Utilizarea barierelor optice pentru a spori siguranța și a măsura obiectele

Barierele optice sunt o tehnologie versatilă. Deși sunt adesea asociate cu aplicații de siguranță, acestea au o multitudine de utilizări, inclusiv paza utilajelor și stabilirea zonelor protejate; manipularea materialelor pentru detectarea prezenței obiectelor sau măsurarea dimensiunii obiectelor tranzitorii; asigurarea poziționării sau alinierii corecte a obiectelor pentru aplicații de ambalare și sortare; și detectarea intruziunilor și controlul accesului în zonele restricționate.

Pentru o comparație între barierele optice și scanerele de siguranță cu laser, împreună cu o analiză a aplicațiilor scanerelor, consultați partea 1 a acestei serii, „Cum pot scanerele de siguranță cu laser să protejeze oamenii și utilajele”.

Articolul de față începe prin a analiza specificațiile și standardele de performanță importante ale barierelor optice, prezintă exemple de aplicații pentru utilizarea barierelor optice în sistemele de siguranță și control al accesului și modul în care funcționează barierele optice de măsurare. Pe parcurs, sunt prezentate exemple de bariere optice de la Panasonic, IDEC, Omron și Banner Engineering.

Standarde și tipuri de bariere optice de siguranță

Standardul 61496, Securitatea mașinilor – Echipamente de protecție electrosensibile (ESPE), de la Comisia Electrotehnică Internațională (IEC), definește patru tipuri de performanțe privind siguranța. Tipurile relevante sunt 2, 3 și 4. Tipul 1 nu este definit pentru aplicațiile cu bariere optice de siguranță.

IEC 61496 adaugă un alt nivel de cerințe peste definițiile nivelurilor de integritate a siguranței (SIL) din IEC 61508 și standardul 13849 al Organizației Internaționale de Standardizare (ISO), care definește nivelurile de performanță (PL).

Nivelurile SIL sunt clasificate de la 1 la 3, SIL 3 fiind cel mai înalt nivel, iar nivelurile PL sunt clasificate de la „a” la „e”, PLe fiind cel mai exigent. Conform clasificărilor din IEC 61496, barierele optice se încadrează, în general, în tipurile 2 și 4, deși câteva sunt clasificate ca dispozitive de tip 3. Scanerele de siguranță cu laser îndeplinesc cerințele de tip 3. Unii factori importanți în clasificarea tipurilor includ:

Dispozitivele de tip 2 trebuie să îndeplinească SIL 1 și PLc. Acestea sunt destinate utilizării în aplicații cu risc redus, în care defecțiunile pot provoca răni precum lovituri sau vânătăi, doborâri, tăieturi minore și abraziuni, sau prinderi, dar nu striviri. IEC 61496 impune ca dispozitivul să efectueze o autoverificare la pornire, precum și periodic în timpul funcționării. Aceste dispozitive sunt lipsite de circuitele redundante de autoverificare automată din barierele optice de tip 4. Unghiul deschiderii efective (EAA) care definește câmpul vizual trebuie să fie mai mic sau egal cu ±5 grade. Acest lucru poate duce la apariția interferențelor optice și a erorilor.

ESPE-urile de tip 3, cum ar fi scanerele de siguranță cu laser și câteva bariere optice, trebuie să îndeplinească SIL 2 și PLd și sunt „proiectate să nu prezinte erori periculoase din cauza unei singure defecțiuni, dar pot prezenta erori periculoase din cauza unei acumulări de defecțiuni”. De asemenea, aceste dispozitive au cerințe de compatibilitate electromagnetică (CEM) mai stricte decât dispozitivele de tip 2. Dispozitivele de tip 3 sunt potrivite pentru aplicații în care siguranța reprezintă o preocupare semnificativă.

Barierele optice de tip 4 sunt proiectate pentru aplicațiile în care siguranța este un aspect important. Acestea trebuie să îndeplinească cele mai înalte standarde, PLe și SIL 3. Sunt proiectate „astfel încât să nu prezinte erori periculoase din cauza unei singure defecțiuni sau a unei acumulări de defecțiuni”. Acestea au o valoare EAA mai mică de ±2,5 grade, ceea ce le face mai puțin sensibile la interferențele optice și capabile să recunoască mai ușor obiectele. Trebuie să îndeplinească cele mai stricte cerințe CEM.

Barierele optice de tip 2 sunt cu până la 30% mai ieftine decât barierele optice de tip 4, datorită opticii mai puțin costisitoare și a circuitelor mai simple de detectare a defecțiunilor. Barierele optice de tip 4 sunt disponibile într-o gamă mai largă de rezoluții, inclusiv 14 mm pentru identificarea degetelor, 30 mm pentru mâini, 50 mm pentru picioare și 90 mm pentru prezența unui corp. În schimb, barierele optice de tip 2 sunt, în general, limitate la rezoluții mai mari (Figura 1).

Figura 1: Barierele optice de tip 4 sunt, de obicei, disponibile cu rezoluții minime mai mici decât unitățile de tip 2. (Sursa imaginii: IDEC)

Pe lângă detectarea obiectelor de diferite dimensiuni, fasciculele dintr-o barieră optică pot fi controlate individual pentru a oferi funcții mai avansate, cum ar fi „muting”, „blanking” și măsurarea dimensiunii și a numărului de obiecte.

Operațiunile de muting și blanking ale barierelor optice

Operațiunile de muting și blanking ale unei bariere optice se referă la dezactivarea totală sau parțială a barierei optice în anumite circumstanțe. Muting-ul este un proces automat care suspendă total sau parțial protecția unei bariere optice și are loc, de obicei, în timpul unei părți nepericuloase din ciclul de funcționare a utilajului. Prin acest proces se poate permite materialelor să intre într-o zonă de lucru fără ca nicio activitate periculoasă să nu fie întreruptă. Odată ce materialul a intrat în zona de lucru, funcționalitatea completă de protecție a barierei optice este repornită.

Aplicațiile tipice pentru muting includ:

• Permiterea intrării/ieșirii paleților pe un utilaj de paletizat între operațiuni
• Permiterea deplasării materialelor între zone în cadrul unui proces de fabricație automatizat, protejând în același timp personalul atunci când utilajele sunt active

Figura 2: Cu ajutorul procesului de muting, o barieră optică va permite trecerea obiectelor de anumite dimensiuni fără a întrerupe funcționarea utilajului (stânga), dar va detecta alte obiecte, precum o mână sau degete (dreapta) și va opri mașina. (Sursa imaginii: Panasonic)

Blanking-ul presupune oprirea unei părți a barierei optice fără a întrerupe protecția utilajului. De asemenea, poate permite accesul limitat al persoanelor într-o zonă în timpul unei perioade de siguranță. Aplicațiile tipice pentru blanking includ:

• Întinderea brațului pentru a încărca sau descărca o stație de lucru robotizată în timpul unei perioade de siguranță
• Accesarea unei prese hidraulice de perforare în timpul ciclului ascendent

Barieră optică de tip 2

Barierele optice de tip 2 din seria SG2 de la IDEC sunt disponibile cu modele de protecție a mâinii și a prezenței. De exemplu, modelul SG2-90-030-OO-X este proiectat pentru detectarea prezenței cu o înălțime de control de 300 mm și o rezoluție de 90 mm. Acesta include o funcție de testare/repornire și un sistem de aliniere integrat pentru a accelera implementările. Suporturile de montare rotative accelerează și mai mult instalarea și alinierea cu ușurință a unităților de emisie și recepție, chiar și în aplicații care utilizează oglinzi sau funcționează la distanțe de până la 19 m.

Procesele de muting și blanking în medii dificile

Aplicațiile cu bariere optice de siguranță din depozitele frigorifice cu temperaturi de până la -30 °C, procesele de prelucrare a metalelor, cum ar fi utilajele de ștanțat care au nevoie de protecție împotriva pătrunderii uleiului IP67G și alte operațiuni în medii dure cu praf și murdărie, cum ar fi producția de automobile și mașinile-unelte, pot utiliza produsele din seria F3SG-SR de la Omron. Aceste bariere optice de tip 4 includ funcții de muting și de blanking fix și flotant.

Barierele optice F3SG-SR au înălțimi de protecție de la 160 mm la 2.480 mm. Atunci când este necesară detectarea mâinilor sau a altor obiecte cu diametrul de 25 mm, proiectanții de sisteme de siguranță pot utiliza F3SG-4SRA0280-25-F, care acceptă lungimi flexibile în trepte de 40 mm până la 1.000 mm utilizând 27 de fascicule cu o înălțime de protecție de 280 mm (Figura 3).

Figura 3: Această barieră optică acceptă lungimi flexibile în trepte de 40 mm, cu o înălțime de protecție de 280 mm. (Sursa imaginii: Omron)

Rezistență la răsucire, deformare și impact

Atunci când o barieră optică este utilizată într-un loc în care ar putea fi supusă la impacturi și răsuciri, proiectanții de sisteme pot utiliza barierele optice de tip 4 din seria SF4D de la Panasonic. Modelul SF4D-H32-0 cu o lungime de 630 mm are o clasificare IP67, o rezoluție de 25 mm pentru protecția mâinii și funcții integrate de blanking și muting.

Un element esențial pentru robustețea acestor bariere optice este unitatea internă reproiectată care a permis optimizarea carcasei pentru robustețe și rigiditate. Unitatea internă ocupă mai puțin de 40% din volumul modelelor anterioare, permițând o creștere substanțială a grosimii carcasei (Figura 4). Chiar dacă unitatea internă este mai mică, ieșirea optică a fost mărită, iar timpul de răspuns la OPRIRE al ieșirilor de control este de 10 ms sau mai puțin, sau 18 ms sau mai puțin atunci când sunt conectate în serie sau în paralel.

Figura 4: Unitatea interioară mai compactă acceptă o ieșire optică mai mare, permițând în același timp utilizarea unei carcase semnificativ mai groase. (Sursa imaginii: Panasonic)

Măsurarea cu barierele optice

În general, barierele optice concepute pentru măsurarea obiectelor au trei moduri: scanare dreaptă, scanare cu o singură margine și scanare cu două margini. Specificațiile cheie includ dimensiunea minimă de detectare a obiectului (MODS) și rezoluția marginilor (ER).

Scanarea dreaptă este, de obicei, modul implicit, iar fasciculele sunt scanate secvențial de la capătul ecranului până la capătul opus al matricei. Măsurarea se determină atunci când se întâlnește primul fascicul neblocat. Sensibilitățile tipice pentru scanarea directă cu modul de contrast scăzut includ valori MODS de 5 mm și ER de 5 mm. Dacă se utilizează modul de scanare cu câștig în exces ridicat, MODS este de 10 mm, iar ER este de 5 mm. Scanarea cu o singură margine și cu două margini poate oferi un MODS de 10 mm și un ER de 2,5 mm.

Scanarea cu o singură margine începe cu blocarea primului fascicul (cel mai mic), care indică prezența unui obiect. Apoi, bariera verifică fasciculul central. Scanerul se uită la sfertul inferior al fasciculului pentru a vedea dacă fasciculul central este deblocat. Scanerul se uită la sfertul superior al fasciculului pentru a vedea dacă fasciculul central este blocat.

După ce s-a stabilit dacă sfertul superior sau inferior al fasciculelor este blocat sau deblocat, împărțirea numărului de fascicule la jumătate continuă până când se găsește marginea superioară a obiectului.

În cazul în care primul fascicul nu este neapărat blocat, se poate utiliza măsurarea cu două margini, începând cu selectarea dimensiunii pasului, de obicei 1, 2, 4, 8, 16 sau 32, în funcție de aplicație. Aceasta începe cu activarea fasciculului 1 de către barieră. Dacă acest fascicul este blocat, prima margine a fost identificată. Dacă nu este blocat, bariera activează următorul fascicul, care este determinat de dimensiunea pasului. De exemplu, dacă dimensiunea pasului este 4, se activează fasciculul 5.

În cazul în care fasciculul activat este deblocat, bariera continuă procesul pas cu pas până când găsește un fascicul blocat. În acel moment, revine la început printr-o căutare binară, pentru a identifica primul fascicul blocat și identifică marginea corespunzătoare. Procesul se repetă, de data aceasta folosind marginea identificată ca punct de referință și procesul pas cu pas pentru a identifica un fascicul deblocat, apoi revenind pentru a găsi cel mai mare fascicul blocat, identificând a doua margine.

Figura 5: Exemplu de secvențe de fascicule într-o scanare cu două margini. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Bariere optice pentru măsurare

Ecranele optice de măsurare A-GAGE EZ-ARRAY de la Banner Engineering sunt concepute pentru aplicații precum dimensionarea și profilarea produselor în timp real, ghidarea marginilor și ghidarea centrului, detectarea găurilor, numărarea pieselor și așa mai departe. Lungimea emițătoarelor și a receptoarelor variază între 150 și 2400 mm (5,9 și 94,5 in) (Figura 6). De exemplu, modelul EA5E600Q are o lungime de 600 mm (23,6 in) și 120 de fascicule. Aceste bariere optice susțin sistemele precise de monitorizare și inspecție a proceselor de mare viteză, de profilare și de ghidare în rețea. Caracteristicile suplimentare includ:

• Numeroase opțiuni de scanare:
  • 16 moduri de analiză (măsurare) a scanării
  • Trei metode de scanare
  • Blanking cu fascicule selectabile
• Comutator DIP cu șase poziții pentru setarea modului de scanare, a modului de măsurare, a pantei analogice și setarea valorii discrete pentru măsurarea complementară sau funcționarea alarmei.

Figura 6: Barierele optice de măsurare din familia A-GAGE EZ-ARRAY sunt disponibile în lungimi de la 150 mm la 2400 mm. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Concluzie

Barierele optice pot face mult mai mult decât să prevină accesul la zonele periculoase și sensibile, protejând atât oamenii, cât și utilajele. Acestea pot permite accesul controlat folosind funcții de blanking și muting pentru a crește productivitatea. De asemenea, barierele optice pot accepta tehnicile de măsurare fără contact care măsoară rapid și eficient dimensiunile multiple ale obiectelor.