Använda ljusridåer för att öka säkerheten och mäta föremål

Ljusridåer är en mångsidig teknik. Även om de ofta förknippas med säkerhetstillämpningar har de en rad olika användningsområden, inklusive maskinskydd och upprättande av skyddsområden, materialhantering för att upptäcka förekomst av föremål eller mäta storleken på föremål som passerar, säkerställa korrekt läge eller riktning för föremål i förpacknings- och sorteringstillämpningar samt intrångsdetektering och tillträdesövervakning för skyddsområden.

Se del 1 av "Hur laserskannrar kan skydda människor och maskiner", i denna serie, för en jämförelse mellan ljusridåer och laserskannrar samt en genomgång av skannerns användningsområden.

Artikeln inleds med en genomgång av viktiga specifikationer och prestandastandarder för ljusridåer, presenterar exempel på tillämpningar med ljusridåer i säkerhets- och tillträdessystem samt hur ljusridåer med mätningsfunktion fungerar. På vägen dit presenteras exempel på ljusridåer från Panasonic, IDEC, Omron och Banner Engineering.

Standarder och typer av ljusridåer

Fyra typer av skyddsprestanda definieras i standarden IEC 61496, Maskinsäkerhet - Elektriskt avkännande skyddsanordningar (ESPE). De relevanta typerna är 2, 3 och 4. Typ 1 är inte definierad för tillämpningar med ljusridåer.

IEC 61496 lägger till ytterligare ett lager av krav ovanpå definitionerna för SIL (safety integity levels) i IEC 61508 och ISO 13849 som definierar prestandanivåer (PL).

SIL är rangordnad från 1 till 3, där SIL 3 är den högsta nivån, och PL är rangordnad från "a" till "e", där PLe är den mest krävande. Med hjälp av klassificeringarna i IEC 61496 faller ljusridåer i allmänhet in under typ 2 och 4, även om ett fåtal enheter är klassificerade som typ 3. Laserskannrar uppfyller kraven för typ 3. Några viktiga faktorer i typindelningen är bland annat:

Enheter av typ 2 måste uppfylla SIL 1 och PLc. De är avsedda att användas i tillämpningar med lägre risk där fel kan leda till skador som t.ex. knuffar eller blåmärken, nedslagning, mindre skärsår och skrubbsår eller fastklämning men inte krosskador. IEC 61496 kräver att enheten utför en egenkontroll vid start och regelbundet under drift. Enheterna saknar de redundanta automatiska kretsarna för egenkontroll som finns i ljusridåer av typ 4. Den effektiva bländarvinkeln (EAA) som definierar synfältet måste vara ±5 grader eller smalare. Annars finns risken för optiska störningar och fel.

Elektriskt avkännande skyddsanordningar av typ 3, som t.ex. laserskannrar och ett fåtal ljusridåer, måste uppfylla SIL 2 och PLd och är "konstruerade för att inte leda till fara på grund av ett enstaka fel, men kan leda till fara på grund av en ackumulering av fel". Enheterna har även strängare krav på elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) jämfört med enheter av typ 2. Enheter av typ 3 är lämpliga för tillämpningar där säkerheten är av stor vikt.

Ljusridåer av typ 4 är konstruerade för användning där säkerheten är av största vikt. De måste uppfylla de högsta standarderna, PLe och SIL 3. De är konstruerade "för att inte orsaka fara på grund av ett enskilt fel eller en ackumulering av fel". De har en mindre bländarvinkel, ±2,5 grader, vilket gör dem mindre känsliga för optiska störningar och gör att de lättare kan känna igen föremål. De måste uppfylla de strängaste kraven för elektromagnetisk kompatibilitet.

Ljusridåer av typ 2 är upp till 30 % billigare än ljusridåer av typ 4 tack vare billigare optik och enklare feldetekteringskretsar. Ljusridåer av typ 4 finns med flera olika upplösningar, däribland 14 mm för identifiering av fingrar, 30 mm för händer, 50 mm för ben och 90 mm för närvaro av en människokropp. Ljusridåer av typ 2 är däremot i allmänhet begränsade till större upplösningar (figur 1).

Figur 1: Ljusridåer av typ 4 är vanligtvis tillgängliga med en lägre minsta upplösning än enheter av typ 2. (Bildkälla: IDEC)

Förutom att känna av föremål av olika storlek kan ljusstrålarna i en ljusridå styras individuellt för att tillhandahålla mer avancerade funktioner som t.ex. förbikoppling, blockering och mätning av storlek och antal föremål.

Förbikoppling eller släckning av ljusridåer

Förbikoppling eller släckning av en ljusridå innebär att hela eller delar av ljusridån stängs av vid vissa omständigheter. Förbikoppling är en automatisk process som upphäver hela eller delar av ljusridåns skydd och vanligtvis inträffar under en ofarlig del av maskinens cykel. Den kan tillåta föremål att komma in i ett arbetsområde utan att stoppa någon farlig aktivitet. När föremålet har kommit in i arbetsområdet återställs ljusridåns omfattande skyddsfunktion.

Typiska tillämpningar för förbikoppling är bland annat:

• Möjliggörande av in-/utmatning av pallar för en palleteringsmaskin mellan arbetsmoment
• Förflyttning av material mellan olika områden i en automatiserad tillverkningsprocess samtidigt som personalen skyddas när maskinerna är aktiva

Figur 2: Med dämpning kan en ljusridå släppa igenom föremål av en viss storlek utan att avbryta maskinens drift (vänster). Vid upptäckt av andra föremål, som t.ex. en hand eller fingrar (höger) stoppas maskinen. (Bildkälla: Panasonic)

Släckning innebär att man stänger av en del av ljusridån utan att stoppa skyddet för maskinen. Det kan även ge människor begränsad tillgång till ett område under en säker period. Typiska tillämpningar för släckning är bland annat för att:

• Sträcka sig in för att lasta eller lossa i en robotstation under en säker period
• Tillgång till en hydraulisk stansmaskin när maskinens cykel är i det övre läget

Ljusridå av typ 2

Ljusridåer av typ 2 i serien SG2 från IDEC finns i modeller för hand- och närvaroskydd. Modellen SG2-90-030-OO-X är t.ex. avsedd för närvarodetektering med en övervakningshöjd på 300 mm och en upplösning på 90 mm. Den har en test-/återstartsfunktion och ett integrerat justeringssystem för snabbare driftsättning. De vridbara monteringsfästena gör installationen ännu snabbare och gör det enkelt att rikta in sändar- och mottagarenheterna, även i tillämpningar där speglar används eller där avståndet är upp till 19 m.

Förbikoppling och släckning i tuffa miljöer

Tillämpningar med ljusridåer i kyl- och fryslager med temperaturer ned till -30 °C, metallbearbetningsprocesser som t.ex. stansmaskiner som kräver oljesäkert inträngningsskydd enligt IP67G och andra verksamheter i tuffa, dammiga och smutsiga miljöer som t.ex. fordonstillverkning och verktygsmaskiner kan använda sig av serien F3SG-SR från Omron. Ljusridåerna av typ 4 inkluderar dämpning samt fasta och flytande funktioner för släckning.

Ljusridåerna F3SG-SR har övervakningshöjder från 160 till 2 480 mm. När det behövs detektering av händer eller andra föremål med en diameter på 25 mm kan konstruktörer av säkerhetssystem använda sig av F3SG-4SRA0280-25-F som stödjer flexibla längder i steg om 40 till 1 000 mm med hjälp av 27 ljusstrålar och en övervakningshöjd på 280 mm (figur 3).

Figur 3: Denna ljusridå har flexibla längder i steg om 40 mm med en övervakningshöjd på 280 mm. (Bildkälla: Omron)

Motstår vridning, böjning och stötar

När en ljusridå används där den kan utsättas för stötar och vridning kan systemkonstruktörer använda sig av ljusridåerna i typ 4-serien SF4D från Panasonic. Den 630 mm långa modellen SF4D-H32-0 har IP67-klassificering, 25 mm upplösning för skydd av händer och integrerade funktioner för släckning och dämpning.

En viktig del för ljusridåernas robusthet är den omkonstruerade interna enheten som gjorde det möjligt att optimera höljet för att uppnå robusthet och styvhet. Den interna enheten upptar mindre än 40 % av volymen jämfört med tidigare modeller, vilket möjliggör en betydande ökning av höljets tjocklek (figur 4). Trots att den interna enheten är mindre har den optiska effekten ökat och OFF-svarstiden för styrutgångarna är 10 ms eller kortare, eller 18 ms eller kortare när de är serie- eller parallellkopplade.

Figur 4: Den mindre inre enheten har högre optisk effekt samtidigt som den möjliggör ett betydligt tjockare hölje. (Bildkälla: Panasonic)

Mätning med ljusridåer

Ljusridåer som är avsedda för mätning av föremål har vanligtvis tre lägen: rak skanning, skanning av en kant och skanning av två kanter. Viktiga specifikationer inkluderar minsta detekteringsstorlek för föremål (MODS) och kantupplösning (ER).

Rak skanning är vanligtvis standardläget och ljusstrålarna skannas sekventiellt från den ena till den motsatta änden av matrisen. När den första oblockerade ljusstrålen påträffas bestäms mätningen. Typiska känsligheter för rak skanning med lågkontrastläge är en minsta detekteringsstorlek för föremål på 5 mm och en kantupplösning på 5 mm. Om skannerns läge för hög överskottsförstärkning används är minsta detekteringsstorleken för föremål 10 mm och kantupplösningen 5 mm. Skanning av enkel och dubbel kant kan ge en minsta detekteringsstorlek för föremål på 10 mm och en kantupplösning på 2,5 mm.

En skanning av enkel kant börjar med att den första (lägsta) ljusstrålen blockeras, vilket indikerar att det finns ett föremål närvarande. Ljusridån kontrollerar därefter den mittersta ljusstrålen. Skannern tittar på ljusstrålarna i den nedre fjärdedelen för att se om den mittersta ljusstrålen är oblockerad. Skannern tittar på ljusstrålarna i den övre fjärdedelen för att se om den mittersta ljusstrålen är blockerad.

När det har fastställts om den övre eller nedre fjärdedelen av ljusstrålarna är blockerade eller oblockerade fortsätter man att dela antalet ljusstrålar på hälften tills föremålets övre kant har upptäckts.

I situationer där den första ljusstrålen inte nödvändigtvis är blockerad kan skanning av dubbel kant användas och börjar med val av stegstorlek, vanligtvis 1, 2, 4, 8, 16 eller 32, beroende på tillämpningen. Det börjar med att ljusridån aktiverar ljusstråle 1. Om den ljusstrålen är blockerad har den första kanten identifierats. Om den inte är blockerad aktiverar ljusridån nästa ljusstråle, som bestäms av stegens storlek. Om storleken på stegen exempelvis är 4, aktiveras ljusstråle 5.

Om den aktiverade ljusstrålen inte är blockerad fortsätter ljusridån att stega vidare tills en blockerad ljusstråle hittas. När det inträffar används en binär sökning tillbaka mot starten för att identifiera den första blockerade ljusstrålen och motsvarande kant kan identifieras. Processen upprepas, den här gången med den identifierade kanten som referenspunkt och stegningsmetoden för att identifiera en oblockerad ljusstråle, och sedan en återgång för att hitta den ljusstråle med högst nummer som är blockerad, vilket identifierar den andra kanten.

Figur 5: Exempel på sekvenser av ljusstrålar i en skanning av dubbel kant. (Bildkälla: Banner Engineering)

Ljusridåer för mätning

Ljusridåerna A-GAGE EZ-ARRAY för mätning från Banner Engineering är utformade för tillämpningar som t.ex. bestämning av produktstorlek och profil i realtid, kant- och centrumstyrning, håldetektering, detaljräkning och så vidare. Sändare och mottagare är mellan 150 och 2 400 mm långa (figur 6). Modellen EA5E600Q är exempelvis 600 mm lång och har 120 ljusstrålar. Ljusridåerna stödjer exakt övervakning med hög hastighet, inspektion av processer, profilering och system för webbguidning. Ytterligare funktioner inkluderar:

• Många olika skanningsalternativ:
  • 16 lägen för skanningsanalyser (mätningar)
  • Tre skanningsmetoder
  • Valbar släckning av ljusstrålar
• DIP-omkopplare med sex lägen för inställning av skanningsläge, mätningsläge, analog lutning och inställning av den kompletterande separata mätningen eller larmdrift.

Figur 6: Ljusridåerna i produktfamiljen A-GAGE EZ-ARRAY för mätning finns i längder från 150 till 2 400 mm. (Bildkälla: Banner Engineering)

Sammanfattning

Ljusridåer kan göra mycket mer än att bara förhindra tillträde till farliga och känsliga områden och skydda både människor och maskiner. De kan stödja behörigt tillträde med hjälp av funktioner för släckning och dämpning för att öka produktiviteten. Ljusridåer kan även stödja beröringsfria mättekniker som snabbt och effektivt mäter flera olika mått på föremålen.