Hur man väljer och integrerar flerdimensionella säkerhetssystem för att skydda arbetare från robotar

Säkerheten är avgörande vid användning av samarbetande robotar, autonoma mobila robotar och autonoma styrda fordon i fabriker och logistikanläggningar. Den är också komplex och flerdimensionell.

Maskinrörelser måste övervakas och styras enligt ISO 13849 (International Organization for Standardization), IEC 62061 (International Electrotechnical Commission) och IEC 61800-5-2 (International Electrotechnical Commission) som innehåller säkerhetskrav och vägledning om principerna för utformning och integrering av säkerhetsrelaterade delar av styrsystem (SRP/CS).

För att säkerställa säker drift av samarbetande robotar, autonoma mobila robotar, autonoma styrda fordon och liknande utrustning krävs ofta att man upprättar ett säkerhetsområde i flera lager med flera fält, från inledande detektering och varning för närliggande objekt till identifiering av när ett objekt bryter igenom en riskzon och stoppar maskinen.

Ett modulärt säkerhetsstyrsystem kan lägga till ytterligare ett lager av analys och skydd. Effektiv och snabb felanalys kan vara en viktig faktor när man hanterar intrång i skyddsfält och oväntade utlösningar av en skanner. Det kan kräva en andra sensor för att övervaka den primära sensorns skyddsfält.

Artikeln inleds med en kort uppfräschning av kraven i ISO 13849, IEC 62061 och IEC 61800-5-2 samt en genomgång av grunderna för tvådimensionella (2D) LiDAR-säkerhetslaserskannrar (Light Detection and Ranging). Därefter följer en djupdykning i hur säkerhetslager kan implementeras för att skydda människor från samarbetande robotar, autonoma mobila robotar, autonoma styrda fordon och liknande utrustning.

Här ingår en genomgång av användning och integrering av 2D LiDAR-sensorer och en titt på fördelarna med att kombinera dessa sensorer med en modulär programmerbar säkerhetsstyrenhet för att ge ytterligare en säkerhetsdimension, samt användning av en händelsekamera för att möjliggöra felanalys av oväntade intrång i skyddsfält. Exempel på enheter från SICK ingår.

IEC 61508, "Funktionssäkerhet för elektriska, elektroniska och programmerbara elektroniska säkerhetsrelaterade system", är en grundläggande standard för funktionssäkerhet som gäller för alla branscher. Därutöver finns bransch- och applikationsspecifika delkapitel och varianter.

IEC 62061, "Maskinsäkerhet: Funktionssäkerhet för elektriska, elektroniska och programmerbara elektroniska styrsystem" är den maskinspecifika varianten av IEC 61508. IEC 61800-5-2, "Varvtalsreglerade elektriska drivsystem - Del 5-2: Säkerhetskrav - Funktionella", är också relaterad till IEC 61508 och är en standard för konstruktion och utveckling av varvtalsreglerade drivsystem.

ISO 13849 har utvecklats oberoende och inte härletts från IEC 61508. Båda är inriktade på funktionssäkerhet. IEC 61800-5-2 använder Safety Integrity Levels (SIL) för att definiera säkerhetskrav, medan ISO 13849 definierar Required Performance Level (PL_r).

ISO 13849 och IEC 61508 bygger på konceptet sannolikhet för farliga fel per timme (PFH_d). Funktionssäkerhetsanalysen enligt ISO 13849 tar hänsyn till tre faktorer: allvarlighetsgraden för en eventuell skada, frekvensen eller exponeringen för en risk samt möjligheten att begränsa risken och undvika skada (figur 1):

• Skadans allvarlighetsgrad
  • S1: Lindrig (normalt reversibel skada)
  • S2: Allvarlig (normalt irreversibel eller dödlig)
• Frekvens och/eller exponering för fara
  • F1: Sällan till mindre ofta och/eller exponeringstiden är kort
  • F2: Sällan till kontinuerlig och/eller exponeringstiden är kort
• Möjlighet att undvika fara eller begränsa skada
  • P1: Möjligt under särskilda förhållanden
  • P2: Knappast möjligt

Figur 1: Härledning av PL_r-nivåer i ISO 13849 och motsvarande SIL i IEC 62061. Båda standarderna baseras på begreppet farliga fel per timme (PFH_d). (Bildkälla: SICK)

Hur fungerar LiDAR?

Certifiering enligt PL_b i enlighet med ISO 13849 krävs för användning av 2D LiDAR-säkerhetssensorer i tillämpningar för personligt skydd. 2D LiDAR-sensorfamiljen TiM innehåller modeller som uppfyller dessa krav. 2D LiDAR-sensorer skannar av sin omgivning med hjälp av optisk ToF-teknik (Time-of-Flight). ToF implementeras genom att skicka ut laserpulser med hjälp av en roterande spegel och detektera det reflekterade ljuset. Ju längre tid det tar för det reflekterade ljuset att nå tillbaka till sensorn, desto längre bort är objektet.

Tidsmätningen i kombination med styrkan i den returnerade signalen gör att sensorn kan beräkna positionen för flera objekt med millimeternoggrannhet. Den resulterande bilden av omgivningen uppdateras upp till 15 gånger varje sekund (figur 2). Den kan stödja navigering, riktning, kontroll och säkerhetsfunktioner i realtid.

Figur 2: TiM 2D LiDAR-sensorer använder en roterande spegel och laserpulser för att skapa en bild av omgivningen som kan uppdateras upp till 15 gånger varje sekund. (Bildkälla: SICK)

TiM 2D LiDAR-sensorer detekterar objekt i definierade områden (fält) som ska övervakas. Beroende på modell har de en räckvidd på upp till 25 m och ett arbetsområde på upp till 270°.

Returpulsens information från lasern bearbetas med hjälp av HDDM-teknik (High Definition Distance Measurement) eller HDDM+-teknik. HDDM uppnår en mycket hög mätningsnoggrannhet på korta avstånd och är lämplig för finpositionering i tillämpningar som dockning. HDDM+ hanterar kantreflektioner särskilt bra, vilket gör den bäst lämpad för tillämpningar inom lokalisering och förhindrande av kollisioner i dynamiska miljöer.

I båda fallen gör den patenterade tekniken HDDM/HDDM+ med flera pulser det möjligt för TiM 2D LiDAR-sensorer att detektera hela skanningsområdet utan luckor, vilket garanterar konsekvent mätprecision, och de kan hantera olika ytor och remissionsfaktorer.

Typerna TiM1xx, TiM3xx och TiM7xx känner av om objektet befinner sig inom ett fördefinierat fält. Sexton fältuppsättningar, var och en med tre förkonfigurerade fält, möjliggör snabb anpassning under drift (figur 3). Enskilda fältgeometrier kan specificeras, eller så kan fält med referenskonturer definieras för övervakning av en statisk kontur. Digitala filter, maskerade områden och svarstider kan också definieras för att maximera prestandan även vid kraftigt regn, snö eller damm.

Figur 3: Fältuppsättningarna i TiM 2D LiDAR-sensorer består av tre förkonfigurerade fält. (Bildkälla: SICK)

Modeller som tillhandahåller fältutvärderingsdata eller fältutvärdering och mätdata finns tillgängliga. Sensorer för fältutvärdering fastställer endast förekomsten av ett objekt, medan fältutvärdering och mätdata kan användas för att ge en exakt bild av en skannad yta.

Förutom avståndsdata finns TiM 2D LiDAR-sensorer som även tillhandahåller vinkeldata och har en RSSI-utgång (Received Signal Strength Indicator). Denna utökade datauppsättning kan vara särskilt användbar för att undvika kollisioner och navigering för autonoma mobila robotar i föränderliga miljöer.

Säkerhets-LiDAR, lägger till de första skyddslagren

TiM 2D LiDAR-familjen innehåller säkerhetsrelaterade varianter, TiM361S (fältutvärdering) och TiM781S (fältutvärdering och mätdatautgång), som uppfyller kraven i PL_b och kan användas för både stationära och mobila tillämpningar. De kan användas för personskydd vid åtkomstövervakning av industriella samarbetande robotar och på mobila plattformar som autonoma mobila robotar och autonoma styrda fordon.

• Typ TIM361S-2134101, modellnummer 1090608, är lämplig för inomhusbruk med ett avkänningsområde på 0,05 till 10 m och HDDM-teknik.
• Typ TIM781S-2174104, modellnummer 1096363, är lämplig för inomhusbruk med ett avkänningsområde på 0,05 till 25 m och HDDM+-teknik.

Förenklad integration

TiM 2D LiDAR-sensorer är utformade för att förenkla integrationen. Med en kapslingsklassificering på upp till IP67 kan varken damm eller fukt tränga in i höljet. De är mycket motståndskraftiga mot stark omgivande belysning på upp till 80 000 lx. Deras robusta konstruktion uppfyller kraven på vibrationstålighet enligt IEC 60068-2-6 och kraven på stöttålighet enligt IEC 60068-2-27. Robustheten kan vid behov ökas med hjälp av dämpade fästen för skyddsplåtar.

Den kompakta designen, den låga vikten och den låga strömförbrukningen hos TiM 2D LiDAR-sensorer gör dem väl lämpade för mobila plattformar. Typ TIM361S-2134101 och typ TIM781S-2174104 väger båda endast 250 g, har en typisk effektförbrukning på 4 W och har måtten L 60 x B 60 x H 86 mm.

Säkerhetsstyrenheter lägger till ytterligare ett lager

LiDAR-laserskannrar upptäcker faror och skickar varningar, medan en modulär säkerhetsstyrenhet kan lägga till ytterligare ett lager av säkerhet till ett skyddssystem. Säkerhetsstyrenheten Flexi Soft är t.ex. ett modulärt system som kan anslutas till olika sensorer och omkopplingselement, inklusive laserskannrar. Den är SIL3-klassificerad enligt IEC 61508 och PLe med en PFH_d på 1,07 x 10^-9 enligt ISO 13849.

Ett grundsystem består av minst två moduler (figur 4):

1. CPU0, som modell 1043783, är den centrala logikenheten där signaler från sensorer som LiDAR analyseras och utvärderas, vilket avlastar säkerhetsanalysen från den centrala maskinstyrenheten. Utgången från CPU0 kopplas till en högre nivå av maskinstyrning, t.ex. en programmerbar logisk styrenhet (PLC), där säkerhetsfunktionerna implementeras.
2. En XTIO I/O-expansionsmodul, t.ex. modell 1044125, krävs för att ansluta laserskannrar till systemet. En XTIO I/O-expansionsmodul krävs för varannan laserskanner, eftersom respektive laserskanner använder tre omkopplingsingångar. Styrenheten kan hantera upp till 12 I/O-moduler.

Bild 4: Säkerhetsstyrsystemet Flexi Soft består av en processormodul (1) och en eller flera I/O-moduler (2). (Bildkälla: SICK)

Vad hände?

Ett viktigt inslag i ett säkerhetssystem kan vara förmågan att analysera och förstå grundorsaken till eventuella fel och svara på frågan: "Vad hände som fick säkerhetslaserskannern att utlösas?" En händelsekamera, EventCam från SICK, är särskilt utformad för att upptäcka och analysera sporadiska fel i industriella miljöer.

EventCam är fristående med optik, belysning, elektronik och minne och kan integreras i mobila eller stationära system. Det gjutna aluminiumhöljet är IP65-klassificerat och kan monteras i olika lägen. EventCam kan anslutas till ett automationssystem, som t.ex. en säkerhetsstyrenhet, eller direkt till en sensor.

När ett fel har rapporterats börjar EventCam lagra enstaka bildrutor eller videosekvenser. Det interna ringminnet kan lagra upp till 240 sekunder före och 100 sekunder efter en händelse. I HD-läge (High Definition) kan den spela in upp till 25 sekunder före och 15 sekunder efter. Antalet videobilder per sekund (bps) varierar mellan 13 och 65, beroende på vilken upplösning som krävs.

EventCam kan även vara användbart vid driftsättning av nya maskiner eller processer. Den kan övervaka en oövervakad testkörning, t.ex. ett kontinuerligt test som pågår under flera timmar eller flera dagar, och snabbt identifiera felkällor. Flera EventCams kan övervaka en enda process, vilket ger visuell information från flera vinklar samtidigt, för en djupare och mer noggrann analys av fel (figur 5).

Figur 5: Flera EventCams kan synkroniseras för att spela in en enda händelse från flera vinklar samtidigt. (Bildkälla: SICK)

EventCam finns i två varianter. Modell 1102028 har ett arbetsområde på 0,4 m till 0,6 m och är lämplig för användning med stationära samarbetande robotar med relativt små skyddsutrymmen. Modell 1093139 har ett arbetsområde på 0,8 till 6 m och kan hantera större skyddsutrymmen som uppstår med större samarbetande robotar, autonoma mobila robotar och autonoma styrda fordon.

Sammanfattning

2D LiDAR-sensorer som TiM-familjen från SICK kan utgöra den första försvarslinjen i ett säkerhetssystem för samarbetande robotar, autonoma mobila robotar, autonoma styrda fordon och liknande maskiner. De tillhandahåller en rad skyddsfält för att övervaka när människor närmar sig. Genom att lägga till en säkerhetsstyrenhet kan man stödja intrångsanalys och förbättra systemets prestanda. Slutligen kan en eller flera EventCams övervaka den primära 2D LiDAR-sensorn för att hjälpa till att identifiera grundorsaken till eventuella sporadiska utlösningar.