Hur säkerhetslaserskannrar i miniatyrformat kan maximera skyddet och produktiviteten

Den ökande komplexiteten i fabriks- och logistikautomation enligt Industry 4.0 kräver nya metoder för systemdesign som maximerar både skydd och produktivitet.

Den flexibla karaktären i verksamheter som använder Industry 4.0, innebär att placeringen och omfattningen av riskfyllda arbetsmoment kan ändras ibland, och skyddssystemen måste snabbt kunna anpassas. Det behövs ett, programmerbart och flexibelt skyddssystem som är lätt att konfigurera om.

Möjligheten att upprätta varningszoner för att varna medarbetare som närmar sig ett riskfyllt område innan de kommer för nära kan vara ett stort plus. Det förhindrar att medarbetare oavsiktligen kommer in i riskområden, och utlöser en skyddsanordning eller stänger av en maskin. Det förbättrar drifttiden och produktiviteten.

Artikeln inleds med en kort genomgång av internationella standarder för säkerhetsmattor och säkerhetslaserskannrar och går sedan vidare med en jämförelse av olika tillämpningar för dessa, med hänsyn till faktorer som kontakt- eller beröringsfri funktion, skydd med varningsområden och justerbarhet.

Avslutningsvis presenteras exempel på säkerhetslaserskannrar i miniatyrformat från SICK och hur dessa uppfyller kraven i många tillämpningar, tillsammans med installations- och konfigurationsalternativ, inklusive hur skannrarna enkelt kan bytas ut om de skadas.

Viktiga standarder för säkerhetsprestanda inkluderar IEC 61508, "Funktionssäkerhet för elektriska/elektroniska/programmerbara elektroniska säkerhetsrelaterade system (E/E/PE eller E/E/PES)", ISO 13849, "Maskinsäkerhet - Säkerhetsrelaterade delar av styrsystem" och IEC 61496, "Maskinsäkerhet - Elöverkänslig skyddsutrustning".

Säkerhetsmattor och säkerhetslaserskannrar uppfyller olika delar av dessa standarder. IEC 61508 definierar t.ex. en rad säkerhetsintegritetsnivåer (SIL). Säkerhetslaserskannrar uppfyller kraven i SIL 2. Det gör även vissa, men inte alla, säkerhetsmattor. Vissa säkerhetsmattor uppfyller endast kraven i SIL 1, som är en nivå mindre strikt än SIL 2.

Skyddsanordningar i SIL 1 är avsedda för användning i tillämpningar med låg risk där konsekvenserna av ett fel inte är allvarliga, t.ex. grundläggande maskinskydd, icke-kritiska processer och enkla larm. Skyddsanordningar i SIL 2 är utformade för att mildra risker som kan leda till allvarliga personskador eller betydande miljöskador, men inte nödvändigtvis katastrofala händelser.

ISO 13849 använder liknande begrepp som SIL och definierar prestandanivåer (PL). Säkerhetsmattor kvalificerar sig vanligtvis för certifieringen PLc-, medan säkerhetslaserskannrar måste kvalificera sig för den tuffare certifieringen PLd. Vissa installationer av säkerhetsmattor kan även uppfylla prestandakraven i PLd.

För att bli certifierad måste en säkerhetslaserskanner uppfylla SIL 2, PLd och IEC 61496-3, som specifikt omfattar aktiva optoelektroniska skyddsanordningar som reagerar på diffus reflektion (AOPDDR, eller laserskannrar). Effekterna av de olika skyddscertifieringarna för säkerhetsmattor och säkerhetslaserskannrar är viktiga, men de är bara början när det gäller att maximera skyddet och produktiviteten.

Fler saker att tänka på

Korrekt specificerade säkerhetsmattor och säkerhetslaserskannrar kan uppfylla säkerhetskraven enligt både IEC och ISO. Men det slutar inte där. Det finns mer att tänka på för tillämpningar enligt Industry 4.0 för fabriks- och logistikautomation.

En säkerhetsmatta är en matris med mekaniska omkopplare. När en vikt, t.ex. en person som trampar på mattan, sluts en eller flera av omkopplarena, och en signal skickas till mattans styrenhet som stoppar driften av det skyddade systemet.

Säkerhetsmattornas mekaniska karaktär kan vara en källa till oro. För det första måste det finnas direktkontakt med en person som rör sig på mattan för att den ska fungera. För det andra utsätts mattorna för slitage och (ibland bokstavligen) blir det revor i dem. Människor kan tappa tunga och/eller vassa verktyg på mattan så att den skadas (figur 1). Eller så kan en gaffeltruck köra över mattan och skada den. Miljöfaktorer som spill av frätande material kan också äventyra mattan.

Figur 1: Användning av säkerhetsmattor kräver fysisk kontakt och kan äventyras av olyckor och miljöfaror. (Bildkälla: SICK)

Justerbarhet

Säkerhetsmattor är till sin natur fasta installationer och går inte att justera. Mattorna kan ha storlekar och konfigurationer för specifika installationskrav. Det kan innebära utmaningar i fabriker och logistikverksamheter med Industry 4.0 som är föremål för omkonfigurering när tillverkningskraven förändras.

Förändringar i system som bygger på säkerhetsmattor kan kräva att en ny matta köps in, vilket förlänger den tid det tar innan omställningen är i drift. Det kan ha en negativ inverkan på maskintillgängligheten och den totala produktiviteten.

Ett sätt att minimera denna påverkan är att ha olika storlekar på ersättningsmattor till hands. Det kan göra omställningar och byte av mattor som skadats snabbare. Men det är också dyrt. Det kan även vara nödvändigt att ha flera olika styrenheter för säkerhetsmattor till hands, eftersom alla mattor inte är kompatibla med alla styrenheter.

De här problemen kan hanteras med hjälp av säkerhetslaserskannrar. Säkerhetslaserskannrar är inte baserade på mekaniska omkopplare, utan är elektroniska enheter som kan anpassas till olika användningsbehov.

Säkerhetslaserskannrar är en beröringsfri teknik som använder en infraröd (IR) laser för att skanna av omgivningen i två dimensioner. De sänder ut korta pulser av IR-ljus. Om en ljuspuls träffar ett objekt reflekteras den tillbaka till skannern. Avståndet till objektet kan bestämmas med hög noggrannhet baserat på tidsintervallet mellan sändningsögonblicket och den tidpunkt då det reflekterade ljuset återvänder.

Möjligheten att bestämma avståndet till hinder gör att säkerhetslaserskannrar kan upprätta en serie varnings- och skyddsfält baserat på närheten till ett objekt. Vissa säkerhetslaserskannrar kan ha dussintals definierade fält. Det kan vara användbart i tillämpningar som navigering för en autonom mobil robot.

Säkerhetslaserskannrarna S300 Mini Standard från SICK är optimerade för säkerhetstillämpningar som kräver att tre definierade fält - ett skyddsfält och två varningsfält - är aktiva samtidigt. Deras kompakta mått på 102 x 116 x 105 mm (B x H x D) gör dem lämpliga i tillämpningar som arbetsceller för robotteknik och automatiskt styrda fordon (AGV) (figur 2).

Bild 2: Storleksjämförelse mellan säkerhetslaserskannern S30 Mini Standard och en läskburk. (Bildkälla: SICK)

Skannern S300 Mini Standard har en skanningsvinkel på 270° för att omfatta ett brett område och en valbar upplösning för hand-, ben- eller kroppsdetektering. Skannrarna har stöd för varningsfältsavstånd på upp till 8 m och finns med tre maximala skyddsfältsavstånd:

• En meter, modell 1058000
• Två meter, modell 1050932
• Tre meter, modell 1056430

Dynamiska miljöer

Dynamiska miljöer, där layouten eller driftsförhållandena förändras eller där de automatiskt styrda fordonen flyttas runt, kan dra nytta av konfigurerbara säkerhetslaserskannrar. Avkänningszonerna kan ändras efter behov för att passa förändrade skyddsbehov.

Att ställa in flera varningsfält kan vara särskilt användbart för att förhindra att personer kommer för nära och stänger av en maskin. Anordningarna för varningssignaler kan bestå av en enkel blinkande lampa om det första varningsfältet överskrids och en varningssiren eller ett signalhorn om passage sker in i det andra varningsfältet. Det finns särskilda regler för att beräkna storleken på skyddsfält.

Beräkningar av skyddsavstånd

ISO-standarden 13855, "Maskinsäkerhet - Placering av skyddsanordningar med hänsyn till människokroppens närmande", innehåller riktlinjer för beräkning av det minsta skyddsavstånd som krävs för att stoppa en maskin när en person närmar sig den. ISO 13855 gäller för flera olika typer av skyddsanordningar, bland annat laserskannrar, ljusridåer, tryckkänsliga anordningar, säkerhetsmattor och -golv med mera.

Det kan vara användbart vid beräkning av storleken på skyddsfält för säkerhetslaserskannrar (figur 3). En vanlig formel för att beräkna säkerhetsavståndet, S, är S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, där:

• K = Ankomsthastighet (1600 mm/s, definierad i ISO 13855)
• TM = Maskinens eller systemets stopptid
• TS = Svarstid för säkerhetslaserskannern och styrenheten nedströms
• ZG = Allmänt tillägg = 100 mm
• ZR = Tillägg för reflektionsrelaterade mätfel
• CRO = Komplettering för att förhindra att man sträcker sig över

Figur 3: Riktlinjerna i ISO 13855 kan användas för att beräkna storleken på skyddsfält (rött) för säkerhetslaserskannrar som S300 Mini Standard. (Bildkälla: SICK)

Automatiskt styrda fordon

Automatiskt styrda fordon (AGV) flyttar artiklar snabbt och effektivt utan mänsklig inblandning i fabriker, lager och distributionscentraler med Industry 4.0. I vissa automatiskt styrda fordon används lister eller stötfångare med omkopplare för att upptäcka hinder. Det kan begränsa det automatiskt styrda fordonets hastighet och listerna eller stötfångarna kan skadas fysiskt, vilket kräver byte och att fordonet tas ur drift under en period.

För att bibehålla säkerhet, flexibilitet och maximal tillgänglighet kan automatiskt styrda fordon ersätta lister och stötfångare med omkopplare som primära skyddsanordningar, och istället använda en lasersäkerhetsskanner för att upptäcka hinder och stanna på ett säkert sätt. Den lilla storleken på S300 Mini underlättar integrationen, även i de minsta automatiskt styrda fordonen (figur 4).

Bild 4: Den kompakta storleken på säkerhetslaserskannrarna S300 Mini Standard gör att de kan monteras på små automatiskt styrda fordon. (Bildkälla: SICK)

Om man använder två säkerhetslaserskannrar kan man få ett utökat skyddsområde. Om skannrarna är monterade i det främre hörnet på det automatiskt styrda fordonet, sträcker sig skyddsområdet till fordonets främre del och båda sidor. Anta att skannrarna är monterade diagonalt mittemot varandra på fordonets fram- och baksida. I så fall kommer skyddsområdet att omge alla sidor på det automatiskt styrda fordonet, vilket möjliggör säker körning i båda riktningarna.

Konfiguration, installation och underhåll

Program för konfiguration och diagnostik (CDS) från SICK kan användas för att definiera skydds- och varningsfält med hjälp av en PC eller bärbar dator. Programmet har ett intuitivt gränssnitt för design och implementering av tillämpningar. Programvaran beräknar och sparar även all konfigurations- och diagnostikdata för snabb driftsättning och/eller effektiv felsökning. Konfiguration och diagnostik kan genomföras vid driftsättning eller underhåll.

SICK har även ett urval monteringssatser för att montera säkerhetlaserskannern S300 Mini fysiskt. Sats 1a, modell 2034324, är ett grundmonteringsfäste utan skydd för optiken, och sats 1b, modell 2034325, inkluderar ett skydd för optiken (figur 5). Dessutom kan kompletterande monteringsfästen, inklusive sats 2, modell 2039302, och sats 3, modell 2039303, läggas till för att justera in skannrarna i två plan. Den maximala inställningsvinkeln är ±11° i båda planen.

Figur 5: Bild på monteringssats 1b som inkluderar skydd för optiken. (Bildkälla: SICK)

Monteringssatserna gör det också även att snabbt byta ut skadade skannerhuvuden. Det nya skannerhuvudet ansluts till systemets kontakt, som är permanent monterad på maskinen. Det nya huvudet laddar omedelbart ner konfigurationsdata från systemkontakten och utför de programmerade skyddsuppgifterna utan omprogrammering eller manuell nedladdning av konfigurationsdata. Det är en plug and play-process som minimerar maskinens stilleståndstid.

Sammanfattning

Säkerhetslaserskannrarna S300 Mini Standard utgör ett robust alternativ till säkerhetsmattor i fabriker, lager och distributionscentraler med Industry 4.0 som samtidigt maximerar säkerheten och produktiviteten. De uppfyller säkerhetsstandarderna IEC 61508, ISO 13849 och IEC 61496 och är lämpliga för fasta installationer och mobila plattformar som t.ex. automatiskt styrda fordon. Slutligen har säkerhetsskannern S300 Mini Standard stöd för flexibel och snabb konfiguration, samt installation och underhåll.