Bruke lysgardiner til å forbedre sikkerheten og måle objekter

Lysgardiner er en allsidig teknologi. Selv om de ofte er forbundet med sikkerhetsutrustninger, har de en rekke bruksområder, deriblant maskinbeskyttelse og etablering av beskyttede soner; materialhåndtering for å detektere tilstedeværelsen av objekter eller måle størrelsen på passerende objekter; sikre riktig posisjonering eller justering av objekter for pakke- og sorteringsutrustninger; og inntrengningsdeteksjon og tilgangskontroll for begrensede områder.

For en sammenligning av lysgardiner og sikkerhetslaserskannere, kombinert med en gjennomgang av skannerutrustninger, se del 1 i denne serien, «Slik kan sikkerhetslaserskannere beskytte mennesker og maskiner».

Denne artikkelen begynner med å se på viktige spesifikasjoner for lysgardiner og ytelsesstandarder, og den tar for seg eksempler på hvordan lysgardiner brukes i systemer for sikkerhet og adgangskontroll og hvordan lysgardiner fungerer. Underveis presenterer den eksempler lysgardiner fra Panasonic, IDEC, Omron og Banner Engineering.

Sikkerhetslysgardiner – standarder og typer

Fire typer sikkerhetsutførelser er definert i IEC (International Electrotechnical Commission) 61496, Maskinsikkerhet – elektrosensitivt beskyttende utstyr (ESPE – electro-sensitive protective equipment). De relevante typene er 2, 3 og 4. Type 1 er ikke definert for bruksområder med sikkerhetslysgardiner.

IEC 61496 legger til enda et lag med krav i tillegg til SIL-definisjonene (SIL – Safety Integrity Level) i IEC 61508 og ISO (International Organization for Standardization) 13849, som definerer ytelsesnivåer (PL – performance level).

SIL er rangert fra 1 til 3, der SIL 3 er det høyeste nivået, og PL er rangert fra «a» til «e», der PLe er det mest krevende. Ved å bruke klassifikasjonene i IEC 61496, faller lysgardiner vanligvis inn under Type 2 og 4. Noen få er imidlertid klassifisert som Type 3-enheter. Sikkerhetslaserskannere oppfyller kravene for Type 3. Noen viktige faktorer i Type-klassifikasjonene, omfatter følgende:

Type 2-enheter må oppfylle SIL1 og PLc. De er beregnet for bruk i utrustninger med lavere risiko, der feil kan resultere i skader som kuler eller blåmerker, lammende slag, mindre kutt og skrubbsår eller fastklemming, men ikke knusing. IEC 61496 krever at enheten utfører en egenkontroll under oppstart og periodisk under drift. Disse enhetene mangler de redundante automatiske egenkontrollkretsene i Type 4-lysgardiner. Den effektive blendervinkelen (EAA – effective aperture angle) som definerer synsfeltet (FoV – Field of View), må være ±5 grader eller smalere. Dette kan resultere i potensiell optisk interferens og feil.

Type 3 ESPE-er som sikkerhetslaserskannere og noen få lysgardiner må oppfylle SIL 2 og PLd, og de er «konstruert for ikke å svikte i faresituasjoner på grunn av én enkelt feil, men kan svikte i faresituasjoner på grunn av en akkumulering av feil». Disse enhetene har også strengere krav til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC – electromagnetic compatibility) enn Type 2-enheter. Type 3-enheter er egnet for utrustninger der sikkerhet er en betydelig bekymring.

Type 4-lysgardiner er konstruert for situasjoner der sikkerhet er en viktig faktor. De må oppfylle de høyeste standardene, PLe og SIL 3. De er konstruert «for ikke å svikte i faresituasjoner på grunn av én enkelt feil eller en akkumulering av feil». De har en mindre EAA på ±2,5 grader, noe som gjør dem mindre utsatt for optisk interferens og i stand til å lettere gjenkjenne objekter. De er pålagt å oppfylle de strengeste kravene for elektromagnetisk kompatibilitet.

Type 2-lysgardiner er opptil 30 % billigere enn Type 4-lysgardiner på grunn av billigere optikk og mindre kompliserte feildeteksjonskretser. Type 4-lysgardiner er tilgjengelige i et bredere spekter av oppløsninger, inkludert 14 mm for å identifisere fingre, 30 mm for hender, 50 mm for ben og 90 mm for tilstedeværelse av en kropp. Lysgardiner av Type 2 er vanligvis begrenset til større oppløsninger (figur 1).

Figur 1: Type 4-lysgardiner er vanligvis tilgjengelige med mindre minimumsoppløsninger enn Type 2-enheter. (Bildekilde: IDEC)

I tillegg til å detektere objekter av forskjellige størrelser, kan strålene i en lysgardin styres individuelt for å gi mer avanserte funksjoner som demping, slukking (blanking) og måling av størrelse og antall objekter.

Lysgardiner med demping og slukking

Demping og slukking av en lysgardin betyr å slå av hele eller en del av lysgardinen under bestemte omstendigheter. Demping er en automatisk prosess som suspenderer hele eller deler av en lysgardins beskyttelse, noe som vanligvis skjer under en ikke-farlig del av maskinsyklusen. Dette kan gjøre det mulig for materialer å entre et arbeidsområde uten å stanse noen farlige aktiviteter. Når materialet har entret arbeidsområdet, startes lysgardinens fulle beskyttelsesfunksjonalitet på nytt.

Typiske bruksområder for demping omfatter:

• Aktivering av inn-/utkjøring av paller på en palleteringsmaskin mellom løp
• Dette gjør det mulig for materialet å bevege seg mellom områder i en automatisert produksjonsprosess, samtidig som personalet beskyttes når maskinene er aktive

Figur 2: Når en lysgardin bruker demping er det mulig for objekter av en spesifikk størrelse å entre uten å avbryte maskindriften (venstre), men vil detektere andre objekter som en hånd eller fingre (høyre) og følgelig stanse maskinen. (Bildekilde: Panasonic)

Slukking innebærer å slå av en del av lysgardinen uten at det går utover maskinens beskyttelse. Dette kan også gi folk begrenset tilgang til et område i løpet av en trygg periode. Typiske bruksområder for slukking omfatter:

• Strekke seg inn for å laste eller losse en robotarbeidsstasjon i løpet av en trygg periode
• Tilgang til en hydraulisk hullstansemaskin under på-syklusen

Lysgardiner av Type 2

Type 2-lysgardiner i SG2-serien fra IDEC er tilgjengelige i modeller for beskyttelse av hender og tilstedeværelse. For eksempel er SG2-90-030-OO-X-modellen konstruert for deteksjon av tilstedeværelse, med en kontrollhøyde på 300 mm og en oppløsning på 90 mm. Den inkluderer en test/omstart-funksjon og et integrert justeringssystem for å få fart på distribusjoner. De roterende monteringsbrakettene får ytterligere fart på installasjonen og gir enkel justering av de emitterende og mottakende enhetene, selv i utrustninger som bruker speil eller er virksomme over avstander på opptil 19 m.

Demping og slukking i tøffe omgivelser

Sikkerhetslysgardiner i konstruksjoner som kjølelagre med temperaturer ned til –30 °C, metallbearbeidingsprosesser som stemplingsmaskiner som trenger oljebestandig IP67G-inntrengningsbeskyttelse, samt andre virksomheter i tøffe støvete og skitne miljøer, for eksempel bilproduksjon og maskinverktøy, kan bruke F3SG-SR-serien fra Omron. Disse Type 4-lysgardinene inkluderer demping pluss faste og adskilte (floating) slukkefunksjoner.

F3SG-SR-lysgardiner har beskyttelseshøyder fra 160 mm til 2480 mm. Når det er nødvendig å detektere hender eller andre objekter med en diameter på 25 mm, kan konstruktører av sikkerhetssystemer bruke F3SG-4SRA0280-25-F, som støtter fleksible lengder i trinn på 40 mm opptil 1000 mm ved å bruke 27 stråler i en beskyttelseshøyde på 280 mm (figur 3).

Figur 3: Denne lysgardinen støtter fleksible lengder i trinn på 40 mm, med en beskyttelseshøyde på 280 mm. (Bildekilde: Omron)

Motstandsdyktig mot vridning, fordreining og slag

Når en lysgardin brukes der den kan bli utsatt for slag og vridning, kan systemkonstruktører bruke Type 4-lysgardinene i SF4D-serien fra Panasonic. Den 630 mm lange SF4D-H32-0-modellen har IP67-klassifisering, 25 mm oppløsning for håndbeskyttelse og integrerte funksjoner for slukking og demping.

Robustheten til disse lysgardinene skyldes den nyutviklede interne enheten som gjorde det mulig å optimalisere kabinettet for robusthet og stivhet. Den interne enheten opptar mindre enn 40 % av volumet til tidligere modeller, noe som muliggjør en betydelig økning i tykkelsen til kabinettet (figur 4). Selv om den interne enheten er mindre, har den optiske utgangskapasiteten økt og AV-responstiden til styringsutgangene er 10 ms eller mindre, eller 18 ms eller mindre ved serie- eller parallellkobling.

Figur 4: Den mer kompakte indre enheten støtter høyere optisk utgangskapasitet, samtidig som den muliggjør et betydelig tykkere hus. (Bildekilde: Panasonic)

Måling med lysgardiner

Lysgardiner som er konstruert for måling av objekter, har vanligvis tre moduser: rett skanning, skanning på én kant og skanning på to kanter. Viktige spesifikasjoner inkluderer minimum objektdeteksjonsstørrelse (MODS – minimum object detection size) og kantoppløsning (ER – edge resolution).

Rett skanning er vanligvis standardmodusen, og strålene skannes sekvensielt fra visningsenden (display end) til den motsatte enden av matrisen (array). Når den første ikke-blokkerte strålen påtreffes, fastsettes målingen. Vanlige følsomheter for rett skanning som bruker lavkontrastmodus, er en objektdeteksjonsstørrelse (MODS) på 5 mm og kantoppløsning (ER) på 5 mm. Hvis skannermodus med høy overskuddsforsterkning brukes, vil MODS være 10 mm og ER vil være 5 mm. Skanning for én eller to kanter kan gi en MODS på 10 mm og en ER på 2,5 mm.

Skanning på én kant begynner med at den første (laveste) strålen blokkeres, noe som betyr at et objekt er tilstede. Gardinen sjekker deretter den midtre strålen. Skanneren ser på den nederste fjerdedelen av strålen (bottom quarter beam) for å se om den midtre strålen er blokkert eller ikke. Skanneren ser på den øverste fjerdedelen av strålen for å se om den midtre strålen er blokkert.

Når det er fastslått om den øvre eller nedre fjerdedelen av strålene er blokkert eller ikke, fortsetter antall stråler å deles opp i to helt til den øvre kanten av objektet er funnet.

I tilfeller der den første strålen ikke nødvendigvis er blokkert, kan to kanter brukes, og dette starter med å velge trinnstørrelse, vanligvis 1, 2, 4, 8, 16 eller 32, avhengig av bruksområdet. Den begynner med gardinaktiveringsstråle 1. Hvis denne strålen er blokkert, har den første kanten blitt identifisert. Hvis den ikke er blokkert, aktiverer gardinen den neste strålen, som fastsettes av trinnstørrelsen. Hvis, for eksempel, trinnstørrelsen er 4, aktiveres stråle 5.

Hvis den aktiverte strålen ikke er blokkert, fortsetter gardinen den trinnvise prosessen helt til en blokkert stråle blir funnet. På dette tidspunktet brukes et binært søk tilbake mot startpunktet for å identifisere den første blokkerte strålen, og følgelig identifisere den korresponderende kanten. Prosessen gjentas, denne gangen ved å bruke den identifiserte kanten som referansepunkt og den trinnvise prosessen for å identifisere en stråle som ikke er blokkert. Deretter tilbakesporer den for å finne strålen med høyest nummer som er blokkert, og identifiserer dermed den andre kanten.

Figur 5: Eksempel på strålesekvenser i en tokantet skanning. (Bildekilde: Banner Engineering)

Lysgardiner for måling

A-GAGE EZ-ARRAY-lysskjermene for måling fra Banner Engineering er utviklet blant annet for konstruksjoner som fastsetter produktstørrelser og profilering i sanntid, kant- og senterveiledning, hulldeteksjon, deletelling og så videre. Lengden til emittere og mottakere varierer mellom 150 og 2400 mm (5,9 til 94,5 tommer) (figur 6). For eksempel er EA5E600Q-modellen 600 mm (23,6 tommer) lang med 120 stråler. Disse lysgardinene støtter nøyaktig høyhastighets prosessovervåking og -inspeksjon, profilering og nettveiledningssystemer (web-guiding systems). Ytterligere funksjoner omfatter:

• Mange skannealternativer:
  • Moduser for analyse med 16 skanninger (måling)
  • Tre skannemåter
  • Valgbar stråleslukking
• DIP-bryter med seks posisjoner for innstilling av skannemodus, målemodus, analog helling og frittstående innstilling for komplementær måling eller alarm.

Figur 6: Målende lysgardiner i A-GAGE EZ-ARRAY-familien er tilgjengelige i lengder fra 150 til 2400 mm. (Bildekilde: Banner Engineering)

Konklusjon

Lysgardiner er i stand til å gjøre mye mer enn å bare hindre tilgang til farlige og sensitive områder, som beskytter både mennesker og maskiner. De kan også støtte kontrollert tilgang ved hjelp av funksjoner for slukking og demping for å øke produktiviteten. Lysgardiner kan også støtte berøringsfrie måleteknikker som raskt og effektivt måler flere objektdimensjoner.