Sådan kan sikkerhedslaserscannere i miniformat maksimere beskyttelsen og produktiviteten

Den stigende kompleksitet i Industri 4.0-fabriks- og logistikautomatisering kræver nye tilgange til systemdesign, der samtidig maksimerer sikkerhed og produktivitet.

Den fleksible karakter af Industri 4.0-operationer betyder, at placeringen og omfanget af farlige operationer kan ændre sig fra tid til anden, og sikkerhedssystemerne skal tilpasses hurtigt. Der er brug for et rekonfigurerbart, programmerbart og fleksibelt sikkerhedssystem.

Muligheden for at etablere advarselszoner for at advare medarbejdere, der nærmer sig et farligt område, før de kommer for tæt på, kan være et stort plus. Den forhindrer medarbejderne i at komme ind i det farlige område ved et uheld, udløser en sikkerhedsanordning og slukker for en maskine. Det øger oppetiden og produktiviteten.

Denne artikel begynder med en kort gennemgang af internationale standarder for sikkerhedsmåtter og sikkerhedslaserscannere og går derefter videre til en sammenligning af anvendelsesovervejelser for sikkerhedsmåtter og sikkerhedslaserscannere, hvor der ses på faktorer som kontakt- eller berøringsfri drift, beskyttelse af advarselsfeltet og justerbarhed.

Den slutter med at præsentere eksempler på miniature sikkerhedslaserscannere fra SICK, og hvordan de opfylder kravene i flere applikationer, sammen med installations- og konfigurationsmuligheder, herunder hvordan scannerne nemt kan udskiftes, hvis de bliver beskadiget.

De vigtigste sikkerhedsstandarder omfatter International Electrotechnical Commission (IEC) 61508, "Funktionssikkerhed i sikkerhedsrelaterede elektriske, elektroniske og programmerbare elektroniske systemer (E/E/PE, eller E/E/PES)", International Organization for Standardization (ISO) 13849, "Maskinsikkerhed – Sikkerhedsrelaterede dele af styresystemer", og IEC 61496, "Maskinsikkerhed – Berøringsløst beskyttelsesudstyr".

Sikkerhedsmåtter og sikkerhedslaserscannere opfylder forskellige dele af disse standarder. For eksempel definerer IEC 61508 en række sikkerhedsintegritetsniveauer (SIL). Sikkerhedslaserscannere opfylder SIL 2-kravene. Det gør nogle, men ikke alle, sikkerhedsmåtter også. Nogle sikkerhedsmåtter opfylder kun kravene til SIL 1, som er en størrelsesorden mindre streng end SIL 2.

SIL 1-sikkerhedsanordninger er beregnet til brug i applikationer med lav risiko, hvor konsekvenserne af en fejl ikke er alvorlige, som f.eks. grundlæggende maskinafskærmning, ikke-kritiske processer og enkle alarmer. SIL 2-sikkerhedsanordninger er designet til at mindske risici, der kan resultere i alvorlige kvæstelser eller betydelige miljøskader, men ikke nødvendigvis katastrofale hændelser.

ISO 13849 bruger lignende koncepter som SIL og definerer præstationsniveauer (PL). Sikkerhedsmåtter kvalificerer sig typisk til en PLc-certificering, mens sikkerhedslaserscannere skal kvalificere sig til den hårdere PLd-certificering. Nogle sikkerhedsmåtteinstallationer kan også opfylde PLd-kravene.

For at blive certificeret skal en sikkerhedslaserscanner opfylde SIL 2, PLd og IEC 61496-3, som specifikt dækker aktive optoelektroniske beskyttelsesanordninger, der reagerer på diffus refleksion (AOPDDR eller laserscannere). Konsekvenserne af de forskellige sikkerhedscertificeringer for sikkerhedsmåtter og sikkerhedslaserscannere er vigtige, men de er kun begyndelsen, når man skal maksimere beskyttelsen og produktiviteten.

Mere at overveje

Korrekt specificerede sikkerhedsmåtter og sikkerhedslaserscannere kan begge opfylde IEC- og ISO-sikkerhedskravene. Men det er ikke slutningen på historien; der er mere at overveje i Industri 4.0-fabriks- og logistikautomatiseringsapplikationer.

En sikkerhedsmåtte er en matrix af mekaniske kontakter. Når en vægt, f.eks. en person, der træder på måtten, lukker en eller flere af kontakterne, sender den et signal til måttens controller, som stopper driften af det beskyttede system.

Sikkerhedsmåtternes mekaniske karakter kan give anledning til bekymring. For det første skal der være direkte kontakt med en person, der går hen over måtten, for at den kan fungere. For det andet udsættes måtterne for slid og (nogle gange bogstaveligt talt) ødelæggelse. Folk kan tabe tungt og/eller skarpt værktøj på måtten og beskadige den (figur 1). Eller en gaffeltruck kan køre hen over måtten og beskadige den. Miljøfaktorer som spild af ætsende materialer kan også kompromittere måtten.

Figur 1: Betjening af sikkerhedsmåtter kræver fysisk kontakt og kan blive kompromitteret af ulykker og miljømæssige farer. (Billedkilde: SICK)

Justerbarhed

Sikkerhedsmåtter er i sagens natur faste installationer og kan ikke justeres. Der findes forskellige størrelser og måttekonfigurationer til specifikke installationskrav. Det kan give udfordringer i Industri 4.0-fabrikker og logistikoperationer, der er underlagt rekonfiguration, når proceskravene ændres.

Ændringer i systemer baseret på sikkerhedsmåtter kan kræve anskaffelse af en ny måtte, hvilket forlænger den tid, der er nødvendig for at få omstillingen til at fungere. Det kan påvirke maskinens tilgængelighed og den samlede produktivitet negativt.

En måde at minimere indvirkningen på er at have forskellige størrelser udskiftningsmåtter ved hånden. Det kan fremskynde omstillinger og udskiftning af måtter, der bliver beskadiget. Men det er også dyrt. Det kan også kræve, at man har en række forskellige måtter til rådighed, da ikke alle måtter er kompatible med alle controllere.

Disse problemer kan løses ved at bruge sikkerhedslaserscannere. Sikkerhedslaserscannere er ikke baseret på mekaniske kontakter; de er elektroniske enheder, der kan justeres til forskellige anvendelsesbehov.

Sikkerhedslaserscannere er en berøringsfri teknologi, der bruger en infrarød (IR) laser til at scanne omgivelserne i to dimensioner. De udsender korte impulser af IR-lys. Hvis en lyspuls rammer et objekt, reflekteres den til scanneren. Afstanden til objektet kan bestemmes med stor nøjagtighed ud fra tidsintervallet mellem udsendelsesøjeblikket og det tidspunkt, hvor det reflekterede lys vender tilbage.

Evnen til at bestemme afstanden til forhindringer gør det muligt for sikkerhedslaserscannere at etablere en række advarsels- og beskyttelsesfelter baseret på et objekts nærhed. Nogle sikkerhedslaserscannere kan have dusinvis af definerede felter. Det kan være nyttigt i forbindelse med f.eks. navigation for en autonom mobil robot.

S300 Mini Standard sikkerhedslaserscannere fra SICK er optimeret til sikkerhedsapplikationer, der kræver, at tre definerede felter - et beskyttelsesfelt og to advarselsfelter - er aktive samtidigt. Deres kompakte dimensioner på 102 x 116 x 105 millimeter (mm) (b x h x d) gør dem velegnede til applikationer som robotarbejdsceller og automatisk styrede køretøjer (AGV'er) (figur 2).

Figur 2: Størrelsessammenligning af S30 Mini Standard sikkerhedslaserscanner og en sodavandsdåse. (Billedkilde: SICK)

S300 Mini Standard-scannere har en 270° scanningsvinkel til at dække et stort område og en valgfri opløsning til hånd-, ben- eller kropsregistrering. Disse scannere understøtter advarselsfeltområder på op til 8 m og fås med tre maksimale beskyttelsesfeltområder:

• En måler, model 1058000
• To målere, model 1050932
• Tre målere, model 1056430

Dynamiske miljøer

Dynamiske miljøer, hvor layoutet eller driftsforholdene ændrer sig, eller hvor AGV'er flytter rundt, kan drage fordel af konfigurerbare sikkerhedslaserscannere. Detektionszonerne kan ændres efter behov, så de passer til skiftende beskyttelsesbehov.

At indstille flere advarselsfelter kan være særligt nyttigt for at forhindre folk i at komme for tæt på og lukke en maskine ned. Advarselssignalerne kan omfatte et enkelt blinkende lys, hvis det første advarselsfelt overskrides, og en advarselssirene eller et horn, hvis det andet advarselsfelt indtastes. Der er specifikke regler for beregning af størrelsen på beskyttelsesfelter.

Beregning af sikkerhedsafstand

ISO-standard 13855, "Maskinsikkerhed – Placering af beskyttelsesanordninger under hensyntagen til legemsdeles bevægelseshastigheder", indeholder retningslinjer for beregning af den minimale sikkerhedsafstand, der kræves for at stoppe en maskine, når en person nærmer sig den. ISO 13855 gælder for flere typer sikkerhedsudstyr, herunder sikkerhedslaserscannere, sikkerhedslysgardiner, trykfølsomt udstyr, sikkerhedsmåtter og -gulve og meget mere.

Det kan være nyttigt, når man skal beregne størrelsen på sikkerhedsfelter til sikkerhedslaserscannere (figur 3). En almindelig formel til beregning af sikkerhedsafstanden, S, er S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, hvor:

• K = Tilløbshastighed (1.600 mm/s, defineret i ISO 13855)
• TM = Maskinens eller systemets stoptid
• TS = Responstid for sikkerhedslaserscanneren og downstream-controlleren
• ZG = Generelt tillæg = 100 mm
• ZR = Tillæg for refleksionsrelaterede målefejl
• CRO = Supplement for at forhindre, at man rækker over

Figur 3: Retningslinjerne i ISO 13855 kan bruges til at beregne størrelsen på sikkerhedsfelter (rød) for sikkerhedslaserscannere som S300 Mini Standard. (Billedkilde: SICK)

Automatiserede guidede køretøjer

Automatiserede guidede køretøjer (AGV'er) flytter varer hurtigt og effektivt uden menneskelig indgriben i Industri 4.0-fabrikker, lagerbygninger og distributionscentre. I nogle AGV'er bruges kontaktlister eller støddæmpere til at registrere forhindringer. Det kan begrænse AGV'ens kørehastighed, og listerne eller støddæmpere kan blive fysisk beskadiget, hvilket kræver udskiftning og sætter AGV'en ud af drift i en periode.

For at bevare sikkerheden, fleksibiliteten og den maksimale tilgængelighed kan AGV'er erstatte kontaktlister og støddæmpere som de primære sikkerhedsanordninger, og de kan omfatte en lasersikkerhedsscanner til at registrere forhindringer og stoppe sikkert. Den lille størrelse på S300 Mini gør det lettere at integrere den i selv de mindste AGV'er (figur 4).

Figur 4: Den kompakte størrelse på S300 Mini Standard sikkerhedslaserscannere gør det muligt at montere dem på små AGV'er. (Billedkilde: SICK)

Brug af to sikkerhedslaserscannere kan give et udvidet beskyttet område. Hvis scannerne er monteret på de forreste hjørner af AGV'en, strækker det beskyttede område sig til køretøjets forside og begge sider. Antag, at scannerne er monteret diagonalt overfor hinanden foran og bag på køretøjet. I så fald vil det beskyttede område omgive alle sider af AGV'en, hvilket muliggør sikker bevægelse i begge retninger.

Konfiguration, installation og vedligeholdelse

Konfigurations- og diagnosesoftware (CDS) fra SICK kan bruges til at definere beskyttelses- og advarselsfelter ved hjælp af en pc eller bærbar computer. Softwaren indeholder en intuitiv grænseflade til design og implementering af applikationer. Softwaren beregner og gemmer også alle konfigurations- og diagnosedata til hurtig idriftsættelse og/eller effektiv fejlfinding. Konfiguration og diagnostik kan implementeres under idriftsættelse eller vedligeholdelse.

SICK tilbyder også et udvalg af monteringssæt til fysisk fastgørelse af S300 Mini sikkerhedslaserscannere. Kit 1a, model 2034324, er det grundlæggende monteringsbeslag uden beskyttelsesdæksel til optikken, og kit 1b, model 2034325, inkluderer beskyttelse af optikken (figur 5). Derudover kan der tilføjes ekstra monteringsbeslag, herunder sæt 2, model 2039302, og sæt 3, model 2039303, for at justere scannerne i to planer. Den maksimale justeringsvinkel er ±11° i begge planer.

Figur 5: Monteringssæt 1b inkluderer beskyttelse af optikdæksel. (Billedkilde: SICK)

Monteringssættene understøtter også hurtig udskiftning af beskadigede scannerhoveder. Det nye scannerhoved sættes på systemstikket, som er permanent monteret på maskinen. Udskiftningshovedet downloader straks konfigurationsdataene fra systemstikket og påtager sig de programmerede sikkerhedsopgaver, ingen omprogrammering eller manuel download af konfigurationsdata. Det er en plug-and-play-proces, der minimerer maskinens nedetid.

Oversigt

S300 Mini Standard sikkerhedslaserscannere er et robust alternativ til sikkerhedsmåtter i Industri 4.0-fabrikker, lagerbygninger og distributionscentre, som samtidig maksimerer sikkerhed og produktivitet. De opfylder sikkerhedsstandarderne IEC 61508, ISO 13849 og IEC 61496 og er velegnede til faste installationer og mobile platforme som AGV'er. Endelig understøtter S300 Mini Standard sikkerhedslaserscannere fleksibel og hurtig konfiguration, installation og vedligeholdelse.