Moniulotteisten turvajärjestelmien valinta ja integrointi työntekijöiden suojaamiseksi yhteistyöroboteilta

Turvallisuus on huipputärkeää yhteistyörobottien (ns. cobotti), autonomisten mobiilirobottien (AMR) ja automaattitrukkien (Autonomous Guided Vehicle, AGV) käyttöönotossa tehtaissa ja logistiikkatiloissa. Kyseinen prosessi on myös monimutkainen ja moniulotteinen.

Koneiden liikkeitä täytyy valvoa ja ohjata International Organization for Standardization (ISO) -standardin 13849, International Electrotechnical Commission (IEC) -standardin 62061 ja IEC-standardin 61800-5-2 mukaisesti, jotta voidaan täyttää ohjausjärjestelmien (Control System, CS) turvallisuuteen liittyviä osia (Safety-Related Parts, SRP) koskevat turvallisuus-, suunnittelu- ja integrointivaatimukset.

Yhteistyörobottien, AMR-robottien, AGV-ajoneuvojen ja muiden samankaltaisten laitteiden turvallisen toiminnan varmistaminen vaatii usein monikerroksisten turvallisuusmenettelyjen määrittämisen aina lähestyvien kohteiden tunnistamisesta ja niistä varoittamisesta koneen pysäyttämiseen, kun objekti on vaara-alueella.

Modulaarisella turvaohjainjärjestelmällä voidaan lisätä ylimääräinen analyysi- ja suojauskerros. Vikojen tehokas ja nopea analyysi on tärkeä näkökohta ratkaistaessa suojakentän vikoja sekä skannereiden odottamattomia aktivointeja. Tämä voi vaatia toisen anturin valvomaan ensisijaisen anturin suojakenttää.

Tässä artikkelissa käydään ensin läpi ISO 13849-, IEC 62061- ja IEC 61800-5-2 -standardien vaatimuksia sekä kaksiulotteisiin (2D) LiDAR (Light Detection And Ranging) -teknologiaan pohjautuvien laserturva-antureiden toimintaperiaatteita. Sitten siinä poraudutaan syvemmälle monikerroksisten turvajärjestelmien toteuttamiseen ihmisten suojaamiseksi yhteistyöroboteilta, AMR-roboteilta, AGV-ajoneuvoilta ja vastaavilta laitteilta.

Artikkelissa on myös katsaus 2D-LiDAR-antureiden käyttöön ja integrointiin sekä hyötyihin, joita voidaan saada yhdistämällä tällaisia antureita modulaariseen ohjelmoitavaan turvaohjaimeen, mikä mahdollistaa lisäsuojauksen toteuttamisen. Lisäksi tutustutaan tapahtumakameran käyttöön suojakenttien odottamattomien vikojen analysoinnissa. Esimerkkeinä käytetään SICK -yrityksen valmistamia laitteita.

IEC 61508, ”Sähköisten/elektronisten/ohjelmoitavien elektronisten turvallisuuteen liittyvien järjestelmien toiminnallinen turvallisuus (E/E/PE tai E/E/PES)” on toiminnallisen turvallisuuden perusstandardi, jota sovelletaan kaikilla teollisuudenaloilla. Lisäksi siihen liittyy eri teollisuudenaloja ja sovelluksia koskevia alaosioita ja muunnelmia.

IEC 62061, ”Koneturvallisuus: sähköisten, elektronisten ja ohjelmoitavien elektronisten ohjausjärjestelmien toiminnallinen turvallisuus” on IEC 61508-standardin koneita käsittelevä variantti. IEC 61508-standardiin liittyy myös standardi IEC 61800-5-2, ”Nopeudeltaan säädettävät sähkökäytöt – Osa 5-2: Turvallisuusvaatimukset – Toiminnallinen turvallisuus”, jota sovelletaan nopeudeltaan säädettävien käyttöjen suunnitteluun ja kehitykseen.

ISO 13849 kehitettiin itsenäisesti, eikä se pohjaudu IEC 61508-standardiin. Kumpikin niistä käsittelee toiminnallista turvallisuutta. IEC 61800-5-2 käyttää turvallisuusvaatimusten määrittelyyn turvavaatimustasoja (Safety Integrity Level, SIL), kun taas ISO 13849 määrittelee vaaditun suorituskykytason (Required Performance Level, PL_r).

ISO 13849 ja IEC 61508 pohjautuvat vaarallisten vikojen todennäköisyyteen tuntia kohden (PFH_d). ISO 13849-standardin toiminnallisen turvallisuuden analyysi perustuu kolmeen tekijään: mahdollisen vamman vakavuus, kuinka toistuvasti tai kuinka kauan aikaa vaaralle altistutaan sekä potentiaali rajoittaa vaaraa ja välttää vahinkoja (kuva 1):

• Vammojen vakavuus
  • S1: Lievä (normaalisti palautuva vamma)
  • S2: Vakava (normaalisti peruuttamaton vamma tai kuolema)
• Toistuvuus ja/tai ajallinen altistuminen vaaralle
  • F1: Harvoin tai ei-yleisesti ja/tai altistumisaika on lyhyt
  • F2: Toistuva tai jatkuva ja/tai altistumisaika on pitkä
• Mahdollisuus välttää vaara tai rajoittaa vahinkoja
  • P1: Mahdollista tietyissä olosuhteissa
  • P2: Ei todennäköisesti mahdollista

Kuva 1: ISO 13849 -standardin PL_r-tasojen määrittäminen ja vastaavat IEC 62061 -standardin SIL-tasot. Kumpikin standardi pohjautuu vaarallisten vikojen määrään tunnissa (PFH_d). (Kuvan lähde: SICK)

Kuinka LiDAR toimii?

2D LiDAR -teknologiaan pohjautuvien turva-anturien käyttäminen henkilösuojaussovelluksissa vaatii ISO 13849 -standardin mukaisen PL_b-sertifioinnin. TiM 2D LiDAR -anturisarja sisältää malleja, jotka täyttävät tämän vaatimuksen. 2D LiDAR -anturit skannaavat ympäristöään hyödyntämällä optista kulkuaikaa (Time-of-Flight, ToF). ToF-laskenta toteutetaan lähettämällä laserpulssi pyörivän peilin kautta ja mittaamalla heijastunut valo. Mitä pidempään heijastuneella valolla kestää palata anturiin, sitä kauempana objekti on.

Anturi yhdistää aikamittauksen palautuneen signaalin vahvuusmittaukseen ja pystyy näiden ansiosta laskemaan useiden kohteiden etäisyydet millimetrintarkasti. Tuloksena saatava kuva ympäristöstä päivitetään jopa 15 kertaa sekunnissa (kuva 2). Näin voidaan tukea reaaliaikaista navigointia, suuntausta, ohjausta ja turvallisuustoimintoja.

Kuva 2: TiM 2D LiDAR -anturit käyttävät pyörivää peiliä ja laserpulsseja kuvan luomiseksi ympäristöstä jopa 15 kertaa sekunnissa. (Kuvan lähde: SICK)

TiM 2D LiDAR -anturit havaitsevat objekteja valvottavilla alueilla (kentillä). Mallista riippuen niiden skannausetäisyys on jopa 25 m ja toiminta-alue jopa 270°.

Laserin paluupulssi käsitellään käyttämällä HDDM (High-Definition Distance Measurement)- tai HDDM+-etäisyysmittaustekniikkaa. HDDM tarjoaa erittäin korkean mittaustarkkuuden lyhyillä etäisyyksillä, ja se sopii tarkkaan asemointiin esimerkiksi telakointisovelluksissa. HDDM+ käsittelee reunaheijastumia erityisen hyvin, joten se sopii parhaiten paikantamiseen ja törmäysten välttämiseen dynaamisissa ympäristöissä.

Kummassakin tapauksessa TiM 2D LiDAR -anturit pystyvät patentoidun usean pulssin HDDM/HDDM+-tekniikan ansiosta mittaamaan koko skannausalueen ilman aukkoja. Tämä tarjoaa johdonmukaisen mittaustarkkuuden myös erilaisilla pinnoilla ja heijastuskertoimilla.

TiM1xx-, TiM3xx- ja TiM7xx-tyypin laitteilla voidaan havaita objektien läsnäolo ennalta asetetulla kentällä. 16 kenttäjoukkoa, joissa kussakin on kolme ennalta asetettua kenttää, tukevat nopeaa adaptointia käytön aikana (kuva 3). Kenttämuodot voidaan määrittää yksittäin, tai staattiseen valvontaan voidaan määritellä viiterajakentät. Digitaaliset suodattimet, peitetyt alueet ja vasteajat voidaan myös määritellä suorituskyvyn maksimoimiseksi, silloinkin kun alueella on runsasta vesisadetta, lumisadetta tai pölyä.

Kuva 3: TiM 2D LiDAR -antureiden kenttäjoukot koostuvat kolmesta ennalta asetetusta kentästä. (Kuvan lähde: SICK)

Saatavilla on malleja, jotka tarjoavat kenttien arviointitiedot tai arviointi- ja mittaustiedot. Kentän arviointianturit määrittävät vain kohteen läsnäolon, kun taas kentän arviointi- ja mittausanturit voivat tarjota tarkan kuvan skannatusta pinnasta.

Saatavilla on myös TiM 2D LiDAR -antureita, jotka tarjoavat etäisyystietojen lisäksi kulmatiedot ja RSSI (Received Signal Strength Indicator) -arvon. Tämä laajempi tietojoukko voi olla erityisen hyödyllinen AMR-robottien törmäysten välttämiseen ja navigointiin muuttuvissa ympäristöissä.

Ensimmäiset suojauskerrokset LiDAR-turvalaitteilla

TiM 2D LiDAR -tuoteperhe sisältää turvallisuuskäyttöön sopivat versiot TiM361S (kentän arviointi) ja TiM781S (kentän arviointi- ja mittaustiedot), jotka täyttävät PL_b-vaatimukset ja sopivat käyttöön sekä paikallaan pysyvissä että liikkuvissa sovelluksissa. Niitä voi käyttää henkilöiden suojaamiseen teollisten yhteistyörobottien kulunvalvonnassa sekä liikkuvissa alustoissa, kuten AMR-robotit ja AGV-ajoneuvot.

• Tyyppi TIM361S-2134101, mallinumero 1090608, sopii sisäkäyttöön mittausetäisyydellä 0,05–10 m ja HDDM-tekniikalla.
• Myös tyyppi TIM781S-2174104, mallinumero 1096363, sopii sisäkäyttöön mittausetäisyydellä 0,05–25 m ja HDDM+ -tekniikalla.

Yksinkertainen integrointi

TiM 2D LiDAR -anturit on suunniteltu yksinkertaistamaan integrointia. Niiden kotelon suojausluokitus voi olla jopa IP67, jolloin pöly ja kosteus eivät pääse laitteen sisään. Ne sietävät hyvin jopa 80 000 lx:n kirkasta ympäröivää valaistusta. Niiden lujatekoinen rakenne täyttää IEC 60068-2-6 -standardin tärinänsietovaatimukset ja IEC 60068-2-27 -standardin iskunkestovaatimukset. Niiden lujuutta voi tarvittaessa tehostaa entisestään vaimennetuilla kiinnikkeillä ja suojalevyillä.

TiM 2D LiDAR -antureiden kompaktin rakenteen, kevyen painon ja matalan virrankulutuksen ansiosta ne sopivat mainiosti liikkuviin alustoihin. Tyypit TIM361S-2134101 ja TIM781S-2174104 painavat vain 250 g, niiden tyypillinen virrankulutus on 4 W ja niiden mitat ovat 60 (pituus) x 60 (leveys) x 86 mm (korkeus).

Toinen suojauskerros turvaohjaimilla

LiDAR-laserskannereiden tarjoamaan vaarojen havainnointiin ja hälytysten lähettämiseen voidaan lisätä toinen suojauskerros modulaarisella turvaohjaimella. Esimerkiksi Flexi Soft -turvaohjain on modulaarinen järjestelmä, jonka voi yhdistää erilaisiin antureihin ja kytkentäelementteihin, kuten laserskannereihin. Sillä on IEC 61508 -standardin mukainen SIL3-luokitus sekä ISO 13849 -standardin mukainen PLe-suorituskykytaso PFH_d-arvolla 1,07 x 10^-9.

Perusjärjestelmä koostuu vähintään kahdesta moduulista (kuva 4):

1. CPU0, kuten malli 1043783, on keskeinen logiikkayksikkö, jossa analysoidaan ja arvioidaan esimerkiksi LiDAR-anturin signaaleita. Näin turvallisuusanalyysi voidaan siirtää pois keskusohjaimelta. CPU0-yksikön lähtö yhdistetään koneen korkeamman tason ohjaukseen, kuten ohjelmoitavaan logiikkaohjaimeen (Programmable Logic Controller, PLC), jolla turvallisuustoiminnot toteutetaan.
2. Laserskannereiden yhdistäminen järjestelmään vaatii XTIO I/O -laajennusmoduulin, kuten malli 1044125. Kahta laserskanneria kohden tarvitaan yksi XTIO I/O -laajennusmoduuli, sillä kukin laserskanneri käyttää kolmea kytkentätuloa. Ohjain voi hallita jopa 12 I/O-moduulia.

Kuva 4: Flexi Soft -turvaohjainjärjestelmä koostuu CPU-moduulista (1) ja yhdestä tai useammasta I/O-moduulista (2). (Kuvan lähde: SICK)

Mitä tapahtui?

Yksi turvajärjestelmän tärkeä elementti on mahdollisuus analysoida ja ymmärtää vikojen juurisyitä vastaamalla kysymykseen ”Mikä sai turvalaserskannerin aktivoitumaan?” SICK EventCam-tapahtumakamera on suunniteltu erityisesti havaitsemaan ja analysoimaan teollisuusympäristöjen satunnaisia vikoja.

EventCam on itsenäinen järjestelmä, joka sisältää optiikan, valaistuksen, elektroniikan ja muistin. Sen voi integroida liikkuviin tai paikallaan pysyviin järjestelmiin. IP65-luokitellun valetun alumiinikotelon voi asentaa erilaisiin asentoihin. EventCamin voi yhdistää automaatiojärjestelmään, kuten turvallisuusohjaimeen, tai suoraan anturiin.

Kun virheestä on saatu ilmoitus, EventCam alkaa tallentaa yksittäisiä kuvia tai videoita. Sisäiseen muistiin voidaan tallentaa jopa 240 sekuntia videota ennen tapahtumaa ja 100 sekuntia sen jälkeen. Teräväpiirtotilassa (HD) voidaan tallentaa jopa 25 sekuntia ennen tapahtumaa ja 15 sekuntia sen jälkeen. Videon kuvataajuus (Frames per Second, FPS) vaihtelee välillä 13–65 riippuen tarvittavasta resoluutiosta.

EventCam voi olla avuksi myös uusien koneiden ja prosessien käyttöönotossa. Sillä voidaan esimerkiksi valvoa usean tunnin tai päivän jatkuvaa testausta ilman ihmisen läsnäoloa sekä tunnistaa nopeasti virhelähteitä. Useilla EventCameilla voidaan valvoa yhtä prosessia, jotta saadaan visuaalisia tietoja eri kuvakulmista sekä syväluotaavampia ja kattavampia tietoja virheistä (kuva 5).

Kuva 5: Useita EventCameja voidaan synkronoida tallentamaan tapahtuma samanaikaisesti useista kuvakulmista. (Kuvan lähde: SICK)

EventCamista on saatavilla kaksi eri versiota. Mallin 1102028 toiminta-alue on 0,4–0,6 m, ja se sopii käyttöön paikallaan pysyvien yhteistyörobottien kanssa suhteellisen pienillä turva-alueilla. Mallin 1093139 toiminta-alue on 0,8–6 m, ja se tukee suurempien yhteistyörobottien, AMR-robottien ja AGV-ajoneuvojen laajempia turva-alueita.

Yhteenveto

2D LiDAR -antureilla, kuten SICK TiM -tuoteperheellä, voidaan toteuttaa yhteistyörobottien, AMR-robottien, AGV-ajoneuvojen ja samankaltaisten laitteiden turvajärjestelmien ensimmäinen suojauskerros. Ne mahdollistavat useiden suojakenttien muodostamisen henkilöiden lähestymisen havaitsemiseksi. Turvaohjaimella voidaan tukea vaaratilanteiden analyysia ja tehostaa järjestelmän suorituskykyä. Lopuksi yhdellä tai useammalla EventCam-tapahtumakameralla voidaan valvoa ensisijaista 2D LiDAR -anturia, mikä auttaa tunnistamaan satunnaisten aktivointien juurisyyn.