כיצד לבחור ולשלב מערכות בטיחות רב-ממדיות כדי להגן על עובדים מפני קובוטים

הבטיחות היא חיונית בעת פריסת רובוטים שיתופיים (קובוטים), רובוטים ניידים אוטונומיים (AMR), ורכבים מונחים אוטונומיים (AGVs) במפעלים ובמתקנים לוגיסטיים. זה גם מורכב ורב-ממדים.

את תנועות המכונות צריך לנטר ולבקר בהתאם לתקנים של ה-International Organization for Standardization‏ (ISO‏) 13849‏,ושל ה-International Electrotechnical Commission‏ (IEC‏) 62061‏ ו-IEC 61800-5-2‏, המספקים דרישות והנחיות בטיחות לפי העקרונות עבור תכנון ואינטגרציה של חלקים הקשורים-לבטיחות של מערכות בקרה (SRP/CS‏).

אבטחת התפעול הבטוח של קובוטים, AMRs, AGVs וציוד דומה דורשת לעתים קרובות כינון מעטפת בטיחות מרובדת עם מספר תחומים, החל מהגילוי ראשוני ואזהרה על אובייקטים מתקרבים, כדי לזהות מתי אובייקט נכנס לאזור מסוכן ואז יש לעצור את המכונה.

מערכת בקרת בטיחות מודולרית יכולה להוסיף שכבה נוספת של ניתוח והגנה. ניתוח תקלות יעיל ומהיר יכול להוות שיקול חשוב בעת התמודדות עם הפרעות בשדה ההגנה והפעלה בלתי-צפויה של הסורק. זה יכול לדרוש חיישן שני כדי לנטר את שדה ההגנה של החיישן הראשי.

מאמר זה פותח ברענון קצר על הדרישות של ISO 13849‏, IEC 62061‏ ו-IEC 61800-5-2‏ וסקירה של היסודות של סורקי לייזר לבטיחות בטכנולוגיית גילוי אור ומדידת טווח (LiDAR‏) דו-ממדי (2D‏). לאחר מכן הוא צולל עמוק יותר לאופן שבו ניתן ליישם מעטפות בטיחות בשכבות כדי להגן על אנשים מפני קובוטים, AMRs, AGVs וציוד דומה.

כלולה סקירה של השימוש והשילוב של חיישני LiDAR‏ 2D‏ ומבט על היתרונות של שילוב חיישנים אלה עם בקר בטיחות מודולרי ניתן-לתכנות כדי לספק ממד נוסף של בטיחות, פלוס שימוש במצלמת אירועים כדי לאפשר ניתוח הפרעות בלתי-צפויות בשדות הגנה. כלולים גם התקנים לדוגמה של SICK‏.

ה-IEC 61508 הוא התקן הבסיסי עבור "בטיחות פונקציונלית של מערכות חשמליות/אלקטרוניות/ניתנות-לתכנות הקשורות לבטיחות (E/E/PE, או E/E/PES)" והוא ישים עבור כל התעשיות. בנוסף, ישנם ואריאנטים ותת-חלקים ספציפיים-ליישום ולתעשייה.

תקן IEC 62061, "בטיחות מכונות: בטיחות פונקציונלית של מערכות בקרה חשמליות, אלקטרוניות וניתנות-לתכנות", הוא הואריאנט הספציפי עבור מכונות של IEC 61508. תקן IEC 61800-5-2, "מערכות הנעה חשמליות עם מהירות מתכווננת - חלק 5-2: דרישות בטיחות - פונקציונליות", קשור גם ל-IEC 61508 והוא התקן עבור תכנון ופיתוח של מערכות הנעה מתכווננות.

ה-ISO 13849 פותח באופן בלתי-תלוי ולא נגזר מ-IEC 61508. שניהם עוסקים בבטיחות פונקציונלית. rה-IEC 61800-5-2 משתמש ברמות תקינות בטיחותית (SILs) כדי להגדיר דרישות בטיחות, בעוד ש-ISO 13849 מגדיר את רמת הביצועים הנדרשת (_r‏PL‏).

ה-ISO 13849 ו-IEC 61508 מבוססים על העיקרון של הסתברות לכשל מסוכן לשעה (_d‏PFH‏). ניתוח הבטיחות הפונקציונלית ISO 13849 לוקח בחשבון שלושה גורמים: חומרת הפציעה האפשרית, התדירות או החשיפה לסכנה, והפוטנציאל להגביל את הסכנה ולהימנע מנזק (איור 1):

• חומרת הפציעה
  • S1: פציעה קלה (בדרך כלל הפיכה)
  • S2: פציעה חמורה (בדרך כלל בלתי-הפיכה או מוות)
• תדירות ו/או חשיפה לסכנה
  • F1: לעיתים רחוקות ו/או זמן חשיפה קצר
  • F2: זמן חשיפה תכוף עד רצוף ו/או זמן ארוך
• אפשרות למנוע סכנה או להגביל את הנזק
  • P1: אפשרי בתנאים ספציפיים
  • P2: בקושי אפשרי

איור 1: גזירת רמות _r‏PL‏ ב-ISO 13849 ו-SILs תואמים ב-IEC 62061. שני התקנים מבוססים על העיקרון של כשל מסוכן לשעה (_d‏PFH‏). (מקור התמונה: SICK)

איך עובד LiDAR‏?

הרשאה ל-_b‏PL‏ בהתאם ל-ISO 13849‏ נדרשת עבור שימוש בחיישני בטיחות LiDAR‏ 2D‏ ביישומי הגנה אישית. משפחת חיישני TiM 2D LiDAR‏ כוללת דגמים העונים על דרישה זו. חיישני LiDAR‏ 2D‏ סורקים את סביבתם באמצעות טכנולוגיית זמן טיסה (ToF) אופטית. ToF ממומש על ידי שליחת פולסי לייזר באמצעות מראה מסתובבת וזיהוי האור המוחזר. ככל שלוקח יותר זמן לאור המוחזר להגיע חזרה לחיישן, כך האובייקט מרוחק יותר.

מדידת הזמן בשילוב עם עוצמת האות המוחזר מאפשרת לחיישן לחשב את המיקום של מספר אובייקטים בדיוק של מילימטר. התמונה המתקבלת של הסביבה מתעדכנת עד 15 פעמים בכל שנייה (איור 2). הוא יכול לתמוך בזמן-אמת בפונקציות ניווט, כיווניות, בקרה ובטיחות.

איור 2: חיישני TiM 2D LiDAR משתמשים במראה מסתובבת ובפולסי לייזר כדי ליצור תמונה של הסביבה שניתן לעדכן עד 15 פעמים בכל שנייה. (מקור התמונה: SICK)

חיישני TiM 2D LiDAR מגלים אובייקטים באזורים מוגדרים (שדות) לניטור. בהתאם לדגם, יש להם טווח סריקה של עד 25 מטר וטווח עבודה של עד 270°.

נתוני הפולס החוזר מהלייזר מעובדים באמצעות טכנולוגיות מדידת מרחק ברזולוציה גבוהה (HDDM) או +HDDM‏. HDDM משיג דיוק מדידה גבוה ביותר במרחקים קצרים ומתאים עבור מיקום עדין ביישומים כמו עגינה. +HDDM‏ מעבד החזרות קצה בצורה טובה במיוחד, ההופכת אותו למתאים ביותר עבור יישומי לוקליזציה ונגד-התנגשות בסביבות דינמיות.

בשני המקרים, טכנולוגיות פולסים-רבים +HDDM/HDDM המוגנות בפטנט מאפשרות לחיישני LiDAR‏ 2D‏ לגלות במלוא תחום הסריקה ללא פערים תוך הבטחת דיוק מדידה עקבי, והם יכולים להתמודד עם משטחים וגורמי רמיסיה שונים.

הסוגים TiM1xx, TiM3xx ו-TiM7xx מגלים אם אובייקטים נמצאים בשדה מוגדר-מראש. שש-עשרה ערכות שדה, כל אחת עם שלושה שדות מוגדרים-מראש, תומכות בהתאמה מהירה במהלך הפעולה (איור 3). ניתן להגדיר גיאומטריות שדה בודדות, או להגדיר שדות קונטור ייחוס עבור ניטור קונטור סטטי. ניתן גם להגדיר מסננים דיגיטליים, אזורים ממוסכים וזמני תגובה כדי למקסם את הביצועים גם בנוכחות גשם כבד, שלג או אבק.

איור 3: סטים שדה בחיישני TiM 2D LiDAR מורכבים משלושה שדות מוגדרים-מראש. (מקור התמונה: SICK)

קיימים דגמים המספקים נתוני הערכת שדה או נתוני הערכת ומדידת שדה. חיישני הערכת שדה קובעים רק את נוכחותו של אובייקט, בעוד שניתן להשתמש בנתוני הערכת ומדידת שדה כדי לספק תמונה מדויקת של משטח סרוק.

בנוסף לנתוני מרחק, קיימים חיישני TiM 2D LiDAR המספקים גם נתוני זווית ויציאת אינדיקטור עוצמת האות הנקלט (RSSI). סט נתונים מורחב זה יכול להיות שימושי במיוחד עבור הימנעות מהתנגשויות וניווט עבור AMRs בסביבות משתנות.

LiDAR בטיחות, הוספת שכבות ההגנה הראשונות

למשפחת TiM 2D LiDAR יש גרסות הקשורות לבטיחות, TiM361S‏ (הערכת שדה) ו-TiM781S‏ (יציאת נתוני הערכת ומדידת שדה), העומדות בדרישות של _b‏PL‏ וניתן להשתמש בהן עבור יישומים נייחים וניידים. הם יכולים לשמש להגנה אישית בניטור גישה לקובוטים תעשייתיים ובפלטפורמות ניידות כמו AMRs ו-AGVs.

• סוג TIM361S-2134101‏, דגם מספר 1090608, מתאים עבור שימושי פנים עם טווח גילוי של 0.05 עד 10 מטר וטכנולוגיית HDDM.
• סוג TIM781S-2174104‏, דגם מספר 1096363, מתאים גם כן עבור שימושי פנים עם טווח גילוי של 0.05 עד 25 מטר וטכנולוגיית +HDDM‏.

אינטגרציה פשוטה יותר

חיישני TiM 2D LiDAR מתוכננים לפשט את האינטגרציה. עם דירוג מארז של עד IP67, אבק או רטיבות אינם יכולים לחדור לתוך המארז. הם חסינים ביותר בפני תאורת סביבה בהירה של עד lx‏ 80,000‏. התכן החסון שלהם עומד בדרישות חסינות רעידות של IEC 60068-2-6‏ וחסינות זעזועים של IEC 60068-2-27‏. ניתן לשפר את החוסן שלהם בעת הצורך באמצעות תושבות הרכבה משככות של לוחות מגן.

התכן הקומפקטי, המשקל הקל וצריכת ההספק הנמוכה של חיישני TiM 2D LiDAR הופכים אותם למתאימים היטב עבור פלטפורמות ניידות. שני הסוגים TIM361S-2134101‏ ו-TIM781S-2174104‏ שוקלים 250 גרם בלבד, יש להם צריכת הספק טיפוסית של W‏ 4‏, והמידות שלהם הן אורך 60 מ"מ x‏ רוחב 60 מ"מ x‏ גובה 86 מ"מ.

בקרי בטיחות מוסיפים עוד שכבה

סורקי לייזר LiDAR מגלים סיכונים ושולחים התרעות, בעוד שבקר בטיחות מודולרי יכול להוסיף שכבת בטיחות נוספת למערכת ההגנה. לדוגמה, בקר הבטיחות Flexi Soft‏ הוא מערכת מודולרית הניתנת לחיבור לחיישנים ואלמנטי מיתוג שונים, כולל סורקי לייזר. הוא בדירוג SIL3 לפי IEC 61508 ו-PLe עם _d‏PFH‏ של ^9-10‏ x‏ 1.07‏ לפי ISO 13849.

המערכת הבסיסית מורכבת משני מודולים לפחות (איור 4):

1. ה-CPU0, כמו דגם 1043783‏, היא יחידת הלוגיקה המרכזית שבה מנותחים ומוערכים אותות מחיישנים כמו LiDAR, תוך הסרת עומס ניתוח הבטיחות מבקר המכונה המרכזי. היציאה של CPU0 מתחברת עם בקרת מכונה ברמה גבוהה יותר, כגון בקר לוגיקה ניתן-לתכנות (PLC), שבו ממומשות פונקציות בטיחות.
2. מודול הרחבת XTIO I/O‏, כגון דגם 1044125‏, נדרש עבור חיבור סורקי לייזר למערכת. מודול הרחבת XTIO I/O אחד נחוץ עבור כל שני סורקי לייזר, שכן כל סורק לייזר משתמש בשלוש כניסות ממותגות. הבקר יכול להפעיל עד 12 מודולי I/O.

איור 4: מערכת בקר הבטיחות Flexi Soft מורכבת ממודול CPU‏ (1‏) ואחד או יותר מודולי I/O‏ (2‏). (מקור התמונה: SICK)

מה קרה?

מרכיב חשוב במערכת בטיחות יכול להיות היכולת לנתח ולהבין את הסיבה לכל תקלה, ולענות על השאלה "מה קרה שגרם לסורק לייזר הבטיחות לפעול?" מצלמת אירועים, ה-EventCam‏ של SICK, תוכננה במיוחד לגלות ולנתח תקלות ספוראדיות במערכים תעשייתיים.

מצלמת EventCam היא עצמאית עם אופטיקה, תאורה, אלקטרוניקה וזיכרון וניתנת לשילוב במערכות ניידות או נייחות. בית האלומיניום היצוק הוא בדירוג IP65 וניתן להרכבה במיקומים שונים. ניתן לחבר את ה-EventCam למערכת אוטומציה כמו בקר בטיחות או ישירות לחיישן.

לאחר דיווח על שגיאה, מצלמת EventCam מתחילה לצלם ולאחסן פריימים בודדים או רצפי וידאו. זיכרון הטבעת הפנימי יכול לאחסן עד 240 שניות לפני ו-100 שניות אחרי אירוע. באופן רזולוציה גבוהה (HD‏) ניתן לאחסן עד 25 שניות לפני ו-15 שניות אחרי האירוע. תחום קצבי הווידאו הוא מ-13 עד 65‏ פריימים-לשנייה (fps‏), בהתאם לרזולוציה הנדרשת.

מצלמת EventCam יכולה לשמש גם בעת התקנה והפעלה ראשונית של מכונות או תהליכים חדשים. היא יכולה לנטר ריצת בדיקה ללא-פיקוח כמו בדיקה רצופה של מספר שעות או ימים, ולזהות במהירות מקורות שגיאה. מספר מצלמות EventCam יכולות לפקח על תהליך אחד, ולספק מידע חזותי מכמה זוויות בבת אחת עבור ניתוח מעמיק ויסודי יותר של שגיאות (איור 5).

איור 5‏: ניתן לסנכרן מספר מצלמות EventCam כדי לצלם אירוע אחד ממספר זוויות בו-זמנית. (מקור התמונה: SICK)

מצלמת EventCam מוצעת בשתי גרסות. לדגם 1102028‏ יש טווח עבודה של 0.4 מטר עד 0.6 מטר והוא יכול לשמש עם קובוטים נייחים עם מרווחי הגנה קטנים יחסית. לדגם 1093139‏ יש טווח עבודה של 0.8 עד 6 מטר והוא יכול להתאים לחללי הגנה גדולים יותר שנתקלים בהם עם קובוטים גדולים יותר, AMRs‏ ו-AGVs.

סיכום

חיישני LiDAR‏ 2D‏ כמו משפחת TiM של SICK יכולים לספק את קו ההגנה הראשון במערכת בטיחות לקובוטים, AMRs, AGVs ומכונות דומות. הם מספקים סדרה של שדות הגנה לניטור הגישה של אנשים. התוספת של בקר בטיחות יכולה לתמוך בניתוח חדירות ולשפר את ביצועי המערכת. לבסוף, מצלמת EventCam אחת או יותר יכולה לנטר את חיישן LiDAR‏ 2D‏ הראשי כדי לסייע בזיהוי הגורם לכל הפעלה ספוראדית.