Beschermen van mensen en machines met veiligheidslaserscanners

Veiligheidslaserscanners kunnen bijdragen aan de veiligheid in industriële en logistieke faciliteiten. Ze kunnen mensen beschermen tegen onveilige interacties met machines, evenals machines beschermen tegen onbedoelde interferentie door mensen.

Er zijn verschillende factoren nodig om de effectiviteit van veiligheidslaserscanners te maximaliseren. De eerste is bepalen of een laserscanner de beste oplossing is of dat een andere technologie, zoals een lichtscherm, beter geschikt is voor de toepassing.

Zodra is vastgesteld dat een scanner de beste keuze is, moeten er belangrijke beslissingen worden genomen, waaronder:

• de selectie van de optimale veiligheidsbeveiligingsvelden en veldsets,
• het gebruik van een norm zoals de International Organization for Standardization (ISO) 13855 voor het plaatsen van beveiligingen met betrekking tot benadering door een persoon,
• de keuze van de juiste meervoudige bemonsteringswaarde,
• de selectie van een scanner met de optimale functieset.

Dit artikel begint met een overzicht van de factoren die bepalen wanneer je voor een scanner en of voor een lichtscherm moet kiezen. Vervolgens worden de belangrijke selectiecriteria voor het gebruik van scanners gepresenteerd en wordt gekeken naar representatieve veiligheidslaserscanners van IDEC, Omron, SICK en Banner Engineering.

Scanner of lichtscherm?

Een van de eerste overwegingen is: welke fysieke ruimte wordt er beschermd? Zowel scanners als lichtschermen kunnen mensen beschermen tegen letsel en machines beschermen tegen storingen. Hoewel er enige overlap is in de beschermende mogelijkheden van scanners en lichtschermen, zijn ze over het algemeen geschikt voor verschillende toepassingen, zoals:

Bedieningspuntbeveiliging: dit verwijst naar het gebied van een machine waar het werk actief wordt uitgevoerd. Lichtschermen zijn geschikt voor deze toepassing omdat ze op een optimale locatie kunnen worden geplaatst en hun resolutie kan worden ingesteld om vingers, handen of voeten/benen te detecteren en het vereiste beschermingsniveau te bieden. Scanners hebben meestal een grotere minimale afstand tot gevaren nodig vanwege hun langere reactietijden en worden over het algemeen niet gebruikt voor bescherming op bedieningspunten.

Perimeterbeveiliging: hierbij worden meerdere kanten van een machine bewaakt. Net als bij bedieningspuntbeveiliging zijn lichtschermen zeer geschikt voor compacte oplossingen voor perimeterbeveiliging. Als een persoon de perimeter overschrijdt, kan een stopsignaal worden verzonden en wordt de machine gestopt. Hoewel zowel lichtschermen als scanners kunnen worden gebruikt voor perimeterbeveiliging, worden veiligheidslichtschermen vaker gebruikt voor perimeterbeveiliging en scanners vaker voor gebiedsbeveiliging.

Toegangscontrole en gebiedsbeveiliging: deze kunnen worden geïmplementeerd met een lichtscherm of scanner, afhankelijk van de specifieke toepassingsbehoeften. Lichtschermen zijn geschikt als er maar één toegangspunt is. Door bijvoorbeeld elke lichtstraal afzonderlijk te controleren en te evalueren, kan een lichtscherm onderscheid maken tussen een ‘lange’ persoon en een ‘korte’ materiaaldrager, zoals een pallet die een drempel overschrijdt, en de reactie daarop aanpassen.

Scanners kunnen worden ingesteld om een gebied van 275° te bewaken en zo een door de gebruiker gedefinieerde tweedimensionale beschermde zone te creëren (afbeelding 1). Ze kunnen ook meerdere beschermingszones instellen op basis van de afstand tussen een persoon en de beschermde machine, en de machine zo nodig afremmen of stoppen.

Afbeelding 1: Een veiligheidslaserscanner zoals deze kan een gebied van 275° bewaken om een tweedimensionale beschermde zone te creëren en een alarm te activeren als een persoon of object onverwacht dat gebied binnengaat (rode lijnen). (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Mobiele systemen: autonome mobiele robots (AMR’s) en automatisch geleide voertuigen (AGV’s) kunnen bijvoorbeeld baat hebben bij het gebruik van meerdere scanners. Deze scanners kunnen op batterijen werken en zo worden geïnstalleerd dat ze samenwerken en tegelijkertijd tientallen veiligheidszones rond het voertuig bewaken. Verschillende zones kunnen worden geactiveerd op basis van snelheid, positie en verwachte richtingsveranderingen van het voertuig. De gegevens van de scanners kunnen worden aangevuld met encoders op de wielen en andere sensorgegevens om AMR-navigatie te ondersteunen.

Welk veiligheidsniveau?

Zodra de fysieke ruimte die moet worden beschermd is gedefinieerd, moet het benodigde veiligheidsniveau worden overwogen. Lichtschermen en veiligheidslaserscanners hebben niet alleen verschillende toepassingsvoordelen, maar ze ondersteunen ook verschillende veiligheidsniveaus zoals gedefinieerd door diverse internationale normen. ISO 13849-1 definieert de betrouwbaarheid van veilige controlefuncties bijvoorbeeld aan de hand van prestatieniveaus (performance levels of PL’s) van ‘a’ t/m ‘e’, waarbij PLe het hoogste niveau vertegenwoordigt.

Veiligheidslaserscanners voldoen aan de criteria van PLd en zijn geschikt voor gebruik in toepassingen waar veiligheid een belangrijke prioriteit is. Een PLd-classificatie wordt toegekend aan systemen met de waarschijnlijkheid dat er zich elke 1 tot 10 miljoen uur (141 tot 1141 jaar op basis van continu bedrijf) een gevaarlijke storing voordoet. Lichtschermen zijn verkrijgbaar met een breder scala aan opties, van PLc t/m PLe.

IEC 62061, Veiligheid van machines – Functionele veiligheid van elektrische, elektronische en programmeerbare elektronische besturingssystemen is een andere belangrijke norm. Deze norm is gebaseerd op een risicobeoordelings- en risicobeperkingsstrategie voor veiligheidsfuncties zoals lichtschermen en veiligheidslaserscanners. De norm omvat specificaties van functionele eisen en vereisten voor het veiligheidsintegriteitsniveau (safety integrity level of SIL).

Voorbeelden van functionele eisen zijn onder andere werkingsfrequentie, responstijd, bedrijfsmodi, bedrijfscycli, bedrijfsomgeving, foutreactiefuncties enzovoort. De resulterende SIL’s worden gemeten op een schaal van 1 t/m 4 (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Veiligheidslaserscanners voldoen aan de criteria van PLd en SIL3 en zijn geschikt voor gebruik in toepassingen waar veiligheid belangrijk is. (Bron afbeelding: SICK)

ISO 13855 definieert hoe scanners moeten worden geplaatst met betrekking tot de benadering van een persoon. Als een scanner bijvoorbeeld op een hoogte van 300 mm is gemonteerd, is een resolutie van 70 mm voldoende om een menselijk been te detecteren. Bij lagere montagehoogten is de aanbevolen minimumresolutie 50 mm.

Scannerspecificaties

Als eenmaal is vastgesteld dat een veiligheidslaserscanner voldoet aan de toepassingseisen en het benodigde veiligheidsniveau kan ondersteunen, is het tijd om de specificaties te bekijken. Voorbeelden van belangrijke scannerspecificaties zijn:

Scanhoek. Er zijn verschillende scanhoeken beschikbaar, zoals 190°, 270° en 275°. De scanhoek en de structuur bepalen hoe de scanner in het systeem wordt gemonteerd om de benodigde gebieden te bewaken.

Beschermingszones. Veiligheidslaserscanners hebben meerdere beschermingszones, waaronder de primaire beschermingszone en een of meer waarschuwingszones. Sommige kunnen gescande gegevens gebruiken voor automatische configuratie om stilstaande objecten in de waarschuwingszones te negeren (afbeelding 3). In sommige gevallen kan een veiligheidslaserscanner meerdere zones na elkaar of tegelijkertijd scannen. Eén scanner kan bijvoorbeeld wel 70 unieke veiligheidszones scannen. Op een AMR stelt deze functie de scanner in staat om de gescande gebieden aan te passen op basis van de omgeving en de bewegingssnelheid.

Afbeelding 3: De inbedrijfstelling kan worden versneld met een scanner die gescande gegevens gebruikt voor automatische configuratie om stilstaande objecten in de waarschuwingszones te identificeren. (Bron afbeelding: IDEC)

Beschermingsveldbereik. Dit is de maximale afstand tussen het beschermde gebied en de scanner. Dit varieert doorgaans van 3 m tot 10 m. Het vereiste beschermingsveldbereik hangt af van de plaatselijke voorschriften en de responstijd en resolutie van de scanner.

Resolutie. Deze wordt gemeten in mm en bepaalt de minimale grootte van het object dat de scanner nauwkeurig kan detecteren. Deze waarde is doorgaans tussen de 30 mm en 200 mm.

Responstijd. Dit wordt ook wel detectietijd genoemd en geeft aan hoe snel een scanner een naderend object kan herkennen. Typische waarden variëren van 60 ms tot 500 ms.

Sampling. Dit geeft aan hoeveel keer een object na elkaar moet worden gescand om door de scanner te worden herkend. Standaard duurt het meestal minstens twee samplingscans. Voor sommige scanners en onder bepaalde omstandigheden kunnen er echter tien of meer opeenvolgende scans nodig zijn om een object te herkennen.

Dubbele beschermingszones

Veiligheidslaserscanners hebben diverse mogelijkheden en functies voor verschillende toepassingsbehoeften. De SE2L-veiligheidslaserscanners van IDEC hebben bijvoorbeeld een master/slave-functie en dubbele beschermingszones. Met de master/slave-functie kan één scanner communiceren met drie andere scanners. Dat kan het systeemontwerp aanzienlijk vereenvoudigen en maakt het gebruik van een goedkopere controller mogelijk, omdat de veiligheidscontroller alleen hoeft te communiceren met de master, die de instructies doorgeeft aan de slave-scanners. Het model SE2L-H05LP kan worden geïnstalleerd met een kabellengte van 2 en 20 m, wat de flexibiliteit nog verder verhoogt.

Deze scanners hebben een scancyclustijd van 30 ms en kunnen 32 patronen in het gebied scannen. Met de dubbele-zonefunctie kan een enkele SE2L onafhankelijk twee aangrenzende zones tegelijk scannen, waardoor er geen tweede scanner nodig is en het systeemontwerp wordt vereenvoudigd.

Laag vermogen voor veiligheid op batterijen

Het verlengen van de rijtijden van AGV’s en AMR’s kan een belangrijke overweging zijn. Deze toepassingen kunnen profiteren van het gebruik van de compacte (104,5 mm) OS32C-SP1-4M-veiligheidslaserscanner van Omron. Deze scanner verbruikt maximaal 5 W (3,75 W in stand-by) en heeft 70 sets met een combinatie van veiligheidszones en waarschuwingszones beschikbaar, waardoor hij geschikt is voor gebruik in complexe omgevingen (afbeelding 4). Andere kenmerken zijn onder andere:

• De minimale resolutie kan worden ingesteld op 30, 40, 50 of 70 mm.
• De veiligheidszone varieert met de resolutie:
  • 1,75 m (resolutie van 30 mm),
  • 2,5 m (resolutie van 40 mm),
  • 3,0 m (resolutie van 50 mm),
  • 4,0 m (resolutie van 70 mm),
• Straal waarschuwingszone tot 15 m.
• Configureerbare responstijd van 80 ms tot max. 680 ms.
• De zoneschakeltijd kan worden ingesteld van 20 ms tot 320 ms.

Afbeelding 4: Deze low-power veiligheidslaserscanner ondersteunt 70 sets met combinaties van veiligheidszones en waarschuwingszones, waardoor hij geschikt is voor AMR’s in complexe of dynamische omgevingen. (Bron afbeelding: Omron)

Drie velden met selecteerbare sampling en resolutie

De S300 Mini Standard veiligheidslaserscanners van SICK beschikken over instelbare detectieresoluties en samplingniveaus. Model S32B-2011BA ondersteunt bijvoorbeeld resolutiediameters van 30, 40, 50 en 70 mm. Meerdere sampling en resoluties kunnen voor elk veld individueel worden gedefinieerd, inclusief gelijktijdige beschermende velden (afbeelding 5). Deze scanners ondersteunen tot 48 vrij configureerbare velden en 16 schakelbare veldsets. Met de drievoudige veldfunctie kan een beschermingsveld tegelijkertijd met twee waarschuwingsvelden worden gebruikt.

Afbeelding 5: De S300 Mini Standard veiligheidslaserscanners kunnen voor elk scanveld meerdere samplingniveaus en verschillende resoluties implementeren. (Bron afbeelding: SICK)

Geen veiligheids-PLC meer nodig

De SX5-veiligheidslaserscanners van Banner Engineering hebben een geïntegreerde mutingfunctie die signalen kan controleren en erop kan reageren en de beveiligingsfunctie automatisch kan onderbreken om een object door de veiligheidszone te laten gaan zonder een stopopdracht te genereren. Met de mutingfunctie kan de volledige veiligheidszone (totale muting) of slechts een deel van de veiligheidszone (gedeeltelijke dynamische muting) worden opgeschort.

Een SX5 master unit, zoals de SX5-ME70, kan tot drie remote units zoals de SX5-R aansturen; de scanner kan ook incrementele encoderingangen lezen om de veiligheidszone aan te passen op basis van de snelheid van het voertuig. Deze functies kunnen extra besturingshardware zoals een veiligheids-PLC overbodig maken.

Conclusie

Als veiligheidslaserscanners goed gespecificeerd, geconfigureerd en geïntegreerd zijn, zijn ze zeer geschikt om mensen en machines te beschermen in toepassingen zoals toegangscontrole en gebiedsbescherming en op mobiele systemen, waaronder AGV’s en AMR’s. Ze voldoen aan de vereisten van PLd en SIL3 en zijn geschikt voor gebruik in toepassingen waar veiligheid een belangrijke overweging is. Deze scanners zijn verkrijgbaar met verschillende combinaties van mogelijkheden en functies om aan uiteenlopende toepassingsbehoeften te voldoen.