Sådan kan sikkerhedslaserscannere beskytte mennesker og maskiner

Sikkerhedslaserscannere kan bidrage til sikkerheden i industri- og logistikanlæg. De kan beskytte mennesker mod usikre interaktioner med maskiner, og de kan beskytte maskiner mod utilsigtet indblanding fra mennesker.

Der er brug for flere faktorer for at maksimere effektiviteten af sikkerhedslaserscannere. Den første er at afgøre, om en laserscanner er den bedste løsning, eller om en anden teknologi, som f.eks. et lysgardin, er bedre egnet til opgaven.

Når det er blevet besluttet, at en scanner er det bedste valg, er der vigtige beslutninger, der skal træffes, herunder:

• Valg af de optimale sikkerhedsbeskyttelsesfelter og feltsæt
• Brug af en standard som ISO (International Organization for Standardization) 13855 til placering af sikkerhedsforanstaltninger med hensyn til når en person nærmer sig
• Valg af den korrekte værdi for multipel samplingsværdier
• Valg af en scanner med det optimale funktionssæt

Denne artikel starter med at gennemgå de faktorer, der påvirker, hvornår man skal vælge en scanner, og hvornår man skal vælge et lysgardin. Derefter præsenteres de vigtige udvælgelseskriterier for brug af scannere, og der ses på repræsentative sikkerhedslaserscannere fra IDEC, Omron, SICK og Banner Engineering.

Scanner eller lysgardin?

En af de første overvejelser er: Hvilket fysisk rum er det, der skal beskyttes? Både scannere og lysgardiner kan beskytte mennesker mod skader og beskytte maskiner mod forstyrrelser. Selv om der er et vist overlap i beskyttelsesfunktionerne hos scannere og lysgardiner, er de generelt velegnede til forskellige anvendelser, f.eks:

Beskyttelse af arbejdsstedet, som henviser til det aktive område på en maskine, hvor arbejdet udføres. Lysgardiner er velegnede til dette formål, da de kan placeres optimalt, og deres opløsning kan indstilles til at registrere fingre, hænder eller fødder/ben og give det nødvendige beskyttelsesniveau. Scannere har normalt brug for en længere minimumsafstand fra farer på grund af deres længere reaktionstider og bruges generelt ikke til beskyttelse af arbejdsstedet.

Perimeterbeskyttelse, som beskytter flere sider af en maskine. Ligesom beskyttelse af driftspunkter er lysgardiner velegnede til at levere kompakte løsninger til perimeterbeskyttelse. Hvis en person krydser perimeteren, kan der sendes et stopsignal, og maskinen stoppes. Både lysgardiner og scannere kan bruges til perimeterbeskyttelse, men sikkerhedslysgardiner bruges oftere til perimeterbeskyttelse, og scannere bruges oftere til områdebeskyttelse.

Adgangskontrol og områdebeskyttelse, som kan implementeres med et lysgardin eller en scanner afhængigt af de specifikke anvendelsesbehov. Lysgardiner er velegnede, når der kun er et enkelt indgangssted. Individuel overvågning og evaluering af hver enkelt lysstråle gør det f.eks. muligt for et lysgardin at skelne mellem en "høj" person og en "lav" materialebærer, som f.eks. en palle, der krydser en tærskel, og ændre sin reaktion i overensstemmelse hermed.

Scannere kan sættes op til at overvåge et område på 275° for at skabe en brugerdefineret todimensionel beskyttet zone (figur 1). De kan også etablere flere beskyttelseszoner baseret på afstanden mellem en person og den beskyttede maskine og bremse eller stoppe den efter behov.

Figur 1: En sikkerhedslaserscanner som denne kan overvåge et område på 275° for at skabe en todimensionel beskyttet zone og sende en alarm, hvis en uventet person eller genstand kommer ind i området (røde linjer). (Billedkilde: Banner Engineering)

Mobile systemer som autonome mobile robotter (AMR'er) og automatisk styrede køretøjer (AGV'er), som kan drage fordel af at bruge flere scannere. Disse scannere kan være batteridrevne og installeres, så de arbejder sammen og samtidig overvåger dusinvis af sikkerhedszoner omkring køretøjet. Forskellige zoner kan aktiveres baseret på køretøjets hastighed, position og forventede retningsændringer. Dataene fra scannerne kan suppleres med enkodere på hjulene og andre sensorinput for at understøtte AMR-navigation.

Hvilket sikkerhedsniveau?

Når det fysiske rum, der skal beskyttes, er defineret, er den næste overvejelse det nødvendige sikkerhedsniveau. Ud over at have forskellige anvendelsesfordele understøtter lysgardiner og sikkerhedslaserscannere forskellige sikkerhedsniveauer som defineret i forskellige internationale standarder. For eksempel definerer ISO 13849-1 pålideligheden af sikre kontrolfunktioner ved hjælp af præstationsniveauer (PL'er) fra "a" til "e", hvor PLe repræsenterer det højeste niveau.

Sikkerhedslaserscannere opfylder kriterierne i PLd og er velegnede til brug i applikationer, hvor sikkerhed er en vigtig prioritet. En PLd-klassificering gives til systemer med sandsynlighed for en farlig fejl hver 1 til 10 millioner timer (141 til 1.141 år baseret på kontinuerlig drift). Lysgardiner fås med et bredere udvalg af muligheder fra PLc til PLe.

IEC 62061, Maskinsikkerhed: Funktionel sikkerhed for elektriske, elektroniske og programmerbare elektroniske styresystemer er en anden vigtig standard. Den er baseret på en risikovurdering og reduktionsstrategi for sikkerhedsstyringsfunktioner som f.eks. lysgardiner og sikkerhedslaserscannere. Det omfatter specifikationer for funktionelle krav og krav til sikkerhedsintegritetsniveau (SIL).

Eksempler på funktionelle krav er driftsfrekvens, responstid, driftstilstande, driftscyklusser, driftsmiljø, fejlreaktionsfunktioner og så videre. De resulterende SIL'er måles på en skala fra 1 til 4 (figur 2).

Figur 2: Sikkerhedslaserscannere opfylder kriterierne for PLd og SIL3 og er velegnede til brug i applikationer, hvor sikkerheden er vigtig. (Billedkilde: SICK)

ISO 13855 definerer, hvordan scannere skal placeres i forhold til en persons tilgang. Hvis en scanner f.eks. er monteret i en højde på 300 mm, er en opløsning på 70 mm tilstrækkelig til at registrere et menneskeben. Ved lavere monteringshøjder er den anbefalede minimumsopløsning 50 mm.

Specifikationer for scanneren

Når det er fastslået, at en sikkerhedslaserscanner opfylder applikationskravene og kan understøtte det nødvendige sikkerhedsniveau, er det tid til at overveje specifikationerne. Eksempler på vigtige scannerspecifikationer er

Scanningsvinkel. Der findes flere scanningsvinkler, f.eks. 190°, 270° og 275°. Scanningsvinklen og dens struktur bestemmer, hvordan scanneren monteres i systemet for at overvåge de(t) nødvendige område(r).

Beskyttelseszoner. Sikkerhedslaserscannere har flere beskyttelseszoner, herunder den primære beskyttelseszone og en eller flere advarselszoner. Nogle kan bruge scannede data til automatisk konfiguration for at ignorere stationære objekter i advarselszonerne (figur 3). I nogle tilfælde kan en sikkerhedslaserscanner scanne flere zoner sekventielt eller samtidigt. For eksempel kan en scanner understøtte op til 70 unikke sikkerhedszonesæt. På en AMR gør denne funktion det muligt for scanneren at justere de scannede områder baseret på omgivelserne og bevægelseshastigheden.

Figur 3: Idriftsættelse kan fremskyndes ved at bruge en scanner, der bruger scannede data til automatisk konfiguration for at identificere stationære objekter i advarselszonerne. (Billedkilde: IDEC)

Beskyttende områder. Det er den maksimale afstand, som det beskyttede område kan strække sig fra scanneren. Typiske værdier ligger mellem 3 og 10 m. Det nødvendige beskyttelsesområde afhænger af lokale bestemmelser og scannerens responstid og opløsning.

Opløsning. Den måles i mm og bestemmer den mindste størrelse objekt, som scanneren kan registrere nøjagtigt. Typiske værdier ligger mellem 30 mm og 200 mm.

Responstid. Det kaldes også detektionstid og måler, hvor hurtigt en scanner kan genkende et objekt. Typiske værdier ligger mellem 60 og 500 ms.

Sampling. Angiver, hvor mange gange et objekt skal scannes i træk for at blive genkendt af scanneren. Som standard tager det normalt mindst to samplingsscanninger. Men for nogle scannere og under visse omstændigheder kan det kræve ti eller flere på hinanden følgende samplingsscanninger at genkende et objekt.

Dobbelte beskyttelseszoner

Sikkerhedslaserscannere har forskellige egenskaber og funktioner, der passer til forskellige anvendelsesbehov. IDECs SE2L-sikkerhedslaserscannere har f.eks. master/slave-funktionalitet og dobbelte beskyttelseszoner. Master/slave-funktionen gør det muligt for en scanner at kommunikere med op til tre andre scannere. Det kan forenkle systemdesignet betydeligt og gøre det muligt at bruge en billigere controller, da sikkerhedscontrolleren kun behøver at kommunikere med masteren, som videresender instruktionerne til slavescannerne. Model SE2L-H05LP kan installeres med 2 til 20 m lange kabler, hvilket øger fleksibiliteten yderligere.

Disse scannere har en scanningscyklustid på 30 ms og kan indeholde 32 mønstre i scanningsområdet. Ved hjælp af dobbeltzonefunktionen kan en enkelt SE2L-enhed uafhængigt scanne to tilstødende zoner samtidigt, hvilket eliminerer behovet for en anden scanner og forenkler systemdesignet.

Lavt strømforbrug til batteridrevet sikkerhed

Det kan være en vigtig overvejelse at forlænge køretiden for AGV'er og AMR'er. Disse anvendelser kan drage fordel af Omrons kompakte (104,5 mm) OS32C-SP1-4M sikkerhedslaserscanner. Den bruger maksimalt 5 W (3,75 W i standbytilstand) og har 70 sæt kombinationer af sikkerhedszoner og advarselszoner til rådighed, hvilket gør den velegnet til brug i komplekse miljøer (figur 4). Andre funktioner omfatter:

• Minimumsopløsningen kan indstilles til 30, 40, 50 eller 70 mm.
• Sikkerhedszonen varierer med opløsningen:
  • 1,75 m (30 mm opløsning)
  • 2,5 m (40 mm opløsning)
  • 3,0 m (50 mm opløsning)
  • 4,0 m (70 mm opløsning)
• Radius for advarselszone op til 15 m
• Konfigurerbar responstid fra 80 ms op til 680 ms.
• Zoneskifttid kan indstilles fra 20 ms til 320 ms

Figur 4: Denne laveffektive sikkerhedslaserscanner understøtter 70 sæt kombinationer af sikkerhedszoner og advarselszoner, hvilket gør den velegnet til AMR'er, der arbejder i komplekse eller dynamiske miljøer. (Billedkilde: Omron)

Tredobbelte felter med valgbar sampling og opløsning

SICK's S300 Mini Standard sikkerhedslaserscannere har valgbare detektionsopløsninger og samplingsniveauer. For eksempel understøtter model S32B-2011BA 30, 40, 50 og 70 mm opløsningsdiametre. Flere prøvetagninger og opløsninger kan defineres individuelt for hvert felt, herunder samtidige beskyttelsesfelter (figur 5). Disse scannere understøtter op til 48 frit konfigurerbare felter og 16 omskiftelige feltsæt. Den tredobbelte feltfunktion gør det muligt at bruge et beskyttelsesfelt og to advarselsfelter samtidigt.

Figur 5: S300 Mini Standard sikkerhedslaserscannere kan implementere flere samplingsniveauer og forskellige opløsninger for hvert scanningsfelt. (Billedkilde: SICK)

Eliminerer behovet for en sikkerheds-PLC

SX5-sikkerhedslaserscannerne fra Banner Engineering har en integreret muting-funktion, der kan overvåge og reagere på signaler og automatisk suspendere beskyttelsesfunktionen, så et objekt kan passere gennem sikkerhedszonen uden at generere en stopkommando. Muting-funktionen gør det muligt at suspendere hele sikkerhedszonen (total muting) eller kun en del af sikkerhedszonen (delvis dynamisk muting).

En SX5-masterenhed som SX5-ME70 kan styre op til tre fjernenheder som SX5-R; scanneren kan også aflæse inkrementelle enkoderinput for at ændre sikkerhedszonen baseret på køretøjets hastighed. Disse funktioner kan eliminere behovet for yderligere kontrolhardware som f.eks. en sikkerheds-PLC.

Konklusion

Hvis de er korrekt specificeret, konfigureret og integreret, er sikkerhedslaserscannere velegnede til at beskytte mennesker og maskiner i applikationer som adgangskontrol, områdebeskyttelse og på mobile systemer, herunder AGV'er og AMR'er. Figur 2: Sikkerhedslaserscannere opfylder kriterierne for PLd og SIL3 og er velegnede til brug i applikationer, hvor sikkerheden er vigtig. Disse scannere fås med forskellige kombinationer af egenskaber og funktioner, der passer til en række anvendelsesbehov.