Hvis der er uklarheder i denne artikel, bedes du se den originale engelske version.

Sådan vælger og integrerer du flerdimensionelle sikkerhedssystemer for at beskytte medarbejdere mod cobots

Af Jeff Shepard

Bidraget af DigiKeys nordamerikanske redaktører

Sikkerhed er afgørende, når man indsætter samarbejdende robotter (cobots), autonome mobile robotter (AMR'er) og autonome styrede køretøjer (AGV'er) på fabrikker og i logistikanlæg. Det er også komplekst og flerdimensionelt.

Maskinbevægelser skal overvåges og styres i henhold til ISO (International Organization for Standardization) 13849, IEC (International Electrotechnical Commission) 62061 og IEC 61800-5-2, der indeholder sikkerhedskrav og vejledning om principperne for design og integration af sikkerhedsrelaterede dele af styresystemer (SRP/CS).

Sikker drift af cobots, AMR'er, AGV'er og lignende udstyr kræver ofte etablering af en lagdelt sikkerhedsramme med flere felter fra den første registrering og advarsel om objekter, der nærmer sig, til identifikation af, hvornår et objekt overskrider en farlig zone og stopper maskinen.

Et modulært sikkerhedsstyringssystem kan tilføje endnu et lag af analyse og beskyttelse. Effektiv og hurtig fejlanalyse kan være en vigtig faktor, når man skal håndtere afbrydelser af beskyttelsesfelter og uventet udløsning af en scanner. Det kan kræve en anden sensor til at overvåge den primære sensors beskyttelsesfelt.

Denne artikel starter med en kort genopfriskning af kravene i ISO 13849, IEC 62061 og IEC 61800-5-2 og en gennemgang af det grundlæggende i todimensionelle (2D) LiDAR-laserscannere (Light Detection and Ranging). Derefter dykker den dybere ned i, hvordan lagdelte sikkerhedskonvolutter kan implementeres for at beskytte mennesker mod cobots, AMR'er, AGV'er og lignende udstyr.

Der er en gennemgang af brugen og integrationen af 2D LiDAR-sensorer og et kig på fordelene ved at kombinere disse sensorer med en modulær programmerbar sikkerhedscontroller for at give en ekstra sikkerhedsdimension, plus brugen af et hændelseskamera til at muliggøre fejlanalyse af uventede afbrydelser af beskyttelsesfelter. Eksempler på enheder fra SICK er inkluderet.

IEC 61508 er den grundlæggende standard for "Funktionssikkerhed i sikkerhedsrelaterede elektriske, elektroniske og programmerbare elektroniske systemer" og gælder for alle brancher. Derudover er der branche- og applikationsspecifikke underafsnit og varianter.

IEC 62061, "Maskinsikkerhed – Funktionssikkerhed i sikkerhedsrelaterede elektriske, elektroniske og programmerbare elektroniske styresystemer" er den maskinspecifikke variant af IEC 61508. IEC 61800-5-2, "Elektriske motordrev med variabel hastighed – Del 5-2: Sikkerhedskrav – Funktionelle", er også relateret til IEC 61508 og er en standard for design og udvikling af drevsystemer med justerbar hastighed.

ISO 13849 er udviklet uafhængigt og ikke afledt af IEC 61508. Begge beskæftiger sig med funktionel sikkerhed. IEC 61800-5-2 bruger SIL-niveauer (Safety Integrity Level) til at definere sikkerhedskrav, mens ISO 13849 definerer påkrævet ydeevneniveaul (PLr).

ISO 13849 og IEC 61508 er baseret på begrebet sandsynlighed for farlige fejl pr. time (PFHd). ISO 13849-analysen af funktionel sikkerhed tager højde for tre faktorer: Alvorligheden af en mulig skade, hyppigheden eller eksponeringen for en fare og muligheden for at begrænse faren og undgå skade (figur 1):

  • Alvorligheden af skaden
    • S1: Let (normalt reversibel skade)
    • S2: Alvorlig (normalt irreversibel eller død)
  • Hyppighed og/eller eksponering for fare
    • F1: Sjældent til mindre ofte og/eller kort eksponeringstid
    • F2: Hyppig til kontinuerlig og/eller lang eksponeringstid
  • Mulighed for at undgå fare eller begrænse skade
    • P1: Muligt under særlige forhold
    • P2: Næppe muligt

Billede af udledning af PLr-niveauer i ISO 13849 og tilsvarende SIL'er i IEC 62061Figur 1: Udledning af PLr-niveauer i ISO 13849 og tilsvarende SIL'er i IEC 62061. Begge standarder er baseret på begrebet farlige svigt pr. time (PFHd). (Billedkilde: SICK)

Hvordan fungerer LiDAR?

Certificering til PLb i henhold til ISO 13849 er påkrævet for brug af 2D LiDAR-sikkerhedssensorer i applikationer til personlig beskyttelse. TiM 2D LiDAR-sensorfamilien omfatter modeller, der opfylder dette krav. 2D LiDAR-sensorer scanner deres omgivelser ved hjælp af optisk ToF-teknologi. ToF implementeres ved at sende laserpulser ved hjælp af et roterende spejl og registrere det reflekterede lys. Jo længere tid det tager for det reflekterede lys at nå tilbage til sensoren, jo længere væk er objektet.

Tidsmålingen kombineret med styrken af det returnerede signal gør det muligt for sensoren at beregne positionen af flere objekter med millimeters nøjagtighed. Det resulterende billede af omgivelserne opdateres op til 15 gange hvert sekund (figur 2). Den kan understøtte navigation, orientering, kontrol og sikkerhedsfunktioner i realtid.

Billede af SICK TiM 2D LiDAR-sensorerFigur 2: TiM 2D LiDAR-sensorer bruger et roterende spejl og laserpulser til at skabe et billede af omgivelserne, som kan opdateres op til 15 gange i sekundet. (Billedkilde: SICK)

TiM 2D LiDAR-sensorer registrerer objekter i definerede områder (felter), der skal overvåges. Afhængigt af modellen har de en scanningsrækkevidde på op til 25 m og et arbejdsområde på op til 270°.

Returpulsdataene fra laseren behandles ved hjælp af HDDM-teknologi (high-definition distance measurement) eller HDDM+. HDDM opnår en meget høj målenøjagtighed på korte afstande og er velegnet til finpositionering i applikationer som docking. HDDM+ behandler kantrefleksioner særligt godt, hvilket gør den bedst egnet til lokalisering og antikollisionsapplikationer i dynamiske miljøer.

I begge tilfælde gør den patenterede HDDM/HDDM+-multipulsteknologi det muligt for TiM 2D LiDAR-sensorer at registrere hele scanningsområdet uden huller, hvilket sikrer ensartet målepræcision, og de kan håndtere forskellige overflader og remissionsfaktorer.

Typerne TiM1xx, TiM3xx og TiM7xx registrerer, om objekter befinder sig i et foruddefineret felt. Seksten feltsæt, hver med tre forudkonfigurerede felter, understøtter hurtig tilpasning under drift (figur 3). Individuelle feltgeometrier kan specificeres, eller referencekonturfelter kan defineres til statisk konturovervågning. Digitale filtre, maskerede områder og responstider kan også defineres for at maksimere ydeevnen selv i kraftig regn, sne eller støv.

Billede af feltsæt i SICK TiM 2D LiDAR-sensorerFigur 3: Feltsæt i TiM 2D LiDAR-sensorer består af tre forudkonfigurerede felter. (Billedkilde: SICK)

Der findes modeller, som giver data om feltevaluering eller feltevaluering og måledata. Sensorer til feltevaluering bestemmer kun tilstedeværelsen af et objekt, mens feltevaluering og måledata kan bruges til at give et nøjagtigt billede af en scannet overflade.

Ud over afstandsdata fås TiM 2D LiDAR-sensorer, der også leverer vinkeldata og en RSSI-udgang (Received Signal Strength Indicator). Dette udvidede datasæt kan være særligt nyttigt til at undgå kollisioner og navigere for AMR'er i skiftende miljøer.

Sikkerheds-LiDAR'er, der tilføjer de første beskyttende lag

TiM 2D LiDAR-familien har sikkerhedsrelaterede varianter, TiM361S (feltevaluering) og TiM781S (feltevaluering og output af måledata), der opfylder kravene i PLb og kan bruges til både stationære og mobile anvendelser. De kan bruges til personlig beskyttelse i forbindelse med adgangskontrol til industrielle cobots og på mobile platforme som AMR'er og AGV'er.

  • Type TIM361S-2134101, modelnummer 1090608, er velegnet til indendørs brug med et detekteringsområde på 0,05 til 10 m og HDDM-teknologi.
  • Type TIM781S-2174104, modelnummer 1096363, er også velegnet til indendørs brug med et detekteringsområde på 0,05 til 25 m og HDDM+-teknologi.

Forenklet integration

TiM 2D LiDAR-sensorer er designet til at forenkle integrationen. Med en kabinetklasse på op til IP67 kan hverken støv eller fugt trænge ind i huset. De er meget immune over for stærk omgivende belysning på op til 80.000 lx. Deres robuste design opfylder kravene til vibrationsmodstand i IEC 60068-2-6 og kravene til stødmodstand i IEC 60068-2-27. Deres robusthed kan forbedres, når det er nødvendigt, ved hjælp af dæmpede monteringer af beskyttelsesplader.

TiM 2D LiDAR-sensorernes kompakte design, lette vægt og lave strømforbrug gør dem velegnede til mobile platforme. Type TIM361S-2134101 og Type TIM781S-2174104 vejer begge kun 250 g, har et typisk strømforbrug på 4 W og måler 60 mm i længden x 60 mm i bredden x 86 mm i højden.

Sikkerhedscontrollere tilføjer endnu et lag

LiDAR-laserscannere registrerer farer og sender advarsler, mens en modulær sikkerhedscontroller kan tilføje endnu et lag af sikkerhed til et beskyttelsessystem. Flexi Soft sikkerhedscontroller er for eksempel et modulært system, der kan forbindes med forskellige sensorer og koblingselementer, herunder laserscannere. Den er klassificeret som SIL3 i henhold til IEC 61508 og PLe med en PFHd på 1,07 x 10-9 i henhold til ISO 13849.

Et basissystem består af mindst to moduler (figur 4):

  1. CPU0, som model 1043783, er den centrale logiske enhed, hvor signaler fra sensorer som LiDAR analyseres og evalueres, hvilket aflaster sikkerhedsanalysen fra den centrale maskinstyring. Udgangen fra CPU0 forbindes med en maskinstyring på et højere niveau, f.eks. en programmerbar logisk controller (PLC), hvor sikkerhedsfunktionerne er implementeret.
  2. XTIO I/O-udvidelsesmodulet, f.eks. model 1044125, er nødvendigt for at tilslutte laserscannere til systemet. Et XTIO I/O-udvidelsesmodul er nødvendigt for hver to laserscannere, da hver laserscanner bruger tre skifteindgange. Controlleren kan betjene op til 12 I/O-moduler.

Billede af SICK Flexi Soft sikkerhedsstyringssystemFigur 4: Flexi Soft-sikkerhedsstyringssystemet består af et CPU-modul (1) og et eller flere I/O-moduler (2). (Billedkilde: SICK)

Hvad skete der?

Et vigtigt element i et sikkerhedssystem kan være evnen til at analysere og forstå den grundlæggende årsag til eventuelle fejl og besvare spørgsmålet: "Hvad skete der, som fik sikkerhedslaserscanneren til at udløse?" Et hændelseskamera, EventCam fra SICK, er specielt designet til at opdage og analysere sporadiske fejl i industrielle omgivelser.

EventCam er selvforsynende med optik, belysning, elektronik og hukommelse og kan integreres i mobile eller stationære systemer. Det støbte aluminiumshus er IP65-klassificeret og kan monteres i forskellige positioner. EventCam kan forbindes til et automatiseringssystem som en sikkerhedscontroller eller direkte til en sensor.

Når en fejl er blevet rapporteret, begynder EventCam at lagre enkeltbilleder eller videosekvenser. Den interne ringhukommelse kan gemme op til 240 sekunder før og 100 sekunder efter en hændelse. I high-definition (HD)-tilstand kan den optage op til 25 sekunder før og 15 sekunder efter. Antallet af videobilleder pr. sekund (fps) varierer fra 13 til 65, afhængigt af den ønskede opløsning.

EventCam kan også være nyttigt ved idriftsættelse af nye maskiner eller processer. Den kan overvåge en uovervåget testkørsel, f.eks. en kontinuerlig test, der varer flere timer eller flere dage, og hurtigt identificere fejlkilder. Flere EventCams kan overvåge en enkelt proces og give visuel information fra flere vinkler på én gang for en dybere og mere grundig analyse af fejl (figur 5).

Billeder fra flere EventCams kan synkroniseresFigur 5: Flere EventCams kan synkroniseres for at optage en enkelt begivenhed fra flere vinkler på samme tid. (Billedkilde: SICK)

EventCam tilbydes i to varianter. Model 1102028 har et arbejdsområde på 0,4 m til 0,6 m og er velegnet til brug med stationære cobots med relativt små beskyttelsesområder. Model 1093139 har et arbejdsområde på 0,8 til 6 m og kan rumme større beskyttelsesområder, som man møder med større cobots, AMR'er og AGV'er.

Oversigt

2D LiDAR-sensorer som TiM-familien fra SICK kan udgøre den første forsvarslinje i et sikkerhedssystem til cobots, AMR'er, AGV'er og lignende maskiner. De udgør en række beskyttende felter, som overvåger, om folk nærmer sig. Tilføjelsen af en sikkerhedscontroller kan understøtte indbrudsanalyse og forbedre systemets ydeevne. Endelig kan et eller flere EventCams overvåge den primære 2D LiDAR-sensor for at hjælpe med at identificere den grundlæggende årsag til eventuelle sporadiske udløsninger.

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

Om denne forfatter

Image of Jeff Shepard

Jeff Shepard

Jeff har skrevet om effektelektronik, elektroniske komponenter og andre teknologiske emner i over 30 år. Han begyndte at skrive om effektelektronik som seniorredaktør på EETimes. Han grundlagde efterfølgende Powertechniques, et designmagasin for effektelektronik, og senere grundlagde han Darnell Group, et globalt forsknings- og udgivelsesfirma inden for effektelektronik. Darnell Group udgav bl.a. PowerPulse.net, som dagligt leverede nyheder til det globale samfund inden for effektelektronik. Han er forfatter til en lærebog om switch-mode strømforsyninger med titlen "Power Supplies", der er udgivet af Reston-afdelingen af Prentice Hall.

Jeff var også med til at stifte Jeta Power Systems, en producent af switching-strømforsyninger med høj effekt, som blev overtaget af Computer Products. Jeff er også opfinder med 17 amerikanske patenter inden for termisk energiudnyttelse og optiske metamaterialer, og han er en kilde i branchen og en hyppig taler om globale tendenser inden for effektelektronik. Han har en mastergrad i kvantitative metoder og matematik fra University of California.

Om udgiveren

DigiKeys nordamerikanske redaktører