Cum să selectați și să integrați sisteme de siguranță multidimensionale pentru a proteja lucrătorii de coboți

Siguranța este esențială atunci când se implementează roboți colaborativi (coboți), roboți mobili autonomi (AMR) și vehicule cu ghidaj autonom (AGV) în fabrici și instalații logistice. De asemenea, este complexă și multidimensională.

Mișcările utilajelor trebuie să fie monitorizate și controlate în conformitate cu standardul 13849 al Organizației Internaționale de Standardizare (ISO), standardul 62061 al Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC) și IEC 61800-5-2, care oferă cerințe de siguranță și orientări privind principiile de proiectare și integrare a pieselor sistemelor de control legate de siguranță (SRP/CS).

Garantarea funcționării în siguranță a coboților, AMR-urilor, AGV-urilor și a echipamentelor similare necesită adesea stabilirea unui pachet de siguranță stratificat cu câmpuri multiple, de la detectarea și avertizarea inițială a obiectelor care se apropie până la identificarea momentului în care un obiect pătrunde într-o zonă periculoasă și oprește utilajul.

Un sistem modular de control al siguranței poate adăuga un alt nivel de analiză și protecție. Analiza eficientă și rapidă a defectelor poate fi un aspect important în cazul întreruperilor câmpului de protecție și al declanșării neașteptate a unui scaner. Acest lucru poate necesita un al doilea senzor pentru a monitoriza câmpul de protecție al senzorului principal.

Articolul de față începe cu o scurtă recapitulare a cerințelor ISO 13849, IEC 62061 și IEC 61800-5-2 și cu o trecere în revistă a elementelor de bază ale scanerelor laser de siguranță bidimensionale (2D) LiDAR (detectare și localizare prin intermediul luminii). Apoi oferă o analiză mai aprofundată a modului în care pot fi implementate pachete de siguranță stratificate pentru a proteja oamenii de coboți, AMR-uri, AGV-uri și echipamente similare.

Este inclusă o analiză a utilizării și integrării senzorilor LiDAR 2D și o privire asupra beneficiilor combinării acestor senzori cu un controler de siguranță programabil modular pentru a oferi o dimensiune suplimentară de siguranță, plus utilizarea unei camere de evenimente pentru a permite analiza defecțiunilor cu întreruperi neașteptate ale câmpurilor de protecție. Sunt incluse exemple de dispozitive de la SICK.

IEC 61508 este standardul de bază pentru „ Siguranța funcțională a sistemelor electrice/electronice/electronice programabile legate de siguranță (E/E/PE, sau E/E/PES)” și se aplică tuturor industriilor. În plus, există subsecțiuni și variante specifice industriilor și aplicațiilor.

IEC 62061, „Siguranța mașinilor: Securitatea funcțională a sistemelor de comandă electrice, electronice și electronice programabile”, este varianta specifică utilajelor a standardului IEC 61508. IEC 61800-5-2, „Sisteme de acționare electrică cu viteză reglabilă - Partea 5-2: Cerințe de securitate - Funcționale”, este, de asemenea, legat de IEC 61508 și este un standard pentru proiectarea și dezvoltarea sistemelor de acționare cu viteză reglabilă.

ISO 13849 a fost elaborat independent și nu derivat din IEC 61508. Ambele se ocupă de siguranța funcțională. IEC 61800-5-2 utilizează nivelurile de integritate a siguranței (SIL) pentru a defini cerințele de siguranță, în timp ce ISO 13849 definește nivelul de performanță necesar (PL_r).

ISO 13849 și IEC 61508 se bazează pe conceptul de probabilitate a defecțiunii periculoase pe oră (PFH_d). Analiza siguranței funcționale din ISO 13849 ia în considerare trei factori: gravitatea unei posibile vătămări, frecvența sau expunerea la un pericol și potențialul de limitare a pericolului și de evitare a vătămării (Figura 1):

• Gravitatea vătămării
  • S1: Ușoară (în mod normal reversibilă)
  • S2: Gravă (în mod normal ireversibilă sau deces)
• Frecvența și/sau expunerea la pericole
  • F1: Rară sau mai puțin frecventă și/sau timpul de expunere este scurt
  • F2: Frecventă până la continuă și/sau timpul de expunere este lung
• Posibilitatea de a evita pericolele sau de a limita vătămarea
  • P1: Posibil în anumite condiții
  • P2: Posibil cu dificultate

Figura 1: derivarea nivelurilor PL_r în ISO 13849 și a SIL-uri corespunzătoare în IEC 62061. Ambele standarde se bazează pe conceptul de defecțiune periculoasă pe oră (PFH_d). (Sursa imaginii: SICK)

Cum funcționează LiDAR?

Certificarea PL_b conform ISO 13849 este necesară pentru utilizarea senzorilor de siguranță LiDAR 2D în aplicații de protecție personală. Familia de senzori TiM 2D LiDAR include modele care îndeplinesc această cerință. Senzorii LiDAR 2D scanează împrejurimile folosind tehnologia optică a timpului de zbor (ToF). ToF este implementat prin trimiterea de impulsuri laser cu ajutorul unei oglinzi rotative și detectarea luminii reflectate. Cu cât lumina reflectată are nevoie de mai mult timp pentru a ajunge înapoi la senzor, cu atât obiectul este mai îndepărtat.

Măsurarea timpului combinată cu puterea semnalului returnat permite senzorului să calculeze poziția mai multor obiecte cu o precizie milimetrică. Imaginea rezultată a împrejurimilor este actualizată de până la 15 ori în fiecare secundă (Figura 2). Aceasta poate susține funcții de navigație, orientare, control și siguranță în timp real.

Figura 2: Senzorii TiM 2D LiDAR utilizează o oglindă rotativă și impulsuri laser pentru a crea o imagine a împrejurimilor care poate fi actualizată de până la 15 ori în fiecare secundă. (Sursa imaginii: SICK)

Senzorii TiM 2D LiDAR detectează obiecte în zone definite (câmpuri) care vor fi monitorizate. În funcție de model, acestea au o rază de scanare de până la 25 m și o rază de lucru de până la 270°.

Datele impulsului întors de la laser sunt procesate utilizând tehnologia de măsurare a distanței de înaltă definiție (HDDM) sau HDDM+. HDDM atinge o precizie de măsurare foarte ridicată la distanțe scurte și este potrivită pentru poziționarea fină în aplicații precum andocarea. HDDM+ procesează foarte bine reflexiile de pe margini, ceea ce o face cel mai potrivită pentru aplicații de localizare și anti-coliziune în medii dinamice.

În ambele cazuri, tehnologia cu impulsuri multiple brevetată HDDM/HDDM+ permite senzorilor TiM 2D LiDAR să detecteze toată gamă de scanare fără întreruperi, asigurând o precizie constantă a măsurătorilor, și pot gestiona diferite suprafețe și factori de atenuare.

Tipurile TiM1xx, TiM3xx și TiM7xx detectează dacă obiectele sunt într-un câmp predefinit. Șaisprezece seturi de câmpuri, fiecare cu trei câmpuri pre-configurate, permit adaptarea rapidă în timpul funcționării (Figura 3). Pot fi specificate geometrii de câmp individuale sau pot fi definite câmpuri de contur de referință pentru monitorizarea statică a contururilor. De asemenea, se pot defini filtrele digitale, zonele mascate și timpii de răspuns pentru a maximiza performanța chiar și în prezența ploii, zăpezii sau a prafului abundent.

Figura 3: Seturile de câmp în senzorii TiM 2D LiDAR constau din trei câmpuri pre-configurate. (Sursa imaginii: SICK)

Sunt disponibile modele care furnizează date de evaluare a câmpului sau date de evaluare și măsurare a câmpului. Senzorii de evaluare a câmpului determină doar prezența unui obiect, în timp ce datele pentru evaluarea și măsurarea câmpului pot fi utilizate pentru a oferi o imagine exactă a unei suprafețe scanate.

Pe lângă datele despre distanță, sunt disponibili senzori LiDAR TiM 2D care furnizează, de asemenea, date unghiulare și un indicator al puterii semnalului recepționat (RSSI). Acest set extins de date poate fi deosebit de util pentru evitarea coliziunilor și pentru navigația AMR-urilor în medii în schimbare.

LiDAR-uri de siguranță, adăugarea primelor straturi de protecție

Familia TiM 2D LiDAR are variante de siguranță, TiM361S (evaluarea câmpului) și TiM781S (ieșirea datelor de evaluare și măsurare a câmpului), care îndeplinesc cerințele PL_b și pot fi utilizate atât pentru aplicații staționare, cât și mobile. Acestea pot fi utilizate pentru protecția personală în monitorizarea accesului pentru coboți industriali și pe platforme mobile precum AMR-uri și AGV-uri.

• Tipul TIM361S-2134101, numărul de model 1090608, este potrivit pentru utilizare în interior, cu o rază de detecție de la 0,05 la 10 m și tehnologie HDDM.
• Tipul TIM781S-2174104, numărul de model 1096363, este, de asemenea, potrivit pentru utilizarea în interior, cu o rază de detecție de la 0,05 la 25 m și tehnologie HDDM+.

Integrare simplificată

Senzorii TiM 2D LiDAR sunt concepuți pentru a simplifica integrarea. Cu o clasificare a capsulării de până la IP67, nici praful, nici umezeala nu pot pătrunde în carcasă. Sunt foarte imuni la lumina ambientală puternică de până la 80 000 lx. Designul lor robust îndeplinește cerințele de rezistență la vibrații din IEC 60068-2-6 și cerințele de rezistență la șocuri din IEC 60068-2-27. Robustețea acestora poate fi îmbunătățită, dacă este necesar, prin montarea amortizată a plăcilor de protecție.

Designul compact, greutatea redusă și consumul redus de energie al senzorilor TiM 2D LiDAR îi fac potriviți pentru platformele mobile. Tipurile TIM361S-2134101 și TIM781S-2174104 cântăresc doar 250 g, au un consum tipic de energie de 4 W și măsoară 60 mm L x 60 mm l x 86 mm Î.

Controlerele de siguranță adaugă un alt nivel

Scanerele laser LiDAR detectează pericolele și trimit alerte, în timp ce un controler de siguranță modular poate adăuga un alt nivel de siguranță la un sistem de protecție. De exemplu, controlerul de siguranță Flexi Soft este un sistem modular care poate fi conectat la diverși senzori și elemente de comutare, inclusiv scanere laser. Este clasificat SIL3 în conformitate cu IEC 61508 și PLe cu un PFH_d de 1,07 x 10^-9 în conformitate cu ISO 13849.

Un sistem de bază constă din cel puțin două module (Figura 4):

1. CPU0, cum ar fi modelul 1043783, este unitatea logică centrală unde semnalele de la senzori precum LiDAR sunt analizate și evaluate, descărcând analiza siguranței de la controlerul central al utilajelor. Ieșirea CPU0 se conectează la un control al utilajului de nivel superior, cum ar fi un controler logic programabil (PLC), unde sunt implementate funcții de siguranță.
2. Modulul de expansiune XTIO I/O, cum ar fi modelul 1044125, este necesar pentru conectarea scanerelor laser la sistem. Un modul de expansiune XTIO I/O este necesar pentru fiecare două scanere laser, deoarece fiecare scaner laser utilizează trei intrări de comutare. Controlerul poate opera până la 12 module I/O.

Figura 4: Sistemul controlerului de siguranță Flexi Soft constă într-un modul CPU (1) și unul sau mai multe module I/O (2). (Sursa imaginii: SICK)

Ce s-a întâmplat?

Un element important într-un sistem de siguranță poate fi capacitatea de a analiza și de a înțelege cauza principală a oricăror defecțiuni, răspunzând la întrebarea: „Ce s-a întâmplat pentru ca scanerul laser de siguranță să se declanșeze?” O cameră pentru evenimente, EventCam de la SICK, este special concepută pentru detectarea și analiza defecțiunilor sporadice în mediul industrial.

EventCam este autonomă, având optică, iluminare, electronică și memorie, și poate fi integrată în sisteme mobile sau staționare. Carcasa din aluminiu turnat este clasificată IP65 și poate fi montată în diferite poziții. EventCam se poate conecta la un sistem de automatizare precum un controler de siguranță sau direct la un senzor.

Odată ce a fost raportată o eroare, EventCam începe să stocheze cadre unice sau secvențe video. Memoria inelară internă poate stoca până la 240 de secunde înainte și 100 de secunde după un eveniment. În modul de înaltă definiție (HD), poate înregistra până la 25 de secunde înainte și 15 secunde după. Rata cadrelor video pe secundă (cps) variază de la 13 la 65, în funcție de rezoluția necesară.

EventCam poate fi utilă și la punerea în funcțiune a noilor utilaje sau procese. Poate monitoriza un test nesupravegheat, cum ar fi un test continuu de mai multe ore sau mai multe zile, și poate identifica rapid sursele de eroare. Mai multe dispozitive EventCam pot monitoriza un singur proces, oferind informații vizuale din mai multe unghiuri simultan, pentru o analiză mai profundă și mai amănunțită a erorilor (Figura 5).

Figura 5: Mai multe dispozitive EventCam pot fi sincronizate pentru a înregistra simultan un singur eveniment din mai multe unghiuri. (Sursa imaginii: SICK)

EventCam este oferit în două variante. Modelul 1102028 are o rază de acțiune de la 0,4 m la 0,6 m și poate fi potrivit pentru utilizarea cu coboți staționari cu spații de protecție relativ mici. Modelul 1093139 are o rază de acțiune de la 0,8 la 6 m și se poate adapta spațiilor de protecție mai mari întâlnite la coboți, AMR-uri și AGV-uri mai mari.

Rezumat

Senzorii LiDAR 2D, precum cei din familia TiM de la SICK, pot oferi prima linie de apărare într-un sistem de siguranță pentru coboți, AMR-uri, AGV-uri și utilaje similare. Aceștia oferă o serie de câmpuri de protecție pentru a monitoriza apropierea persoanelor. Adăugarea unui controler de siguranță poate sprijini analiza intruziunilor și poate spori performanța sistemului. În cele din urmă, unul sau mai multe dispozitive EventCam pot monitoriza senzorul LiDAR 2D principal pentru a ajuta la identificarea cauzei principale a oricărei declanșări sporadice.