Slik kan sikkerhetslaserskannere beskytte mennesker og maskiner

Sikkerhetslaserskannere kan bidra til sikkerhet i industri- og logistikkanlegg. De kan beskytte folk mot usikre samhandlinger med maskiner, og de kan beskytte maskiner mot utilsiktede påvirkninger fra mennesker.

Flere faktorer er nødvendige for å maksimere effektiviteten til sikkerhetslaserskannere. Den første er å finne ut om en laserskanner er den beste løsningen, eller om en annen teknologi, for eksempel en lysgardin, kan være bedre egnet for utrustningen.

Når det er fastslått at en skanner er det beste valget, er det viktige beslutninger som må tas, deriblant:

• Velge de optimale sikkerhetsbeskyttelsesfeltene og feltsettene
• Bruke en standard som ISO 13855 for å posisjonere sikkerhetstiltak med hensyn til en persons tilnærming
• Velge riktig multiplum av samplingsverdi
• Velge en skanner med det optimale funksjonssettet

Denne artikkelen starter med å gjennomgå faktorene som påvirker når du bør velge en skanner og når du bør velge en lysgardin. Deretter presenterer den de viktige utvalgskriteriene for bruk av skannere, og den ser på representative sikkerhetslaserskannere fra IDEC, Omron, SICK og Banner Engineering.

Skanner eller gardin?

En av de første faktorene som må vurderes: Hvilket fysiske område skal beskyttes? Både skannere og lysgardiner kan beskytte folk mot personskader og beskytte maskiner mot forstyrrende elementer. Selv om det er et vist overlapp i de beskyttende egenskapene til skannere og lysgardiner, er de vanligvis egnet for forskjellige bruksområder, for eksempel:

Beskyttelse på driftsstedet (point-of-operation protection), som refererer til det aktive området på en maskin der arbeidet utføres. Lysgardiner er egnet for dette bruksområdet siden de kan plasseres på et optimalt sted, og oppløsningen kan konfigureres slik at de detekterer fingre, hender eller føtter/ben og levere det nødvendige beskyttelsesnivået. Skannere trenger vanligvis lengre minimumsavstand fra farer på grunn av lengre responstider, og de brukes vanligvis ikke for beskyttelse på driftsstedet.

Omkretsbeskyttelse, som beskytter flere sider av en maskin. I likhet med beskyttelse på driftsstedet, er lysgardiner godt egnet for å gi kompakte løsninger for omkretsbeskyttelse. Hvis en person krysser omkretsen, kan et stoppsignal sendes slik at maskinen stanses. Selv om både lysgardiner og skannere kan brukes for omkretsbeskyttelse, blir sikkerhetslysgardiner oftere brukt for omkretsbeskyttelse, og skannere oftere brukt for områdebeskyttelse.

Tilgangskontroll og områdebeskyttelse, som kan implementeres med en lysgardin eller skanner avhengig av de spesifikke behovene til utrustningen. Lysgardiner er egnet når det er ett enkelt inngangspunkt. For eksempel gjør individuell overvåking og evaluering av hver lysstråle det mulig for en lysgardin å skille mellom en «høy» person og en «kort» materialbærer, for eksempel en palle som krysser en terskel, og modifisere responsen i henhold til denne informasjonen.

Skannere kan konfigureres til å overvåke et område på 275 grader for å opprette en brukerdefinert todimensjonal beskyttet sone (figur 1). De kan også etablere flere beskyttelsessoner basert på avstanden mellom en person og den beskyttede maskinen, og følgelig bremse eller stanse maskinen etter behov.

Figur 1: En sikkerhetslaserskanner som denne kan overvåke et område på 275 grader for å opprette en todimensjonal beskyttelsessone og sende en alarm hvis en uventet person eller gjenstand entrer dette området (røde linjer). (Bildekilde: Banner Engineering)

Mobile systemer som autonome mobile roboter (AMR – autonomous mobile robot) og automatiske veiledede kjøretøy (AGV – automatic guided vehicle), som kan dra nytte av å bruke flere skannere. Disse skannerne kan være batteridrevne og installert for å fungere sammen, samtidig som de overvåker dusinvis av sikkerhetssoner rundt kjøretøyet. Ulike soner kan aktiveres basert på kjøretøyets hastighet, posisjon og forventede retningsendringer. Data fra skannerne kan suppleres med pulsgivere på hjulene og andre sensorinnganger for å støtte AMR-navigasjon.

Slik velges sikkerhetsnivå

Når det fysiske området som skal beskyttes er definert, er den neste faktoren det nødvendige sikkerhetsnivået. I tillegg til å ha forskjellige fordeler for det aktuelle bruksområdet, støtter lysgardiner og sikkerhetslaserskannere forskjellige sikkerhetsnivåer i henhold til definisjoner fra ulike internasjonale standarder. For eksempel definerer ISO 13849-1 påliteligheten til sikre styringsfunksjoner ved å bruke ytelsesnivåer (PL – performance level) fra «a» til «e», der PLe representerer det høyeste nivået.

Sikkerhetslaserskannere oppfyller kriteriene for PLd, og de er egnet for bruk i utrustninger der sikkerhet er en hovedprioritet. En PLd-klassifisering gis til systemer som har en sannsynlighet for farlige feil hver 1 til 10 millioner timer (141 til 1141 år basert på kontinuerlig drift). Lysgardiner er tilgjengelige med et bredere spekter av alternativer, fra PLc til PLe.

IEC 62061, Maskinsikkerhet: Funksjonssikkerhet for elektriske, elektroniske og programmerbare elektroniske styringssystemer er en annen viktig standard. Den er basert på en strategi for risikovurdering og -reduksjon for sikkerhetsstyringsfunksjoner som lysgardiner og sikkerhetslaserskannere. Den inkluderer spesifikasjoner for funksjonelle krav og krav til sikkerhetsintegritetsnivå (SIL – safety integrity level).

Eksempler på funksjonelle krav inkluderer driftsfrekvens, responstid, driftsmoduser, driftssykluser, driftsmiljø, feilreaksjonsfunksjoner og så videre. De resulterende sikkerhetsintegritetsnivåene måles på en skala fra 1 til 4 (figur 2).

Figur 2: Sikkerhetslaserskannere oppfyller kriteriene til PLd og SIL3 og er egnet for bruk i utrustninger der sikkerhet er viktig. (Bildekilde: SICK)

ISO 13855 definerer hvordan man plasserer skannere med hensyn til en persons tilnærming. For eksempel, hvis en skanner er montert i en høyde på 300 mm, er en oppløsning på 70 mm tilstrekkelig for å detektere et menneskelig ben. En minimumsoppløsning på 50 mm er anbefalt ved lavere monteringshøyder.

Skannerspesifikasjoner

Når det er fastslått at en sikkerhetslaserskanner oppfyller utrustningskravene og kan støtte det nødvendige sikkerhetsnivået, er det på tide å se på spesifikasjoner. Eksempler på viktige skannerspesifikasjoner omfatter:

Skannevinkel. Flere skannevinkler er tilgjengelige, for eksempel 190, 270 og 275 grader. Skannevinkelen og dens struktur fastsetter hvordan skanneren må monteres i systemet for å overvåke de nødvendige områdene.

Beskyttelsessoner. Sikkerhetslaserskannere har flere beskyttelsessoner, inkludert den primære beskyttelsessonen og én eller flere varslingssoner. Noen kan bruke skannede data til automatisk konfigurering for å ignorere stasjonære objekter i varslingssonene (figur 3). I noen tilfeller kan en sikkerhetslaserskanner skanne flere soner, enten sekvensielt eller samtidig. For eksempel kan en skanner støtte opptil 70 unike sikkerhetssonesett. På en AMR gjør denne funksjonen det mulig for skanneren å justere de skannede områdene basert på omgivelsene og bevegelseshastigheten.

Figur 3: Idriftsetting kan fremskyndes ved å bruke en skanner som bruker skannede data for automatisk konfigurering, slik at stasjonære objekter i varslingssonene kan identifiseres. (Bildekilde: IDEC)

Beskyttende feltområde. Dette er den maksimale avstanden som det beskyttede området kan strekke seg fra skanneren. Typiske verdier varierer fra 3 til 10 m. Det nødvendige beskyttede feltområdet avhenger av lokale forskrifter og skannerens responstid og oppløsning.

Oppløsning Den måles i mm og bestemmer minimumsstørrelsen på objektet som skanneren kan detektere nøyaktig. Typiske verdier varierer fra 30 mm til 200 mm.

Responstid (deteksjonstid). Måler hvor raskt en skanner kan gjenkjenne tilnærmingen til et objekt. Typiske verdier varierer fra 60 til 500 ms.

Sampling. Angir hvor mange ganger et objekt må skannes i orden for å bli gjenkjent av skanneren. Vanligvis kreves minst to samplingsskanninger. For noen skannere og under visse omstendigheter kreves imidlertid ti eller flere påfølgende samplingsskanninger for å gjenkjenne et objekt.

To beskyttelsessoner

Sikkerhetslaserskannere har ulike funksjoner og egenskaper som er egnet for ulike konstruksjonsbehov. For eksempel inkluderer SE2L-sikkerhetslaserskannere fra IDEC master/slave-funksjonalitet og to beskyttelsessoner. Master/slave-funksjonen gjør at én skanner kan kommunisere med opptil tre andre skannere. Dette kan kraftig forenkle systemets konstruksjon og muliggjøre bruk av en mer prisgunstig styring, siden sikkerhetsstyringen kun trenger å kommunisere med masteren, som videresender instruksjonene til slave-skannerne. SE2L-H05LP-modellen kan installeres ved å bruke 2 til 20 m lange kabler, noe som øker fleksibiliteten ytterligere.

Disse skannerne har en skanningssyklustid på 30 ms, og de kan inkludere 32 mønstre i skanneområdet. Ved å bruke funksjonen for to soner kan en enkelt SE2L-enhet uavhengig skanne to tilstøtende soner samtidig, noe som eliminerer behovet for en andre skanner og forenkler systemets konstruksjon.

Lav energiforbruk for batteridrevet sikkerhet

Forlengelse av kjøretidene til AGV-er og AMR-er kan være en viktig faktor. Disse utrustningene kan dra nytte av å bruke Omrons kompakte (104,5 mm) OS32C-SP1-4M-sikkerhetslaserskanner. Den bruker maksimalt 5 W (3,75 W i standby-modus) og har 70 sett med sikkerhetssone-/varslingssonekombinasjoner tilgjengelig, noe som gjør den egnet for bruk i komplekse miljøer (figur 4). Andre funksjoner omfatter:

• Minsteoppløsningen kan angis til 30, 40, 50 eller 70 mm.
• Sikkerhetssonen varierer med oppløsningen:
  • 1,75 m (30 mm oppløsning)
  • 2,5 m (40 mm oppløsning)
  • 3,0 m (50 mm oppløsning)
  • 4,0 m (70 mm oppløsning)
• Varslingssoneradius på opptil 15 m
• Konfigurerbar responstid fra 80 ms til 680 ms.
• Sonevekslingstid kan angis fra 20 ms til 320 ms

Figur 4: Denne sikkerhetslaserskanneren med lavt strømforbruk støtter 70 sett med sikkerhetssone-/varslingssonekombinasjoner, noe som gjør den egnet for AMR-er som er virksomme i komplekse eller dynamiske miljøer. (Bildekilde: Omron)

Trippelfelt med valgbar sampling og oppløsning

S300 Mini Standard-sikkerhetslaserskannere fra SICK har valgbare deteksjonsoppløsninger og samplingsnivåer. For eksempel kan S32B-2011BA-modellen håndtere oppløsningsdiametre på 30, 40, 50 og 70 mm. Flere samplinger og oppløsninger kan defineres individuelt for hvert felt, inkludert samtidige beskyttelsesfelt (figur 5). Disse skannerne støtter opptil 48 fritt konfigurerbare felt og 16 feltsett som kan veksles. Trippelfeltfunksjonen gjør det mulig å bruke et beskyttelsesfelt og to varslingsfelt samtidig.

Figur 5: S300 Mini Standard-sikkerhetslaserskannere kan implementere flere samplingsnivåer og forskjellige oppløsninger for hvert skannefelt. (Bildekilde: SICK)

Eliminerer behovet for en sikkerhets-PLS

SX5-sikkerhetslaserskannere fra Banner Engineering har en integrert dempingsfunksjon som kan overvåke og reagere på signaler og automatisk suspendere vernefunksjonen for å la et objekt passere gjennom sikkerhetssonen uten å generere en stoppkommando. Dempefunksjonen muliggjør utsettelse av hele sikkerhetssonen (total demping) eller bare en del av sikkerhetssonen (delvis dynamisk demping).

En SX5-hovedenhet (master), for eksempel SX5-ME70, kan styre opptil tre eksterne enheter som SX5-R. Skanneren kan også avlese inkrementelle pulsgiverinnganger for å endre sikkerhetssonen basert på kjøretøyets hastighet. Disse funksjonene kan eliminere behovet for ekstra styringsmaskinvare, for eksempel en sikkerhets-PLS.

Konklusjon

Laserskannere, hvis de er riktig spesifisert, konfigurert og integrert, er godt egnet til å beskytte mennesker og maskiner i konstruksjoner som adgangskontroll, områdebeskyttelse og på mobile systemer, inkludert AGV-er og AMR-er. Figur 2: Sikkerhetslaserskannere oppfyller kriteriene for PLd og SIL3, og de er egnet for bruk i utrustninger der sikkerhet er viktig. Disse skannerne er tilgjengelige med ulike kombinasjoner av funksjoner og egenskaper for å dekke en rekke konstruksjonsbehov.