Cum pot scanerele de siguranță cu laser miniaturale să maximizeze protecția și productivitatea

Complexitatea tot mai mare a automatizării fabricilor și a logisticii din Industria 4.0 necesită noi abordări ale proiectării sistemelor care să maximizeze simultan siguranța și productivitatea.

Natura flexibilă a operațiunilor din Industria 4.0 înseamnă că locul și amploarea operațiunilor periculoase se pot schimba ocazional, iar sistemele de siguranță trebuie să se adapteze rapid. Este nevoie de un sistem de siguranță reconfigurabil, programabil și flexibil.

Capacitatea de a stabili zone de avertizare pentru a-i alerta pe lucrătorii care se apropie de o zonă periculoasă, înainte ca aceștia să se apropie prea mult, poate fi un mare avantaj. Acest lucru previne intrarea accidentală a lucrătorilor în zona periculoasă, declanșarea unui dispozitiv de siguranță și oprirea unui utilaj. Astfel, timpul de funcționare și productivitatea cresc.

Articolul de față începe cu o scurtă trecere în revistă a standardelor internaționale pentru covoarele de siguranță și scanerele de siguranță cu laser, apoi trece la compararea considerentelor privind aplicațiile pentru covoarele de siguranță și scanerele de siguranță cu laser, analizând factori precum funcționarea cu contact sau fără contact, protecția câmpului de avertizare și reglabilitatea.

Se încheie prin prezentarea unor exemple de scanere de siguranță cu laser miniaturale de la SICK și a modului în care acestea îndeplinesc cerințele mai multor aplicații, împreună cu opțiunile de instalare și configurare, inclusiv modul în care scanerele pot fi înlocuite cu ușurință dacă se deteriorează.

Printre principalele standarde de performanță în materie de siguranță se numără standardul 61508 al Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC), „Siguranța funcțională a sistemelor electrice/electronice/electronice programabile legate de siguranță (E/E/PE sau E/E/PES)”, standardul 13849 al Organizației Internaționale de Standardizare (ISO), „Securitatea mașinilor – Părți referitoare la securitate ale sistemelor de comandă” și IEC 61496, „Securitatea mașinilor – Echipamente de protecție electrosensibile”.

Covoarele de siguranță și scanerele de siguranță cu laser îndeplinesc diferite părți ale acestor standarde. De exemplu, IEC 61508 definește o serie de niveluri de integritate a siguranței (SIL). Scanerele de siguranță cu laser îndeplinesc cerințele SIL 2. La fel și unele covoare de siguranță. Unele covoare de siguranță îndeplinesc doar cerințele SIL 1, care este cu un ordin de mărime mai puțin strict decât SIL 2.

Dispozitivele de siguranță SIL 1 sunt destinate utilizării în aplicații cu risc scăzut în care consecințele unei defecțiuni nu sunt grave, cum ar fi protecția de bază a utilajelor, procesele necritice și alarmele simple. Dispozitivele de siguranță SIL 2 sunt concepute pentru a reduce riscurile care ar putea duce la răniri grave sau la deteriorarea semnificativă a mediului, dar nu neapărat la evenimente catastrofale.

Folosind concepte similare cerințelor SIL, ISO 13849 definește nivelurile de performanță (PL). Covoarele de siguranță se califică, de obicei, pentru o certificare PLc, în timp ce scanerele de siguranță cu laser trebuie să se califice pentru o certificare PLd mai dură. Unele instalații ale covoarelor de siguranță pot îndeplini și cerințele de performanță PLd.

Pentru a fi certificat, un scaner de siguranță cu laser trebuie să îndeplinească cerințele SIL 2, PLd și IEC 61496-3, care vizează în special dispozitivele de protecție optoelectronice active care răspund la reflexie difuză (AOPDDR sau scanere cu laser). Implicațiile diferitelor certificări de siguranță pentru covoarele de siguranță și scanerele de siguranță cu laser sunt importante, dar acestea reprezintă doar începutul atunci când se maximizează protecția și productivitatea.

Mai multe de luat în considerare

Covoarele de siguranță și scanerele de siguranță cu laser specificate corespunzător pot îndeplini cerințele de siguranță IEC și ISO. Dar asta nu e tot; există mai multe aspecte de luat în considerare în aplicațiile de automatizare a fabricii și logisticii din Industria 4.0.

Un covor de siguranță este o matrice de întrerupătoare mecanice. Atunci când o greutate, cum ar fi o persoană care pășește pe covor, închide unul sau mai multe întrerupătoare, se trimite un semnal la controlerul covorului, care oprește funcționarea sistemului protejat.

Natura mecanică a covoarelor de siguranță poate fi un motiv de îngrijorare. În primul rând, pentru ca acestea să funcționeze, trebuie să existe un contact direct cu o persoană care pășește pe covor. În al doilea rând, covoarele sunt supuse uzurii și, uneori, ruperii. Oamenii pot scăpa unelte grele și/sau ascuțite pe covor, deteriorându-l (Figura 1). Sau un motostivuitor poate trece peste covor și îl poate deteriora. Factorii de mediu, cum ar fi scurgerile de materiale corozive, pot compromite, de asemenea, covorul.

Figura 1: Funcționarea covorului de siguranță necesită contact fizic și poate fi compromisă de accidente și pericole de mediu. (Sursa imaginii: SICK)

Capacitatea de reglare

Covoarele de siguranță sunt, prin natura lor, instalații fixe și nu sunt reglabile. Există diferite dimensiuni și configurații de covoare pentru cerințe specifice de instalare. Acest lucru poate fi o provocare în fabricile și operațiunile logistice din Industria 4.0, care sunt supuse reconfigurării odată cu schimbarea cerințelor proceselor.

Efectuarea de modificări la sistemele bazate pe covoare de siguranță poate necesita achiziționarea unui covor nou, prelungind timpul necesar pentru ca schimbarea să devină operațională. Acest lucru poate avea un impact negativ asupra disponibilității utilajelor și a productivității generale.

O modalitate de a minimiza impactul este de a avea la dispoziție covoare de siguranță de diferite dimensiuni. Acest lucru poate accelera schimbările și înlocuirea covoarelor care se deteriorează. Dar este și costisitor. De asemenea, poate fi necesar să aveți la îndemână o varietate de controlere pentru covoarele de siguranță, deoarece nu toate covoarele sunt compatibile cu toate controlerele.

Aceste probleme pot fi rezolvate prin utilizarea scanerelor de siguranță cu laser. Scanerele de siguranță cu laser nu se bazează pe întrerupătoare mecanice; acestea sunt dispozitive electronice care pot fi ajustate în funcție de diferitele nevoi ale aplicațiilor.

Scanerele de siguranță cu laser reprezintă o tehnologie fără contact care utilizează un laser în infraroșu (IR) pentru a scana împrejurimile pe două dimensiuni. Acestea emit impulsuri scurte de lumină IR. Dacă un impuls de lumină lovește un obiect, acesta este reflectat către scaner. Distanța până la obiect poate fi determinată cu un grad ridicat de precizie în funcție de intervalul de timp dintre momentul transmiterii și întoarcerea luminii reflectate.

Capacitatea de a determina distanța față de obstacole permite scanerelor de siguranță cu laser să stabilească o serie de câmpuri de avertizare și de protecție în funcție de apropierea unui obiect. Unele scanere de siguranță cu laser pot avea zeci de câmpuri definite. Acest lucru poate fi util pentru aplicații precum navigația pentru un robot mobil autonom.

Scanerele de siguranță cu laser S300 Mini Standard de la SICK sunt optimizate pentru aplicații de siguranță care necesită ca trei câmpuri definite – un câmp de protecție și două câmpuri de avertizare – să fie active simultan. Dimensiunile lor compacte de 102 x 116 x 105 milimetri (mm) (l x Î x A) le fac potrivite pentru aplicații precum celulele de lucru robotizate și vehiculele cu ghidare automată (AGV) (Figura 2).

Figura 2: Comparație între dimensiunile scanerului de siguranță cu laser S300 Mini Standard și o doză de suc. (Sursa imaginii: SICK)

Scanerele S300 Mini Standard au un unghi de scanare de 270°, pentru a acoperi o zonă largă, și o rezoluție selectabilă pentru detectarea mâinilor, picioarelor sau corpului. Aceste scanere acceptă distanțe ale câmpului de avertizare de până la 8 m și sunt disponibile cu trei distanțe maxime ale câmpului de protecție:

• Un metru, modelul 1058000
• Doi metri, modelul 1050932
• Trei metri, modelul 1056430

Mediile dinamice

Mediile dinamice, în care configurarea sau condițiile operaționale se schimbă sau în care AGV-urile se deplasează, pot beneficia de scanerele de siguranță cu laser configurabile. Zonele de detecție pot fi modificate în funcție de necesități, pentru a răspunde nevoilor de protecție în schimbare.

Setarea mai multor câmpuri de avertizare poate fi deosebit de utilă pentru a împiedica oamenii să se apropie prea mult și să determine oprirea unui utilaj. Dispozitivele de avertizare pot include o lumină intermitentă simplă în cazul în care primul câmp de avertizare este încălcat, precum și o sirenă sau un claxon de avertizare în cazul în care o persoană intră în al doilea câmp de avertizare. Există reguli specifice pentru calcularea dimensiunii câmpurilor de protecție.

Calcularea distanței de siguranță

Standardul ISO 13855, „Siguranța mașinilor – Poziționarea mijloacelor de protecție în raport cu viteza de apropiere a părților corpului”, include linii directoare pentru calcularea distanței minime de siguranță necesare pentru a opri un utilaj atunci când o persoană se apropie de acesta. ISO 13855 se aplică mai multor tipuri de dispozitive de siguranță, inclusiv scanere de siguranță cu laser, bariere optice de siguranță, dispozitive sensibile la presiune, covoare și platforme de siguranță și multe altele.

Acesta poate fi util la calcularea dimensiunii câmpurilor de siguranță pentru scanerele de siguranță cu laser (Figura 3). O formulă obișnuită pentru calcularea distanței de siguranță, S, este S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, unde:

• K = viteza de apropiere (1 600 mm/s, definită în ISO 13855)
• TM = timpul de oprire a utilajului sau a sistemului
• TS = timpul de răspuns al scanerului de siguranță cu laser și al controlerului din aval
• ZG = supliment general = 100 mm
• ZR = supliment pentru erorile de măsurare legate de reflexie
• CRO = supliment pentru prevenirea întinderii brațului în zona interzisă

Figura 3: Liniile directoare din ISO 13855 pot fi utilizate pentru a calcula dimensiunile câmpurilor de siguranță (roșu) pentru scanerele de siguranță cu laser precum S300 Mini Standard. (Sursa imaginii: SICK)

Vehiculele cu ghidare automată

Vehiculele cu ghidare automată (AGV) deplasează articolele rapid și eficient, fără intervenție umană, în fabricile, depozitele și centrele de distribuție din Industria 4.0. În unele AGV-uri, pentru detectarea obstacolelor se utilizează benzi de comutare sau bare de protecție. Acest lucru poate limita viteza de deplasare a AGV-urilor, iar benzile sau barele de protecție pot suferi daune fizice, necesitând înlocuirea și scoaterea AGV-urilor din funcțiune pentru o perioadă.

Pentru a menține siguranța, flexibilitatea și disponibilitatea maximă, AGV-urile pot înlocui benzile de comutare și barele de protecție ca dispozitive de siguranță principale și pot include un scaner de siguranță cu laser pentru a detecta obstacolele și a se opri în siguranță. Dimensiunile reduse ale dispozitivului S300 Mini permit integrarea, chiar și în cele mai mici AGV-uri (Figura 4).

Figura 4: Dimensiunile compacte ale scanerelor de siguranță cu laser S300 Mini Standard permit montarea acestora pe AGV-uri mici. (Sursa imaginii: SICK)

Utilizarea a două scanere de siguranță cu laser poate oferi o zonă protejată extinsă. Dacă scanerele sunt montate pe colțurile frontale ale AGV-urilor, zona protejată se extinde în partea din față și pe ambele părți laterale ale vehiculului. Să presupunem că scanerele sunt montate diagonal opus unul față de celălalt pe partea din față și din spate a vehiculului. În acest caz, zona protejată va înconjura toate laturile AGV-ului, permițând deplasarea în siguranță în ambele direcții.

Configurare, instalare și întreținere

Software-ul de configurare și diagnosticare (CDS) de la SICK poate fi utilizat pentru a defini câmpurile de protecție și de avertizare cu ajutorul unui PC sau laptop. Software-ul include o interfață intuitivă pentru proiectarea și implementarea aplicațiilor. De asemenea, software-ul calculează și salvează toate datele de configurare și diagnosticare pentru o punere în funcțiune rapidă și/sau o depanare eficientă. Configurarea și diagnosticarea pot fi implementate în timpul punerii în funcțiune sau al întreținerii.

De asemenea, SICK oferă o gamă de kituri de montare pentru fixarea fizică a scanerelor de siguranță cu laser S300 Mini. Kitul 1a, modelul 2034324, este suportul de montare de bază fără capac de protecție pentru optică, iar kitul 1b, modelul 2034325, include protecție pentru optică (Figura 5). În plus, pot fi adăugate suporturi de montare suplimentare, inclusiv kitul 2, modelul 2039302, și kitul 3, modelul 2039303, pentru a alinia scanerele în două planuri. Unghiul maxim de reglare este de ±11° în ambele planuri.

Figura 5: Kitul de montare 1b include protecția capacului optic. (Sursa imaginii: SICK)

Kiturile de montare permit, de asemenea, înlocuirea rapidă a capetelor de scaner deteriorate. Capul scanerului de schimb se atașează la fișa sistemului, care este montată permanent pe aparat. Capul de înlocuire descarcă imediat datele de configurare din fișa sistemului și preia sarcinile de siguranță programate, fără reprogramare sau descărcarea manuală a datelor de configurare. Este un proces de tip plug-and-play care minimizează timpul de inactivitate al utilajului.

Rezumat

Scanerele de siguranță cu laser S300 Mini Standard oferă o alternativă robustă la covoarele de siguranță în fabricile, depozitele și centrele de distribuție din Industria 4.0 care maximizează simultan siguranța și productivitatea. Acestea îndeplinesc standardele de siguranță IEC 61508, ISO 13849 și IEC 61496 și sunt potrivite pentru instalații fixe și platforme mobile precum AGV-urile. În cele din urmă, scanerele de siguranță cu laser S300 Mini Standard acceptă configurarea, instalarea și întreținerea flexibile și rapide.