Slik kan flerdimensjonale sikkerhetssystemer velges og implementeres for å beskytte arbeidere mot samarbeidende roboter

Sikkerhet er viktig under distribusjon av samarbeidende roboter (cobot), autonome mobile roboter (AMR – autonomous mobile robot) og autonome veiledede kjøretøy (AGV – autonomous guided vehicle) i fabrikker og logistikkanlegg. Dette er også komplekst og flerdimensjonalt.

Maskinbevegelser må overvåkes og styres i henhold til ISO 13849 (ISO – International Organization for Standardization), IEC 62061 (IEC – International Electrotechnical Commission) og IEC 61800-5-2, som gir sikkerhetskrav og veiledning om prinsippene forbundet med konstruksjon og integrering av sikkerhetsrelaterte deler av styringssystemer (SRP/CS – safety-related parts of control systems).

For å gi sikker drift av samarbeidende roboter, AMR-er, AGV-er og lignende utstyr, kreves ofte etablering av et lagdelt sikkerhetsområde med flere felt, fra innledende deteksjon og advarsel om objekter som nærmer seg til å identifisere når et objekt beveger seg inn i en farlig sone og stanser maskinen.

Et modulært sikkerhetsstyringssystem kan legge til et nytt lag av analyse og beskyttelse. Effektiv og rask feilanalyse kan være en viktig faktor når det gjelder avbrudd i beskyttelsesfeltet og uventet utløsning av en skanner. Dette kan kreve ytterligere en sensor for å overvåke beskyttelsesfeltet til hovedsensoren.

Artikkelen starter med en kort oppdatering om kravene i ISO 13849, IEC 62061 og IEC 61800-5-2 og en gjennomgang av det grunnleggende innen todimensjonelle (2D) sikkerhetslaserskannere med lysdeteksjon og avstandsmåling (LiDAR – light detection and ranging). Den gir deretter et dypere innblikk i hvordan lagdelte sikkerhetsområder kan implementeres for å beskytte mennesker mot samarbeidende roboter, AMR-er, AGV-er og lignende utstyr.

En gjennomgang av bruken og integreringen av 2D LiDAR-sensorer er inkludert, samt en nærmere titt på fordelene forbundet med å kombinere disse sensorene med en modulær programmerbar sikkerhetsstyring for å gi en ekstra dimensjon av sikkerhet, pluss bruken av et hendelseskamera for å muliggjøre feilanalyse av uventede avbrudd i beskyttelsesfelter. Eksempelenheter fra SICK er inkludert.

IEC 61508 er den grunnleggende standarden for «Funksjonssikkerhet for elektriske/elektroniske/programmerbare elektroniske sikkerhetsrelaterte systemer (E/E/PE eller E/E/PES)», og gjelder for alle bransjer. I tillegg er det bransje- og utrustningsspesifikke underdeler og varianter.

IEC 62061, «Maskinsikkerhet: Funksjonssikkerhet for elektriske, elektroniske og programmerbare elektroniske styringssystemer», er den maskinspesifikke varianten av IEC 61508. IEC 61800-5-2, «Drivsystemer for elektrisk kraft med justerbar hastighet – Del 5-2: Sikkerhetskrav – Funksjonell», er også relatert til IEC 61508, og er en standard for konstruksjon og utvikling av drivsystemer med justerbar hastighet.

ISO 13849 ble utviklet uavhengig og er ikke avledet fra IEC 61508. Begge tar for seg funksjonssikkerhet. IEC 61800-5-2 bruker sikkerhetsintegritet (SIL – Safety Integrity Level) til å definere sikkerhetskrav, mens ISO 13849 definerer påkrevet ytelsesnivå (PL_r – Required Performance Level).

ISO 13849 og IEC 61508 er basert på konseptet «sannsynlighet for farlig svikt per time» (PFH_d – probability of dangerous failure per hour). ISO 13849 funksjonssikkerhetsanalyse tar hensyn til tre faktorer: Alvorlighetsgraden av en mulig skade, hyppigheten eller eksponeringen for en fare og potensialet for å begrense faren og unngå skade (figur 1):

• Alvorlighetsgrad av skade
  • S1: Lett (skade som vanligvis kan rettes)
  • S2: Alvorlig (vanligvis irreversibel eller død)
• Frekvens og/eller eksponering for fare
  • F1: Sjelden-til-mindre-ofte og/eller eksponeringstiden er kort
  • F2: Hyppig-til-kontinuerlig og/eller eksponeringstiden er lang
• Mulighet for å unngå fare eller begrense skade
  • P1: Mulig under bestemte forhold
  • P2: Nesten ikke mulig

Figur 1: Avledning av PL_r-nivåer i ISO 13849 og korresponderende SIL i IEC 62061. Begge standardene er basert på konseptet «farlig svikt per time» (PFH_d). (Bildekilde: SICK)

Slik fungerer LiDAR

Sertifisering til PL_b i henhold til ISO 13849 kreves for bruk av 2D LiDAR-sikkerhetssensorer i personlig verneutstyr. TiM 2D LiDAR-sensorfamilien inkluderer modeller som oppfyller dette kravet. 2D LiDAR-sensorer skanner omgivelsene ved hjelp av ToF-teknologi (ToF – Time-of-Flight – flyvetid). ToF implementeres ved å sende laserpulser ved å bruke et roterende speil og detektere det reflekterte lyset. Jo lengre tid det tar for det reflekterte lyset å komme tilbake til sensoren, jo lenger unna er objektet.

Tidsmålingen kombinert med styrken til det returnerte signalet gjør det mulig for sensoren å beregne posisjonen til flere objekter med nøyaktighet på millimeternivået. Det resulterende bildet av omgivelsene oppdateres opptil 15 ganger i sekundet (figur 2). Den kan støtte sanntidsfunksjoner for navigasjon, orientering, styring og sikkerhet.

Figur 2: TiM 2D LiDAR-sensorer bruker et roterende speil og laserpulser for å lage et bilde av omgivelsene som kan oppdateres opptil 15 ganger i sekundet. (Bildekilde: SICK)

TiM 2D LiDAR-sensorer detekterer objekter i definerte områder (felt) som skal overvåkes. Avhengig av modell, har de en skannerekkevidde på opptil 25 m og en arbeidsrekkevidde på opptil 270°.

Returpulsdataene fra laseren prosesseres ved å bruke HDDM- (high-definition distance measurement) eller HDDM+-teknologi. HDDM oppnår svært høy målenøyaktighet ved korte avstander og er egnet for fin posisjonering i bruksområder som dokking. HDDM+ prosesserer kantrefleksjoner spesielt godt, noe som gjør den best egnet for lokaliserings- og antikollisjonsutrustninger i dynamiske miljøer.

I begge tilfellene gjør den patenterte HDDM/HDDM+-teknologien det mulig for TiM 2D LiDAR-sensorer å detektere hele skanneområdet uten tomrom, noe som sikrer konsekvent målepresisjon, og de kan håndtere forskjellige overflater og reduksjonsfaktorer (remission factors).

Type TiM1xx, TiM3xx og TiM7xx detekterer om objekter er i et forhåndsdefinert felt. Seksten feltsett, hvert med tre forhåndskonfigurerte felt, støtter rask tilpasning under drift (figur 3). Individuelle feltgeometrier kan spesifiseres, eller referansekonturfelt kan defineres for statisk konturovervåking. Digitale filtre, maskerte områder og responstider kan også defineres for å maksimere ytelsen selv i tilstedeværelse av kraftig regn, snø eller støv.

Figur 3: Feltsett i TiM 2D LiDAR-sensorer består av tre forhåndskonfigurerte felt. (Bildekilde: SICK)

Modeller som gir feltevalueringsdata eller feltevaluerings- og måledata, er tilgjengelige. Feltevalueringssensorer fastsetter bare tilstedeværelsen av et objekt, mens feltevaluerings- og måledata kan brukes til å gi et nøyaktig bilde av en skannet overflate.

I tillegg til avstandsdata, er TiM 2D LiDAR-sensorer tilgjengelige som også gir vinkeldata og en mottatt signalstyrkeindikator-utgang (RSSI – received signal strength indicator). Dette utvidede datasettet kan være spesielt nyttig for kollisjonsunngåelse og navigasjon for AMR-er i skiftende omgivelser.

Sikkerhets-LiDAR-er – legge til de første beskyttende lagene

TiM 2D LiDAR-familien har sikkerhetsrelaterte varianter, TiM361S (feltevaluering) og TiM781S (feltevaluerings- og måledatautgang), som oppfyller kravene i PL_b og kan brukes for både stasjonære og mobile utrustninger. De kan brukes for personvern i tilgangsovervåking for industrielle samarbeidende roboter og på mobile plattformer som AMR-er og AGV-er.

• Type TIM361S-2134101, modellnummer 1090608, er egnet for innendørsbruk med et deteksjonsområde på 0,05 til 10 m og HDDM-teknologi.
• Type TIM781S-2174104, modellnummer 1096363, er også egnet for innendørsbruk med et deteksjonsområde på 0,05 til 25 m og HDDM+-teknologi.

Forenklet integrasjon

TiM 2D LiDAR-sensorer er konstruert for å forenkle integrasjon. Med en kapslingsgrad på opptil IP67, kan verken støv eller fuktighet komme inn i huset. De er svært immune mot sterk omgivelsesbelysning på opptil 80 000 lx (lux). Den robuste konstruksjonen oppfyller kravene til vibrasjonsbestandighet i IEC 60068-2-6 og kravene til slagbestandighet i IEC 60068-2-27. Robustheten kan forbedres etter behov ved å bruke dempede fester på beskyttelsesplater.

Den kompakte konstruksjonen, den lave vekten og det lave strømforbruket til TiM 2D LiDAR-sensorene gjør dem godt egnet for mobile plattformer. Både Type TIM361S-2134101 og Type TIM781S-2174104 veier bare 250 g, har et typisk strømforbruk på 4 W og er 60 mm lang x 60 mm bred x 86 mm høy.

Sikkerhetsstyringer legger til ytterligere et lag

LiDAR-laserskannere detekterer farer og sender varsler, mens en modulær sikkerhetsstyring kan legge til et nytt sikkerhetslag i et beskyttelsessystem. For eksempel er Flexi Soft-sikkerhetsstyringen et modulært system som kan kobles til ulike sensorer og koblingselementer, inkludert laserskannere. Den er klassifisert SIL3 i henhold til IEC 61508 og PLe med en PFH_d på 1,07 x 10^-9 i henhold til ISO 13849.

Et grunnleggende system består av minst to moduler (figur 4):

1. CPU0, i likhet med 1043783-modellen, er den sentrale logikkenheten der signaler fra sensorer som LiDAR analyseres og evalueres, og avlaster sikkerhetsanalyse fra den sentrale maskinstyringen. Utgangen fra CPU0 kobles til en maskinstyring på høyere nivå, for eksempel en programmerbar logisk styring (PLS), der sikkerhetsfunksjoner implementeres.
2. XTIO I/O-utvidelsesmodulen, for eksempel 1044125-modellen, er nødvendig for å koble laserskannere til systemet. En XTIO I/O-utvidelsesmodul er nødvendig for hver to laserskannere, siden hver laserskanner bruker tre vekslingsinnganger. Styringen kan betjene opptil 12 I/O-moduler.

Figur 4: Flexi Soft-sikkerhetsstyringssystemet består av en CPU-modul (1) og én eller flere I/O-moduler (2). (Bildekilde: SICK)

Hva skjedde?

Et viktig element i et sikkerhetssystem kan være evnen til å analysere og forstå hovedårsaken til eventuelle feil, og svare på spørsmålet: «Hva skjedde for å få sikkerhetslaserskanneren til å utløse?» Et hendelseskamera, EventCam fra SICK, er spesielt utviklet for å detektere og analysere sporadiske feil i industrielle omgivelser.

EventCam er frittstående med optikk, belysning, elektronikk og minne, og kan integreres i mobile eller stasjonære systemer. Det støpte aluminiumshuset er IP65-klassifisert og kan monteres i ulike posisjoner. EventCam kan kobles til et automatiseringssystem, for eksempel en sikkerhetsstyring eller direkte til en sensor.

Når en feil er rapportert, begynner EventCam å lagre enkeltbilder eller videosekvenser. Det interne ringminnet (ring memory) kan lagre opptil 240 sekunder før og 100 sekunder etter en hendelse. I HD-modus kan den lagre opptil 25 sekunder før og 15 sekunder etter. Hastigheten for videobilder per sekund (fps – frames per second) varierer fra 13 til 65, avhengig av den nødvendige oppløsningen.

EventCam kan også være nyttig under idriftsetting av nye maskiner eller prosesser. Den kan overvåke en uovervåket testkjøring, for eksempel en kontinuerlig test på flere timer eller flere dager, og raskt identifisere feilkilder. Flere EventCam-enheter kan overvåke én enkelt prosess og gi visuell informasjon fra flere vinkler samtidig for å gi en dypere og mer grundig analyse av feil (figur 5).

Figur 5: Flere EventCam-enheter kan synkroniseres for å registrere én enkelt hendelse fra flere vinkler samtidig. (Bildekilde: SICK)

EventCam tilbys i to varianter. 1102028-modellen har en arbeidsrekkevidde på 0,4 til 0,6 m og kan være egnet for bruk med stasjonære samarbeidende roboter med relativt små beskyttelsesområder. 1093139-modellen har en arbeidsrekkevidde på 0,8 til 6 m og har plass til større beskyttelsesområder med større samarbeidende roboter, AMR-er og AGV-er.

Sammendrag

2D LiDAR-sensorer som TiM-familien fra SICK kan gi den første forsvarslinjen i et sikkerhetssystem for samarbeidende roboter, AMR-er, AGV-er og lignende maskiner. De gir en rekke beskyttende felt for å overvåke mennesker som nærmer seg. Tilleggingen av en sikkerhetsstyring kan bidra til å gi inntrengningsanalyse og forbedre systemytelsen. Til slutt kan én eller flere EventCam-enheter overvåke den primære 2D LiDAR-sensoren for å bidra til å identifisere årsaken til sporadisk utløsning (tripping).