Lichtgordijnspecificatie en aankoop

Lichtgordijnen zijn veiligheidsvoorzieningen die gevaarlijke machine-assen afsluiten om te voorkomen dat bedieners en ander personeel van de fabriek die in de buurt van of met de machine werken, gewond raken. Lichtgordijnen maken gebruik van een staafvormige zender die foto-elektrische lichtbundels genereert die door een ontvanger worden gedetecteerd (Afbeelding 1). Onderbreking van eventuele bundels dient als signaal voor de machinebedieners dat er beweging in de werkruimte is en dat gevaarlijke werkzaamheden moeten worden stopgezet of moeten worden vertraagd tot snelheden die geen risico's opleveren voor de menselijke bediener. Het gebruik van veiligheidslichtgordijnen neemt toe, omdat ze minder opdringerig en veel beter configureerbaar zijn dan omheiningen.

Afbeelding 1: De lichtgordijnen van vandaag geven machines een ongekende veiligheid. Vele zijn ontworpen om het proces van het vervangen van veiligheidssystemen op basis van oppervlaktesensoren te vereenvoudigen. (Bron afbeelding: Design World))

Dit artikel geeft een overzicht van de overwegingen bij het specificeren en installeren van lichtgordijnen. Omdat dit een veiligheidskritische activiteit is, moeten alle relevante nationale en internationale normen worden geraadpleegd alvorens tot installatie over te gaan. Nog beter zou het zijn om gebruik te maken van de diensten van een professionele installateur die gewend is om volgens deze normen te werken. Dit artikel moet worden beschouwd als een inleiding en een gids voor een aantal van de relevante normen en biedt enige achtergrondkennis om te helpen bij het bespreken van de ontwerpvereisten met een professionele installateur van veiligheidssystemen.

Identificeren van gevaren en risico's

Alvorens een veiligheidssysteem te specificeren, moet een volledige risicobeoordeling worden uitgevoerd voor de gevaarlijke machine die wordt beveiligd. Hierdoor worden gevaarlijke zones van de machines en mogelijke ingangspunten vastgesteld. Het niveau van het risico dat een gevaar inhoudt, zal een belangrijk onderdeel vormen van de specificatie van passende veiligheidsmaatregelen.

Minimaal detectievermogen van de sensor

De minimale detectiecapaciteit van de sensor is de minimale objectgrootte die het lichtgordijn in werking stelt. Verschillende lichtgordijnen zijn op verschillende afstanden gerangschikt. Als de afstand tussen de bundels een diameter van 5 mm heeft, dan zal een vinger die ergens door het lichtgordijn wordt gestoken, resulteren in een stopcommando. Een minimale detectiecapaciteit van de sensor van 150 mm zou het echter mogelijk maken dat het personeel van de fabriek met een hele arm binnen het afgeschermde gebied kan komen zonder de machine te laten stoppen. De grootte van het object dat een lichtgordijn kan detecteren, bepaalt de afstand die het moet hebben tot de gevaarlijke delen van de machine.

Minimale afstand

In tegenstelling tot bewakers houden lichtgordijnen iemand niet fysiek tegen om in een gevarenzone te komen. In plaats daarvan geeft het lichtgordijn een opdracht voor een gevaarlijke operatie om te stoppen of te verminderen tot een veilige snelheid. Dit betekent dat het lichtgordijn ver genoeg van het gevaar moet worden geplaatst om de machine de tijd te geven om te stoppen voordat de persoon het gevaar bereikt (Afbeelding 2). Deze afstand is afhankelijk van drie parameters - de totale stopkracht van het systeem, de inbraakafstand en de naderingssnelheid.

Afbeelding 2: Voor een juiste specificatie van een lichtgordijn moet de veiligheidsafstand tussen het detectiegebied van het gordijn en het gevaarlijke machinebereik nauwkeurig worden berekend - en moet vervolgens een afstand worden aangehouden die gelijk is aan of groter is dan die waarde. Er bestaan normen om dergelijke afstanden te helpen definiëren, en in feite is de EN ISO 13855-veiligheidsafstandsnorm verkort om gebruik te kunnen maken van steeds bekwamere gordijnen en tegelijkertijd compactere productiemachines mogelijk te maken. (Bron afbeelding: Panasonic Industrial Automation Sales)

De totale stopkracht van het systeem is de totale tijd tussen het passeren van het lichtgordijn en het daadwerkelijk stoppen van de machine. Het omvat de vertraging in het elektrische besturingssysteem en de traagheidseffecten die bepalen hoe snel bewegende machines kunnen stoppen. De totale systeem stopzetting wordt weergegeven door de variabele T.

De inbraakafstand is de afstand die een klein deel van het lichaam, zoals een vinger of hand, langs het lichtgordijn kan bewegen in de richting van de gevarenzone voordat het lichtgordijn wordt geactiveerd. Dit is het belangrijkste wanneer de minimale detectiecapaciteit van de sensor groot is, wat misschien betekent dat alleen het lichaam van een persoon het stopbevel zou triggeren. In dit geval zou een persoon door het lichtgordijn kunnen reiken en zou zijn of haar arm de machine niet tegenhouden.

Volgens de EN ISO 13855-veiligheidsafstandsnorm - vastgesteld door de Internationale Organisatie voor Normalisatie en wereldwijd gebruikt - wordt de minimale afstand tot de gevarenzone S berekend (in mm) met behulp van de vergelijking:

waarbij K een maximale menselijke (arm of lichaam) naderingssnelheid in mm/sec is, T de totale stopkracht in seconden is, en C de inbraakafstand in mm is. Met betrekking tot K definieert EN ISO 13855 K als 2.000 mm/sec voor de snelste die een menselijke arm kan bewegen en 1.600 mm/sec voor de snelste die een menselijk lichaam kan bewegen.

Neem bijvoorbeeld aan dat een werkcel een lichtgordijn heeft dat voorwerpen met een diameter van 40 mm kan detecteren. De minimale afstand moet eerst worden berekend met K = 2.000 mm/sec. Als dit resulteert in een afstand van minder dan 100 mm (zoals gedefinieerd door EN ISO 13855) dan moet deze lagere resulterende waarde worden genegeerd - en moet een waarde van 100 mm worden gebruikt. Als de resulterende waarde hoger is dan 500 mm (zoals gedefinieerd door EN ISO 13855) dan moet de afstand opnieuw worden berekend met K = 1.600 mm/sec (om te voorkomen dat personeel letsel oploopt in een gevaarlijke zone) en kan de nieuwe lagere afstand worden gebruikt; op voorwaarde dat deze niet kleiner is dan 500 mm. Waarden voor andere sensordetectiemogelijkheden worden ook gegeven in ISO 13855.

Bij de berekening van de minimale afstand tot een robot moet rekening worden gehouden met het maximale bereik van de robot. Hierbij moet het robotprogramma niet worden vertrouwd op het beperken van de robot tot een deelverzameling van het volledige werkvolume. Op de assen van de robot kunnen echter eindschakelaars worden gebruikt als onderdeel van een vergrendelsysteem dat het bereik van de robot veilig beperkt.

Is een lichtgordijn geschikt?

Tijdens de eerste fase van de specificatie van het veiligheidssysteem is het belangrijk om vast te stellen of een lichtgordijn geschikt is. Hier zijn de International Electrotechnical Commission (IEC) en ISO-classificaties van normen onontbeerlijk. Deze categoriseren veiligheidsnormen als basisveiligheidsnormen van type A, algemene veiligheidsnormen van type B en machinespecifieke veiligheidsnormen van type C.

De eerste overweging is of er een type-C-norm bestaat voor de betreffende machinebediening - en wat voor soort beveiliging deze precies vereist voor die specifieke toepassing. In feite zijn type-C-normen vaak specifiek voor zowel het machinetype in kwestie als de industrie - en kunnen ze worden gedefinieerd door NFPA, BN, ANSI, RIA of andere regelgevende instanties die in de loop der jaren het EN ISO-systeem voor het classificeren van normen volgens een A-B-C-systeem hebben aangenomen. Als er een type-C-norm van toepassing is op de werking van de machine, dan moeten de richtlijnen in die norm (inclusief die met betrekking tot lichtgordijnen) worden gevolgd. Dat komt omdat de type-C-normen alle gevaren en vereiste risicobeperkende maatregelen voor de machinefunctie duidelijk kwantificeren - en het gebruik van alle minder specifieke normen vervangen. Als er geen type-C-norm van toepassing is op de machinefunctie bij de hand en een lichtgordijn een goede optie blijkt te zijn, moet de minimale afstand worden berekend. Als de minimale afstand praktisch is, dan kan de ontwerper doorgaan met de specificatie van een lichtgordijn. Als de ruimte echter beperkt is of als een machine veel tijd nodig heeft om te stoppen, moet een andere vorm van beveiliging (zoals een fysieke beveiliging) worden overwogen.

Soorten lichtgordijn

De internationaal gehanteerde IEC 61496-norm classificeert lichtgordijnen als type 2 of type 4. Type 2 lichtgordijnen zijn goedkoper met tragere en minder betrouwbare elektronica. Als er een storing optreedt in de veiligheidscircuits van een lichtgordijn van het type 2, kan er een periode zijn voordat de storing wordt gedetecteerd wanneer deze geen bescherming biedt. Lichtgordijnen van type 4 maken daarentegen gebruik van een continue geautomatiseerde kruiscontrole op fouten en vergissingen. Als er een fout optreedt, wordt er onmiddellijk een stopsignaal gegeven, wat betekent dat er sprake is van een continue veiligheidsbescherming.

De POC-lichtgordijnen (Point of Operation Control) zijn ontworpen om dicht bij een gevaar te worden geïnstalleerd, waar de bedieners vaak met een machine in aanraking komen. Ze zijn daarom ontworpen voor vinger-, hand- en armdetectie. Het is gebruikelijk om fysieke beveiliging te gebruiken aan de zijkanten van een machine en een POC-lichtgordijn aan de voorkant te installeren.

PAC-lichtgordijnen (perimeter access control) creëren een veiligheidsperimeter rond een machine die geen operators nodig heeft om deze te benaderen. Ze bieden meestal alleen volledige lichaamsdetectie.

Voor deze functie kan ook een zonetoegangscontrole (AAC) worden gebruikt. PAC's maken vaak gebruik van spiegels om de lichtgordijnhardware te verminderen die nodig is om een volledige omtrek te creëren.

Internationale normen met betrekking tot lichtgordijninstallaties

Er zijn een aantal normen die relevant zijn voor de juiste installatie van lichtgordijnen. Als een installatie een lichtgordijn installeert voor een veiligheidskritische toepassing, dan moet deze direct naar deze normen verwijzen. ISO 13857 heeft betrekking op het vaststellen van veiligheidsafstanden om te voorkomen dat de ledematen van mensen gevaarlijke zones bereiken. De veiligheidsafstand is afhankelijk van een risico-inschatting. Bijvoorbeeld, wanneer men naar boven reikt, moet men niet binnen 700 mm van een gevaar kunnen komen, of binnen 500 mm als het risico op schade gering is. ISO 12100 gaat over het vaststellen van de ernst en de waarschijnlijkheid van schade. Een laag niveau van schade zou omkeerbare schade zijn, zoals kneuzingen of gebroken vingernagels, of temperatuur en contactduur die geen branddrempelwaarde bereikt. Verbrandingsdrempels worden gegeven in ISO 13732, en ISO 14121 geeft meer details over risico-inschatting.

Zoals hierboven beschreven, beschrijft ISO 13855 de positionering van beveiligingen met het oog op de naderingssnelheden van verschillende delen van het menselijk lichaam. Dit is over het algemeen relevanter dan ISO 13857 voor lichtgordijnen, omdat lichtgordijnen niet verhinderen dat een persoon de gevarenzone binnenkomt, maar eerder gevaarlijke handelingen stoppen. Het is daarom belangrijk om te overwegen hoe ver een persoon kan reizen in de tijd tussen het lichtgordijn dat het stopsignaal uitzendt en de machine die daadwerkelijk stopt. Het totale stopvermogen van het systeem en de maximaal mogelijke menselijke naderingssnelheid bepalen samen de minimale veilige afstand van de lichtbeschermer tot het gevaarlijke proces.

ISO 14119 heeft betrekking op de specificatie en het ontwerp van de vergrendeling van fysieke beveiligingen. Hoewel de lichtgordijnen niet expliciet worden genoemd, zijn veel van de principes relevant - zoals het ontwerpen om de nederlaagmogelijkheden tot een minimum te beperken.

ISO 14120 heeft betrekking op de specificatie en het ontwerp van de fysieke beveiligingen zelf en is daarom minder relevant voor lichtgordijninstallaties. Lichtgordijnen worden echter vaak gecombineerd met fysieke bewakers. Zo kunnen bijvoorbeeld fysieke beveiligingen worden gebruikt om de toegang tot een gevarenzone vanaf de zijkanten te voorkomen; met een lichtgordijn aan de voorzijde van de zone. Het is dus mogelijk dat ook ISO 14120 moet worden geraadpleegd.

Conclusie

Lichtgordijnen kunnen het gemak van het bedienen van machines sterk verbeteren. Ze bieden een duidelijk zicht op het werkvolume van de machine en stellen operators in staat om naar binnen te reiken om onderdelen te verwijderen en gereedschap te installeren zonder het ongemak van het openen van beschermkappen.

Lichtgordijnen bieden echter niet altijd hetzelfde niveau van bescherming - vooral tegen het uitwerpen van projectielen uit de machine.

Het is ook belangrijk om te onthouden dat, vanwege de noodzaak om de algehele stopkracht mogelijk te maken, lichtgordijnen meestal verder weg van de gevarenzone worden aangebracht dan beveiligingsmiddelen. Dit zijn allemaal belangrijke overwegingen bij het kiezen van een geschikte beveiliging.