Miten pienikokoiset turvalaserskannerit voivat maksimoida suojauksen ja tuottavuuden

Teollisuusautomaation ja logistiikan monimutkaistuminen Teollisuus 4.0 -ympäristössä vaatii uusia lähestymistapoja järjestelmäsuunnitteluun, joilla maksimoidaan samanaikaisesti turvallisuus ja tuottavuus.

Teollisuus 4.0 -toimintojen joustava luonne tarkoittaa, että vaarallisten toimintojen sijainti ja laajuus voivat muuttua ajoittain, ja turvajärjestelmien on täytyy sopeutua siihen nopeasti. Tarvitaan uudelleenkonfiguroitavaa, ohjelmoitavaa ja joustavaa turvajärjestelmää.

Mahdollisuus luoda varoitusalueita, jotka varoittavat vaarallista aluetta lähestyviä työntekijöitä ennen kuin he pääsevät liian lähelle, voi olla merkittävä etu. Se estää työntekijöitä menemästä vahingossa vaaralliselle alueelle, aktivoimasta turvalaitetta ja sammuttamasta konetta. Tämä tehostaa käyttöaikaa ja parantaa tuottavuutta.

Tämä artikkeli tarkastelee aluksi lyhyesti turvamattoja ja turvalaserskannereita koskevia kansainvälisiä standardeja, minkä jälkeen se vertailee turvamattojen ja turvalaserskannerien sovellusnäkökulmia ja tarkastelee sellaisia tekijöitä kuin kontaktillinen ja kontaktiton käyttö, varoituskentän tarjoama suojaus ja säädettävyys.

Se esittelee lopuksi esimerkkejä SICK-yrityksen miniatyyrikoon turvalaserskannereista ja kertoo, miten ne täyttävät useiden sovellusten vaatimukset, mitä asennus- ja konfigurointivaihtoehtoja ne tarjoavat sekä miten skannerit on helppo vaihtaa, jos ne vaurioituvat.

Tärkeimpiä turvallisuuden suorituskykyä koskevia standardeja ovat kansainvälisen sähköteknisen komission (IEC) 61508, ”Sähköisten/elektronisten/ohjelmoitavien elektronisten turvallisuuteen liittyvien järjestelmien toiminnallinen turvallisuus (E/E/PE tai E/E/PES)”, kansainvälisen standardisointijärjestön (ISO) 13849, ”Koneturvallisuus. Turvallisuuteen liittyvät ohjausjärjestelmien osat” sekä IEC 61496, ”Koneturvallisuus. Kosketuksettomasti toimivat turvalaitteet”.

Turvamatot ja turvalaserskannerit täyttävät useita näiden standardien eri osia. Esimerkiksi IEC 61508 -standardi määrittelee joukon turvavaatimustasoja (SIL). Turvalaserskannerit täyttävät SIL 2 -tason vaatimukset. Sama pätee myös joihinkin, mutta ei kaikkiin, turvamattoihin. Jotkin turvamatot täyttävät vain SIL 1 -tason vaatimukset, jotka ovat yhtä suuruusluokkaa vähemmän tiukkoja kuin SIL 2 -tason vaatimukset.

SIL 1 -turvalaitteet on tarkoitettu matalan riskin sovelluksiin, joissa vian seuraukset eivät ole vakavia, kuten peruskoneiden suojaukseen, ei-kriittisiin prosesseihin ja yksinkertaisiin hälytyksiin. SIL 2 -turvalaitteiden tehtävänä on vähentää riskejä, jotka voivat johtaa vakaviin loukkaantumisiin tai merkittäviin ympäristövahinkoihin, mutta eivät välttämättä katastrofaalisiin tapahtumiin.

ISO 13849 -standardi määrittelee suorituskykytasot (PL) käyttäen SIL-tasojen kaltaisia käsitteitä. Turvamatot täyttävät yleensä PLc-sertifioinnin, kun taas turvalaserskannereiden on täytettävä tiukempi PLd-sertifiointi. Jotkin turvamattojärjestelmät voivat myös täyttää PLd-tason suorituskykyvaatimukset.

Jotta turvalaserskannerit voisivat saada sertifioinnin, niiden on täytettävä SIL 2- ja PLd-tasojen sekä IEC 61496-3 -standardin vaatimukset, joita sovelletaan erityisesti kohteesta heijastuvan hajasäteilyn tunnistaviin aktiivisiin optoelektronisiin suojalaitteisiin (AOPDDR eli laserskanneri). Turvamattojen ja turvalaserskannereiden erilaisten turvallisuussertifiointien vaikutukset ovat tärkeitä, mutta ne ovat vasta alku suojauksen ja tuottavuuden maksimointiin.

Huomioitavia tekijöitä

Oikein määritellyt turvamatot ja turvalaserskannerit voivat molemmat täyttää IEC- ja ISO-standardien turvallisuusvaatimukset. Tarina ei kuitenkaan lopu tähän, vaan Teollisuus 4.0 -ympäristön tehdas- ja logistiikka-automaatiosovelluksissa on otettava huomioon muitakin tekijäitä.

Turvamatto on mekaanisista kytkimistä muodostuva matriisi. Kun paino, kuten matolle astuva henkilö, sulkee yhden tai useamman kytkimen, maton ohjaimelle lähetetään signaali, joka pysäyttää suojatun järjestelmän toiminnan.

Turvamattojen mekaaninen luonne täytyy ottaa huomioon. Maton täytyy ensinnäkin olla suorassa kosketuksessa maton päältä kävelevään henkilöön, jotta se voisi toimia. Toiseksi matot kuluvat ja (joskus kirjaimellisesti) repeävät. Ihmiset voivat pudottaa matolle painavia ja/tai teräviä työkaluja, jotka vahingoittavat sitä (kuva 1). Tai haarukkatrukki voi ajaa maton yli ja vahingoittaa sitä. Myös ympäristötekijät, kuten syövyttävien aineiden vuodot, voivat vahingoittaa mattoa.

Kuva 1: Turvamattojen toiminta edellyttää fyysistä kontaktia, ja onnettomuudet ja ympäristövaarat voivat vaarantaa sen toiminnan. (Kuvan lähde: SICK)

Säädettävyys

Turvamatot ovat luonnostaan kiinteitä asennuksia eikä niitä voi säätää. Halutut asennusvaatimukset voidaan täyttää erikokoisilla matoilla ja erilaisilla mattokonfiguraatioilla. Tämä voi aiheuttaa haasteita Teollisuus 4.0 -tehtaissa ja -logistiikkatoiminnoissa, jotka vaativat uudelleenkonfigurointia prosessivaatimusten muuttuessa.

Muutosten tekeminen turvamattoihin perustuviin järjestelmiin voi edellyttää uuden maton hankkimista, jolloin vaihdon ja käyttöönoton välillä kuluu enemmän aikaa. Tämä voi heikentää koneiden käytettävyyttä ja kokonaistuottavuutta.

Yksi tapa minimoida tämä vaikutus on pitää varalla erikokoisia turvamattoja. Näin voidaan nopeuttaa vaihtoja ja vaurioituneiden mattojen korvaamista. Mutta se on myös kallista. Se voi myös vaatia erilaisten turvamatto-ohjainten pitämistä varalla, sillä kaikki matot eivät ole yhteensopivia kaikkien ohjainten kanssa.

Nämä ongelmat voidaan ratkaista käyttämällä turvalaserskannereita. Turvalaserskannerit eivät perustu mekaanisiin kytkimiin, vaan ne ovat elektroniikkalaitteita, jotka voidaan sovittaa erilaisiin sovellusvaatimuksiin.

Turvalaserskannereiden tekniikka on kontaktitonta ja ne käyttävät infrapunalaseria (IR) ympäristön skannaamiseen kahdessa ulottuvuudessa. Ne lähettävät lyhyitä IR-valopulsseja. Jos valopulssi osuu objektiin, se heijastuu takaisin skanneriin. Etäisyys objektiin voidaan mitata suurella tarkkuudella lähetys- ja paluuhetken välisen ajan perusteella.

Koska turvalaserskannerit pystyvät määrittämään etäisyyden esteisiin, ne pystyvät luomaan sarjan varoitus- ja suojakenttiä kohteen läheisyyden perusteella. Joissakin turvalaserskannereissa voi olla kymmeniä määriteltyjä kenttiä. Tästä voi olla hyötyä sellaisissa sovelluksissa kuten autonomisen mobiilirobotin navigoinnissa.

SICK-yrityksen S300 Mini Standard -turvalaserskannerit on optimoitu turvallisuussovelluksiin, joissa kolmen määritellyn kentän – yhden suojakentän ja kahden varoituskentän – täytyy olla aktiivisia samanaikaisesti. Laitteiden kompaktit mitat, 102 x 116 x 105 millimetriä (mm) (leveys x korkeus x syvyys), tekevät niistä sopivia robottityösolujen ja automaattitrukkien (AGV) kaltaisiin sovelluksiin (kuva 2).

Kuva 2: S30 Mini Standard -turvalaserskannerin ja virvoitusjuomatölkin välinen kokovertailu. (Kuvan lähde: SICK)

S300 Mini Standard -skannerit tarjoavat 270°:n skannauskulman, joka kattaa laajan alueen, ja valittavissa olevan resoluution käden, jalan tai kehon tunnistusta varten. Nämä skannerit tukevat jopa 8 metrin varoituskenttäalueita, ja niitä on saatavana kolmella suojakentän maksimietäisyydellä:

• Yksi metri, malli 1058000
• Kaksi metriä, malli 1050932
• Kolme metriä, malli 1056430

Dynaamiset ympäristöt

Konfiguroitavia turvalaserskannereita voidaan käyttää dynaamisissa ympäristöissä, joissa ympäristö tai toimintaolosuhteet muuttuvat tai joissa automaattitrukit liikkuvat ympäriinsä. Tunnistusalueita voidaan muuttaa tarvittaessa muuttuvien suojaustarpeiden mukaan.

Useiden varoituskenttien asettaminen voi olla erityisen hyödyllistä, jotta ihmiset eivät voi mennä liian lähelle konetta ja sammuttaa sitä. Varoitusmerkinantolaitteisiin voi kuulua yksinkertainen vilkkuvalo, jos henkilö tulee ensimmäiselle varoituskentälle, ja varoitussireeni tai -äänitorvi, jos henkilö tulee toiseen varoituskenttään. Suojakenttien koon laskemiseen on olemassa erityiset säännöt.

Suojaetäisyyden laskeminen

ISO-standardi 13855, ”Koneturvallisuus. Suojausteknisten laitteiden sijoitus ottaen huomioon kehon osien lähestymisnopeudet”, sisältää ohjeet sen vähimmäisturvaetäisyyden laskemiseen, joka tarvitaan koneen pysäyttämiseksi ihmisen lähestyessä sitä. ISO 13855 koskee erityyppisiä turvalaitteita, kuten turvalaserskannereita, suojavaloverhoja, paineherkkiä laitteita, turvamattoja ja -lattioita jne.

Siitä voi olla hyötyä turvalaserskannerien turvakenttien koon laskennassa (kuva 3). Yleinen kaava turvaetäisyyden S laskemiseen on S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, jossa:

• K = lähestymisnopeus (1600 mm/s, määritelty ISO 13855 -standardissa)
• TM = koneen tai järjestelmän pysähtymisaika
• TS = turvalaserskannerin ja siihen kytketyn ohjaimen vasteaika
• ZG = yleinen lisäys = 100 mm
• ZR = lisäys heijastukseen liittyviä mittausvirheitä varten
• CRO = lisäys ylikurkottamisen estämiseksi

Kuva 3: ISO 13855 -standardin yleisohjeita voidaan käyttää turvakenttäkokojen (punainen) laskentaan S300 Mini Standardin kaltaisille turvalaserskannereille. (Kuvan lähde: SICK)

Automaattitrukit

Automaattitrukit (AGV) kuljettavat tuotteita nopeasti ja tehokkaasti ilman ihmisen väliintuloa Teollisuus 4.0 -tehtaissa, -varastoissa ja -jakelukeskuksissa. Joissakin automaattitrukeissa käytetään kytkentäliuskoja tai puskureita esteiden tunnistukseen. Tämä voi rajoittaa automaattitrukin kulkunopeutta, ja liuskat tai puskurit voivat vaurioitua fyysisesti, jolloin ne täytyy vaihtaa ja automaattitrukki täytyy poistaa käytöstä joksikin aikaa.

Automaattitrukit voivat korvata kytkentäliuskat ja puskurit ensisijaisina turvalaitteina turvallisuuden, joustavuuden ja maksimaalisen käytettävyyden ylläpitämiseksi. Niihin voi kuulua turvalaserskanneri esteiden tunnistusta ja turvallista pysähtymistä varten. S300 Mini -mallin pieni koko helpottaa integrointia jopa kaikkein pienimpiin automaattitrukkeihin (kuva 4).

Kuva 4: S300 Mini Standard -turvalaserskannereita voi niiden kompaktin koon ansiosta asentaa pieniin automaattitrukkeihin. (Kuvan lähde: SICK)

Kahden turvalaserskannerin käytöllä voidaan laajentaa suoja-aluetta. Jos skannerit asennetaan automaattitrukkien etukulmiin, suojattu alue ulottuu ajoneuvon etuosaan ja molemmille sivuille. Oletetaan, että skannerit on asennettu viistosti toisiaan vastakkain ajoneuvon etu- ja takakulmaan. Tällöin suojattu alue ympäröi automaattitrukin kaikki sivut ja mahdollistaa turvallisen liikkumisen molempiin suuntiin.

Konfigurointi, asennus ja huolto

SICK-yrityksen konfigurointi- ja diagnostiikkaohjelmistolla (CDS) voidaan määritellä suoja- ja varoitusalueet PC-tietokoneen tai kannettavan tietokoneen kautta. Ohjelmisto sisältää intuitiivisen käyttöliittymän sovelluksen suunnittelua ja toteutusta varten. Ohjelmisto myös laskee ja tallentaa kaikki konfigurointi- ja diagnostiikkatiedot nopeaa käyttöönottoa ja/tai tehokasta vianetsintää varten. Konfigurointi ja diagnostiikka voidaan toteuttaa käyttöönoton tai huollon aikana.

SICK tarjoaa myös erilaisia asennussarjoja S300 Mini -turvalaserskannerien fyysistä kiinnittämistä varten. Sarja 1a, malli 2034324, on perusasennuskiinnike ilman optiikkasuojusta, ja sarja 1b, malli 2034325, sisältää optiikkasuojuksen (kuva 5). Lisäksi voidaan käyttää ylimääräisiä asennuskiinnikkeitä, kuten sarja 2, malli 2039302, ja sarja 3, malli 2039303, skannerien kohdistamiseksi kahteen tasoon. Maksimi säätökulma on ±11° molemmissa tasoissa.

Kuva 5: Asennussarja 1b sisältää optiikkasuojuksen. (Kuvan lähde: SICK)

Asennussarjat tukevat myös vaurioituneiden skanneripäiden nopeaa vaihtoa. Vaihtoskanneripää kiinnitetään järjestelmäpistokkeeseen, joka on asennettu koneeseen pysyvästi. Vaihtopää lataa konfigurointitiedot välittömästi järjestelmäpistokkeesta ja ottaa ohjelmoidut turvatehtävät hoitaakseen, eikä konfigurointitietoja tarvitse ohjelmoida uudelleen tai ladata manuaalisesti. Kyseessä on plug-and-play-prosessi, joka minimoi koneen seisokkiajan.

Yhteenveto

S300 Mini Standard -turvalaserskannerit tarjoavat kestävän vaihtoehdon Teollisuus 4.0 -tehtaiden, -varastojen ja -jakelukeskusten turvamatoille sekä maksimoivat samanaikaisesti turvallisuuden ja tuottavuuden. Ne täyttävät IEC 61508-, ISO 13849- ja IEC 61496 -turvallisuusstandardit, ja ne soveltuvat sekä kiinteisiin asennuksiin että liikkuville alustoille, esimerkkinä automaattitrukit. S300 Mini Standard -turvalaserskannerit tukevat myös joustavaa ja nopeaa konfigurointia, asennusta ja huoltoa.