Hur laserskannrar kan skydda människor och maskiner

Laserskannrar kan bidra till ökad säkerhet i industri- och logistikanläggningar. De kan skydda människor från osäkra interaktioner med maskiner och de kan skydda maskiner från oavsiktlig påverkan av människor.

Det krävs flera faktorer för att maximera skyddseffekterna för laserskannrar. Den första är att avgöra om en laserskanner är den bästa lösningen eller om en annan teknik, som t.ex. en ljusridå, kan vara bättre lämpad för tillämpningen.

När man väl har bestämt sig för att en skanner är det bästa valet finns det viktiga beslut att fatta, bland annat:

• Val av optimala skyddsområden och områdesuppsättningar
• Användning av standarder som t.ex. ISO 13855 för placering av skyddsåtgärder med avseende på en person som närmar sig
• Val av rätt värde för antalet samplingar
• Val av en skanner med en optimal uppsättning funktioner

Artikeln inleds med en genomgång av de faktorer som påverkar valet av skanner och när man bör välja en ljusridå. Därefter presenteras viktiga urvalskriterier för användning av skannrar och vi tittar på representativa laserskannrar från IDEC, Omron, SICK och Banner Engineering.

Skanner eller ljusridå?

En av de första frågorna är vilket fysiskt utrymme som ska skyddas? Både skannrar och ljusridåer kan skydda människor från skador och skydda maskiner från störningar. Även om det finns en viss överlappning i skannrarnas och ljusridåernas skyddsegenskaper är de i allmänhet lämpade för olika tillämpningar, som t.ex:

Punktskydd för arbetsområde, som avser det aktiva området vid en maskin där arbetet utförs. Ljusridåer är lämpliga för denna tillämpning eftersom de kan placeras på en optimal plats och upplösningen kan ställas in för att detektera fingrar, händer eller fötter/ben och uppnå den skyddsnivå som krävs. Skannrar behöver vanligtvis ett längre minimiavstånd från riskkällor på grund av deras längre svarstider och de används normalt inte för punktskydd av arbetsytor.

Avgränsningsskydd, som skyddar flera sidor av en maskin. Ljusridåer är, precis som för punktskyddet vid arbetsområdet, väl lämpade för att tillhandahålla kompakta lösningar för avgränsningsskydd. Om en person korsar avgränsningen kan en stoppsignal skickas och maskinen stannar. Både ljusridåer och skannrar kan användas för avgränsningsskydd, men det är vanligare att ljusridåer tillämpas för avgränsningsskydd och skannrar för områdesskydd.

Tillträdesövervakning och områdesskydd kan implementeras med en ljusridå eller skanner beroende på de specifika tillämpningsbehoven. Ljusridåer är lämpliga när det endast finns en inpasseringsväg. Genom att övervaka och utvärdera respektive ljusstråle individuellt kan en ljusridå exempelvis skilja mellan en "lång" person och en "kort" materialbärare, som t.ex. en pall som passerar en gräns, och anpassa sitt gensvar därefter.

Skannrarna kan ställas in för att övervaka ett område på 275° för att skapa ett användardefinierat tvådimensionellt skyddsområde (figur 1). De kan också upprätta flera skyddsområden baserat på avståndet mellan en person och den avsedda maskinen och sakta ner eller stoppa den på lämpligt sätt.

Figur 1: En sådan här laserskanner har ett övervakningsområde på 275° för att skapa ett tvådimensionellt skyddsområde och skicka ett larm om någon oväntad person eller något oväntat föremål kommer in i området (röda linjer). (Bildkälla: Banner Engineering)

Mobila system, som t.ex. autonoma mobila robotar (AMR) och automatiskt styrda fordon (AGV), som kan dra nytta av att använda flera skannrar. Skannrarna kan vara batteridrivna och installeras för att arbeta tillsammans för att samtidigt övervaka dussintals skyddsområden kring fordonet. Olika områden kan aktiveras baserat på fordonets hastighet, position och förväntade riktningsförändring. Data från skannrarna kan kompletteras med kodare på hjulen och andra sensorer för att stödja de autonoma mobila robotarnas navigering.

Vilken skyddsnivå?

När det fysiska utrymme som ska skyddas har definierats är nästa fråga vilken skyddsnivå som behövs. Förutom att ljusridåer och laserskannrar har olika användningsområden, stödjer de olika skyddsnivåer som definieras i olika internationella standarder. ISO 13849-1 definierar exempelvis tillförlitligheten hos styrfunktioner för skydd med hjälp av prestandanivåer (PL) från "a" till "e", där PLe avser den högsta nivån.

Laserskannrar uppfyller kriterierna för PLd och är lämpliga för användning i tillämpningar där säkerhet har hög prioritet. Klassificering enligt PLd ges till system med sannolikhet för ett allvarligt fel inom 1 till 10 miljoner timmar (141 till 1 141 år vid kontinuerlig drift). Ljusridåer finns med ett bredare utbud av alternativ, från PLc till PLe.

IEC 62061, Maskinsäkerhet: Funktionssäkerhet för elektriska, elektroniska och programmerbara elektroniska styrsystem är en annan viktig standard. Den bygger på en riskbedömning och en strategi för att minska riskerna med styrfunktioner för skydd, som t.ex. ljusridåer och laserskannrar. Den omfattar kravspecifikationer för funktion och SIL-krav (safety integrity level).

Exempel på funktionskrav är driftfrekvens, svarstid, driftlägen, arbetscykler, driftmiljö, funktioner för reaktioner vid fel med mera. Det resulterande värdet för SIL mäts på en skala från 1 till 4 (figur 2).

Figur 2: Laserskannrar som uppfyller kriterierna för PLd och SIL3 och är lämpliga för användning i tillämpningar där säkerheten är viktig. (Bildkälla: SICK)

ISO 13855 definierar hur skannrar ska placeras i förhållande till en person som närmar sig. Om en skanner är monterad på exempelvis höjden 300 mm är en upplösning på 70 mm tillräcklig för att detektera en människas ben. Vid lägre monteringshöjder är den rekommenderade lägsta upplösningen 50 mm.

Specifikationer för skanner

När det har fastställts att en laserskanner uppfyller tillämpningskraven och kan stödja den nödvändiga skyddsnivån, är det dags att överväga specifikationerna. Exempel på viktiga specifikationer för skannrar är:

Skanningsvinkel. Det finns flera olika skanningsvinklar, som t.ex. 190, 270 och 275°. Skanningsvinkeln och dess struktur avgör hur skannern monteras i systemet för att övervaka de områden som behövs.

Skyddsområden. Laserskannrar har flera skyddsområden, inklusive det primära skyddsområdet och ett eller flera varningsområden. Vissa kan använda skannad data för automatisk konfigurering för att ignorera stationära föremål i varningsområdena (figur 3). I vissa fall kan en laserskanner skanna flera områden sekventiellt eller samtidigt. En skanner kan t.ex. stödja upp till 70 unika skyddsområden. På en autonom mobil robot gör den här funktionen det möjligt för skannern att justera de skannade områdena baserat på omgivningen och rörelsehastigheten.

Figur 3: Driftsättningen kan påskyndas genom att använda en skanner som använder skannad data för automatisk konfiguration för att identifiera stationära föremål i varningsområdena. (Bildkälla: IDEC)

Räckvidd för det område som ska övervakas. Det är det maximala avståndet från skannern till det övervakade området. Typiska värden varierar från 3 till 10 m. Det erforderliga skyddsområdets räckvidd beror på lokala bestämmelser och skannerns svarstid och upplösning.

Upplösning. Den mäts i mm och bestämmer den minsta storleken för ett objekt som skannern kan detektera på ett korrekt sätt. Typiska värden varierar från 30 till 200 mm.

Svarstid. Det kallas även för detekteringstid och mäter hur snabbt en skanner kan känna igen ett objekt. Typiska värden ligger mellan 60 och 500 ms.

Sampling. Anger hur många gånger i följd ett objekt måste skannas för att det ska kännas igen av skannern. Som standard tar det vanligtvis minst två samplingsskanningar. För vissa skannrar, och under vissa omständigheter, kan det dock krävas tio eller fler på varandra följande samplingsskanningar för att känna igen ett objekt.

Dubbla skyddsområden

Laserskannrar har olika egenskaper och funktioner som passar för olika tillämpningsbehov. Laserskannern SE2L från IDEC har exempelvis master-/slavfunktionalitet och dubbla skyddsområden. Master-/slavfunktionaliteten gör det möjligt för en skanner att kommunicera med upp till tre andra skannrar. Det kan förenkla systemkonstruktionen avsevärt och göra det möjligt att använda en billigare styrenhet eftersom skyddsstyrenheten enbart behöver kommunicera med mastern, som vidarebefordrar instruktionerna till slavarna. Modellen SE2L-H05LP kan installeras med kablar på 2 till 20 m, vilket ytterligare ökar flexibiliteten.

Skannrarna har en cykeltid för skanning på 30 ms och kan inkludera 32 mönster i det skannade området. Med hjälp av funktionen för dubbla områden kan en enda SE2L-enhet, oberoende av andra, skanna två intilliggande områden samtidigt vilket eliminerar behovet av en andra skanner och förenklar systemkonstruktionen.

Låg strömförbrukning för batteridrivet skydd

Att förlänga drifttiderna för automatiskt styrda fordon och autonoma mobila robotar kan vara en viktig faktor. Tillämpningarna kan dra nytta av den lilla (104,5 mm) laserskannern OS32C-SP1-4M från Omron. Den förbrukar maximalt 5 W (3,75 W i standby-läge) och har 70 kombinationer av skydds- och varningsområden, vilket gör den lämplig för användning i komplexa miljöer (figur 4). Övriga funktioner inkluderar:

• Lägsta upplösning som kan ställas in på 30, 40, 50 eller 70 mm.
• Skyddsområdet varierar med upplösningen:
  • 1,75 m (30 mm upplösning)
  • 2,5 m (40 mm upplösning)
  • 3 m (50 mm upplösning)
  • 4 m (70 mm upplösning)
• Radie för varningsområde på upp till 15 m
• Konfigurerbar svarstid mellan 80 och 680 ms.
• Tiden för växling mellan områden kan ställas in mellan 20 och 320 ms

Figur 4: Laserskannern med låg strömförbrukning har stöd för 70 kombinationer av skydds- och varningsområden, vilket gör den lämplig för autonoma mobila robotar som arbetar i komplexa eller dynamiska miljöer. (Bildkälla: Omron)

Tredubbla områden med valbar sampling och upplösning

Laserskannrarna S300 Mini Standard från SICK har valbara upplösningar för detektering och samplingsnivåer. Modellen S32B-2011BA stödjer exempelvis upplösningsdiametrar på 30, 40, 50 och 70 mm. Fler samplingar och upplösningar kan definieras individuellt för respektive område, inklusive samtidiga skyddsområden (figur 5). Skannrarna stödjer upp till 48 fritt konfigurerbara områden och 16 omkopplingsbara områdesuppsättningar. Funktionen med tredubbla områden gör det möjligt att använda ett skyddsområde och två varningsområden samtidigt.

Figur 5: Laserskannern S300 Mini Standard kan implementera flera samplingsnivåer och olika upplösningar för respektive skanningsområde. (Bildkälla: SICK)

Eliminerar behovet av enPLC för skyddsfunktioner

Laserskannrarna SX5 från Banner Engineering har en inbyggd förbikopplingsfunktion som kan övervaka och agera på signaler och automatiskt avbryta skyddsfunktionen så att ett objekt kan passera genom skyddsområdet utan att generera ett stoppkommando. Förbikopplingsfunktionen gör det möjligt att stänga av hela skyddsområdet (fullständig förbikoppling) eller bara en del (partiell dynamisk förbikoppling).

En huvudenhet för SX5, som t.ex. SX5-ME70, kan styra upp till tre fjärrenheter, som t.ex. SX5-R.. Skannern kan även läsa av inkrementella kodare för att ändra skyddsområdet baserat på fordonets hastighet. Funktionerna kan eliminera behovet av ytterligare styrutrustning som t.ex. en PLC för skyddsfunktioner.

Sammanfattning

Om de specificeras, konfigureras och integreras på rätt sätt är laserskannrar väl lämpade för att skydda människor och maskiner i tillämpningar med tillträdesövervakning, områdesskydd och för mobila system, inklusive automatiskt styrda fordon och autonoma mobila robotar. De uppfyller kraven för PLd och SIL3 och är lämpliga för användning i tillämpningar där säkerheten är en viktig faktor. Skannrarna finns med olika kombinationer av egenskaper och funktioner för att passa i en mängd olika tillämpningsbehov.