Fényfüggönyök használata a biztonság növelése érdekében, valamint objektumok méretének meghatározására

A fényfüggöny egy sokoldalú technika. Bár gyakran a biztonsági eszközök közé sorolják őket, számos felhasználási területük van, beleértve az emberek gépektől való védelmét és a védett zónák kialakítását, az anyagmozgatásban az objektumok jelenlétének érzékelését vagy az áthaladó objektumok méretének meghatározását, a tárgyak megfelelő helyzetbe állításának vagy igazításának segítését csomagolási és válogatási munkaterületeken, valamint a behatolásérzékelést és a belépésfigyelést a korlátozott hozzáférésű területeken.

A fényfüggönyök és a biztonsági lézerletapogatók összehasonlítását, valamint a lézerletapogatók használatának áttekintését lásd e sorozat 1. részében: How Safety Laser Scanners Can Protect People and Machines? (Az emberek és a gépek védelme biztonsági lézerletapogatókkal).

Ez a cikk a fényfüggönyök fontos jellemzőinek ismertetésével és a teljesítményszabványok áttekintésével kezdődik, majd felhasználási példákat mutat a fényfüggönyök biztonsági és belépésfigyelő rendszerekben való, valamint mérési célra történő használatára. A későbbiekben gyakorlati példaként bemutatja a Panasonic, az IDEC, az Omron és a Banner Engineering egy-egy fényfüggönyét.

A biztonsági fényfüggönyökre vonatkozó szabványok és a biztonsági fényfüggönyök típusai

A Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC, International Electrotechnical Commission) IEC 61496, A gépek biztonsága – A villamosságra érzékeny védőberendezések (ESPE) című szabványa négyféle biztonsági teljesítményszintet határoz meg. A vonatkozó típusok a 2., 3. és a 4. A biztonsági fényfüggöny használatára vonatkozóan az 1. típus nincs meghatározva.

Az IEC 61496 egy újabb követelményréteggel egészíti ki az IEC 61508 szabványt, amely a biztonságjósági szinteket (SIL, Safety Integrity Level), valamint a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO, International Organization for Standardization) ISO 13849 szabványát, amely a biztonsági teljesítményszinteket (PL, performance level) határozza meg.

A biztonságjósági szintek 1-től 4-ig terjednek, és a SIL 4 a legmagasabb szint, a biztonsági teljesítményszintek pedig a-tól e-ig, és a PLe támasztja a legmagasabb követelményeket. Az IEC 61496 szabvány szerinti osztályozás alapján a fényfüggönyök általában a 2. és a 4. típusba tartoznak, bár néhányat a 3. típusú eszközök közé sorolnak. A biztonsági lézerletapogatók a 3. típusra vonatkozó követelményeknek felelnek meg. A típusbesorolás néhány fontos tényezője:

A 2. típusú eszközöknek meg kell felelniük a SIL 1 és a PLc kategóriára vonatkozó előírásoknak. A kisebb kockázattal járó felhasználási területeken való használatra szánták őket, ahol a hibák olyan sérüléseket okozhatnak, mint az ütések és zúzódások, a leütések, a kisebb vágások és horzsolások vagy a csapdába esés, de összepréselés nélkül. Az IEC 61496 előírja, hogy a készüléknek önellenőrzést kell végeznie az indításkor, valamint rendszeres időközönként a működés során. Ezekből az eszközökből hiányoznak a 4. típusú fényfüggönyökben található redundáns automatikus önellenőrző áramkörök. A látómezőt meghatározó hatékony látószögnek (EAA, effective aperture angle) ±5°-nak vagy kisebbnek kell lennie. Ez optikai zavarást és más hibák lehetőségét eredményezheti.

A villamosságra érzékeny 3. típusú védőberendezéseknek, például a biztonsági lézerletapogatóknak és néhány fényfüggönynek meg kell felelniük a SIL 2 és PLd kategóriára vonatkozó előírásoknak, és „úgy kell őket kialakítani, hogy egyetlen hiba esetén ne okozzanak veszélyt, de a hibák halmozódása esetén veszélyt okozhatnak”. Ezekre az eszközökre szigorúbb elektromágneses összeférhetőségi (EMC) követelmények is vonatkoznak, mint a 2. típusú eszközökre. A 3. típusú eszközök olyan felhasználási területekre alkalmasak, ahol fontos szempont a biztonság.

A 4. típusú fényfüggönyöket olyan helyekre tervezték, ahol a biztonság az egyik legfontosabb szempont. Meg kell felelniük a legmagasabb követelményeknek, a PLe és a SIL 3 kategóriára vonatkozó előírásoknak. Úgy kell őket kialakítani, hogy „ne okozzanak veszélyt sem egyetlen meghibásodás, sem a hibák halmozódása esetén”. Kisebb, ±2,5°-os a hatékony látószögük, így kevésbé érzékenyek az optikai zavarásokra, és könnyebben képesek felismerni a tárgyakat. A legszigorúbb elektromágneses összeférhetőségi követelményeknek is meg kell felelniük.

A 2. típusú fényfüggönyök az olcsóbb optikának és az egyszerűbb hibaérzékelő áramköröknek köszönhetően akár 30%-kal is olcsóbbak lehetnek, mint a 4. típusú fényfüggönyök. A 4. típusú fényfüggönyök szélesebb felbontási tartományban kaphatóak, beleértve a 14 mm-es felbontást az ujjak, a 30 mm-es felbontást a kezek, az 50 mm-es felbontást a lábak és a 90 mm-es felbontást a test jelenlétének érzékelésére. Ezzel szemben a 2. típusú fényfüggönyök általában csak a nagyobb felbontásokra korlátozódnak (1. ábra).

1. ábra: A 4. típusú fényfüggönyök legkisebb felbontása általában kisebb, mint a 2. típusúaké (ábra: IDEC)

A különböző méretű objektumok érzékelésén kívül a fényfüggöny fénysugarai külön-külön vezérelhetőek, hogy olyan magasabb szintű funkciókat is lehetővé tegyenek, mint például a „némítás” (kiiktatás), a kitakarás (más szóval elfedés), valamint az objektumok méretének meghatározása és darabszámának megszámolása.

A fényfüggöny némítása és a kitakarás

A fényfüggöny némítása, illetve a kitakarás a fényfüggöny egészének vagy egy részének bizonyos körülmények közötti kiiktatását jelenti. A némítás egy automatikus folyamat, amely felfüggeszti a fényfüggöny nyújtotta teljes vagy részleges védelmet, és jellemzően a gépi ciklus egy nem veszélyes szakaszában történik. Lehetővé teszi anyagok bejuttatását a munkaterületre anélkül, hogy a fényfüggöny a veszélyes tevékenységet leállítaná. Amint az anyag bejutott a munkaterületre, a fényfüggöny védelmi funkciója teljes mértékben újraindul.

A némítás jellemző alkalmazási területei:

• raklapozógépen lévő raklapok be- és kijuttatásának lehetővé tétele a műveletek között
• az anyagok mozgásának lehetővé tétele az automatizált gyártási folyamatok különböző területei között úgy, hogy a rendszer közben továbbra is védi a gépeken dolgozó személyzetet, amikor a gépek működnek

2. ábra: A némítást használva a fényfüggöny a gép működésének megszakítása nélkül átenged meghatározott méretű objektumokat (balra), de ha más objektumokat, például kezet vagy ujjat (jobbra) érzékel, leállítja a gépet (ábra: Panasonic)

A kitakarás a fényfüggöny egy részének kiiktatását jelenti anélkül, hogy a gép védelme megszűnne. A biztonságos időszak alatt korlátozott mértékben emberek is hozzáférhetnek az adott területhez. A kitakarás jellemző alkalmazási területei:

• a robotizált munkaállomás be- vagy kirakodása érdekében végzett benyúlás a biztonságos időszak alatt
• hozzáférés a hidraulikus lyukasztópréshez a felfelé tartó mozgásirányú munkaciklus során

2. típusú fényfüggönyök

Az IDEC cég SG2 sorozatú, 2. típusú fényfüggönyei kézvédő és jelenlét esetén védő változatban kaphatóak. Például az SG2-90-030-OO-X típust 300 mm-es ellenőrzési magassággal és 90 mm-es felbontással az emberi jelenlét érzékelésére tervezték. A telepítések felgyorsítása érdekében tartalmaz egy önellenőrző és újraindító funkciót és egy beépített összehangoló rendszert is. A forgatható rögzítőkonzolok tovább gyorsítják a telepítést, valamint az adó- és vevőegységek egyszerű összehangolását, még tükröket használó vagy egymástól akár 19 m távolságban működő készülékek esetében is.

Némítás és kitakarás zord környezetben

Az olyan felhasználási területeken használni kívánt fényfüggönyös védelmi rendszerekhez, mint a –30°C-ig terjedő hőmérsékletű hűtőházak, egyes fémfeldolgozási műveletek, például a mintanyomó gépek, amelyeknek IP67G szintű, olajbiztos behatolásvédelemre van szükségük, valamint a durva, poros és piszkos környezetben végzett egyéb műveletek, amilyen az autógyártás és a szerszámgépek használata, kiválóan alkalmasak az Omron F3SG-SR sorozatú fényfüggönyei. Ezek a 4. típusú fényfüggönyök tartalmaznak némító, valamint állandó és állítható kitakarási funkciókat.

Az F3SG-SR fényfüggönyök 160 mm és 2480 mm közötti méretben kínálnak védelmet. Ha kezek vagy más 25 mm átmérőjű objektumok érzékelésére van szükség, a biztonsági rendszer tervezői használhatják az F3SG-4SRA0280-25-F típust, amely 27 fénysugár segítségével 40 mm-es lépésekben rugalmasan akár 1000 mm hosszban és 280 mm magasságig nyújt védelmet (3. ábra).

3. ábra: Ez a fényfüggöny rugalmasan, 40 mm-es lépésekben állítható hosszúságban, 280 mm magasságig képes védelmet nyújtani (kép: Omron)

Ellenáll a csavarásnak, a hajlításnak és az ütéseknek

Ha egy fényfüggönyt olyan helyen használnak, ahol ütéseknek és csavarásnak lehet kitéve, a rendszer tervezőinek érdemes figyelembe venniük a Panasonic cég SF4D sorozatú, 4. típusú fényfüggönyeit. A 630 mm hosszú SF4D-H32-0 típus IP67-es védettségű, a kéz védelme érdekében 25 mm-es felbontású, valamint beépített kitakarási és némítási funkciókkal is el van látva.

E fényfüggönyök strapabírásának kulcsa az újratervezett belső egység, amely lehetővé teszi, hogy a tokot strapabírásra és merevségre optimalizálják. A belső egység mérete a korábbi típusokban használtak térfogatának kevesebb mint 40%-át teszi ki, ami lehetővé teszi a készülékház falvastagságának jelentős növelését (4. ábra). Bár a belső egység kisebb lett, az optikai kimenet mérete megnőtt, és a vezérlőkimenetek kikapcsolási (OFF) reakcióideje 10 ms vagy kevesebb, illetve soros vagy párhuzamos kapcsolás esetén 18 ms vagy kevesebb.

4. ábra: A kisebb méretű belső egység nagyobb méretű optikai kimenetet tesz lehetővé, miközben jelentősen vastagabb falú ház kialakítására ad módot (ábra: Panasonic)

Mérés fényfüggönyökkel

Az objektumok méretének meghatározására tervezett fényfüggönyöknek jellemzően három üzemmódjuk van: egyenes letapogatás, egy élet kereső letapogatás és két élet kereső letapogatás. A legfontosabb jellemzők a legkisebb felismerhető objektumméret (MODS, minimum object detection size) és az élfelbontás (ER, edge resolution).

Általában az egyenes letapogatás az alapértelmezett üzemmód, ekkor a letapogatás a fénysugarak sorrendjében egymás után történik az eszköz kijelző felőli végétől a tömb másik végéig. Amikor a rendszer érzékeli az első nem blokkolt fénysugarat, az adja meg a méretet. A kis kontrasztú üzemmódban végzett egyenes letapogatás jellemző érzékenysége: 5 mm-es legkisebb felismerhető objektumméret és 5 mm-es élfelbontás. Nagy nyereségű lézerletapogató üzemmódot használva a legkisebb felismerhető objektumméret 10 mm, az élfelbontás pedig 5 mm lesz. Az egy, illetve a két élet kereső letapogatás esetében a legkisebb felismerhető objektumméret általában 10 mm, míg az élfelbontás 2,5 mm.

Az egy élet kereső letapogatásnál a tárgy elejét az első (legalsó) fénysugár blokkolása jelzi. A fényfüggöny ezután a középső fénysugarat vizsgálja meg. Ezt követően a lézerletapogató megvizsgálja az alsó negyed középső fénysugarát, hogy az nincs-e blokkolva. A következő lépésben a lézerletapogató megvizsgálja a felső negyed középső fénysugarát, hogy az nincs-e blokkolva.

Annak megállapítása után, hogy a felső vagy az alsó negyed középső fénysugara blokkolva van-e vagy nincs, az eszköz tovább felezgeti a fénysugarak számát mindaddig, amíg a tárgy felső élét meg nem találja.

Olyan esetekben, amikor az első fénysugár nincs szükségszerűen blokkolva, a két élet kereső letapogatás használható, és a művelet a lépésméret kiválasztásával kezdődik, amely a felhasználási területtől függően általában 1, 2, 4, 8, 16 vagy 32. A mérés úgy kezdődik, hogy a fényfüggöny elindítja az 1. fénysugarat. Ha ez a fénysugár blokkolva van, megtörténik az első él azonosítása. Ha nincs blokkolva, a függöny elindítja a lépésméret meghatározta következő fénysugarat. Ha például a lépésméret 4, akkor az 5. fénysugár indul el.

Ha az elindított fénysugarat nem blokkolja semmi, a fényfüggöny addig folytatja a lépcsőzetes keresést, amíg egy blokkolt fénysugarat nem talál. Ekkor az eszköz bináris kereséssel visszafelé, a kiindulási pont felé haladva megkeresni az első blokkolt fénysugarat, és ezzel azonosítja a megfelelő élet. A folyamat ezután megismétlődik, ezúttal az azonosított élet használva referenciapontként és a lépcsőzetes kereséssel egy nem blokkolt fénysugarat keresve, majd visszakeresve, hogy melyik a legmagasabb számú blokkolt fénysugár, amely a második élet azonosítja be.

5. ábra: A két élet kereső letapogatás fénysugársorrendjét szemléltető ábra (kép: Banner Engineering)

Mérésre szolgáló fényfüggönyök

A Banner Engineering A-GAGE EZ-ARRAY mérő fényfüggönyöket olyan felhasználási területekre tervezték, mint a valós idejű termékméretezés és profilfeltérképezés, él és középvonal mentén történő vezetés, üregérzékelés, alkatrészszámlálás stb. A fénykibocsátó elemek és a vevők 150 mm és 2400 mm közötti hosszúságúak (6. ábra). Az EA5E600Q típus például 600 mm hosszú, 120 fénysugárral. Ezek a fényfüggönyök használhatóak pontos, nagy sebességű folyamatfelügyeletre és -ellenőrzésre, profilfeltérképezésre és szalagvezető rendszerekhez. További jellemzők:

• Többféle letapogatási lehetőség:
  • 16 letapogatáselemzési (mérési) mód
  • három letapogatási mód
  • választható fénysugár-kitakarás
• Hatállású DIP-kapcsoló a letapogatási módnak, a mérési módnak, az analóg meredekségnek, valamint a kiegészítő mérés vagy a riasztási művelet diszkrét (egyszeri) jeleinek beállítására.

6. ábra: Az A-GAGE EZ-ARRAY mérő fényfüggöny termékcsalád tagjai 150 mm és 2400 mm közötti hosszúságban kaphatóak (kép: Banner Engineering)

Összegzés

A fényfüggönyök sokkal többre képesek, mint egyszerűen csak megakadályozni a veszélyes vagy kényes területekhez való hozzáférést, egyaránt védve az embereket és a gépeket. A kitakarás és a némítás funkció segítségével lehetővé tehetik a gépekhez való ellenőrzött hozzáférést a termelékenység növelése érdekében. A fényfüggönyök olyan érintésmentes mérési módszereket is lehetővé tesznek, amelyek több irányban is gyorsan és hatékonyan mérik az objektumok méretét.