Hoe miniatuur veiligheidslaserscanners bescherming en productiviteit kunnen maximaliseren

De toenemende complexiteit van Industry 4.0 fabrieks- en logistieke automatisering vereist nieuwe benaderingen van systeemontwerp die tegelijkertijd de veiligheid en productiviteit maximaliseren.

De flexibele aard van Industry 4.0-activiteiten betekent dat de plaats en omvang van gevaarlijke activiteiten af en toe kunnen veranderen en dat veiligheidssystemen zich snel moeten aanpassen. Er is een herconfigureerbaar, programmeerbaar en flexibel veiligheidssysteem nodig.

De mogelijkheid om waarschuwingszones in te stellen om werknemers die een gevaarlijk gebied naderen te waarschuwen voordat ze te dichtbij komen, kan een groot voordeel zijn. Het voorkomt dat werknemers per ongeluk de gevaarlijke zone betreden, een veiligheidsvoorziening activeren en een machine uitschakelen. Dat verbetert de uptime en productiviteit.

Dit artikel begint met een kort overzicht van internationale standaarden voor veiligheidsmatten en veiligheidslaserscanners en gaat dan verder met het vergelijken van toepassingsoverwegingen voor veiligheidsmatten en veiligheidslaserscanners, waarbij gekeken wordt naar factoren als contact- versus contactloze werking, bescherming van het waarschuwingsveld en instelbaarheid.

Tot slot worden voorbeelden gegeven van de miniatuur veiligheidslaserscanners van SICK en hoe ze voldoen aan de vereisten van verschillende toepassingen, samen met de installatie- en configuratiemogelijkheden, inclusief hoe de scanners gemakkelijk vervangen kunnen worden als ze beschadigd raken.

Belangrijke veiligheidsnormen zijn onder andere de International Electrotechnical Commission (IEC) 61508, "Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems (E/E/PE, of E/E/PES)", de International Organization for Standardization (ISO) 13849, "Safety of machinery - Safety-related parts of control systems" en de IEC 61496, "Safety of machinery - Electrosensitive protective equipment".

Veiligheidsmatten en veiligheidslaserscanners voldoen aan verschillende onderdelen van deze normen. IEC 61508 definieert bijvoorbeeld een reeks veiligheidsintegriteitsniveaus (SIL's). Veiligheidslaserscanners voldoen aan de SIL 2-vereisten. Dat geldt ook voor sommige, maar niet alle, veiligheidsmatten. Sommige veiligheidsmatten voldoen alleen aan de vereisten van SIL 1, wat een orde van grootte minder streng is dan SIL 2.

SIL 1-veiligheidsvoorzieningen zijn bedoeld voor toepassingen met een laag risico waarbij de gevolgen van een storing niet ernstig zijn, zoals basismachinebeveiliging, niet-kritieke processen en eenvoudige alarmen. SIL 2-veiligheidsvoorzieningen zijn ontworpen om risico's te beperken die kunnen leiden tot ernstig letsel of aanzienlijke milieuschade, maar niet noodzakelijkerwijs tot catastrofale gebeurtenissen.

ISO 13849 gebruikt concepten die vergelijkbaar zijn met SIL's en definieert prestatieniveaus (PL's). Veiligheidsmatten komen meestal in aanmerking voor een PLc-certificering, terwijl veiligheidslaserscanners in aanmerking moeten komen voor de zwaardere PLd-certificering. Sommige veiligheidsmatten kunnen ook voldoen aan de PLd-prestatievereisten.

Om gecertificeerd te worden, moet een veiligheidslaserscanner voldoen aan SIL 2, PLd en IEC 61496-3, specifiek voor actieve opto-elektronische beschermingsmiddelen die reageren op diffuse reflectie (AOPDDR, of laserscanners). De implicaties van de verschillende veiligheidscertificeringen voor veiligheidsmatten en veiligheidslaserscanners zijn belangrijk, maar ze zijn slechts het begin bij het maximaliseren van bescherming en productiviteit.

Meer om te overwegen

Goed gespecificeerde veiligheidsmatten en veiligheidslaserscanners kunnen beide voldoen aan de IEC- en ISO-veiligheidsvereisten. Maar dat is niet het einde van het verhaal; er is meer om rekening mee te houden in Industry 4.0 fabrieks- en logistieke automatiseringstoepassingen.

Een veiligheidsmat is een matrix van mechanische schakelaars. Wanneer een gewicht, zoals een persoon die op de mat stapt, een of meer van de schakelaars sluit, stuurt het een signaal naar de controller van de mat die de werking van het beveiligde systeem stopt.

De mechanische aard van veiligheidsmatten kan een reden tot bezorgdheid zijn. Ten eerste werkt de mat alleen als er direct contact is met een persoon die over de mat loopt. Ten tweede zijn de matten onderhevig aan slijtage en (soms letterlijk) scheuren. Mensen kunnen zwaar en/of scherp gereedschap op de mat laten vallen, waardoor deze beschadigd raakt (Afbeelding 1). Of een vorkheftruck kan over de mat rijden en deze beschadigen. Omgevingsfactoren zoals het morsen van corrosieve materialen kunnen de mat ook aantasten.

Afbeelding 1: De werking van veiligheidsmatten vereist fysiek contact en kan in gevaar worden gebracht door ongelukken en omgevingsgevaren. (Bron afbeelding: SICK)

Aanpasbaarheid

Veiligheidsmatten zijn inherent vaste installaties en zijn niet verstelbaar. Er zijn verschillende maten en matconfiguraties voor specifieke installatievereisten. Dat kan uitdagingen opleveren in Industry 4.0-fabrieken en logistieke operaties die onderhevig zijn aan herconfiguratie naarmate de proceseisen veranderen.

Het aanbrengen van wijzigingen in systemen die op veiligheidsmatten zijn gebaseerd kan de aanschaf van een nieuwe mat vereisen, waardoor het langer duurt voordat de omschakeling operationeel is. Dat kan de beschikbaarheid van machines en de algehele productiviteit negatief beïnvloeden.

Een manier om de impact tot een minimum te beperken is om verschillende maten veiligheidsmatten bij de hand te houden. Dat kan het wisselen en vervangen van beschadigde matten versnellen. Maar het is ook duur. Het kan ook nodig zijn om verschillende veiligheidsmatbesturingen bij de hand te houden, omdat niet alle matten compatibel zijn met alle besturingen.

Deze problemen kunnen worden aangepakt door veiligheidslaserscanners te gebruiken. Veiligheidslaserscanners zijn niet gebaseerd op mechanische schakelaars; het zijn elektronische apparaten die kunnen worden aangepast aan verschillende toepassingsbehoeften.

Veiligheidslaserscanners zijn een contactloze technologie die een infrarood (IR) laser gebruiken om de omgeving in twee dimensies te scannen. Ze zenden korte pulsen IR-licht uit. Als een lichtpuls een voorwerp raakt, wordt het gereflecteerd naar de scanner. De afstand tot het object kan zeer nauwkeurig worden bepaald op basis van het tijdsinterval tussen het moment van uitzenden en het moment dat het gereflecteerde licht terugkeert.

Dankzij de mogelijkheid om de afstand tot obstakels te bepalen, kunnen veiligheidslaserscanners een reeks waarschuwings- en beschermingsvelden instellen op basis van de nabijheid van een object. Sommige veiligheidslaserscanners kunnen tientallen gedefinieerde velden hebben. Dat kan nuttig zijn voor toepassingen zoals navigatie voor een autonome mobiele robot.

De S300 Mini Standard veiligheidslaserscanners van SICK zijn geoptimaliseerd voor veiligheidstoepassingen waarbij drie gedefinieerde velden - een beschermingsveld en twee waarschuwingsvelden - tegelijkertijd actief moeten zijn. Hun compacte afmetingen van 102 x 116 x 105 millimeter (mm) (b x h x d) maken ze geschikt voor toepassingen zoals robotwerkcellen en automatisch geleide voertuigen (AGV's) (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Vergelijking van de afmetingen van de S30 Mini Standard-veiligheidslaserscanner en een frisdrankblikje. (Bron afbeelding: SICK)

S300 Mini Standard-scanners hebben een scanhoek van 270° om een groot gebied te bestrijken en een selecteerbare resolutie voor hand-, been- of lichaamsdetectie. Deze scanners ondersteunen waarschuwingsveldbereiken tot 8 m en zijn verkrijgbaar met drie maximale beschermingsveldbereiken:

• Eén meter, model 1058000
• Twee meters, model 1050932
• Drie meters, model 1056430

Dynamische omgevingen

Dynamische omgevingen, waar de lay-out of operationele omstandigheden veranderen of waar AGV's rondrijden, kunnen profiteren van configureerbare veiligheidslaserscanners. De detectiezones kunnen naar behoefte worden aangepast aan veranderende beveiligingsbehoeften.

Het instellen van meerdere waarschuwingsvelden kan vooral handig zijn om te voorkomen dat mensen te dichtbij komen en een machine uitschakelen. De waarschuwingssignaalgevers kunnen bestaan uit een eenvoudig knipperlicht als het eerste waarschuwingsveld wordt overschreden en een waarschuwingssirene of claxon als het tweede waarschuwingsveld wordt betreden. Er zijn specifieke regels voor het berekenen van de grootte van beschermingsvelden.

Berekeningen van veiligheidsafstanden

ISO-norm 13855, "Veiligheid van machines - Positionering van beveiligingsinrichtingen in verband met het naderen van het menselijk lichaam", bevat richtlijnen voor het berekenen van de minimale veilige afstand die nodig is om een machine te stoppen wanneer een persoon deze nadert. ISO 13855 is van toepassing op verschillende soorten veiligheidsapparaten, waaronder veiligheidslaserscanners, veiligheidslichtschermen, drukgevoelige apparaten, veiligheidsmatten en -vloeren en meer.

Het kan nuttig zijn bij het berekenen van de grootte van veiligheidsvelden voor veiligheidslaserscanners (Afbeelding 3). Een gebruikelijke formule voor het berekenen van de veilige afstand, S, is S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, waarbij:

• K = Naderingssnelheid (1.600 mm/s, gedefinieerd in ISO 13855)
• TM = Stoptijd van de machine of het systeem
• TS = Reactietijd van de veiligheidslaserscanner en de nageschakelde besturing
• ZG = Algemeen supplement = 100 mm
• ZR = Supplement voor reflectiegerelateerde meetfouten
• CRO = Supplement om overreiken te voorkomen

Afbeelding 3: ISO 13855 richtlijnen kunnen gebruikt worden om de grootte van veiligheidsvelden (rood) te berekenen voor veiligheidslaserscanners zoals de S300 Mini Standard. (Bron afbeelding: SICK)

Automatisch geleide voertuigen

Automatisch geleide voertuigen (AGV's) verplaatsen items snel en efficiënt zonder menselijke tussenkomst in Industry 4.0-fabrieken, magazijnen en distributiecentra. In sommige AGV's worden schakellijsten of bumpers gebruikt om obstakels te detecteren. Dat kan de rijsnelheid van de AGV beperken en de strips of bumpers kunnen fysieke schade oplopen, waardoor ze moeten worden vervangen en de AGV een tijd buiten gebruik is.

Om de veiligheid, flexibiliteit en maximale beschikbaarheid te behouden, kunnen AGV's schakelstrips en bumpers vervangen als de primaire veiligheidsvoorzieningen en kunnen ze een laserveiligheidsscanner bevatten om obstakels te detecteren en veilig te stoppen. Het kleine formaat van de S300 Mini vergemakkelijkt de integratie, zelfs in de kleinste AGV's (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het compacte formaat van de S300 Mini Standard-veiligheidslaserscanners maakt het mogelijk om ze op kleine AGV's te monteren. (Bron afbeelding: SICK)

Het gebruik van twee veiligheidslaserscanners kan een groter beschermd gebied opleveren. Als de scanners op de voorste hoeken van de AGV zijn gemonteerd, strekt het beschermde gebied zich uit tot de voorkant en beide zijkanten van het voertuig. Stel dat de scanners diagonaal tegenover elkaar zijn gemonteerd aan de voor- en achterkant van het voertuig. In dat geval omringt het beschermde gebied alle zijden van de AGV, waardoor veilige verplaatsing in beide richtingen mogelijk is.

Configuratie, installatie en onderhoud

Configuratie- en diagnosesoftware (CDS) van SICK kan gebruikt worden om beveiligings- en waarschuwingsvelden te definiëren met behulp van een pc of laptop. De software bevat een intuïtieve interface voor het ontwerpen en implementeren van toepassingen. De software berekent en bewaart ook alle configuratie- en diagnosegegevens voor een snelle inbedrijfstelling en/of efficiënte probleemoplossing. Configuratie en diagnose kunnen worden geïmplementeerd tijdens inbedrijfstelling of onderhoud.

SICK biedt ook montagekits om de S300 Mini-veiligheidslaserscanners fysiek te bevestigen. Kit 1a, model 2034324, is de basismontagebeugel zonder beschermkap voor de optiek, en kit 1b, model 2034325, bevat een bescherming voor de optiek (Afbeelding 5). Daarnaast kunnen extra montagebeugels, waaronder kit 2, model 2039302, en kit 3, model 2039303, worden toegevoegd om de scanners in twee vlakken uit te lijnen. De maximale instelhoek is ±11° in beide vlakken.

Afbeelding 5: Montagekit 1b bevat bescherming voor optiekafdekking. (Bron afbeelding: SICK)

Met de montagekits kunnen beschadigde scannerkoppen ook snel worden vervangen. De vervangende scannerkop wordt bevestigd aan de systeemstekker, die permanent op de machine is gemonteerd. De vervangingskop downloadt onmiddellijk de configuratiegegevens van de systeemstekker en neemt de geprogrammeerde veiligheidstaken over, geen herprogrammering of handmatig downloaden van configuratiegegevens. Het is een plug-and-play-proces dat machinestilstand tot een minimum beperkt.

Samenvatting

S300 Mini Standard-veiligheidslaserscanners bieden een robuust alternatief voor veiligheidsmatten in Industry 4.0 fabrieken, magazijnen en distributiecentra die tegelijkertijd de veiligheid en productiviteit maximaliseren. Ze voldoen aan de veiligheidsnormen IEC 61508, ISO 13849 en IEC 61496 en zijn geschikt voor vaste installaties en mobiele platforms zoals AGV's. Tot slot ondersteunen de S300 Mini Standard-veiligheidslaserscanners flexibele en snelle configuratie, installatie en onderhoud.