כיצד סורקי לייזר לבטיחות זעירים יכולים למקסם את ההגנה ואת הפרודוקטיביות

המורכבות ההולכת וגוברת של האוטומציה של הלוגיסטיקה במפעלי Industry 4.0 דורשת גישות חדשות לתכנון מערכות הממקסמות בו-זמנית את הבטיחות ואת הפרודוקטיביות.

האופי הגמיש של תפעול Industry 4.0 אומר שהמיקום וההיקף של פעולות מסוכנות יכולים להשתנות מדי פעם, ומערכות הבטיחות חייבות להסתגל במהירות. דרושה מערכת בטיחות הניתנת להגדרת תצורה, ניתנת לתכנות וגמישה.

היכולת לכונן אזורי התרעה כדי להתריע בפני עובדים המתקרבים לאזור מסוכן לפני שהם מתקרבים יותר מדי יכולה להיות יתרון גדול. זה מונע מהעובדים להיכנס בטעות לאזור המסוכן, להפעיל מתקן בטיחות ולכבות מכונה. זה משפר את הזמינות ואת הפרודוקטיביות.

מאמר זה מתחיל בסקירה קצרה של תקנים בינלאומיים של שטיחוני בטיחות וסורקי לייזר לבטיחות, ולאחר מכן עובר להשוואת שיקולי יישומים עבור שטיחוני בטיחות וסורקי לייזר לבטיחות, תוך בחינה של הגורמים השונים כמו פעולה במגע לעומת פעולה ללא-מגע, הגנה על-ידי שדה התרעה ויכולת התאמה.

המאמר מסיים בהצגת דוגמאות של סורקי לייזר לבטיחות זעירים של SICK‏ וכיצד הם עומדים בדרישות של מספר יישומים, ביחד עם אפשרויות התקנה ותצורה, כולל איך הסורקים מוחלפים בקלות אם הם ניזוקים.

תקני ביצועי בטיחות עיקריים כוללים את International Electrotechnical Commission‏ (IEC‏) 61508‏, "בטיחות פונקציונלית של מערכות קשורות-לבטיחות חשמליות/אלקטרוניות/ניתנות-לתכנות (E/E/PE‏, או E/E/PES‏)", הארגון הבינלאומי לתקינה (ISO‏) 13849‏, "בטיחות מכונות - חלקים של מערכות בקרה הקשורים-לבטיחות", ו-IEC 61496‏, "בטיחות מכונות - ציוד מגן אלקטרו-רגיש".

שטיחוני בטיחות וסורקי לייזר לבטיחות עומדים בחלקים שונים של תקנים אלו. לדוגמה, תקן IEC 61508 מגדיר סדרה של רמות תקינות בטיחותית (SILs). סורקי לייזר לבטיחות עומדים בדרישות SIL 2‏. כך גם שטיחוני בטיחות, אם כי לא כולם. כמה שטיחוני בטיחות עומדים רק בדרישות רמה SIL 1‏, שהיא פחות מחמירה בסדר גודל לעומת SIL 2‏.

התקני בטיחות SIL 1 מיועדים לשימוש עם יישומים בסיכון נמוך שבהם ההשלכות של תקלה אינן חמורות, כמו שמירת מכונות בסיסית, תהליכים לא-קריטיים והתרעות פשוטות. התקני בטיחות SIL 2 נועדו לצמצם סיכונים שעלולים לגרום לפציעות חמורות או לנזק סביבתי משמעותי, אך לא בהכרח לאירועים קטסטרופליים.

באמצעות מושגים הדומים ל-SILs‏, ISO 13849‏ מגדיר רמות ביצועים (PLs). שטיחוני בטיחות הם לרוב בעלי הרשאת PLc, בעוד שסורקי לייזר לבטיחות חייבים בהרשאת PLd‏ המחמירה יותר. כמה התקנות של שטיחוני בטיחות יכולים לעמוד גם בדרישות ביצועים PLd‏.

כדי לקבל הרשאה, סורק לייזר לבטיחות חייב לעמוד בתקני SIL 2‏, PLd‏ ו-IEC 61496-3‏, המכסים במיוחד התקני הגנה אופטו-אלקטרוניים אקטיביים המגיבים להחזרה מפוזרת (AOPDDR‏, או סורקי לייזר). ההשלכות של הרשאות הבטיחות השונות על שטיחוני בטיחות וסורקי לייזר לבטיחות הן חשובות, אך הן רק ההתחלה כאשר ממקסמים את ההגנה והאת הפרודוקטיביות.

היבטים נוספים שיש להביא בחשבון

שטיחוני בטיחות וסורקי לייזר לבטיחות עם המפרטים הנכונים יכולים לעמוד בדרישות הבטיחות הן של IEC‏ והן של ISO‏. אבל זה לא סוף הסיפור; יש להביא בחשבון את יישומי אוטומציה במפעלים ולוגיסטיקה של Industry 4.0‏.

שטיחוני בטיחות הם מטריצה של מתגים מכניים. כאשר משקל, כמו זה של אדם הצועד על השטיחון, סוגר אחד או יותר מהמתגים, הוא שולח אות לבקר השטיחון העוצר את פעולת המערכת המוגנת.

האופי המכני של שטיחוני בטיחות יכול להוות סיבה לדאגה. ראשית, כדי שהשטיחון יפעל, חייב להיות מגע ישיר עם אדם ההולך על פני השטיחון. שנית, השטיחונים נתונים לבלאי ו(לעיתים ממש) לקריעה. אנשים עלולים להפיל כלים כבדים ו/או חדים על השטיחון ולגרום לנזק (איור 1). או שמלגזה עלולה לנסוע על השטיחון ולפגוע בו. גורמים סביבתיים כמו חומרים קורוזיביים עלולים גם הם לסכן את השטיחון.

איור 1‏: פעולת שטיחוני בטיחות דורשת מגע פיזי ועלולה להיפגע מתאונות או סיכונים סביבתיים. (מקור התמונה: SICK)

יכולת התאמה

שטיחוני בטיחות הם התקנות קבועות אינהרנטית ואינם ניתנים להתאמה. ישנם תצורות וגודלי שטיחונים שונים עבור דרישות התקנה ספציפיות. זה יכול להציג אתגרים במפעלי Industry 4.0 ובפעולות לוגיסטיות הנתונות לשינויי תצורה ככל שדרישות התהליך משתנות.

ביצוע שינויים במערכות המבוססות על שטיחוני בטיחות עלול לדרוש רכישת שטיחון חדש, ולהאריך את הזמן הדרוש להחלפה כדי לחזור לפעולה. זה עלול להשפיע לרעה על זמינות המכונות ועל הפרודוקטיביות הכוללת.

דרך אחת למזער את ההשפעה היא לשמור על גדלים שונים של שטיחוני בטיחות חלופיים בהישג יד. זה יכול לזרז את השינויים ואת החלפת השטיחונים שניזוקו. אך זה גם יקר. זה יכול גם לדרוש שמירה על מגוון בקרי שטיחוני בטיחות בהישג יד מכיוון שלא כל השטיחונים תואמים לכל הבקרים.

ניתן להתמודד עם בעיות אלו באמצעות סורקי לייזר לבטיחות. סורקי לייזר לבטיחות אינם מבוססים על מתגים מכניים; הם התקנים אלקטרוניים שניתן להתאים עבור צורכי יישומים שונים.

סורקי לייזר לבטיחות הם טכנולוגיה ללא-מגע המשתמשת בלייזר אינפרה-אדום (IR) כדי לסרוק את הסביבה בשני ממדים. הם פולטים פולסים קצרים של אור IR. אם פולס אור פוגע באובייקט, הוא מוחזר לסורק. ניתן לקבוע את המרחק לאובייקט ברמת דיוק גבוהה על בסיס מרווח הזמן בין רגע השידור לזמן שבו האור המוחזר.

היכולת לקבוע את המרחק למכשולים מאפשרת לסורקי לייזר לבטיחות ליצור סדרה של שדות התרעה והגנה על סמך הקירבה לאובייקט. סורקי לייזר לבטיחות מסוימים יכולים להכיל עשרות שדות מוגדרים. זה יכול להיות שימושי עבור יישומים כמו ניווט עבור רובוט נייד אוטונומי.

סורקי הלייזר לבטיחות S300 Mini Standard‏ של SICK ממוטבים עבור יישומי בטיחות הדורשים שלושה שדות מוגדרים - שדה מגן ושני שדות התרעה - כדי להיות אקטיביים בו-זמנית. הממדים הקומפקטיים שלהם של 102‏ x‏ 116‏ x‏ 105 מילימטרים (מ"מ) (רוחב x‏ גובה x‏ עומק) הופכים אותם למתאימים עבור יישומים כמו תאי עבודה רובוטיים ורכבים מונחים אוטומטיים (AGVs) (איור 2).

איור 2‏: השוואת גודלי סורק לייזר לבטיחות S30 Mini Standard‏ לעומת פחית סודה. (מקור התמונה: SICK)

לסורקי S300 Mini Standard יש זווית סריקה של 270° לכיסוי שטח רחב ורזולוציה ניתנת לבחירה עבור גילוי ידיים, רגליים או גוף. סורקים אלה תומכים בטווחי שדות התרעה של עד 8 מטר וזמינים עם שלושה טווחי שדה מגן מקסימליים:

• מטר אחד, דגם 1058000‏
• שני מטר, דגם 1050932‏
• שלושה מטר, דגם1056430‏

סביבות דינמיות

סביבות דינמיות, שבהן הפריסה או התנאים התפעוליים משתנים, או שבהן נעים AGVs, יכולות להפיק תועלת מסורקי לייזר לבטיחות הניתנים להגדרת התצורה. ניתן לשנות את אזורי הגילוי לפי הצורך כדי להתאים לצורכי הגנה משתנים.

הגדרת מספר שדות התרעה יכולה להיות שימושית במיוחד כדי למנוע מאנשים להתקרב יותר מדי ולכבות מכונה. התקני אותות התרעה יכולים לכלול נורה מהבהבת פשוטה אם שדה ההתרעה הראשון נפרץ, וצפירת התרעה או צופר אם נכנסים לשדה ההתרעה השני. ישנם כללים ספציפיים לחישוב גודל שדות ההגנה.

חישובי מרחק בטיחות

תקן ISO‏ 13855‏, בטיחות מכונות - מיקום אמצעי הגנה ביחס להתקרבות של גוף אדם, כולל הנחיות לחישוב מרחק הבטיחות המינימלי הנדרש לעצירת מכונה כאשר אדם מתקרב אליה. תקן ISO 13855‏ חל על מספר סוגים של התקני בטיחות, כולל סורקי לייזר לבטיחות, וילונות אור לבטיחות, התקנים רגישים-ללחץ, שטיחוני ורצפות בטיחות, ועוד.

הוא יכול להיות שימושי בעת חישוב גודל שדות בטיחות עבור סורקי לייזר לבטיחות (איור 3). נוסחה נפוצה לחישוב המרחק הבטוח, S, היא S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, כאשר:

• K = מהירות הגישה (1,600 מ"מ/שנייה, מוגדר ב-ISO 13855)
• TM = זמן העצירה של המכונה או המערכת
• TS = זמן התגובה של סורק לייזר לבטיחות ושל הבקר במורד הזרם
• ZG = תוספת כללית = 100 מ"מ
• ZR = תוספת עבור שגיאות מדידה הקשורות להחזרה
• CRO = תוספת למניעת התקרבות-יתר

איור 3: ניתן להשתמש בהנחיות ISO 13855 כדי לחשב את הגדלים של שדות בטיחות (אדום) עבור סורקי לייזר לבטיחות כגון S300 Mini Standard‏. (מקור התמונה: SICK)

רכבים מונחים אוטומטית

רכבים מונחים אוטומטית (AGVs) מעבירים פריטים במהירות וביעילות ללא התערבות אנושית במפעלים, מחסנים ומרכזי הפצה של Industry 4.0. בכמה מה-AGVs, פסי מיתוג או פגושים משמשים לגילוי מכשולים. הם יכולים להגביל את מהירות הנסיעה של ה-AGV, והפסים או הפגושים עלולים לחוות נזק פיזי, הדורש החלפה והוצאה של ה-AGV מפעילות לתקופה מסוימת.

כדי לשמור על הבטיחות, גמישות וזמינות מקסימלית, AGVs יכולים להחליף פסי מיתוג ופגושים כהתקני הבטיחות העיקריים, והם יכולים לכלול סורק בטיחות עם לייזר לאיתור מכשולים ועצירה בטוחה. הגודל הקטן של ה-S300 Mini מקל על האינטגרציה, אפילו ב-AGVs הקטנים ביותר (איור 4).

איור 4: הגודל הקומפקטי של סורקי הלייזר לבטיחות S300 Mini Standard מאפשר את הרכבתם על AGV קטנים. (מקור התמונה: SICK)

באמצעות בשני סורקי לייזר לבטיחות ניתן לספק אזור מוגן מורחב. אם הסורקים מותקנים בפינות הקדמיות של ה-AGV, האזור המוגן משתרע לחזית ובשני צידי הרכב. נניח שהסורקים מותקנים באלכסון זה מול זה בחלקם הקדמי והאחורי של הרכב. במקרה זה, האזור המוגן יקיף את כל צידי ה-AGV, ויאפשר תנועה בטוחה בשני הכיוונים.

תצורה, התקנה ותחזוקה

ניתן להשתמש בתוכנת תצורה ודיאגנוסטיקה (CDS) של SICK כדי להגדיר שדות הגנה והתרעה באמצעות מחשב שולחני או מחשב נייד. התוכנה כוללת ממשק אינטואיטיבי עבור התכנון והמימוש של יישומים. התוכנה גם מחשבת ושומרת את כל נתוני התצורה והדיאגנוסטיקה לצורך הפעלה מהירה ו/או פתרון תקלות יעיל. ניתן ליישם תצורה ודיאגנוסטיקה במהלך ההתקנה והפעלה ראשונית או תחזוקה.

SICK מציעה גם מבחר של ערכות הרכבה לחיבור פיזי של סורקי הלייזר לבטיחות S300 Mini‏. ערכה 1a, דגם 2034324‏, היא מסגרת ההרכבה הבסיסית ללא כיסוי מגן עבור האופטיקה, וערכה 1b, דגם 2034325‏, כוללת הגנה האופטיקה (איור 5). בנוסף, ניתן להוסיף תושבות הרכבה משלימות, כולל ערכה 2, דגם 2039302‏, וערכה 3, דגם 2039303‏, כדי ליישר את הסורקים בשני מישורים. זווית הכוונון המקסימלית היא ±11° בשני המישורים.

איור 5: ערכת הרכבה 1b כוללת הגנת כיסוי אופטיקה. (מקור התמונה: SICK)

ערכות ההרכבה תומכות גם בהחלפה מהירה של ראשי סורק פגומים. הראש הסורק החלופי מתחבר לתקע המערכת, המותקן באופן קבוע על המכונה. הראש החלופי מוריד מיד את נתוני התצורה מתקע המערכת ולוקח על עצמו את משימות הבטיחות המתוכנתות, ללא תכנות מחדש או הורדה ידנית של נתוני התצורה. זהו תהליך תחיבה-והפעלה הממזער את זמן ההשבתה של המכונה.

סיכום

סורקי לייזר לבטיחות S300 Mini Standard מספקים אלטרנטיבה חסונה לשטיחוני בטיחות במפעלים, מחסנים ומרכזי הפצה של Industry 4.0, אשר בו-זמנית ממקסמים את הבטיחות ואת הפרודוקטיביות. הם עומדים בתקני הבטיחות של IEC 61508, ISO 13849 ו-IEC 61496 ומתאימים עבור התקנות קבועות ופלטפורמות ניידות כמו AGVs. לבסוף, סורקי לייזר לבטיחות S300 Mini Standard תומכים בתצורה, התקנה ותחזוקה גמישים ומהירים.