Valoverhojen määrittely ja ostaminen

Valoverhot ovat turvalaitteita, jotka ohjaavat vaarallisen koneen akseleita ja ehkäisevät koneen läheisyydessä tai sen kanssa työskenteleviä operaattoreita ja muuta laitoksen henkilökuntaa loukkaantumasta. Valoverhot käyttävät palkkimaista emitteriä, joka synnyttää vastaanottimen tunnistamat valosähköiset valonsäteet (kuva 1). Säteen katkeaminen toimii ilmoittaa koneen ohjaimille, että työtilassa on havaittu liikettä ja että vaaralliset toiminnot tulisi joko lopettaa tai hidastaa niitä niin paljon, että ne eivät aiheuta riskiä käyttäjälle. Turvavaloverhojen käyttö on lisääntymässä, koska ne ovat vähemmän häiritseviä ja paljon konfiguroitavampia kuin aitoihin perustuvat rajoitukset.

Kuva 1: Nykypäivän valoverhot tarjoavat koneille ennennäkemättömän turvallisuuden. Monet niistä on suunniteltu yksinkertaistamaan aluetunnistimiin perustuvien turvajärjestelmien korvaamista. (Kuvan lähde: Design World)

Tämä artikkeli tarjoaa katsauksen siihen mitä valoverhojen määrittelyssä ja asennuksessa on otettava huomioon. Koska tämä on turvallisuuden kannalta kriittistä toimintaa, kaikkiin asiaankuuluviin kansallisiin ja kansainvälisiin standardeihin on tutustuttava ennen asennuksen aloittamista. Vielä parempi olisi käyttää ammattiasentajan palveluja, joka on tottunut työskentelemään näiden standardien mukaisesti. Tätä artikkelia on pidettävä johdantona ja oppaana joihinkin tähän aiheeseen liittyviin standardeihin. Siinä myös annetaan taustatietoja, jotka auttavat keskustelemaan suunnitteluvaatimuksista ammattimaisen turvallisuusjärjestelmän asentajan kanssa.

Vaarojen ja riskien tunnistaminen

Ennen turvajärjestelmän määrittelemistä suojattaville vaarallisille koneille on suoritettava täydellinen riskiarvio. Tässä määritetään koneen vaaralliset alueet ja mahdolliset tulokohdat. Vaaran aiheuttama riskitaso on tärkeä osa asianmukaisten suojatoimien määrittelyä.

Anturin vähimmäistunnistuskyky

Anturin vähimmäistunnistuskyky on pienikokoisin kohde, joka laukaisee valoverhon. Säteiden väliset etäisyydet voivat olla eri valoverhoissa erilaiset. Jos säteiden välinen etäisyys on halkaisijaltaan 5 mm, mihin tahansa valoverhon läpi työnnetty sormi johtaa pysäytyskomentoon. Jos anturin vähimmäistunnistuskyky olisi kuitenkin 150 mm, laitoksen henkilökunta saattaisi työntää koko käsivarren verhotun alueen sisälle ilman, että kone pysäytetään. Valoverhon havaitseman kohteen koko määrittää etäisyyden, miten kauas se on sijoitettava koneen vaarallisista osista.

Vähimmäisetäisyys

Toisin kuin turvaesteet, valoverhot eivät fyysisesti estä ihmistä pääsemästä vaara-alueelle. Sen sijaan valoverho antaa komennon, jolla vaarallinen toiminta pysäytetään tai sen nopeus lasketaan turvalliselle tasolle. Tämä tarkoittaa, että valoverho on sijoitettava riittävän kauas vaarasta, jotta koneella olisi aikaa pysähtyä ennen kuin henkilö saavuttaa sen (kuva 2). Tämä etäisyys riippuu kolmesta parametrista - kokonaisjärjestelmän pysäytysnopeudesta, tunkeutumismatkasta ja lähestymisnopeudesta.

Kuva 2: Valoverhon oikeanlainen määrittely edellyttää verhon tunnistusalueen ja koneen vaarallisen alueen välisen turvaetäisyyden tarkkaa laskemista. Tämän jälkeen on säilytettävä kyseinen etäisyys tai pidempi. Tällaisten etäisyyksien määrittelemiseksi on olemassa standardeja ja itse asiassa EN ISO 13855 -standardissa turvaetäisyyttä on lyhennetty hyödyntäen yhä tehokkaampia verhoja ja mahdollistaen kompaktimman tuotantokoneiston. (Kuvalähde: Panasonic Industrial Automation Sales)

Kokonaisjärjestelmän pysäytysnopeus on kokonaisaika, joka kuluu siitä kun henkilö katkaisee valoverhon siihen kun kone tosiasiallisesti pysähtyy. Se sisältää sähköisen ohjausjärjestelmän viiveen ja inertiavaikutukset, jotka määrittävät kuinka nopeasti liikkuva kone voi pysähtyä. Muuttuja T edustaa kokonaisjärjestelmän pysäytysnopeutta.

Tunkeutumisetäisyys on etäisyys, jonka pieni kehonosa, esimerkkinä sormi tai käsi, voisi liikkua valoverhon läpi kohti vaaravyöhykettä ennen kuin valoverho aktivoituu. Tämä on korostuu kun anturin vähimmäistunnistuskyky on suuri. Tämä saattaa tarkoittaa että vasta henkilön keho laukaisee pysäytyskomennon. Tässä tapauksessa henkilö voisi kurotella valoverhon läpi, eikä henkilön käsivarsi pysäyttäisi konetta.

Kansainvälisen standardointijärjestön vahvistaman ja maailmanlaajuisesti käytetyn turvaetäisyysstandardin EN ISO 13855 mukaan vähimmäisetäisyys vaaravyöhykkeeseen S lasketaan (millimetreinä) käyttäen yhtälöä:

missä K on ihmisen (käsivarren tai vartalon) suurin lähestymisnopeus millimetreinä sekunnissa, T on kokonaispysäytysnopeus sekunneissa ja C on tunkeutumisetäisyys millimetreinä. K:n osalta standardi EN ISO 13855 määrittää K-arvoksi 2000 mm/s ihmiskäsivarren maksiminopeudeksi ja 1600 mm/s ihmiskehon maksiminopeudeksi.

Oletetaan esimerkiksi, että työkennossa on valoverho, joka pystyy havaitsemaan pieniä esineitä, joiden halkaisija on 40mm. Ensin tulisi laskea vähimmäisetäisyys käyttämällä K = 2000 mm/s. Jos tuloksena saatava etäisyys on alle 100 mm (määritelty standardissa EN ISO 13855), tämä pienempi tulosarvo on jätettävä huomiotta ja käytettävä arvoa 100 mm. Jos tulosarvo ylittää 500 mm (määritelty standardissa EN ISO 13855), etäisyys on laskettava uudelleen käyttämällä arvoa K = 1600 mm/s (vaaralliselle alueelle kävelevän henkilöstön loukkaantumisen estämiseksi) ja sovelluksessa voidaan käyttää uutta pienempää etäisyyttä edellyttäen, että se on vähintään 500 mm. Anturien muiden havaitsemisominaisuuksien arvot on annettu myös standardissa ISO 13855.

Laskettaessa minimietäisyyttä robotista on otettava huomioon robotin suurin ulottuvuus. Tätä tehtäessä ei tule luottaa robottiohjelmaan, jolla robotti rajoitettaisiin käyttämään vain osaa sen koko liikeavaruudesta. Robotin akseleissa voidaan kuitenkin käyttää lukitusjärjestelmän osana rajakytkimiä, joilla robotin liikeavaruutta voidaan rajoittaa turvallisesti .

Onko kevyt verho sopiva?

Turvajärjestelmämäärityksen alkuvaiheessa on tärkeää selvittää, voidaanko kyseisessä sovelluksessa käyttää valoverhoa. Tässä IEC- (International Electrotechnical Commission) ja ISO-standardien luokitukset ovat korvaamattomia. Nämä luokittelevat turvallisuusstandardit A-tyypin perusturvallisuusstandardeiksi, yleiskäyttöisiksi B-tyypin turvallisuusstandardeiksi ja konekohtaisiksi C-tyypin turvallisuusstandardeiksi.

Ensiksi on selvitettävä, onko kyseessä olevalle koneelle olemassa C-tyypin standardia - ja minkä tyyppisen suojauksen se tarkalleen ottaen vaatii kyseiseen sovellukseen. Itse asiassa C-tyypin standardit koskevat usein sekä tiettyä konetyyppiä että teollisuutta. Usein ne määrittelee NFPA, BN, ANSI, RIA tai jokin muu sääntelyelin, joka on käyttänyt vuosien ajan EN ISO -standardiluokitusjärjestelmää ABC-järjestelmän mukaisesti. Jos koneen toimintaan soveltuu C-tyypin standardi, on noudatettava kyseisen standardin ohjeita (mukaan lukien valoverhoja koskevat ohjeet). Tämä johtuu siitä, että C-tyypin standardit määrittelevät selkeästi kaikki vaarat ja vaaditut riskinhallintatoimenpiteet kyseisen koneen käyttöä varten, ja ne syrjäyttävät kaikki vähemmän spesifiset standardit. Jos ei ole C-tyypin standardia, joka soveltuisi kyseisen koneen käyttöön, ja valoverho näyttäisi olevan hyvä vaihtoehto, tulisi laskea vähimmäisetäisyys. Jos vähimmäisetäisyys on käytännöllinen, suunnittelija voi jatkaa valoverhon määrittelyä. Jos tilaa on kuitenkin vähän tai koneen pysähtyminen vie huomattavan paljon aikaa, tulisi harkita jotakin muuta suojausmenetelmää (esimerkiksi fyysistä turvaestettä).

Valoverhotyypit

Kansainvälisesti käytetty IEC 61496 -standardi luokittelee valoverhot tyypiksi 2 tai 4. Tyypin 2 valoverhot ovat edullisempia hitaammalla ja vähemmän luotettavalla elektroniikalla. Jos tyypin 2 valoverhon turvapiireissä esiintyy vika, vian havaitsemiseen voi kulua aikaa, eikä laite tarjoa suojaa tänä aikana. Sen sijaan tyypin 4 valoverhoissa käytetään jatkuvaa vikojen ja virheiden automaattista tarkistusta. Jos tarkistuksessa havaitaan virhe, laite antaa välittömästi pysäytyssignaalin. Tämä tarkoittaa jatkuvaa suojausta.

Käyttöpisteen (POC) valoverhot on suunniteltu asennettaviksi lähelle vaarallista kohtaa ja jossa operaattorit usein käyttävät konetta. Siksi ne on suunniteltu sormien, käsien ja käsivarsien havaitsemiseen. Fyysisiä esteitä käytetään tavallisesti koneen sivuilla ja POC-valoverhoa sen edessä.

PAC (Perimeter Access Control) -valoverhot luovat turva-alueen sellaisen koneen ympärille, jota operaattoreiden ei tarvitse lähestyä. Ne tarjoavat tyypillisesti vain koko kehon tunnistamisen.

Myös AAC:ta (Area Access Control) voidaan käyttää tämän toiminnon suorittamiseen. PAC-valoverhoissa käytetään usein peilejä suoja-alueen muodostamiseen tarvittavan valoverholaitteiston vähentämiseksi.

Valoverhojen asentamiseen liittyvät kansainväliset standardit

Valoverhojen oikein suoritettuun asentamiseen liittyy useita standardeja. Jos laitoksessa asennetaan valoverho turvallisuuden kannalta kriittiseen sovellukseen, on tutustuttava suoraan näihin standardeihin. ISO 13857 koskee turvaetäisyyksien määrittämistä niin että ihmisraajat eivät ulotu vaaravyöhykkeille. Turvaetäisyys riippuu riskiarvioinnista. Henkilön ei esimerkiksi pitäisi voida ylöspäin kurottuessaan päästä 700 mm lähemmäksi vaarallista kohtaa, tai 500 millimetriä, jos vahingon riski on pieni. ISO 12100 käsittelee vahingon vakavuuden ja todennäköisyyden määrittämistä. Alhainen vahinkotaso viittaa palautuvaan vaurioon, esimerkkinä mustelma tai kynnen katkeaminen, tai sellaiseen lämpötilaan ja kosketuksen kestoaikaan, joka ei ylitä palovammakynnystä. Palovammakynnykset on esitetty standardissa ISO 13732 ja ISO 14121 antaa lisätietoja riskiarvioinnista.

Kuten edellä on tarkemmin kuvattu, ISO 13855 kuvaa suojalaitteiden sijoittamista ottaen huomioon ihmiskehon eri osien lähestymisnopeudet. Tämä on yleensä verhojen kannalta merkityksellisempää kuin ISO 13857, koska valoverhot eivät estä henkilöitä pääsemästä vaara-alueelle, vaan pikemminkin pysäyttävät vaarallisen toiminnon. Siksi on tärkeää harkita kuinka pitkälle henkilö voi liikkua valoverhon lähettämän pysäytyssignaalin ja koneen tosiasiallisen pysähtymisen välillä. Kokonaisjärjestelmän pysäytysnopeus ja ihmisen suurin mahdollinen lähestymisnopeus sanelevat yhdessä valosuojan pienimmän turvallisen etäisyyden vaarallisesta prosessista.

ISO 14119 kattaa fyysisiin esteisiin liittyvien lukituslaitteiden määrittelyn ja suunnittelun. Vaikka siinä ei nimenomaisesti mainita valoverhoja, monet periaatteet soveltuvat valoverhoihin - kuten suunnitteleminen vahinkojen todennäköisyyden minimoimiseksi.

ISO 14120 kattaa itse fyysisten esteiden määrittelyn ja suunnittelun, joten sillä ei ole paljon merkitystä valoverhojen asennuksissa. Valoverhot yhdistetään kuitenkin usein fyysisiin esteisiin. Fyysisiä esteitä voidaan esimerkiksi käyttää estämään pääsy vaara-alueelle sivuilta; valoverhoa käytetään alueen edessä. Siksi myös ISO 14120 -standardi saattaa olla tarpeen.

Yhteenveto

Valoverhot voivat parantaa huomattavasti koneiden käyttömukavuutta. Ne mahdollistavat hyvän näkymän koneen liiketilaan ja mahdollistavat sen, että operaattori ulottuu laitteen sisälle ja voi poistaa osia ja asentaa työkaluja tarvitsematta avata suojuksia.

Valoverhot eivät kuitenkaan aina tarjoa samaa suojaustasoa - se ei varsinkaan estä koneen toiminnasta aiheutuvien projektiilien liikettä.

On myös tärkeää muistaa, että kokonaisjärjestelmän pysäytysnopeuden huomioon ottamisen vuoksi valoverhot asennetaan yleensä kauemmaksi vaaravyöhykkeestä kuin esteet. Nämä ovat kaikki tärkeitä näkökohtia sopivan suojauksen valinnassa.