtu paprsků na polovinu bude pokračovat, dokud nebude nalezena horní hrana objektu.

Za okolností, kdy první paprsek není nutně zablokován, lze použít dvouhranové skenování, které začíná výběrem velikosti kroku, obvykle 1, 2, 4, 8, 16 nebo 32, v závislosti na aplikaci. Skenování začíná tím, že závěs aktivuje paprsek 1. Pokud je paprsek zablokován, byla identifikována první hrana. Pokud není zablokován, závěs aktivuje další paprsek určený velikostí kroku. Pokud je například velikost kroku 4, aktivuje se paprsek 5.

Pokud je aktivovaný paprsek odblokován, závěs pokračuje v krokovém procesu, dokud nenalezne zablokovaný paprsek. V této fázi se použije binární vyhledávání zpět směrem k začátku, aby byl identifikován první zablokovaný paprsek a odpovídající hrana. Proces se opakuje, tentokrát s použitím identifikované hrany jako referenčního bodu a krokového procesu pro identifikaci odblokovaného paprsku. Poté se pomocí zpětného sledování vyhledá blokovaný paprsek s nejvyšším číslem, čímž se identifikuje druhá hrana.

Obrázek 5: příklad sekvencí paprsků ve dvouhranovém skenování. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Světelné závěsy pro měření

Měřicí světelné zástěny A-GAGE EZ-ARRAY od společnosti Banner Engineering jsou navrženy pro aplikace, jako je dimenzování a profilování produktů v reálném čase, navádění hran a středové navádění, detekce otvorů, počítání součástí atd. Délky vysílačů a přijímačů se pohybují v rozsahu 150 mm až 2400 mm (5,9 až 94,5 palce) (obrázek 6). Například model EA5E600Q má délku 600 mm (23,6 palce) a používá 120 paprsků. Tyto světelné závěsy podporují přesné vysokorychlostní monitorování a kontroly procesů, profilování a webové vodicí systémy. K dalším vlastnostem patří:

• Četné možnosti skenování:
  • 16 režimů analýzy skenování (měření)
  • Tři metody skenování
  • Volitelné zatemnění paprsku
• Šestipolohový DIP přepínač pro nastavení režimu skenování, měření, analogového sklonu a diskrétnosti doplňkového měření nebo činnosti alarmu.

Obrázek 6: měřicí světelné závěsy skupiny A-GAGE EZ-ARRAY jsou k dispozici v délkách 150 mm až 2400 mm. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Závěr

Světelné závěsy dokáží mnohem více, než jen bránit přístupu do nebezpečných a citlivých oblastí a chránit tak osoby i stroje. Mohou podporovat řízený přístup pomocí funkcí zatemnění a potlačení, které směřují ke zvýšení produktivity. Světelné závěsy mohou dále podporovat techniky bezkontaktního měření, které rychle a efektivně měří více rozměrů na objektech.