כיצד סורקי לייזר לבטיחות יכולים להגן על אנשים ומכונות

סורקי לייזר לבטיחות יכולים לתרום לבטיחות במתקנים תעשייתיים ולוגיסטיים. הם יכולים להגן על אנשים מפני אינטראקציות לא-בטוחות עם מכונות, והם יכולים להגן על מכונות מפני הפרעות לא-מכוונות של אנשים.

יש צורך במספר גורמים כדי למקסם את היעילות של סורקי לייזר לבטיחות. הראשון הוא לקבוע אם סורק לייזר הוא הפתרון הטוב ביותר או שטכנולוגיה אחרת, כמו וילון אור, עשויה להתאים טוב יותר ליישום.

לאחר שנקבע שסורק הוא הבחירה הטובה ביותר, יש לקבל החלטות חשובות, כולל:

• בחירת שדות הגנת הבטיחות וערכות השדה האופטימליות
• שימוש בתקן כמו זה של הארגון הבינלאומי לתקינה (ISO‏) 13855 עבור מיקום אמצעי ההגנה ביחס לגישה של האנשים
• בחירת ערך קצב הדגימה הנכון
• בחירת סורק עם סט התכונות האופטימליות

מאמר זה מתחיל בסקירת הגורמים המשפיעים על מתי לבחור סורק ומתי לבחור מסך אור. לאחר מכן הוא מציג את קריטריוני הבחירה החשובים לשימוש בסורקים ובוחן סורקי לייזר לבטיחות מייצגים של IDEC‏, Omron‏, SICK‏ ו-Banner Engineering‏.

סורק או וילון?

אחד השיקולים הראשונים הוא: על איזה מרחב פיזי יש להגן? גם סורקים וגם וילונות אור יכולים להגן על אנשים מפני פגיעה ולהגן על מכונות מפני הפרעות. אמנם ישנה חפיפה מסוימת ביכולות ההגנה של סורקים ווילונות אור, אך בדרך כלל הם מתאימים ליישומים שונים, כגון:

הגנת נקודת-הפעולה, המתייחסת לאזור הפעיל של מכונה שבה מתבצעת העבודה. וילונות קלים מתאימים ליישום זה מכיוון שניתן למקם אותם במיקום אופטימלי, וניתן להגדיר את הרזולוציה שלהם כדי לזהות אצבעות, ידיים או רגליים/כפות רגליים ולספק את רמת ההגנה הנדרשת. סורקים בדרך כלל זקוקים למרחק מינימלי ארוך יותר ממפגעים בגלל זמני התגובה הארוכים יותר ואינם משמשים בדרך כלל להגנת נקודות-פעולה.

הגנה היקפית, השומרת על מספר צדדים של מכונה. כמו הגנת נקודות-פעולה, וילונות אור מתאימים היטב לספק פתרונות קומפקטיים עבור הגנה היקפית. אם אדם חוצה את ההיקף, ניתן לשלוח אות עצירה, והמכונה נעצרת. בעוד שגם וילונות אור וגם סורקים יכולים לשמש בהגנה היקפית, וילונות אור בטיחות משמשים לעתים קרובות יותר בהגנה היקפית, וסורקים משמשים לעתים קרובות יותר בהגנת אזור.

בקרת גישה והגנת אזור, ניתן לממש עם מסך אור או סורק, בהתאם לצורכי היישום הספציפיים. וילונות אור מתאימים כאשר יש נקודת כניסה יחידה. לדוגמה, ניטור והערכה אינדיבידואלית של כל אלומת אור מאפשרות למסך אור להבדיל בין אדם "גבוה" לבין מנשא של חומרים "נמוך", כמו משטח פלטה החוצה סף גובה מסוים, ולשנות את תגובתו בהתאם.

ניתן להגדיר סורקים לניטור אזור של 275° כדי ליצור אזור מוגן דו-ממדי המוגדר על ידי המשתמש (איור 1). הם גם יכולים להקים מספר אזורי הגנה על בסיס המרחק בין האדם למכונה המוגנת ולהאט או לעצור אותה לפי הצורך.

איור 1: סורק לייזר לבטיחות שכמוהו יכול לנטר אזור של 275° כדי ליצור אזור מוגן דו-מימדי ולשלוח התרעה אם אדם או חפץ בלתי-צפוי נכנס לאזור זה (הקווים האדומים). (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

מערכות ניידות כמו רובוטים ניידים אוטונומיים (AMRs‏) ורכבים מונחים אוטונומיים (AGVs‏), היכולים להפיק תועלת משימוש במספר סורקים. סורקים אלה יכולים להיות מוזני-סוללות ומותקנים כדי לעבוד בשיתוף פעולה, תוך ניטור בו-זמנית של עשרות אזורי בטיחות סביב הרכב. ניתן להפעיל אזורים שונים על בסיס על מהירות הרכב, המיקום ושינויים צפויים בכיוון. ניתן להשלים את הנתונים מהסורקים עם אנקודרים על הגלגלים וכניסות חיישנים אחרות לתמיכה בניווט AMR‏.

איזו רמת בטיחות?

לאחר שהוגדר המרחב הפיזי עליו יש להגן, השיקול הבא הוא רמת הבטיחות הדרושה. בנוסף ליתרונות היישום השונים, וילונות אור וסורקי לייזר לבטיחות תומכים ברמות שונות של בטיחות כפי שהוגדרו בתקנים בינלאומיים שונים. לדוגמה, ISO 13849-1‏ מגדיר את האמינות של פונקציות בקרה בטוחות באמצעות רמות ביצועים (PLs‏) מ-"a" עד "e", כאשר PLe מייצגת את הרמה הגבוהה ביותר.

סורקי לייזר לבטיחות עומדים בקריטריונים של PLd ומתאימים לשימוש ביישומים בהם הבטיחות נמצאת בראש סדר העדיפויות. דירוג PLd ניתן למערכות עם סבירות לכשל מסוכן כל 1 עד 10 מיליון שעות (141 עד 1,141 שנים על בסיס פעולה רצופה). וילונות קלים זמינים עם מגוון רחב יותר של אפשרויות מ-PLc עד PLe.

IEC 62061‏, בטיחות מכונות: בטיחות פונקציונלית של מערכות בקרה חשמליות, אלקטרוניות וניתנות-לתכנות הוא תקן חשוב נוסף. הוא מבוסס על אסטרטגיית הערכת והפחתת סיכונים עבור פונקציות בקרת בטיחות כגון וילונות אור וסורקי לייזר לבטיחות. הוא כולל מפרטי דרישות פונקציונליות ודרישות רמת תקינות בטיחות - Safety Integrity Level‏ (SIL).

דוגמאות לדרישות פונקציונליות כוללות תדירות פעולה, זמן תגובה, אופני פעולה, מחזורי פעולה, סביבת פעולה, פונקציות תגובה לתקלות וכן הלאה. ה-SILs המתקבלים נמדדים בסולם מ-1 עד 4 (איור 2).

איור 2‏: סורקי לייזר לבטיחות עומדים בקריטריונים של PLd ו-SIL3‏ ומתאימים לשימוש ביישומים בהם הבטיחות נמצאת בראש סדר העדיפויות. (מקור התמונה: SICK)

ISO 13855 מגדיר כיצד למקם סורקים ביחס לגישה של בן אנוש. לדוגמה, אם סורק מותקן בגובה של 300 מ"מ, רזולוציה של 70 מ"מ מספיקה כדי לזהות רגל של בן אנוש. בגובהי הרכבה נמוכים יותר, הרזולוציה המינימלית המומלצת היא 50 מ"מ.

מפרטי הסורקים

ברגע שנקבע שסורק לייזר לבטיחות עומד בדרישות היישום ויכול לתמוך ברמת הבטיחות הדרושה, הגיע הזמן לשקול את המפרטים. דוגמאות למפרטי סורקים חשובים כוללים:

זווית הסריקה. קיימות מספר זוויות סריקה, כגון 190°, 270° ו-275°. זווית הסריקה והמבנה שלה קובעים את אופן הרכבת הסורק על המערכת כדי לנטר את האזור/ים הדרושים.

אזורי ההגנה. לסורקי לייזר לבטיחות יש מספר אזורים הגנה, כולל אזור ההגנה הראשי ואחד או יותר אזורי התרעה. חלקם יכולים להשתמש בנתונים סרוקים עבור הגדרת-תצורה אוטומטית כדי להתעלם מעצמים נייחים באזורי ההתרעה (איור 3). במקרים מסוימים, סורק לייזר לבטיחות יכול לסרוק מספר אזורים באופן סדרתי או בו-זמנית. לדוגמה, סורק אחד יכול לתמוך בעד 70 סטים של אזורי בטיחות ייחודיים. ב-AMR, תכונה זו מאפשרת לסורק להתאים את האזורים הסרוקים על בסיס הסביבה ומהירות התנועה.

איור 3‏: ניתן לזרז את ההתקנה וההפעלה על ידי שימוש בסורק המשתמש בנתונים סרוקים עבור הגדרת-תצורה אוטומטית כדי לזהות עצמים נייחים בתוך אזורי ההתרעה. (מקור התמונה: IDEC‏)

תחום שדה ההגנה. זהו המרחק המקסימלי שהאזור המוגן יכול להיות מרוחק מהסורק. ערכים טיפוסיים הם בתחום מ-3 עד 10 מטר. תחום שדה ההגנה הנדרש תלוי בתקנות המקומיות ובזמן התגובה והרזולוציה של הסורק.

רזולוציה. היא נמדדת במ"מ וקובעת את האובייקט בגודל המינימלי שהסורק יכול לזהות במדויק. ערכים טיפוסיים הם מ-30 מ"מ עד 200 מ"מ.

זמן התגובה. נקרא גם זמן הגילוי, הוא מודד באיזו מהירות סורק יכול לזהות את התקרבותו של אובייקט. ערכים טיפוסיים הם מ-ms‏ 60‏ עד ms‏ 500.

דגימה. מציין כמה פעמים יש לסרוק אובייקט ברצף כדי להיות מזוהה על ידי הסורק. ברירת המחדל היא בדרך כלל לפחות שתי סריקות דגימה. עם זאת, עבור סורקים מסוימים ובנסיבות מסוימות עשויות להידרש עשר או יותר סריקות דגימה עוקבות כדי לזהות אובייקט.

אזורי הגנה כפולים

סורקי לייזר לבטיחות כוללים מאפיינים ופונקציות שונות המתאימים לצורכי יישום שונים. לדוגמה, סורקי הלייזר לבטיחות SE2L‏ של IDEC‏ כוללים פונקציונליות Slave‏/Master‏ ואזורי הגנה כפולים. פונקציית Slave‏/Master‏ מאפשרת לסורק אחד לתקשר עם עד שלושה סורקים אחרים. זה יכול לפשט משמעותית את תכן המערכת ולאפשר שימוש בבקר בעלות נמוכה יותר מכיוון שבקר הבטיחות צריך לתקשר רק עם המאסטר, המעביר את ההוראות לסורקי הסלייב. ניתן להתקין את דגם SE2L-H05LP‏ באמצעות כבלים באורך של 2 עד 20 מטר, המשפרים עוד יותר את הגמישות.

לסורקים אלו יש זמן מחזור סריקה של ms‏ 30‏ והם יכולים לכלול 32 תבניות באזור הסריקה. באמצעות פונקציית אזורים-כפולים, יחידת SE2L אחת יכולה לסרוק באופן עצמאי שני אזורים סמוכים בו-זמנית, לבטל את הצורך בסורק שני ולפשט את תכן המערכת.

הספק נמוך עבור בטיחות בהזנת סוללות

הארכת משכי הפעולה של AGVs ו-AMRs יכולה להיות שיקול חשוב. יישומים אלה יכולים להפיק תועלת מהשימוש בסורק הלייזר הקומפקטי (104.5 מ"מ) לבטיחות OS32C-SP1-4M‏ של Omron‏. הוא צורך W‏ 5‏ מקסימום (W‏ 3.75‏ באופן המתנה) ויש לו 70 סטים של צירופי אזורי בטיחות ואזורי התרעה, ההופכים אותו למתאים לשימוש בסביבות מורכבות (איור 4). מאפיינים אחרים כוללים:

• ניתן להגדיר רזולוציה מינימלית ל-30, 40, 50 או 70 מ"מ.
• אזור הבטיחות משתנה בהתאם לרזולוציה:
  • 1.75 מטר (רזולוציה של 30 מ"מ)
  • 2.5 מטר (רזולוציה של 40 מ"מ)
  • 3.0 מטר (רזולוציה של 50 מ"מ)
  • 4.0 מטר (רזולוציה של 70 מ"מ)
• רדיוס אזור התרעה של עד 15 מטר
• זמן תגובה ניתן להגדרה מ-ms‏ 80‏ עד ms‏ 680‏.
• ניתן להגדיר את זמן החלפת אזור מ-ms‏ 20‏ עד ms‏ 320‏

איור 4: סורק לייזר לבטיחות זה בהספק נמוך תומך ב-70 סטים של צירופי אזורי בטיחות ואזורי התרעה, ההופכים אותו למתאים עבור AMRs‏ הפועלים בסביבות מורכבות או דינמיות. (מקור התמונה: Omron)

שדות משולשים עם דגימה ורזולוציה ניתנות-לבחירה

סורקי לייזר לבטיחות S300 Mini Standard‏ של SICK‏ הם בעלי רמות דגימה ורזולוציה ניתנות-לבחירה. לדוגמה, דגם S32B-2011BA‏ תומך בקוטרי רזולוציה של 30, 40, 50 ו-70 מ"מ. ניתן להגדיר מספר רמות דגימה ורזולוציות בנפרד עבור כל שדה, כולל שדות הגנה בו-זמנית (איור 5). סורקים אלה תומכים בעד 48 שדות הניתנים להגדרה חופשית ו-16 סטים של שדות הניתנים להחלפה. פונקציית השדה המשולש מאפשרת שימוש בשדה מגן ובשני שדות התרעה בו-זמנית.

איור 5‏: סורקי לייזר לבטיחות S300 Mini Standard‏ יכולים לממש מספר רמות דגימה ורזולוציות שונות עבור כל שדה סריקה. (מקור התמונה: SICK)

ביטול הצורך ב-PLC לבטיחות

סורקי הלייזר לבטיחות SX5‏ של Banner Engineering כוללים פונקציית השתקה אינטגרלית היכולה לנטר ולהגיב לאותות ולהשעות אוטומטית את פונקציית ההגנה כדי לאפשר לחפץ לעבור דרך אזור הבטיחות מבלי ליצור פקודת עצירה. פונקציית ההשתקה מאפשרת השעיה של כל אזור הבטיחות (השתקה מלאה) או רק חלק מאזור הבטיחות (השתקה דינמית חלקית).

יחידת מאסטר SX5, כגון SX5-ME70‏, יכולה לבקר עד שלוש יחידות מרוחקות כמו ה-SX5-R‏; הסורק גם יכול לקרוא כניסות אנקודר אינקרמנטלי כדי לשנות את אזור הבטיחות על בסיס מהירות הרכב. פונקציות אלו יכולות לבטל את הצורך בחומרת בקרה נוספת כמו PLC לבטיחות.

סיכום

אם מוגדרים ומשולבים כהלכה, סורקי לייזר לבטיחות מתאימים היטב להגנה על אנשים ומכונות ביישומים כמו בקרת גישה, הגנה על אזורים ובמערכות ניידות, כולל AGVs ו-AMRs. הם עומדים בדרישות של PLd ו-SIL3 ומתאימים לשימוש ביישומים שבהם הבטיחות היא שיקול חשוב. סורקים אלה זמינים עם שילובים שונים של מאפיינים ופונקציות כדי להתאים למגוון של צורכי יישומים.