Az emberek és a gépek védelme biztonsági lézerletapogatókkal

A biztonsági lézerletapogatók (helyenként használt idegen szóval lézerszkennerek) hozzájárulhatnak az ipari és a logisztikai létesítmények biztonságához. Megvédhetik az embereket a gépekkel való biztonságtalan együttműködéstől, és a gépeket az emberek nem szándékos beavatkozásától.

A biztonsági lézerletapogatók hatékonyságának maximálisra növeléséhez több tényező figyelembe vételére van szükség. Először is meg kell határozni, hogy a lézerletapogató-e a legjobb megoldás, vagy valamilyen másik technika, például a fényfüggöny jobban megfelel-e az adott felhasználási területre.

Miután megszületett a döntés, hogy a lézerletapogató a legjobb választás, fontos döntéseket kell hozni, többek között a következőket:

• az optimális munkavédelmi biztonsági zónák és zónakészletek kiválasztása
• szabványok használata, például az embereknek a géphez közelítése ellen védő védőelemek elhelyezését illetően a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO, International Organization for Standardization) ISO 13855-ös szabványáé
• a helyes többszörös mintavételi érték kiválasztása
• optimális funkciókészletű lézerletapogató választása

Ez a cikk először is áttekinti, milyen tényezők befolyásolják, hogy mikor érdemes lézerletapogatót választani, és mikor fényfüggönyt. Ezután ismerteti a lézerletapogatók fontos kiválasztási szempontjait, és megvizsgálja az IDEC, az Omron, a SICK és a Banner Engineering egy-egy jellegzetes biztonsági lézerletapogatóját.

Lézerletapogató vagy fényfüggöny?

Az egyik első szempont: milyen fizikai teret védünk? Mind a lézerletapogatók, mind a fényfüggönyök megvédhetik az embereket a sérülésektől, valamint a gépeket a folyamat megzavarásától és a károsodástól. Bár a lézerletapogatók és a fényfüggönyök védelmi képességei között van némi átfedés, általában különböző felhasználási területekre alkalmasak. Íme néhány példa:

A munkaterület védelme: a gép azon aktív területére vonatkozik, ahol a munkát végzik. A fényfüggönyök alkalmasak erre a feladatra, mivel az optimális ponton helyezhetők el, és a felbontásuk beállítható úgy, hogy az ujjakat, a kezeket vagy a lábfejeket/lábszárakat érzékeljék, és biztosítsák a szükséges védelmi szintet. A lézerletapogatókat általában nagyobb minimális távolságban kell elhelyezni a lehetséges veszélyektől, mivel hosszabb a reakcióidejük, ezért általában nem használják őket a munkaterületek védelmére.

Kerületvédelem: a gép több oldalát védi. A fényfüggönyök munkaterületek védelméhez hasonlóan arra is alkalmasak, hogy a kerület védelmére nyújtsanak kis méretű megoldásokat. Ha ember lépi át a határt, akkor leállítójelet tudnak küldeni, és a gép leáll. Bár mind a fényfüggönyök, mind a lézerletapogatók használhatók kerületvédelemre, a biztonsági fényfüggönyöket gyakrabban használják erre a feladatra, a lézerletapogatókat pedig gyakrabban területvédelemre.

Belépésfigyelés és területvédelem: a konkrét felhasználási igényektől függően megvalósítható fényfüggönnyel és lézerletapogatóval is. A fényfüggönyök akkor hasznosabbak, ha egyetlen belépési pont van. Az egyes fénysugarak egyenként történő figyelése és értékelése lehetővé teszi például, hogy a fényfüggöny különbséget tegyen egy „magas” személy és egy „alacsony” anyagmozgató gép, például a küszöböt átlépő raklap között, és ennek megfelelően másként reagáljon a rendszer a két esetre.

A lézerletapogatók beállíthatók úgy, hogy 275°-os területet figyeljenek, és így a felhasználó által meghatározott kétdimenziós védett zónát hozzanak létre (1. ábra). Az emberek és a védett gép közötti távolság alapján több védett zónát is létre lehet hozni, és védelmi rendszer adott esetben lelassíthatja vagy akár le is állíthatja a gépet.

1. ábra: Egy ehhez hasonló biztonsági lézerletapogató akár 275°-os zónát is képes figyelni, hogy kétdimenziós védett zónát hozzon létre, és riasztást küldjön, ha nem várt személy vagy eszköz lép be a területre (piros vonalak) (kép: Banner Engineering)

Mozgó rendszerek, például önjáró robotok (AMR, autonomous mobile robot) és automata irányított járművek (AGV, automatic guided vehicle) számára előnyös lehet több lézerletapogató használata. Ezek a lézerletapogatók akkumulátorról működtethetők, és felszerelhetők úgy, hogy együttműködve egyidejűleg több tucatnyi biztonsági zónát figyeljenek a jármű körül. A különböző zónák a jármű sebessége, helyzete és a várható irányváltozások alapján élesíthetők. A lézerletapogatók adatai kiegészíthetők a kerekeken lévő kódolók és más érzékelők adataival, így segítve az önjáró robotok navigációját.

A szükséges biztonsági szint

A védendő fizikai tér meghatározása után a következő szempont a szükséges biztonsági szint. A használatukkal járó különböző előnyök mellett a fényfüggönyök és a biztonsági lézerletapogatók is a különféle nemzetközi szabványok által meghatározott különböző biztonsági szinteket tesznek lehetővé. Az ISO 13849-1 szabvány például (a-tól e-ig terjedő) biztonsági teljesítményszintek (PL, performance level) segítségével jellemzi, hogy mennyire megbízhatóak a biztonságos vezérlési funkciók. A PLe jelenti a legmagasabb szintet.

A biztonsági lézerletapogatók a PLd szint előírásainak felelnek meg, és olyan felhasználási területeken használhatóak, ahol az egyik legfontosabb szempont a biztonság. PLd minősítést olyan rendszerek kapnak, amelyeknél a veszélyes meghibásodás bekövetkezése 1–10 millió óránként (folyamatos működés esetén 114–1141 évenként) valószínű. Fényfüggönyök szélesebb választékban, PLc-től PLe biztonsági teljesítményszintig kaphatóak

IEC 62061, A gépek biztonsága: ez egy másik fontos, a villamos, elektronikus és programozható elektronikus vezérlőrendszerek funkcionális biztonságára vonatkozó szabvány. A biztonsági ellenőrző eszközökre, például a fényfüggönyökre és a biztonsági lézerletapogatókra vonatkozó kockázatfelmérési és kockázatcsökkentési stratégiákon alapul. Meghatározza az eszközökre, a funkciókra és a biztonságjósági szintekre (SIL, safety integrity level) vonatkozó követelményeket.

Az eszközökre vonatkozó követelmények közé tartoznak például a működési gyakoriság, a reakcióidő, az üzemmódok, az üzemi ciklusok, az üzemi környezet, a hibákra reagáló funkciók stb. Az így kapott SIL-értékeket egy 1-től 4-ig terjedő skálán mérik (2. ábra).

2. ábra: A biztonsági lézerletapogatók megfelelnek a PLd és a SIL3 előírásoknak, és használhatóak olyan felhasználási területeken, ahol fontos szempont a biztonság (ábra: SICK)

Az ISO 13855 szabvány azt határozza meg, hogy hogyan kell elhelyezni a lézerletapogatókat, figyelembe véve a gépek ember általi megközelítését. Ha például a lézerletapogató 300 mm magasra van felszerelve, akkor 70 mm-es felbontás elegendő egy emberi láb érzékeléséhez. Ennél kisebb szerelési magasságok esetén az ajánlott legkisebb felbontás 50 mm.

A lézerletapogatók jellemzői

Annak megállapítása után, hogy az adott felhasználási terület követelményeinek a biztonsági lézerletapogató felel meg, és teljesíti a szükséges biztonsági szintet is, elérkezett az ideje a jellemzők mérlegelésének. Néhány példa a lézerletapogatók fontosabb jellemzőire:

Pásztázási szög. Lézerletapogatók többféle pásztázási szöggel kaphatóak: 190°, 270°, 275° stb. A pásztázási szög és a letapogatott terület alakja határozza meg, hogy hogyan kell felszerelni a lézerletapogatót a szükséges területek figyeléséhez.

Védett zónák. A biztonsági lézerletapogatóknak több védett zónájuk van, beleértve az elsődleges védett zónát és egy vagy több figyelmeztető zónát. A beolvasott adatok használhatók például automatikus beállításokhoz a figyelmeztető zónákban lévő mozdulatlan objektumok figyelmen kívül hagyása érdekében (3. ábra). Bizonyos esetekben a biztonsági lézerletapogató több zónát is képes egymást követően vagy egyidejűleg letapogatni. Egy lézerletapogatóval például akár 70 egyedi biztonsági zónakészlet is kialakítható. Az eszközt önjáró robotra szerelve ez a funkció lehetővé teszi, hogy a lézerletapogató a mozgás sebessége és a környezet alapján helyesbítse a letapogatott területeket.

3. ábra: Az üzembe helyezés felgyorsítható olyan lézerletapogató használatával, amely a letapogatással nyert adatokat felhasználja automatikus beállításhoz, így azonosítva a figyelmeztető zónákban lévő mozdulatlan objektumokat (ábra: IDEC)

A védett terület kiterjedése. Ez az a legnagyobb távolság, ameddig a védett terület a lézerletapogatótól terjedhet. A jellegzetes értékek 3 m és 10 m között mozognak. A védett terület szükséges kiterjedése a helyi előírásoktól, valamint a lézerletapogató reakcióidejétől és felbontásától függ.

Felbontás. Ezt mm-ben mérik, és azt a legkisebb objektumméretet szabja meg, amelyet a lézerletapogató pontosan fel tud ismerni. A jellegzetes értékek 30 mm és 200 mm közöttiek.

Reakcióidő. Ez az észlelési időnek is nevezett érték azt mutatja meg, hogy a lézerletapogató milyen gyorsan képes felismerni egy közeledő objektumot. A jellegzetes értékek 60 ms és 500 ms között vannak.

Mintavétel. Az mutatja meg, hogy egymás után hányszor kell letapogatni egy objektumot ahhoz, hogy a lézerletapogató felismerje. Alapértelmezés szerint általában legalább két mintavétel szükséges. Egyes lézerletapogatók esetében azonban bizonyos körülmények között tíz vagy több egymást követő mintavételre is szükség lehet egy objektum felismeréséhez.

Két védett zóna

A biztonsági lézerletapogatóknak a különböző felhasználási területek igényeitől függően eltérő jellemzőik és funkcióik vannak. Az IDEC SE2L biztonsági lézerletapogatóinak például központi/alárendelt (master/slave) funkciójuk és két védett zónájuk van. A központi/alárendelt funkció lehetővé teszi, hogy egy (a központi) lézerletapogató akár három másik lézerletapogatóval is kommunikáljon. Ez jelentősen leegyszerűsítheti a rendszertervezést, és lehetővé teszi egy olcsóbb vezérlőegység használatát, mivel a biztonsági vezérlőegységnek csak a központi lézerletapogatóval kell kommunikálnia, amely továbbítja az utasításokat az alárendelt lézerletapogatóknak. Az SE2L-H05LP típus 2–20 m hosszú kábeleket használva szerelhető fel, ami tovább növeli a rugalmasságot.

Ezeknek a lézerletapogatóknak a letapogatási ciklusideje 30 ms, és a letapogatott terület 32 mintát tartalmazhat. A kétzónás funkció használatával egyetlen SE2L lézerletapogató képes egyszerre két szomszédos zónát egymástól függetlenül letapogatni, így nincs szükség második lézerletapogatóra – ezzel egyszerűbbé válik a rendszer kialakítása.

Kis fogyasztás az akkumulátorról való működés biztonsága érdekében

Fontos szempont lehet az automata irányított járművek és az önjáró robotok üzemidejének meghosszabbítása. Az ilyen felhasználási területeken előnyös lehet a kis méretű (104,5 mm) Omron OS32C-SP1-4M biztonsági lézerletapogató használata. Ez az eszköz legfeljebb 5 W-ot fogyaszt (készenléti üzemmódban 3,75 W-ot), és a biztonsági és figyelmeztető zónák 70 kombinációját lehet vele kialakítani, így alkalmas bonyolult környezetben való használatra is (4. ábra). Egyéb jellemzők:

• a legkisebb felbontás 30, 40, 50 vagy 70 mm-re állítható
• a biztonsági zóna a felbontástól függően változik:
  • 1,75 m (30 mm-es felbontás)
  • 2,5 m (40 mm-es felbontás)
  • 3,0 m (50 mm-es felbontás)
  • 4,0 m (70 mm-es felbontás)
• a figyelmeztető zóna sugara akár 15 m is lehet
• beállítható reakcióidő 80 ms-tól 680 ms-ig
• beállítható zónaváltási idő 20 ms és 320 ms között

4. ábra: Ezzel a kis fogyasztású biztonsági lézerletapogatóval a biztonsági és figyelmeztető zónák 70 kombinációját lehet kialakítani, így alkalmas a bonyolult vagy változó környezetben használt önjáró robotokhoz (kép: Omron)

Három zóna választható mintavételezéssel és felbontással

A SICK S300 Mini Standard biztonsági lézerletapogatói választható érzékelőfelbontást és mintavételi szinteket tesznek lehetővé. Az S32B-2011BA típus például 30, 40, 50 és 70 mm-es felbontásra állítható be. Az egyes zónákra külön-külön eltérő mintavételezés és felbontás adható meg, beleértve az egyidejűleg letapogatott védett zónákat is (5. ábra). Ezek a lézerletapogatók akár 48 szabadon kialakítható zóna és 16 kiválasztható zónakészlet használatát teszik lehetővé. A három eltérő zóna kialakításának lehetősége lehetővé teszi egy védett zóna és két figyelmeztető zóna egyidejű használatát.

5. ábra: Az S300 Mini Standard biztonsági lézerletapogatók eltérő mintavételi szinteket és különböző felbontásokat képesek használni az egyes letapogatási zónákhoz (ábra: SICK)

A biztonsági PLC szükségességének kiküszöbölése

A Banner Engineering SX5 biztonsági lézerletapogatói beépített „némító” (kiiktató) funkcióval is el vannak látva, amely képes figyelni a jeleket és reagálni azokra, és automatikusan felfüggeszteni a védelmi funkciót, hogy egy objektum áthaladhasson a biztonsági zónán anélkül, hogy leállítási parancs kiadását idézné elő. A némítási funkció lehetővé teszi a teljes biztonsági zónának (teljes némítás) vagy csak a biztonsági zóna egy részének (részleges dinamikus némítás) a felfüggesztését.

Egy SX5 központi (master) egység – például az SX5-ME70 – akár három távoli alárendelt (slave) egységet – mint az SX5-R – is képes vezérelni. A lézerletapogató növekményes kódolóktól kapott bemenőjeleket is képes olvasni, hogy a jármű sebességének megfelelően módosítsa a biztonsági zónát. Ezek a funkciók kiküszöbölhetik a további vezérlőhardver, például egy biztonsági PLC szükségességét.

Összegzés

Megfelelő jellemzők, beállítások és összeépítés esetén a biztonsági lézerletapogatók jól használhatók az emberek és gépek védelmére olyan felhasználási területeken, mint a belépésfigyelés, a területvédelem, valamint a mozgó rendszerek, például az automata irányított járművek és az önjáró robotok. A biztonsági lézerletapogatók megfelelnek a PLd és a SIL3 előírásoknak, és olyan felhasználási területeken használhatóak, ahol fontos szempont a biztonság. Ezek a lézerletapogatók a jellemzők és funkciók különböző kombinációival kaphatóak, hogy megfeleljenek a különböző felhasználási területek igényeinek.