Többdimenziós biztonsági rendszerek kiválasztása és rendszerekbe való integrálása a munkavállalók kobotoktól való védelme érdekében

Az emberek testi épségének óvása alapvető fontosságú az együttműködő robotok (kobotok), az autonóm mobil robotok (AMR-ek) és az automata irányított járművek (AGV-k) üzemekben és logisztikai létesítményekben történő használatakor. Ennek tényleges megvalósítása azonban összetett és többdimenziós feladat.

A gépek és berendezések mozgását az ISO 13849, az IEC 62061 és az IEC 61800-5-2 előírásainak megfelelően figyelemmel kell kísérni és irányítani. Ezek a szabványok biztonsági követelményeket és iránymutatásokat adnak a biztonsággal kapcsolatos vezérlőrendszerek (SRP/CS) tervezésére és integrációjára vonatkozó elvekről.

A kobotok, AMR-ek, AGV-k és hasonló berendezések biztonságos működésének biztosításához gyakran többzónás biztonsági munkaterületek kialakítására van szükség, ahol a rendszer észlelni képes a közeledő tárgyakat, figyelmezteti a dolgozót, felismeri a tárgyaknak a veszélyes zónába kerülését majd utolsó biztonsági funkcióként leállítja a gép működését.

Egy moduláris biztonságtechnikai vezérlőrendszerrel mindez egy további elemző és védelmi réteggel is kiegészíthető. A hibák hatékony és gyors kielemezhetősége fontos szempont lehet a biztonsági zónákba kerülés vagy a szkennerek által jelzett váratlan vészhelyzetek esetén. Ehhez egy második érzékelőre is szükség lehet, amely az elsődleges érzékelő által fenntartott biztonsági zónát figyeli.

Ez a cikk az ISO 13849, az IEC 62061 és az IEC 61800-5-2 szabványok követelményeinek rövid áttekintésével és a kétdimenziós (2D) biztonsági fényérzékelő és távolságmérő (light detection and ranging, LiDAR) lézerszkennerek alapjainak áttekintésével kezdődik. Ezután mélyrehatóbban tárgyalja a töbszintű biztonságtechnikai védőzónák alkalmazását, védve az embereket a kobotok, AMR-ek, AGV-k és más hasonló berendezések általi lehetséges balesetveszélyektől.

A cikk ezután áttekinti a 2D LiDAR-érzékelők használatát és integrációját, valamint az említett érzékelők és egy moduláris programozható biztonságtechnikai vezérlő kombinációjának előnyeit egy további biztonsági dimenzióval való bővítéshez, továbbá eseménykamerák hibaelemzési célokra történő használatát a biztonsági zónákba váratlanul bekerülő tárgyak esetén. Ehhez a SICK gyártó eszközeit használja fel példaként.

Az IEC 61508 az elektronikus és/vagy programozható biztonságtechnikai rendszerek funkcionális biztonságára vonatkozó alapszabvány, amely minden iparágra vonatkozik, de emellett léteznek iparág- és alkalmazásspecifikus alfejezetei és változatai is.

A „Gépek funkcionális biztonsága: Az elektromos, elektronikus és programozható elektronikus vezérlőrendszerek funkcionális biztonsága” nevű IEC 62061 szabvány az IEC 61508 szabvány gépekre vonatkozó specifikus változata. Az „Állítható fordulatszámú villamos hajtásrendszerek. 5-2. rész: Funkcionális biztonsági követelmények” nevű IEC 61800-5-2 szabvány szintén az IEC 61508-hoz kapcsolódik, és meghatározza a szabályozható fordulatszámú meghajtó rendszerek kialakítását és fejlesztését.

Az ISO 13849 függetlenül lett kidolgozva, és nem az IEC 61508-ból származik, de mindkét szabvány a funkcionális biztonsággal foglalkozik. Az IEC 61800-5-2 a biztonsági követelmények meghatározására a biztonságjósági szinteket (SIL) használja, míg az ISO 13849 erre a szükséges teljesítményszintet (PL_r) definiálja.

Az ISO 13849 és az IEC 61508 is az óránkénti veszélyes meghibásodás valószínűségének (PFH_d) fogalmán alapul. Az ISO 13849 szerinti funkcionális biztonsági elemzés három tényezőt vesz figyelembe: a lehetséges sérülés súlyosságát, a veszélynek való kitettség gyakoriságát, valamint a veszély korlátozásának és a sérülés elkerülésének lehetőségét (1. ábra):

• A sérülés súlyossága
  • S1: Enyhe (normál esetben visszafordítható sérülés)
  • S2: Súlyos (normál esetben visszafordíthatatlan sérülés vagy halál)
• Gyakoriság és/vagy veszélynek való kitettség
  • F1: Ritkán-ritkábban és/vagy rövid kitettségi idő
  • F2: Gyakran-folyamatosan és/vagy hosszú kitettségi idő
• Lehetőség a veszély elkerülésére vagy a kár korlátozására
  • P1: Bizonyos feltételek mellett lehetséges
  • P2: Alig lehetséges

1. ábra: Az ISO 13849 szerinti PL_r szintek és az ezeknek megfelelő SIL szintek az IEC 62061 szerint. Mindkét szabvány az óránkénti veszélyes meghibásodás (PFH_d) fogalmán alapul (kép: SICK)

A LiDAR működésének alapelvei

A 2D LiDAR alapú biztonsági érzékelők személyvédelmi rendszerekben való használatához az ISO 13849 szabvány szerinti PL_b tanúsítás szükséges. A TiM 2D LiDAR érzékelőcsalád olyan típusokat tartalmaz, amelyek megfelelnek ennek a követelménynek. A 2D LiDAR érzékelők a jelek visszaverődési idejének (Time-of-Flight, ToF) optikai mérésével pásztázzák a környezetüket. A ToF alapú működést úgy valósítják meg, hogy lézerimpulzusokat küldenek egy forgó tükör segítségével, majd érzékelik a visszavert fényt. Minél hosszabb ideig tart, amíg a visszavert fény visszaérkezik az érzékelőhöz, annál távolabb van az objektum.

Az időmérés a visszavert jel erősségével kombinálva lehetővé teszi, hogy az érzékelő milliméteres pontossággal kiszámítsa több tárgy helyzetét. Az így kapott kép a környezetről másodpercenként akár 15-ször is frissülhet (2. ábra), és valós idejű navigációs, tájékozódási, vezérlési és biztonságtechnikai funkciókra szolgálhat.

2. ábra: A TiM 2D LiDAR érzékelők egy forgó tükör és lézerimpulzusok segítségével másodpercenként akár 15-ször frissülő képet tudnak készíteni a környezetükről (kép: SICK)

A TiM 2D LiDAR érzékelők meghatározott területeken (biztonsági zónákon) belül érzékelik a figyelemmel kísérendő objektumokat. Típustól függően akár 25 m-es pásztázási hatótávolságot és 270°-os látószöget kínálnak.

A lézer kibocsájtott majd visszatérő impulzusadatait nagyfelbontású távolságmérési (HDDM vagy HDDM+) módszerekkel dolgozzák fel. A HDDM technológia nagyon nagy mérési pontosságot kínál rövid távolságokon, és különböző esetekben történő precíz pozicionálásra alkalmas, például dokkolási művelekhez. A HDDM+ különösen jól kezeli a tárgyak élei menti visszaverődéseket, így leginkább helymeghatározó és ütközésmegelőző feladatokhoz alkalmas dinamikus környezetekben.

Mindkét esetben a szabadalmaztatott HDDM/HDDM+ multiimpulzus technológia teszi lehetővé a TiM 2D LiDAR érzékelők számára a teljes pásztázási tartományon belüli hézagmentes érzékelést, biztosítva a mérési pontosság állandóságát, miközben így eltérő felületek és különböző visszaverődési feltételek kezelésére is képesek.

A TiM1xx, TiM3xx és TiM7xx típusok azt képesek érzékelni, hogy a tárgyak egy-egy meghatározott zónán belül találhatók-e. Tizenhat, egyenként három előre konfigurált zónát tartalmazó zónakészlet teszi lehetővé a rendszer számára ezek üzem közbeni gyors módosítását és az újabb körülményekhez való alkalmazkodást (3. ábra). Egyedi zónageometriák is megadhatók, vagy referencia kontúrminták definiálhatók statikus kontúrfigyeléshez. Digitális szűrők, maszkolt területek és válaszidők is meghatározhatók a teljesítmény maximalizálása érdekében, akár erős esőben, havazáskor vagy por jelenlétében is.

3. ábra: A TiM 2D LiDAR érzékelők három előre konfigurált biztonsági zónát kínálnak, melyek különböző konfigurációkba rendezhetők (kép: SICK)

Rendelkezésre állnak olyan típusok, amelyek zónafigyelő-elemző adatokat illetve egyszerre zónafigyelő-elemző és mérési adatokat is szolgáltatnak. A zónafigyelő érzékelők csak egy tárgy jelenlétét képesek megállapítani, míg a zónafigyelő és mért adatokat is szolgáltató érzékelőkkel pontos kép kapható a letapogatott tárgy alakjáról is.

A távolsági adatokon kívül a TiM 2D LiDAR érzékelők szögadatokat és RSSI (received signal strength indicator) kimenetet is szolgáltatni tudnak. Ez a kibővített adatkészlet különösen hasznos lehet ütközéselkerüléshez és navigációhoz változó környezetekben működő AMR-ek számára.

Első védelmi réteg: a biztonsági LiDAR-ok

A TiM 2D LiDAR család biztonságtechnikai típusokat is tartalmaz. Ezek a TiM361S (zónafigyelő-elemző) és a TiM781S (zónafigyelő-elemző és mért adatok), amelyek PL_b besorolásúak, és helyhez kötött és mozgó rendszereknél is egyaránt használhatók. Személyvédelmi céllal az ipari együttműködő robotok (kobotok) munkaterületére történő belépés felügyelete során, valamint az AMR-ek, AGV-k és más hasonló mobil platformoknál alkalmazhatók.

• A TIM361S-2134101 jelű, 1090608 típusszámú eszköz beltéri használatra alkalmas, 0,05–10 m közötti érzékelési távolsággal és HDDM technológiával.
• A TIM781S-2174104 jelű, 1096363 típusszámú érzékelő szintén alkalmas beltéri használatra, 0,05–25 m érzékelési távolsággal és HDDM+ technológiájával.

Egyszerűsített integráció

A TiM 2D LiDAR érzékelőket az egszerű integrálhatóságra tervezték. Az akár IP67 védettségű változatokkal a ház védett a por és a nedvességgel szemben is. Jól tűrik az erős környezeti megvilágítás melletti működést is, akár 80 000 lx fényerősségig. Masszív kialakításuknak köszönhetően megfelelnek az IEC 60068-2-6 szabvány rezgésállósági valamint az IEC 60068-2-27 szabvány ütésállósági követelményeinek. Szükség esetén ütés- és rezgésállóságuk speciális csillapító tartóelemekkel és védőlemezekkel fokozható.

Kompakt kialakításuk, kis súlyuk és alacsony energiafogyasztásuk ideálissá teszi a TiM 2D LiDAR érzékelőket mobil platformokhoz. A TIM361S-2134101 és a TIM781S-2174104 típusok tömege mindössze 250 g, tipikus fogyasztásuk 4 W, méreteiket tekintve pedig 60 mm hosszúak 60 mm szélesek és 86 mm magasak.

A következő réteg: a biztonsági vezérlők

A LiDAR lézerszkennerek vészhelyzetek észlelésére és riasztások küldésére képesek, miközben egy moduláris biztonsági vezérlő egy további védelmi réteget adhat hozzá a biztonsági rendszerhez. A Flexi Soft biztonsági vezérlők például moduláris rendszerek, amelyek különböző érzékelőkhöz és kapcsolóelemekhez, többek között lézerszkennerekhez csatlakoztathatók. Az IEC 61508 szabvány szerint SIL3, az ISO 13849 szerint pedig PLe besorolású, 1,07 x 10^-9 PFH_d értékkel.

Egy alapvető rendszer legalább két modulból áll (4. ábra):

1. Az érzékelőktől, például LiDAR-tól származó jelek elemzése és kiértékelése a CPU0 központi logikai egységben (például a 1043783-as típus) történik, amely tehermentesíti a központi gépvezérlőt a biztonságtechnikai elemzés alól. A CPU0 kimenete a biztonsági funkciókat megvalósító, magasabb szintű gépvezérlő elemekhez, például programozható logikai vezérlőkhöz (PLC-hez) vezethető.
2. A lézerszkennereknek a rendszerhez való csatlakoztatásához az XTIO I/O bővítő modulra, például a 1044125 típusra van szükség. Minden kettő lézerszkennerhez egy XTIO I/O bővítőmodul szükséges, mivel a lézerszkennerek mindegyike három kapcsoló bemenettel rendelkezik. A vezérlő legfeljebb 12 I/O modul kezelésére képes.

4. ábra: A Flexi Soft biztonsági vezérlőrendszer egy CPU modulból (1) és egy vagy több I/O modulból (2) áll (kép: SICK)

Mi történt?

Minden biztonsági rendszer esetén fontos lehet a hibák elemezhetősége és a kiváltó okok megértése, hogy a „Mi történt, ami miatt a biztonsági lézer szkenner aktiválódott?” kérdés megválaszolható legyen. A SICK EventCam nevű eseménykameráját kifejezetten az ipari környezetben előforduló szórványos hibák észlelésére és elemzésére tervezték.

Az EventCam önálló optikával, megvilágítással, elektronikával és memóriával rendelkezik, és mobil vagy helyhez kötött rendszerekbe integrálható. Az öntött alumínium ház IP65 védettségű, és különböző pozíciókba szerelhető. Az EventCam kamerák automatizálási rendszerekhez, például biztonsági vezérlőkhöz vagy közvetlenül érzékelőkhöz csatlakoztathatók.

Egy hiba észlelése és az erről szóló értesítés után az EventCam megkezdi a képkockák vagy videósorozatok tárolását. A belső gyűrűs memóriában akár 240 esemény előtti és 100 esemény utáni másodpercnyi adat tárolható, míg nagyfelbontású (HD) üzemmódban ugyanez legfeljebb 25 illetve 15 másodperc. A másodpercenkénti képkocka-rögzítési sebesség (fps) 13 és 65 között mozog, a kívánt felbontástól függően.

Az EventCam új gépek vagy folyamatok üzembe helyezésekor is hasznos lehet. Figyelni tudja a felügyelet nélküli tesztfutamokat – például a több órás vagy több napos folyamatos teszteket – és gyorsan azonosíthatja a hibák forrását. Több EventCam is figyelhet egyetlen folyamatot, vizuális információkat biztosítva több szögből egyszerre, ezáltal mélyebb és alaposabb elemzést nyújtva a hibákról (5. ábra).

5. ábra: Egyetlen esemény több szögből történő egyidejű rögzítésére több EventCam szinkronizálható (kép: SICK)

Az EventCam rögzítők két változatban kaphatók. Az 1102028 típus 0,4–0,6 m közötti munkatartományú, és álló kobotokkal való használatra lehet alkalmas, amelyeknél viszonylag kis biztonsági zónára van szükség. Az 1093139 típus 0,8–6 m közötti munkatartománnyal rendelkezik, és a nagyobb kobotok, AMR-ek és AGV-k esetében előforduló nagyobb biztonsági zónák lefedésére képes.

Összefoglaló

A 2D LiDAR érzékelők, mint amilyen a SICK TiM családja, az első védelmi vonalát képezhetik a kollaboratív robotok, az AMR-ek, az AGV-k és más hasonló gépek biztonsági rendszereinek. Ezek segítségével a gépek munkaterületei biztonsági zónákra oszthatók, amelyeken belül a rendszer figyelemmel kíséri az emberek közelítését. Egy biztonsági vezérlővel való bővítés támogathatja a váratlan behatolás elemzését és javíthatja a rendszer működését. Végezetül, egy vagy több EventCam kamera figyelni tudja az elsődleges 2D LiDAR érzékelőt, és segíthet az esetleges szórványos hibák okának azonosításában.