שימוש בווילונות אור לשיפור בטיחות ומדידת אובייקטים

וילונות אור הם טכנולוגיה רב-תכליתית. בעוד הם קשורים לרוב עם יישומי בטיחות, יש להם שפע של שימושים, כולל שמירה על מכונות והקמת אזורים מוגנים; טיפול בחומרים כדי לגלות נוכחות של אובייקטים או למדוד את הגודל של אובייקטים חולפים; הבטחת מיקום או יישור נאות של חפצים לאריזה ומיון; וזיהוי חדירה ובקרת גישה לאזורים מוגבלים.

להשוואה בין וילונות אור וסורקי לייזר בטיחות, יחד עם סקירה של‏ יישומי סורקים, ראה חלק 1 של‏ סדרה זו, “כיצד סורקי לייזר בטיחות יכולים להגן על אנשים ומכונות”.

מאמר זה מתחיל בהסתכלות על מפרטי וילון אור ותקני ביצועים חשובים, מציג דוגמאות יישום של אופן השימוש בווילונות אור במערכות בטיחות ובקרת גישה, וכיצד עובדים וילונות אור מדידה. לאורך הדרך, הוא מציג וילונות אור לדוגמה מ-Panasonic,‏ IDEC‏, Omron ו-Banner Engineering.

תקנים וסוגים של וילונות אור בטיחות

מוגדרים ארבעה סוגים של‏ ביצועי בטיחות ב-International Electrotechnical Commission (IEC) 61496,‏ בטיחות של מכונות‏ - Electro-sensitive protective equipment‏ (ESPE). הסוגים הרלוונטיים הם 2, ‏3 ו-4. סוג 1‏ אינו מוגדר עבור יישומי וילונות אור בטיחות.

IEC 61496 מוסיף שכבה נוספת של דרישות בנוסף להגדרות של‏ Safety Integrity Levels ‏(SILs‏) ב-IEC 61508 ו-International Organization for Standardization (ISO) 13849, שמגדירה רמות ביצועים (PLs).

הגדרות SILs‏ מדורגות מ-1 עד 3‏, עם SIL 3‏ הרמה הגבוהה ביותר, ורמות ביצועים PLs מדורגות מ-“a‏” עד “e'”, כש-PLe‏ היא התובענית ביותר. על ידי שימוש בסיווג ב-IEC 61496, וילונות אור באופן כללי נופלים‏ תחת סוג 2 ו-4, למרות שכמה מהם מדורגים כהתקנים מסוג 3. סורקי לייזר בטיחות עומדים בדרישות סוג 3. מספר גורמים חשובים בסיווג הסוג כוללים:

התקני סוג 2‏ חייבים לעמוד ב-SIL 1‏ ו-PLc. הם מיועדים לשימוש ביישומים בעלי סיכון נמוך יותר בהם תקלות יכולות לגרום לפציעות כמו חבטות או שטפי דם, הפלה, חתכים קלים ושפשופים, או מלכודות אך לא ריסוק. תקן ה-IEC 61496 דורש מההתקן לבצע בדיקה-עצמית במהלך ההפעלה הראשונית ותקופתית במהלך העבודה. התקנים אלה חסרים את מעגלי הבדיקה העצמית האוטומטית היתירים בוילונות אור מסוג 4‏. זווית הצמצם האפקטיבית (EAA) המגדירה את שדה הראייה חייבת להיות ±5 מעלות או צרה יותר. זה יכול לגרום לאפשרות של הפרעות אופטיות ושגיאות.

ציוד ESPE מסוג 3 כמו סורקי לייזר בטיחות ומספר‏ וילונות אור חייבים לעמוד ב-SIL 2 ו-PLd‏ ו“מתוכננים לא להיכשל בסכנה עקב תקלה אחת, אך יכולים להיכשל בסכנה עקב הצטברות של תקלות”. להתקנים אלה יש גם דרישות תאימות אלקטרומגנטית (EMC) מחמירות יותר משל התקני סוג 2. התקני סוג 3 מתאימים עבור יישומים בהם בטיחות מהווה‏ דאגה משמעותית.

וילונות אור מסוג 4 מתוכננים היכן שבטיחות היא שיקול מרכזי. הם חייבים לעמוד בתקנים הגבוהים ביותר, PLe‏ ו-SIL 3‏. הם מתוכננים “לא להיכשל בסכנה עקב כשל בודד או הצטברות של תקלות”. הם בעלי EAA קטן יותר של ±2.5 מעלות, מה שהופך אותם לפחות רגישים להפרעות אופטיות ומסוגלים לזהות עצמים בקלות רבה יותר. הם נדרשים לעמוד בדרישות ה-EMC‏ החמורות ביותר.

וילונות אור סוג 2‏ הם זולים יותר בעד 30%‏ מווילונות אור סוג 4‏ בשל האופטיקה הפחות יקרה ומעגלי גילוי פשוטים יותר. וילונות אור סוג 4‏ זמינים בתחום רחב יותר של‏ רזולוציות, כולל 14‏ מ"מ לזיהוי אצבעות, 30‏ מ"מ עבור ידיים, 50 מ"מ עבור רגליים ו-‏90‏ מ"מ עבור נוכחות גוף. לעומת זאת, וילונות אור סוג 2‏ בדרך כלל מוגבלים לרזולוציות גדולות יותר (איור 1‏).

איור 1‏: וילונות אור מסוג 4‏ בדרך כלל זמינים עם רזולוציות מינימום קטנות יותר מיחידות מסוג 2. (מקור תמונה: IDEC‏)

בנוסף לגילוי אובייקטים בגדלים שונים, ניתן לשלוט בנפרד על קרני האור בווילון אור כדי לספק פונקציות מתקדמות יותר כמו Muting, ‏Blanking ומדידת הגודל ומספר האובייקטים.

פונקציות Muting ו-Blanking של וילונות אור

Muting ו-Blanking של‏ וילון אור מתייחסות לכיבוי וילון אור, כולו או חלקו, בנסיבות מסוימות. Muting היא תהליך אוטומטי המשהה את ההגנה של וילון אור, כולו או חלקו, ומתרחש בדרך כלל במהלך חלק לא מסוכן של מחזור המכונה. הוא יכול לאפשר כניסת חומרים לאזור עבודה מבלי להפסיק כל פעילות מסוכנת. לאחר כניסת החומרים לאזור העבודה, הפונקציונליות ההגנתית המלאה של וילון האור מופעלת מחדש.

יישומים אופייניים של Muting כוללים:

• אפשור כניסה/יציאה של‏ משטחים על מכונת משטחים בין פעולות
• מתן אפשרות לחומרים לנוע בין אזורים בתהליך ‏ייצור אוטומטי תוך הגנה על עובדים כשהמכונות פעילות

איור 2‏: על ידי שימוש בפונקציית ‏Muting, וילון אור יאפשר מעבר של אובייקט בגודל ספציפי מבלי להפסיק את פעולת המכונה (שמאל) אך יזהה אובייקטים אחרים כמו יד או אצבעות (ימין) ויעצור את המכונה. (מקור תמונה: Panasonic)

Blanking כרוכה בכיבוי חלק מוילון האור מבלי לעצור את היות המכונה מוגנת. פונקציה זו יכולה גם לאפשר לבני אדם גישה מוגבלת לאזור במהלך פרק זמן בטוח. יישומים אופייניים ל-Blanking כוללים:

• לגשת לטעון או לפרוק תחנת עבודה רובוטית במהלך פרק זמן בטוח
• גישה למכבש ניקוב הידראולי במהלך מחזור העליה

וילון אור מסוג 2

וילונות אור סוג 2 מסדרת SG2 מבית IDEC‏ זמינים בדגמי הגנת יד ונוכחות. לדוגמה, דגם SG2-90-030-OO-X‏ מתוכנן עבור גילוי נוכחות עם‏ גובה בקרה של‏ 300‏ מ"מ ורזולוציה של‏ ‏90‏ מ"מ. הוא כולל‏ פונקציית בדיקה/אתחול-מחדש ומערכת יישור משולבת כדי להחיש פריסות. סוגרי ההרכבה המסתובבים מאיצים עוד יותר את ההתקנה ואת היישור הקל של היחידות הפולטות והקולטות, אפילו ביישומים המשתמשים במראות או עובדים לאורך מרחקים של עד 19‏ מ'.

ביצוע Muting ו-Blanking בסביבות קשות

יישומי וילון אור בטיחות במחסני אחסון קרים עם טמפרטורות נמוכות עד 30‎°C-, תהליכי עבודת מתכת כמו מכונות הטבעה הזקוקות להגנת IP67G מפני חדירת שמן, ופעולות אחרות בסביבות קשות, מאובקות ומלוכלכות, כמו ייצור כלי רכב וכלי מכונה יכולים לפנות אל סדרת ה-F3SG-SR מבית Omron. וילונות אור סוג 4‏ אלה כוללים פונקציות Muting ועוד Fixed Blanking ו-Floating Blanking.

וילונות אור F3SG-SR הם בעלי גובה הגנה מ-160 מ"מ עד 2480 מ"מ. כשדרוש גילוי של‏ ידיים או אובייקטים אחרים בקוטר של 25 מ"מ, מתכנני מערכות בטיחות יכולים לפנות אל ה-F3SG-4SRA0280-25-F התומך באורכים גמישים במרווחים של 40 מ"מ, עד 1,000 מ"מ, תוך שימוש ב-27 קרניים בגובה הגנה של 280 מ"מ (איור 3‏).

איור 3: וילון אור זה תומך באורכים גמישים במרווחים של 40 מ"מ, עם גובה הגנה של 280 מ"מ. (מקור תמונה: Omron)

עמיד בפני פיתול, עיקום ופגיעה

כשמשתמשים בווילון אור במקום בו הוא עלול להיות נתון לפגיעות ופיתול, מתכנני מערכת יכולים לפנות אל וילונות האור סוג 4 מסדרת SF4D ‏מבית Panasonic. לדגם באורך 630 מ"מ SF4D-H32-0 יש דירוג IP67, רזולוציה של 25 מ"מ להגנה על יד ופונקציות Blanking ו-Muting משולבות.

המפתח לנוקשות של וילונות אור אלה הוא היחידה הפנימית המתוכננת מחדש שאיפשרה את מיטוב המארז עבור חוסן וקשיחות. היחידה הפנימית תופסת פחות מ-40% מהנפח של דגמים קודמים, מה שמאפשר הגדלה משמעותית של עובי המארז (איור 4). למרות שהיחידה הפנימית היא קטנה יותר, התפוקה האופטית הוגדלה וזמן תגובת הכיבוי של יציאות הבקרה ה‏וא ‏‎10 ms‏ או פחות, או ‎‎18 ms‏ או פחות, כשמחוברים בטור או במקביל.

איור 4‏: היחידה הפנימית הקומפקטית יותר תומכת בתפוקה אופטית גבוהה יותר ומאפשרת מארז עבה יותר משמעותית. (מקור תמונה: Panasonic)

מדידה באמצעות וילונות אור

וילונות אור המתוכננים עבור מדידת אובייקטים הם בדרך כלל בעלי שלושה אופני פעולה: סריקה ישרה, סריקת קצה-יחיד וסריקת קצה-כפול. מפרטי המפתח כוללים את גודל זיהוי האובייקט המינימלי (MODS) ורזולוציית הקצה (ER).

סריקה ישרה היא בדרך כלל מצב ברירת המחדל, וקרני האור נסרקות ברצף מקצה התצוגה לקצה הנגדי של המערך. כשנתקלים בקרן האור הראשונה שאינה חסומה, נקבעת המדידה. רגישויות אופייניות לסריקה ישרה תוך שימוש במצב ניגודיות נמוכה הן MODS של‏ 5 מ"מ ו-‏ER של‏ 5 מ"מ. אם נעשה שימוש במצב סורק הגבר-עודף-גבוה, ה-MODS הוא‏ ‏10 מ"מ, וה-ER הוא‏ 5 מ"מ. סריקות קצה-יחיד וקצה-כפול יכולות לספק MODS של‏ ‏10 מ"מ ו-‏ER של‏ 2.5 מ"מ.

סריקת קצה-יחיד מתחילה עם קרן האור החסומה הראשונה (הנמוכה ביותר), שמציינת את נוכחותו של אובייקט. הוילון אחר כך בודק את הקרן האמצעית. אם הקרן האמצעית אינה חסומה, הסורק מסתכל על קרן הרבע התחתון. אם הקרן האמצעית חסומה, הסורק מסתכל על קרן הרבע העליון.

לאחר שנקבע אם קרני האור של הרבע העליון או התחתון חסומות או לא חסומות, חלוקת מספר הקרניים לשניים נמשכת עד שנמצא הקצה העליון של האובייקט.

בנסיבות בהן הקרן הראשונה אינה חסומה בהכרח, ניתן להשתמש באופן מדידה קצה-כפול ומתחיל עם הבחירה של גודל הצעד, בדרך כלל 1, 2, 4, 8, 16 או 32, תלוי ביישום. הוא מתחיל עם הפעלת קרן אור 1 על ידי הווילון. אם קרן זו‏ חסומה, הקצה הראשון מזוהה. אם היא לא חסומה, הווילון מפעיל את הקרן הבאה, שנקבעת על ידי גודל הצעד. לדוגמה, אם גודל הצעד הוא 4, מופעלת קרן ‏5.

אם הקרן המופעלת אינה חסומה, הווילון ממשיך את תהליך הצעדים עד שנמצאת קרן חסומה. בשלב זה, חיפוש בינארי לאחור בכיוון ההתחלה משמש לזיהוי הקרן החסומה הראשונה והקצה המתאים מזוהה. התהליך חוזר על עצמו, הפעם תוך שימוש בקצה המזוהה כנקודת הייחוס ותהליך הצעדים לזיהוי קרן בלתי חסומה, לאחר מכן חזרה לאחור כדי למצוא את הקרן הגבוהה ביותר החסומה, ובכך לזהות את הקצה השני‏.

איור 5: דוגמה של רצפי קרניים בסריקת קצה-כפול. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

וילונות אור עבור מדידה

‏מסכי האור למדידה A-GAGE EZ-ARRAY מבית Banner Engineering מתוכננים עבור יישומים כמו קביעת גודל ופרופיל מוצר בזמן אמת, הכוונת קצה והכוונת מרכז, זיהוי חור, ספירת חלקים, וכו'. פולטים (Emitters) וקולטים (Receivers) הם באורכים בין 150 עד 2400‏ מ"מ (5.9 עד 94.5 אינץ') (איור 6‏). לדוגמה, דגם EA5E600Q הוא באורך‏ 600 מ"מ (23.6 אינץ') עם 120‏ קרניים. וילונות אור אלה תומכים בניטור ובדיקה מדויקים של תהליכי מהירות-גבוהה, אפיון, ומערכות להכוונת חומרים שטוחים (web-guiding systems). מאפיינים נוספים כוללים:

• מספר אפשרויות סריקה:
  • 16‏ אופני ניתוח (מדידת) סריקה
  • שלוש שיטות סריקה
  • פונקציית Blanking של קרניים ניתנות לבחירה
• מתג DIP בעל שישה מצבים להגדרת אופן סריקה, אופן מדידה, שיפוע אנלוגי, וקביעת המקרה הבדיד למדידה משלימה או לפעולת אזעקה.

איור 6: משפחת ה-A-GAGE EZ-ARRAY של וילונות אור מדידה זמינה באורכים מ-150 מ"מ עד 2400 מ"מ. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

סיכום

וילונות אור יכולים לעשות הרבה יותר מפשוט למנוע גישה לאזורים מסוכנים ורגישים ולהגן על בני אדם כמו גם על מכונות. הם יכולים לתמוך בגישה מבוקרת תוך שימוש בפונקציות Blanking ו-Muting כדי להגדיל פרודוקטיביות. וילונות אור יכולים גם לתמוך בטכניקות מדידה ללא-מגע המודדות במהירות וביעילות ממדים מרובים של אובייקטים.