Gebruik van lichtgordijnen voor betere veiligheid en objectmeting

Lichtgordijnen zijn een veelzijdige technologie. Hoewel ze vaak geassocieerd worden met veiligheidstoepassingen, worden ze in veel andere toepassingen gebruikt. Denk hierbij aan machinebewaking en het creëren van beschermde zones, materiaaltransport om de aanwezigheid van objecten te detecteren of de grootte van passerende objecten te meten, positioneren of uitlijnen van objecten voor verpakkings- en sorteerapplicaties en inbraakdetectie en toegangscontrole voor gebieden met beperkte toegang.

Zie deel 1 uit deze serie, ‘Beschermen van mensen en machines met veiligheidslaserscanners’ voor een vergelijking van lichtgordijnen en veiligheidslaserscanners, samen met een overzicht van scannertoepassingen.

In dit artikel behandelen we de belangrijke specificaties en prestatienormen van lichtgordijnen, toepassingsvoorbeelden van hoe lichtgordijnen worden gebruikt in veiligheids- en toegangscontrolesystemen en hoe we met lichtgordijnen kunnen meten. Als voorbeeld worden lichtgordijnen gepresenteerd van Panasonic, IDEC, Omron en Banner Engineering.

Normen en typen veiligheidslichtgordijnen

Er zijn vier typen veiligheidsprestaties gedefinieerd in de norm IEC 61496, Veiligheid van machines - Elektrogevoelige beschermingsmiddelen (ESPE) van de International Electrotechnical Commission. De relevante typen zijn 2, 3 en 4. Type 1 is niet gedefinieerd voor veiligheidslichtgordijntoepassingen.

IEC 61496 voegt een extra laag vereisten toe aan de definities van veiligheidsintegriteitsniveaus (SIL’s) in IEC 61508 en de ISO 13849 van de International Organization for Standardization, waarin prestatieniveaus (PL’s) worden gedefinieerd.

SIL’s worden gerangschikt van 1 tot 3, waarbij SIL 3 het hoogste niveau is. Daarnaast worden PL’s gerangschikt van ‘a’ tot ‘e’, waarbij PLe het meest veeleisend is. Op basis van de classificaties in IEC 61496 vallen lichtgordijnen doorgaans onder type 2 en 4, hoewel enkele zijn geclassificeerd als type 3-apparaten. Veiligheidslaserscanners voldoen aan de vereisten van type 3. Enkele belangrijke factoren in de typeclassificaties zijn:

Type 2-apparaten moeten voldoen aan SIL 1 en PLc. Ze zijn bedoeld voor gebruik in toepassingen met een lager risico waarbij fouten kunnen leiden tot verwondingen zoals bulten of kneuzingen, omgeduwd worden, kleine snijwonden en schaafwonden of beknelling, maar niet pletten. IEC 61496 vereist dat het apparaat tijdens het opstarten en periodiek tijdens de werking een zelfcontrole uitvoert. Deze apparaten missen de redundante automatische zelfcontrolecircuits in lichtgordijnen van type 4. De effectieve openingshoek (effective apperture angle, EAA) die het gezichtsveld bepaalt, moet ±5 graden of kleiner zijn. Dat kan leiden tot optische interferentie en fouten.

ESPE’s van type 3, zoals veiligheidslaserscanners en enkele lichtgordijnen, moeten voldoen aan SIL 2 en PLd en zijn ‘ontworpen om niet te falen door een enkele fout, maar wel door een opeenstapeling van fouten’. Voor deze apparaten gelden ook strengere vereisten voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) dan voor apparaten van type 2. Type 3-apparaten zijn geschikt voor toepassingen waarbij veiligheid een belangrijk risico is.

Type 4-lichtgordijnen zijn ontworpen voor situaties waar veiligheid een belangrijke overweging is. Ze moeten voldoen aan de hoogste normen, PLe en SIL 3. Ze zijn ontworpen ‘om niet te falen door een enkele fout of een opeenstapeling van fouten’. Ze hebben een kleinere EAA van ±2,5 graden, waardoor ze minder gevoelig zijn voor optische interferentie en objecten gemakkelijker kunnen herkennen. Ze moeten voldoen aan de strengste EMC-eisen.

Lichtgordijnen van type 2 zijn tot 30% goedkoper dan lichtgordijnen van type 4 vanwege de goedkopere optiek en een eenvoudiger circuit voor foutdetectie. Type 4-lichtgordijnen zijn verkrijgbaar in meer resoluties, waaronder 14 mm voor het identificeren van vingers, 30 mm voor handen, 50 mm voor benen en 90 mm voor de aanwezigheid van een lichaam. Lichtgordijnen van type 2 zijn daarentegen meestal beperkt tot hogere resoluties (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Lichtgordijnen van type 4 zijn doorgaans verkrijgbaar met lagere minimale resoluties dan die van type 2. (Bron afbeelding: IDEC)

Naast het detecteren van objecten van verschillende grootte, kunnen de lichtbundels in een lichtgordijn afzonderlijk worden geregeld voor meer geavanceerde functies, zoals dempen, omleiden en het meten van het aantal objecten en de grootte ervan.

Muting (dempen) en blanking (omleiden) van lichtgordijnen

Dempen of omleiden van een lichtgordijn verwijst naar het geheel of gedeeltelijk uitschakelen van het lichtgordijn onder specifieke omstandigheden. Dempen is een automatisch proces dat de bescherming van een lichtgordijn geheel of gedeeltelijk tijdelijk onderbreekt. Dit vindt meestal plaats tijdens een ongevaarlijk deel van de machinecyclus. Het kan materialen toelaten in een werkgebied zonder gevaarlijke activiteiten te stoppen. Zodra het materiaal in het werkgebied is, wordt de volledige beschermende functie van het lichtgordijn hervat.

Typische toepassingen voor dempen zijn onder andere:

• het in-/uitrijden van pallets op een palletiseermachine tussen bewerkingen
• het verplaatsen van materiaal tussen gebieden in een geautomatiseerd productieproces terwijl het personeel beschermd blijft wanneer de machines actief zijn

Afbeelding 2: Door het lichtgordijn te dempen worden voorwerpen van een specifieke afmeting doorgelaten (links), maar andere voorwerpen zoals een hand of vingers (rechts) worden gedetecteerd en stoppen de machine. (Bron afbeelding: Panasonic)

Omleiding (blanking) houdt in dat een deel van het lichtgordijn wordt uitgeschakeld zonder dat de machine wordt gestopt. Deze functie kan ook mensen beperkte toegang geven tot een gebied tijdens een veilige periode. Typische toepassingen voor omleiding zijn onder andere:

• ergens in reiken om een robotwerkstation te laden of te lossen tijdens een veilige periode
• toegang krijgen tot een hydraulische ponsmachine tijdens de up-cyclus

Type 2-lichtgordijnen

Lichtgordijnen van type 2 uit de SG2-serie van IDEC zijn verkrijgbaar in hand- en aanwezigheidsbeveiligde modellen. Zo is model SG2-90-030-OO-X bijvoorbeeld ontworpen voor aanwezigheidsdetectie met een controlehoogte van 300 mm en een resolutie van 90 mm. Het bevat een test-/herstartfunctie en een geïntegreerd uitlijnsysteem om implementaties te versnellen. De roterende montagebeugels versnellen verder de installatie en de uitlijning van de zend- en ontvangerunit, zelfs in toepassingen die gebruik maken van spiegels of die werken over afstanden tot 19 m.

Dempen en omleiden in ruwe omgevingen

Toepassingen met veiligheidslichtgordijnen in koelmagazijnen met temperaturen tot -30 °C, metaalbewerkingsprocessen zoals stempelmachines die oliebestendige IP67G-bescherming nodig hebben en andere bewerkingen in stoffige en vuile omgevingen zoals autofabricage en werktuigmachines, zijn mogelijk met de F3SG-SR-serie van Omron. Deze type 4-lichtgordijnen zijn voorzien van een dempingsfunctie plus vaste en zwevende omleidingsfuncties.

F3SG-SR-lichtgordijnen hebben beschermhoogtes van 160 mm tot 2480 mm. Als er handen of andere objecten met een diameter van 25 mm moeten worden gedetecteerd, kunnen ontwerpers van veiligheidssystemen de F3SG-4SRA0280-25-F gebruiken die flexibele lengtes in stappen van 40 mm tot 1000 mm ondersteunt met behulp van 27 stralenbundels in een beschermhoogte van 280 mm (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Dit lichtgordijn ondersteunt flexibele lengtes in stappen van 40 mm met een beschermhoogte van 280 mm. (Bron afbeelding: Omron)

Bestand tegen verdraaien, kromtrekken en schokken

Wanneer een lichtgordijn wordt gebruikt op plaatsen waar het kan worden blootgesteld aan schokken en verdraaiing, kunnen systeemontwerpers type 4-lichtgordijnen uit de SF4D-serie van Panasonic gebruiken. Het 630 mm lange model SF4D-H32-0 heeft een IP67-classificatie, een resolutie van 25 mm voor handbescherming en geïntegreerde dempings- en omleidingsfuncties.

Een belangrijke factor voor de robuustheid van deze lichtgordijnen is de vernieuwde interne unit waarmee de behuizing kon worden geoptimaliseerd voor robuustheid en stijfheid. De interne unit neemt minder dan 40% van het volume van de vorige modellen in beslag, waardoor de dikte van de behuizing aanzienlijk kan worden vergroot (afbeelding 4). Hoewel de interne unit kleiner is, heeft deze een hogere optische output en is de OFF-reactietijd van de control-output 10 ms of minder of 18 ms of minder bij serie- of parallelschakeling.

Afbeelding 4: De compactere interne unit ondersteunt een hogere optische output en maakt tegelijkertijd een aanzienlijk dikkere behuizing mogelijk. (Bron afbeelding: Panasonic)

Meten met lichtgordijnen

Lichtgordijnen die ontworpen zijn om objecten te meten, hebben meestal drie modi: recht scannen, enkelzijdig scannen (één rand) en dubbelzijdig scannen (twee randen). Belangrijke specificaties zijn onder andere de minimale objectdetectiegrootte (minimum object detection size, MODS) en de randresolutie (edge resolution, ER).

Recht scannen is meestal de standaardmodus waarbij de stralen in volgorde worden gescand vanaf de displaykant tot de tegenoverliggende kant van de array. Zodra de eerste niet-geblokkeerde straal wordt gedetecteerd, wordt de afmeting bepaald. Typische gevoeligheden voor recht scannen met de modus voor laag contrast zijn een MODS van 5 mm en een ER van 5 mm. Bij gebruik van de high-excess-gain scannermodus is de MODS 10 mm en de ER 5 mm. Enkel- en dubbelzijdig scannen kan een MODS van 10 mm en een ER van 2,5 mm opleveren.

Enkelzijdig scannen begint met de eerste (laagste) straal die wordt geblokkeerd, wat de aanwezigheid van een object aangeeft. Het lichtgordijn controleert vervolgens de middelste straal. De scanner kijkt naar het onderste vierde deel van de straal om te zien of de middelste straal niet geblokkeerd is. De scanner kijkt naar het bovenste vierde deel van de straal om te zien of de middelste straal geblokkeerd is.

Zodra is vastgesteld of de bovenste of onderste vierde delen van de stralen geblokkeerd of niet geblokkeerd zijn, wordt het aantal stralen opnieuw gehalveerd. Dit gaat door totdat de bovenrand van het object is gevonden.

In situaties waarbij de eerste straal niet noodzakelijkerwijs geblokkeerd is, kan dubbelzijdig scannen worden gebruikt. Dit begint met de selectie van de stapgrootte, meestal 1, 2, 4, 8, 16 of 32, afhankelijk van de toepassing. Allereerst activeert het gordijn straal 1. Als die straal geblokkeerd is, is de eerste rand geïdentificeerd. Als deze niet geblokkeerd wordt, activeert het gordijn de volgende straal, die bepaald wordt door de stapgrootte. Als de stapgrootte bijvoorbeeld 4 is, wordt straal 5 geactiveerd.

Als de geactiveerde straal niet wordt geblokkeerd, gaat het gordijn verder met het stappenproces totdat een geblokkeerde straal wordt gevonden. Op dat moment gaan we terug naar het begin en wordt een binaire zoekactie gebruikt om de eerste geblokkeerde straal te identificeren en wordt de bijbehorende rand geïdentificeerd. Het proces wordt herhaald, dit keer met de geïdentificeerde rand als referentiepunt en het stappenproces om een niet-geblokkeerde straal te identificeren. Vervolgens keren we weer terug om de geblokkeerde straal met het hoogste nummer te vinden en de tweede rand te identificeren.

Afbeelding 5: Voorbeeld van straalsequenties in een dubbelzijdige scan. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Gebruik van lichtgordijnen om te meten

De A-GAGE EZ-ARRAY-meetlichtschermen van Banner Engineering zijn ontworpen voor toepassingen zoals het real-time meten en profileren van producten, rand- en middengeleiding, gaatjesdetectie, tellen van onderdelen enzovoort. De lengte van de zenders en ontvangers variëren van 150 tot 2400 mm (afbeelding 6). Model EA5E600Q is bijvoorbeeld 600 mm lang met 120 stralen. Deze lichtgordijnen ondersteunen nauwkeurige high-speed procesbewaking en -inspectie, profilering en webgeleidingsystemen. Andere kenmerken zijn onder andere:

• Talrijke scanopties:
  • 16 scananalyse (meet)modi
  • drie scanmethoden
  • selecteerbare omleiding van stralen (blanking)
• Een DIP-schakelaar met zes standen voor het instellen van de scanmodus, de meetmodus, de analoge helling en het instellen van de discrete uitgang voor aanvullende metingen of alarmen.

Afbeelding 6: De A-GAGE EZ-ARRAY-familie van lichtmeetgordijnen is verkrijgbaar in lengtes van 150 mm tot 2400 mm. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Conclusie

Lichtgordijnen kunnen veel meer doen dan alleen toegang tot gevaarlijke en gevoelige gebieden voorkomen en zowel mensen als machines beschermen. Ze kunnen gecontroleerde toegang ondersteunen met omleidings- en dempingsfuncties (blanking en muting) om de productiviteit te verhogen. Lichtgordijnen kunnen ook contactloze meettechnieken ondersteunen die snel en efficiënt meerdere objectdimensies meten.