Valoverhojen käyttö turvallisuuden parantamisessa ja objektien mittaamisessa

Valoverhot ovat monipuolinen tekniikka. Vaikka ne liittyvät usein turvallisuussovelluksiin, niillä on monia käyttötarkoituksia, kuten koneiden suojaus ja suojattujen vyöhykkeiden luonti, objektien läsnäolon havaitseminen tai ohikulkevien objektien koon mittaaminen materiaalinkäsittelyssä, objektien oikean sijainnin tai suunnan varmistaminen pakkaus- ja lajittelusovelluksissa sekä tunkeutumisen havaitseminen ja rajoitettujen alueiden kulunvalvonta.

Valoverhojen ja turvalaserskannereiden vertailu sekä skannerisovellusten tarkastelu sisältyy tämän sarjan osaan 1, “How Safety Laser Scanners Can Protect People and Machines (Miten turvalaserskannerit voivat suojata ihmisiä ja koneita)”.

Tässä artikkelissa tarkastellaan ensin tärkeitä valoverhospesifikaatioita ja suorituskykystandardeja, esitellään sovellusesimerkkejä siitä, miten valoverhoja käytetään turvallisuus- ja kulunvalvontajärjestelmissä, ja kerrotaan, miten valoverhoja käytetään mittauksessa. Artikkelissa esitellään esimerkkeinä valoverhoja valmistajilta Panasonic, IDEC, Omron ja Banner Engineering.

Turvavaloverhojen standardit ja tyypit

Kansainvälisen sähköteknisen komitean (IEC) standardissa "61496 Koneturvallisuus - Kosketuksettomasti toimivat turvalaitteet (ESPE)" on määritelty neljä erityyppistä turvallisuustekijää. Käsittelemme näistä tyyppejä 2, 3 ja 4. Tyyppiä 1 ei ole määritelty turvavaloverhosovelluksia varten.

IEC 61496 -standardi lisää uuden vaatimustason IEC 61508 -standardin turvallisuuden eheystasojen (SIL) määritelmien ja kansainvälisen standardisointijärjestön suoritustasot (PL) määrittelevän standardin (ISO) 13849 päälle.

SIL-tasojen luokitukset ovat 1–3, jossa SIL 3 on korkein taso, ja PL-tasojen luokitukset ovat a–e, jossa PLe on kaikkein vaativin taso. Valoverhot kuuluvat IEC 61496 -standardin luokitusten mukaan yleensä tyyppeihin 2 ja 4, vaikka muutamat niistä luokitellaankin tyypin 3 laitteiksi. Turvalaserskannerit täyttävät tyypin 3 vaatimukset. Tyyppiluokituksiin kuuluu mm. tärkeitä tekijöitä:

Tyypin 2 laitteiden on täytettävä SIL 1- ja PLc-vaatimukset. Ne on tarkoitettu käytettäväksi vähemmän riskialttiissa sovelluksissa, joissa viat voivat aiheuttaa lieviä loukkaantumisia, kuten kuhmuja tai mustelmia, iskuja, pieniä viiltoja ja hiertymiä tai juuttumista, mutta eivät puristumista. IEC 61496 -standardin mukaan laitteen täytyy suorittaa itsetarkastus käynnistyksen yhteydessä ja säännöllisesti käytön aikana. Näistä laitteista puuttuvat tyypin 4 valoverhoissa vaaditut redundantit automaattiset itsetarkastuspiirit. Näkökentän määrittelevän tehollisen avautumiskulman (EAA) tulee olla ±5 astetta tai kapeampi. Tämä voi johtaa optisen interferenssin ja virheiden mahdollisuuteen.

Tyypin 3 ESPE-laitteiden, kuten turvalaserskannereiden ja joidenkin valoverhojen, on täytettävä SIL 2- ja PLd-vaatimukset. Ne on ”suunniteltu siten, että yksittäinen vika ei voi aiheuttaa turvatoiminnon vaarantumista, mutta useampien vikojen kertyminen voi aiheuttaa tämän vaarantumisen”. Näihin laitteisiin sovelletaan myös tiukempia sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) koskevia vaatimuksia kuin tyypin 2 laitteisiin. Tyypin 3 laitteet soveltuvat sovelluksiin, joissa turvallisuus on merkittävä huomioon otettava tekijä.

Tyypin 4 valoverhot on suunniteltu sovelluksiin, joissa turvallisuus on erittäin tärkeä näkökohta. Niiden on täytettävä kaikkein korkeimmat vaatimukset, PLe ja SIL 3. Ne on suunniteltu siten, että ”yksittäinen vika tai vikojen kertyminen eivät aiheuta turvatoiminnon vaarantumista”. Niiden EAA on pienempi, ±2,5 astetta, joten ne ovat vähemmän alttiita optisille häiriöille ja ne pystyvät tunnistamaan objektit helpommin. Niiden täyttää kaikkein tiukimmat EMC-vaatimukset.

Tyypin 2 valoverhot ovat jopa 30 prosenttia edullisempia kuin tyypin 4 valoverhot, koska niiden optiikka on edullisempaa ja niiden viantunnistuspiiri on yksinkertaisempi. Tyypin 4 valoverhoja on saatavana laajemmalla resoluutioalueella, kuten 14 mm sormien, 30 mm käsien, 50 mm jalkojen ja 90 mm kehon läsnäolon tunnistamiseen. Tyypin 2 valoverhot rajoittuvat sen sijaan yleensä suurempiin resoluutioihin (kuva 1).

Kuva 1: Tyypin 4 valoverhoja on yleensä saatavana pienemmillä vähimmäisresoluutioilla kuin tyypin 2 yksiköitä. (Kuvan lähde: IDEC)

Erikokoisten objektien tunnistuksen lisäksi valoverhon säteitä voidaan ohjata yksitellen. Tämä mahdollistaa sellaisia edistyneempiä toimintoja kuten mykistys, pimennys sekä objektien koon ja lukumäärän mittaus.

Valoverhojen mykistys ja pimennys

Valoverhon mykistyksellä ja pimennyksellä tarkoitetaan koko valoverhon tai sen osan kytkemistä pois päältä tietyissä olosuhteissa. Mykistys on automaattinen prosessi, joka keskeyttää valoverhon tarjoaman suojauksen kokonaan tai osittain, ja sitä käytetään tyypillisesti konesyklin vaarattoman osion aikana. Se voi sallia materiaalien pääsyn työalueelle ilman vaarallisen toiminnan pysäyttämistä. Kun materiaali on saapunut työalueelle, valoverhon täysi suojaustoiminto käynnistyy uudelleen.

Mykistystä käytetään tyypillisesti seuraaviin tarkoituksiin:

• kuormalavojen sisäänmenon/ulostulon mahdollistaminen paletointikoneessa toimintojen välillä
• materiaalin liikkumisen salliminen alueiden välillä automatisoidussa valmistusprosessissa ja samalla henkilöstön suojaaminen koneiden ollessa toiminnassa.

Kuva 2: Mykistystä käytettäessä valoverho päästää tietyn kokoiset objektit läpi ilman koneen toiminnan keskeyttämistä (vasemmalla), mutta se havaitsee muut objektit, kuten käden tai sormet (oikealla), ja pysäyttää koneen. (Kuvan lähde: Panasonic)

Valoverhon pimennys tarkoittaa, että osa valoverhosta kytketään pois päältä ilman koneen suojauksen pysäyttämistä. Se voi myös sallia ihmisten rajoitetun pääsyn alueelle turvallisen jakson aikana. Pimennystä käytetään tyypillisesti seuraaviin tarkoituksiin:

• robottityöasemaan ulottuminen sen lastaamiseksi tai purkamiseksi turvallisen jakson aikana
• pääsy hydraulisen lävistyspuristimen luo puristusjakson aikana.

Tyypin 2 valoverho

IDEC SG2 -sarjan tyypin 2 valoverhoja on saatavana käsi- ja läsnäolosuojattuina malleina. Esimerkiksi malli SG2-90-030-OO-X on suunniteltu läsnäolon tunnistukseen valvontakorkeudella 300 mm ja resoluutiolla 90 mm. Se tarjoaa testaus- ja uudelleenkäynnistystoiminnon sekä integroidun suuntausjärjestelmän, joka nopeuttaa laitteen käyttöönottoa. Pyörivät asennuskiinnikkeet nopeuttavat asennusta sekä lähettävän ja vastaanottavan yksikön suuntausta helposti myös sovelluksissa, joissa käytetään peilejä tai joissa toimintaetäisyys on jopa 19 metriä.

Mykistys ja pimennys vaativissa ympäristöissä

Omronin F3SG-SR-sarjaa voidaan käyttää turvavaloverhosovelluksissa kylmävarastoissa, joissa lämpötila voi olla jopa vain −30 °C, metallintyöstöprosesseissa, kuten meistokoneissa, joissa tarvitaan öljyä kestävää kotelointiluokkaa IP67G, ja muissa tehtävissä vaativissa pölyisissä ja likaisissa ympäristöissä, kuten autoteollisuudessa ja työstökoneissa. Näissä tyypin 4 valoverhoissa on mykistystoiminto sekä kiinteät ja kelluvat pimennystoiminnot.

F3SG-SR-valoverhojen suojauskorkeudet ovat 160–2480 mm. Kun tarvitaan käsien tai muiden objektien tunnistusta 25 mm:n halkaisijalla, turvajärjestelmien suunnittelijat voivat valita F3SG-4SRA0280-25-F-valoverhon. Se tukee joustavia pituuksia 40 mm:n askelin (maksimi 1000 mm) ja käyttää 27 sädettä 280 mm:n suojauskorkeudella (kuva 3)

Kuva 3: Tämä valoverho tukee joustavia pituuksia 40 mm:n askelin ja 280 mm:n suojauskorkeudella. (Kuvan lähde: Omron)

Kestää vääntymistä, vääristymistä ja iskuja

Kun valoverhoa käytetään paikassa, jossa se voi altistua iskuille ja vääntymiselle, järjestelmäsuunnittelijat voivat valita Panasonicin SF4D-sarjan tyypin 4 valoverhot. 630 mm:n pituisella SF4D-H32-0-mallilla on IP67-luokitus, 25 mm:n resoluutio käsien suojausta varten ja integroidut pimennys- ja mykistystoiminnot.

Avain näiden valoverhojen kestävyyteen on uudelleen suunniteltu sisäyksikkö, joka mahdollisti kotelon optimoinnin kestävyyden ja jäykkyyden maksimoimiseksi. Sisäyksikön tilavuus on alle 40 % aiempien mallien tilavuudesta, mikä mahdollistaa kotelon paksuuden huomattavan lisäämisen (kuva 4). Vaikka sisäyksikkö on pienempi, optista lähtöä on kasvatettu, ja ohjauslähtöjen POIS PÄÄLTÄ -vasteaika on enintään 10 ms – tai enintään 18 ms käytettäessä sarja- tai rinnakkaiskytkentää.

Kuva 4: Kompaktimpi sisäyksikkö tukee korkeampaa optista lähtöä ja mahdollistaa samalla huomattavasti paksumman kotelon. (Kuvan lähde: Panasonic)

Mittaaminen valoverhoilla

Objektien mittaamiseen tarkoitetuilla valoverhoilla on yleensä kolme toimintatilaa: suora skannaus, yhden reunan skannaus ja kahden reunan skannaus. Tärkeimpiin spesifikaatioihin kuuluvat objektin vähimmäistunnistuskoko (MODS) ja reunan resoluutio (ER).

Oletustilana on yleensä suora skannaus, ja säteet skannataan sekventiaalisesti lähetyspäästä sarjan vastakkaiseen päähän. Kun havaitaan ensimmäinen katkeamaton säde, suoritetaan mittaus. Tyypilliset herkkyysarvot suorassa skannauksessa ovat MODS 5 mm ja ER 5 mm alhaisen kontrastin tilaa käytettäessä. Jos käytetään korkean läpäisykertoimen skannaustilaa, MODS on 10 mm ja ER on 5 mm. Yksi- ja kaksireunaisella skannauksella voidaan saavuttaa MODS 10 mm ja ER 2,5 mm.

Yksireunainen skannaus alkaa, kun ensimmäinen (alin) säde katkeaa, mikä viittaa objektin läsnäoloon. Tämän jälkeen verho tarkistaa keskimmäisen säteen. Skanneri tarkastaa onko alaneljänneksen keskimmäinen säde katkeamaton. Skanneri tarkastaa onko yläneljänneksen keskimmäinen säde katkennut.

Kun laite on määrittänyt onko yläneljänneksen ja alaneljänneksen säteet katkenneet tai katkeamattomat, säteiden määrän jako puoliksi jatkuu, kunnes objektin yläreuna löytyy.

Tilanteissa, joissa ensimmäinen säde ei välttämättä ole katkennut, voidaan käyttää kaksoisreunatekniikkaa. Tämä alkaa askelkoon valinnalla, joka on yleensä sovelluksesta riippuen 1, 2, 4, 8, 16 tai 32. Se alkaa, kun verho aktivoi säteen 1. Jos tämä säde on katkennut, ensimmäinen reuna on tunnistettu. Jos se ei ole katkennut, verho aktivoi seuraavan säteen, joka määräytyy askelkoon mukaan. Jos askelkoko on esimerkiksi 4, säde 5 aktivoituu.

Jos aktivoitu säde on katkeamaton, verho jatkaa askelprosessia, kunnes se löytää katkenneen säteen. Tällöin käytetään binäärihakua kohti alkupistettä ensimmäisen katkenneen säteen tunnistamiseksi ja näin tämä reuna voidaan tunnistaa. Prosessia toistetaan, tällä kertaa käyttämällä tunnistettua reunaa referenssipisteenä ja askelprosessia katkeamattoman säteen tunnistukseen. Sen jälkeen palataan takaisin etsimään numeroarvoltaan korkein katkennut säde ja näin tunnistetaan toinen reuna.

Kuva 5: Esimerkki kaksireunaisessa skannauksessa käytettävien säteiden järjestyksestä. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Mittaavat valoverhot

Banner Engineeringin A-GAGE EZ-ARRAY -mittausvaloverhot on suunniteltu sellaisiin sovelluksiin kuten reaaliaikaiseen tuotekoon ja -profiilin mittaukseen, reunan ja keskikohdan ohjaukseen, reikien tunnistukseen, osien laskentaan ja niin edelleen. Lähetinten ja vastaanotinten pituudet ovat 150–2400 mm (5,9–94,5 tuumaa) (kuva 6). Esimerkiksi mallin EA5E600Q pituus on 600 mm (23,6 tuumaa) ja se tarjoaa 120 sädettä. Nämä valoverhot tukevat tarkkoja ja huippunopeita prosessinvalvonta- ja tarkastus-, profilointi- ja verkko-ohjausjärjestelmiä. Muita ominaisuuksia:

• Lukuisia skannausvaihtoehtoja:
  • 16 skannausanalyysitilaa (mittaustilaa)
  • kolme skannausmenetelmää
  • valittavissa oleva säteen pimennys.
• Kuuden valinnan DIP-kytkin skannaustilan, mittaustilan ja analogisen kaltevuuden asetukselle sekä diskreetin lisämittauksen tai hälytystoiminnon asetukselle.

Kuva 6: A-GAGE EZ-ARRAY -tuoteperheen mittaavia valoverhoja on saatavana pituuksilla 150–2400 mm. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Yhteenveto

Valoverhot voivat tehdä paljon muutakin kuin vain estää pääsyn vaarallisille ja herkille alueille ja suojata sekä ihmisiä että koneita. Ne voivat tukea valvottua pääsyä pimennys- ja mykistystoiminnoilla tuottavuuden parantamiseksi. Valoverhot voivat myös tukea kosketuksettomia mittaustekniikoita, joilla objekteista voidaan mitata nopeasti ja tehokkaasti useita mittoja.