Hoe multidimensionale veiligheidssystemen selecteren en integreren om werknemers te beschermen tegen Cobots

Veiligheid is essentieel bij het inzetten van collaboratieve robots (cobots), autonome mobiele robots (AMR's) en autonome geleide voertuigen (AGV's) in fabrieken en logistieke faciliteiten. Het is ook complex en multidimensionaal.

Machinebewegingen moeten worden bewaakt en bestuurd volgens International Organization for Standardization (ISO) 13849, International Electrotechnical Commission (IEC) 62061 en IEC 61800-5-2 die veiligheidseisen en richtlijnen bieden voor de principes voor het ontwerp en de integratie van veiligheidsgerelateerde onderdelen van besturingssystemen (SRP/CS).

Om de veilige werking van cobots, AMR's, AGV's en vergelijkbare apparatuur te garanderen, is vaak een gelaagde veiligheidsomhulling nodig met meerdere velden, van de eerste detectie van en waarschuwing voor naderende objecten tot het identificeren wanneer een object een gevaarlijke zone doorbreekt en de machine stopt.

Een modulair veiligheidscontrolesysteem kan een extra laag van analyse en bescherming toevoegen. Efficiënte en snelle foutanalyse kan een belangrijke overweging zijn bij het omgaan met beschermende veldonderbrekingen en onverwacht uitschakelen van een scanner. Daarvoor kan een tweede sensor nodig zijn om het beschermende veld van de primaire sensor te bewaken.

Dit artikel begint met een korte opfrissing van de vereisten van ISO 13849, IEC 62061 en IEC 61800-5-2 en een overzicht van de basisprincipes van tweedimensionale (2D) lichtdetectie en afstandsbepaling (LiDAR) veiligheidslaserscanners. Vervolgens wordt dieper ingegaan op hoe gelaagde veiligheidsomhullingen kunnen worden geïmplementeerd om mensen te beschermen tegen cobots, AMR's, AGV's en vergelijkbare apparatuur.

Inbegrepen is een overzicht van het gebruik en de integratie van 2D LiDAR-sensors en een blik op de voordelen van het combineren van deze sensors met een modulair programmeerbare veiligheidscontroller om een extra dimensie van veiligheid te bieden, plus het gebruik van een gebeurtenissencamera om storingsanalyse van onverwachte onderbrekingen van beschermende velden mogelijk te maken. Voorbeeldapparaten van SICK zijn inbegrepen.

IEC 61508 is de basisnorm voor "Functionele veiligheid van elektrische/elektronische/programmeerbare elektronische veiligheidssystemen (E/E/PE, of E/E/PES)" en is van toepassing op alle industrieën. Daarnaast zijn er industrie- en toepassingsspecifieke subsecties en varianten.

IEC 62061, "Veiligheid van machines: Functionele veiligheid van elektrische, elektronische en programmeerbare elektronische regelsystemen" is de machinespecifieke variant van IEC 61508. IEC 61800-5-2, "Regelbare elektrische aandrijfsystemen - Deel 5-2: Veiligheidseisen - Functioneel", is ook verwant aan IEC 61508 en is een norm voor het ontwerp en de ontwikkeling van regelbare aandrijfsystemen.

ISO 13849 is onafhankelijk ontwikkeld en niet afgeleid van IEC 61508. Beide houden zich bezig met functionele veiligheid. IEC 61800-5-2 gebruikt veiligheidsintegriteitsniveaus (SIL's) om veiligheidseisen te definiëren, terwijl ISO 13849 het vereiste prestatieniveau (PL_r) definieert.

ISO 13849 en IEC 61508 zijn gebaseerd op het concept van de waarschijnlijkheid van een gevaarlijke storing per uur (PFH_d). De functionele veiligheidsanalyse volgens ISO 13849 houdt rekening met drie factoren: de ernst van een mogelijk letsel, de frequentie van of blootstelling aan een gevaar en de mogelijkheid om het gevaar te beperken en schade te voorkomen (Afbeelding 1):

• Ernst van de verwonding
  • S1: Licht (normaal omkeerbaar letsel)
  • S2: Ernstig (normaal gesproken onomkeerbaar of overlijden)
• Frequentie van en/of blootstelling aan gevaar
  • F1: Zelden tot zelden en/of korte belichtingstijd
  • F2: Frequent tot continu en/of lange belichtingstijd
• Mogelijkheid om gevaar te vermijden of schade te beperken
  • P1: Mogelijk onder specifieke omstandigheden
  • P2: Nauwelijks mogelijk

Afbeelding 1: Afleiding van PL_r-niveaus in ISO 13849 en overeenkomstige SIL's in IEC 62061. Beide normen zijn gebaseerd op het concept van gevaarlijk falen per uur (PFH_d). (Bron afbeelding: SICK)

Hoe werkt LiDAR?

Certificering volgens PL_b conform ISO 13849 is vereist voor het gebruik van 2D LiDAR-veiligheidssensors in persoonlijke beschermingstoepassingen. De TiM 2D LiDAR-sensorfamilie bevat modellen die aan die eis voldoen. 2D LiDAR-sensors scannen hun omgeving met behulp van optische time-of-flight (ToF) technologie. ToF wordt geïmplementeerd door laserpulsen te verzenden via een roterende spiegel en het gereflecteerde licht te detecteren. Hoe langer het duurt voordat het gereflecteerde licht terugkomt bij de sensor, hoe verder het object weg is.

De tijdmeting in combinatie met de sterkte van het teruggezonden signaal stelt de sensor in staat om de positie van meerdere objecten tot op de millimeter nauwkeurig te berekenen. Het resulterende beeld van de omgeving wordt tot 15 keer per seconde bijgewerkt (Afbeelding 2). Het kan real-time navigatie, oriëntatie, besturing en veiligheidsfuncties ondersteunen.

Afbeelding 2: TiM 2D LiDAR-sensors gebruiken een roterende spiegel en laserpulsen om een beeld van de omgeving te maken dat tot 15 keer per seconde kan worden bijgewerkt. (Bron afbeelding: SICK)

TiM 2D LiDAR-sensors detecteren objecten in gedefinieerde gebieden (velden) die moeten worden bewaakt. Afhankelijk van het model hebben ze een scanbereik tot 25 m en een werkbereik tot 270°.

De gegevens van de retourpuls van de laser worden verwerkt met HDDM (High Definition Distance Measurement) of HDDM+ technologie. HDDM bereikt een zeer hoge meetnauwkeurigheid op korte afstanden en is geschikt voor fijne positionering in toepassingen zoals docking. HDDM+ verwerkt randreflecties bijzonder goed, waardoor het het meest geschikt is voor lokalisatie en antibotsingstoepassingen in dynamische omgevingen.

In beide gevallen zorgt de gepatenteerde HDDM/HDDM+ multi-pulstechnologie ervoor dat TiM 2D LiDAR-sensors het hele scanbereik kunnen detecteren zonder hiaten, waardoor een consistente meetprecisie wordt gegarandeerd en ze kunnen omgaan met verschillende oppervlakken en remissiefactoren.

De types TiM1xx, TiM3xx en TiM7xx detecteren of objecten zich in een vooraf gedefinieerd veld bevinden. Zestien veldsets, elk met drie vooraf geconfigureerde velden, ondersteunen een snelle aanpassing tijdens het gebruik (Afbeelding 3). Er kunnen individuele veldgeometrieën worden opgegeven of referentiecontourvelden worden gedefinieerd voor statische contourbewaking. Digitale filters, gemaskeerde gebieden en reactietijden kunnen ook worden gedefinieerd om de prestaties te maximaliseren, zelfs bij hevige regen, sneeuw of stof.

Afbeelding 3: Veldsets in TiM 2D LiDAR-sensors bestaan uit drie vooraf geconfigureerde velden. (Bron afbeelding: SICK)

Er zijn modellen beschikbaar met gegevens van veldevaluaties of veldevaluaties en metingen. Sensoren voor veldevaluatie bepalen alleen de aanwezigheid van een object, terwijl veldevaluatie en meetgegevens gebruikt kunnen worden om een nauwkeurig beeld te geven van een gescand oppervlak.

Naast afstandsgegevens zijn er TiM 2D LiDAR-sensors beschikbaar die ook hoekgegevens en een ontvangen signaalsterkte-indicator (RSSI) leveren. Deze uitgebreide gegevensset kan vooral nuttig zijn voor het vermijden van botsingen en navigatie voor AMR's in veranderende omgevingen.

Veiligheid LiDAR's, het toevoegen van de eerste beschermende lagen

De TiM 2D LiDAR-familie heeft veiligheidsgerelateerde varianten, de TiM361S (veldevaluatie) en TiM781S (veldevaluatie en uitvoer van meetgegevens), die voldoen aan de vereisten van PL_b en kunnen worden gebruikt voor zowel stationaire als mobiele toepassingen. Ze kunnen worden gebruikt voor persoonlijke bescherming bij toegangsbewaking voor industriële cobots en op mobiele platforms zoals AMR's en AGV's.

• Type TIM361S-2134101, modelnummer 1090608, is geschikt voor gebruik binnenshuis met een detectiebereik van 0,05 tot 10 m en HDDM-technologie.
• Type TIM781S-2174104, modelnummer 1096363, is ook geschikt voor gebruik binnenshuis met een detectiebereik van 0,05 tot 25 m en HDDM+ technologie.

Vereenvoudigde integratie

TiM 2D LiDAR-sensors zijn ontworpen om integratie te vereenvoudigen. Met een beschermingsgraad tot IP67 kan stof noch vocht de behuizing binnendringen. Ze zijn zeer goed bestand tegen heldere omgevingsverlichting tot 80.000 lx. Het robuuste ontwerp voldoet aan de vereisten voor trillingsbestendigheid van IEC 60068-2-6 en schokbestendigheid van IEC 60068-2-27. Hun robuustheid kan waar nodig worden verbeterd met gedempte bevestigingen van beschermplaten.

Het compacte ontwerp, het lichte gewicht en het lage energieverbruik van TiM 2D LiDAR-sensors maken ze zeer geschikt voor mobiele platforms. Het type TIM361S-2134101 en type TIM781S-2174104 wegen beide slechts 250 g, hebben een gemiddeld stroomverbruik van 4 W en meten 60 mm lang x 60 mm breed x 86 mm hoog.

Veiligheidscontrollers voegen een extra laag toe

LiDAR-laserscanners detecteren gevaren en sturen waarschuwingen, terwijl een modulaire veiligheidscontroller een extra veiligheidslaag kan toevoegen aan een beveiligingssysteem. De Flexi Soft-veiligheidscontroller is bijvoorbeeld een modulair systeem dat kan worden aangesloten op verschillende sensors en schakelelementen, waaronder laserscanners. Het heeft de classificatie SIL3 volgens IEC 61508 en PLe met een PFH_d van 1,07 x 10^-9 volgens ISO 13849.

Een basissysteem bestaat uit minstens twee modules (Afbeelding 4):

1. De CPU0, zoals model 1043783, is de centrale logische eenheid waar signalen van sensors zoals LiDAR worden geanalyseerd en geëvalueerd. De uitgang van CPU0 staat in verbinding met een machinebesturing op een hoger niveau, zoals een PLC (Programmable Logic Controller), waar veiligheidsfuncties worden geïmplementeerd.
2. De XTIO I/O-uitbreidingsmodule, zoals model 1044125, is nodig om laserscanners op het systeem aan te sluiten. Er is één XTIO I/O-uitbreidingsmodule nodig voor elke twee laserscanners, omdat elke laserscanner drie schakelingangen gebruikt. De controller kan maximaal 12 I/O-modules aansturen.

Afbeelding 4: Het Flexi Soft-veiligheidscontrollersysteem bestaat uit een CPU-module (1) en een of meer I/O-modules (2). (Bron afbeelding: SICK)

Wat is er gebeurd?

Een belangrijk element in een veiligheidssysteem kan de mogelijkheid zijn om de hoofdoorzaak van fouten te analyseren en te begrijpen, door antwoord te geven op de vraag: "Wat is er gebeurd waardoor de veiligheidslaserscanner is geactiveerd?". Een eventcamera, EventCam van SICK, is speciaal ontworpen om sporadische storingen in industriële omgevingen op te sporen en te analyseren.

EventCam is zelfvoorzienend met optiek, verlichting, elektronica en geheugen en kan worden geïntegreerd in mobiele of vaste systemen. De behuizing van gegoten aluminium voldoet aan IP65 en kan in verschillende posities worden gemonteerd. EventCam kan worden aangesloten op een automatiseringssysteem zoals een veiligheidscontroller of rechtstreeks op een sensor.

Zodra een fout is gemeld, begint EventCam met het opslaan van afzonderlijke frames of videosequenties. Het interne ringgeheugen kan tot 240 seconden voor en 100 seconden na een gebeurtenis opslaan. In high-definition (HD)-modus kan het tot 25 seconden ervoor en 15 seconden erna opnemen. De snelheid van de videoframes per seconde (fps) varieert van 13 tot 65, afhankelijk van de vereiste resolutie.

EventCam kan ook nuttig zijn bij de inbedrijfstelling van nieuwe machines of processen. Het kan een testrun zonder toezicht bewaken, zoals een doorlopende test van meerdere uren of dagen, en snel foutbronnen identificeren. Meerdere EventCams kunnen een enkel proces bewaken, waardoor visuele informatie vanuit meerdere hoeken tegelijk beschikbaar is voor een diepere en grondiger analyse van fouten (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Meerdere EventCams kunnen gesynchroniseerd worden om een enkele gebeurtenis vanuit verschillende hoeken tegelijk op te nemen. (Bron afbeelding: SICK)

EventCam wordt aangeboden in twee varianten. Model 1102028 heeft een werkbereik van 0,4 m tot 0,6 m en is geschikt voor gebruik met stationaire cobots met relatief kleine beschermruimtes. Model 1093139 heeft een werkbereik van 0,8 tot 6 m en is geschikt voor grotere beschermruimtes die voorkomen bij grotere cobots, AMR's en AGV's.

Samenvatting

2D LiDAR-sensors zoals de TiM-serie van SICK kunnen de eerste verdedigingslinie vormen in een veiligheidssysteem voor cobots, AMR's, AGV's en vergelijkbare machines. Ze bieden een reeks beschermende velden om de nadering van mensen te controleren. De toevoeging van een veiligheidscontroller kan de analyse van inbraken ondersteunen en de systeemprestaties verbeteren. Tot slot kunnen een of meer EventCams de primaire 2D LiDAR-sensor controleren om de hoofdoorzaak van sporadische uitschakelingen te helpen identificeren.