Sélectionner et intégrer des systèmes de sécurité multidimensionnels pour protéger les travailleurs des cobots

La sécurité est primordiale lors du déploiement de robots collaboratifs (cobots), de robots mobiles autonomes (AMR) et de véhicules à guidage automatique (AGV) dans les usines et les installations logistiques. Elle est également complexe et multidimensionnelle.

Les mouvements des machines doivent être surveillés et contrôlés conformément aux normes de l'Organisation internationale de normalisation (ISO) 13849 et de la Commission électrotechnique internationale (CEI) 62061 et 61800-5-2 qui fournissent des exigences de sécurité et des conseils sur les principes de conception et d'intégration des parties des systèmes de commande relatives à la sécurité (SRP/CS).

Garantir le fonctionnement sûr des cobots, des AMR, des AGV et des équipements similaires implique souvent la mise en place d'une « enveloppe » de sécurité multicouche avec plusieurs champs s'étendant de la détection initiale et de l'alerte d'objets en approche à l'identification du moment où un objet franchit une zone dangereuse et arrête la machine.

Un système de contrôleur de sécurité modulaire peut ajouter une autre couche d'analyse et de protection. Une analyse efficace et rapide des défauts peut s'avérer importante lorsqu'il s'agit de faire face à des interruptions du champ de protection et au déclenchement inattendu d'un scanner. Cela peut nécessiter un deuxième capteur pour surveiller le champ de protection du capteur principal.

Cet article commence par un bref rappel des exigences des normes ISO 13849, CEI 62061 et CEI 61800-5-2, et par un examen des principes de base des scanners laser de sécurité LiDAR bidimensionnels (2D). Il fournit ensuite une analyse plus approfondie de la manière dont les enveloppes de sécurité multicouches peuvent être mises en œuvre pour protéger les personnes contre les cobots, les AMR, les AGV et les équipements similaires.

L'article aborde également l'utilisation et l'intégration des capteurs LiDAR 2D, examine les avantages de la combinaison de ces capteurs avec un contrôleur de sécurité programmable modulaire pour fournir une dimension de sécurité supplémentaire, puis s'intéresse à l'utilisation d'une caméra d'événements pour permettre l'analyse des défaillances après des interruptions inattendues des champs de protection. Des exemples de dispositifs de SICK sont inclus.

La norme CEI 61508 est la norme fondamentale pour la « Sécurité fonctionnelle des systèmes électriques/électroniques/électroniques programmables relatifs à la sécurité (E/E/PE ou E/E/PES) » et s'applique à toutes les industries. Il existe également des sous-sections et des variantes de ces normes spécifiques à certains secteurs et applications.

La norme CEI 62061, « Sécurité des machines : la sécurité fonctionnelle des systèmes de commande électriques, électroniques et électroniques programmables », est la variante spécifique aux machines de la norme CEI 61508. La norme CEI 61800-5-2, « Entraînements électriques de puissance à vitesse variable – Partie 5-2 : exigences de sécurité – Fonctionnelle », est également liée à la norme CEI 61508 et est une norme pour la conception et le développement de systèmes d'entraînement à vitesse variable.

La norme ISO 13849 a été élaborée indépendamment et n'est pas dérivée de la norme CEI 61508. Les deux traitent de la sécurité fonctionnelle. La norme CEI 61800-5-2 utilise les niveaux d'intégrité de sécurité (SIL) pour définir les exigences de sécurité, tandis que la norme ISO 13849 définit le niveau de performances requis (PL_r).

Les normes ISO 13849 et CEI 61508 sont basées sur le concept de probabilité de défaillance dangereuse par heure (PFH_d). L'analyse de sécurité fonctionnelle ISO 13849 prend en compte trois facteurs : la gravité d'une blessure éventuelle, la fréquence ou l'exposition à un danger et la possibilité de limiter le danger et d'éviter les dommages (Figure 1) :

• Gravité des blessures
  • S1 : blessures légères (normalement réversibles)
  • S2 : blessures graves (irréversibles ou mortelles)
• Fréquence et/ou durée d'exposition au danger
  • F1 : exposition rare à moyenne et/ou exposition de courte durée
  • F2 : exposition fréquente à continue et/ou exposition de longue durée
• Possibilité d'éviter le danger ou de limiter les dommages
  • P1 : possible sous certaines conditions
  • P2 : difficilement possible

Figure 1 : Dérivation des niveaux PL_r dans la norme ISO 13849 et niveaux SIL correspondants dans la norme CEI 62061. Les deux normes sont basées sur le concept de probabilité de défaillance dangereuse par heure (PFH_d). (Source de l'image : SICK)

Fonctionnement du LiDAR

La certification PL_b selon la norme ISO 13849 est requise pour l'utilisation de capteurs de sécurité LiDAR 2D dans les applications de protection individuelle. La gamme de capteurs LiDAR 2D TiM comprend des modèles répondant à cette exigence. Les capteurs LiDAR 2D scannent leur environnement à l'aide de la technologie de temps de vol (ToF) optique. Le temps de vol est mis en œuvre en envoyant des impulsions laser à l'aide d'un miroir rotatif et en détectant la lumière réfléchie. Plus la lumière réfléchie met de temps à revenir au capteur, plus l'objet est éloigné.

La mesure du temps combinée à l'intensité du signal renvoyé permet au capteur de calculer la position de plusieurs objets avec une précision millimétrique. L'image résultante de l'environnement est mise à jour jusqu'à 15 fois par seconde (Figure 2). Des fonctions de navigation, d'orientation, de contrôle et de sécurité en temps réel sont prises en charge.

Figure 2 : Les capteurs LiDAR 2D TiM utilisent un miroir rotatif et des impulsions laser pour créer une image de l'environnement qui peut être mise à jour jusqu'à 15 fois par seconde. (Source de l'image : SICK)

Les capteurs LiDAR 2D TiM détectent des objets dans des zones définies (champs) à surveiller. Selon le modèle, ils disposent d'une portée de balayage allant jusqu'à 25 m et d'une plage de mesure allant jusqu'à 270°.

Les données d'impulsion de retour du laser sont traitées à l'aide de la technologie de mesure de distance haute définition (HDDM) ou HDDM+. La technologie HDDM atteint une très haute précision de mesure sur de courtes distances et convient au positionnement fin dans des applications telles que l'amarrage. La technologie HDDM+ traite particulièrement bien les réflexions périphériques, ce qui la rend particulièrement adaptée aux applications de localisation et d'anticollision dans des environnements dynamiques.

Dans les deux cas, la technologie multi-impulsions HDDM/HDDM+ brevetée permet aux capteurs LiDAR 2D TiM de détecter toute la plage de balayage sans interruption, garantissant une précision de mesure constante, et ils peuvent gérer différentes surfaces et facteurs de rémission.

Les types TiM1xx, TiM3xx et TiM7xx détectent si les objets se trouvent dans un champ prédéfini. Seize ensembles de champs, chacun avec trois champs préconfigurés, permettent une adaptation rapide en cours de fonctionnement (Figure 3). Des géométries de champ individuel peuvent être spécifiées ou des champs de contour de référence peuvent être définis pour la surveillance des contours statiques. Des filtres numériques, des zones masquées et des temps de réponse peuvent également être définis pour maximiser les performances même en présence de fortes pluies, de neige ou de poussière.

Figure 3 : Les ensembles de champs dans les capteurs LiDAR 2D TiM se composent de trois champs préconfigurés. (Source de l'image : SICK)

Des modèles fournissant des données d'évaluation de champ ou des données d'évaluation et de mesure de champ sont disponibles. Les capteurs d'évaluation de champ déterminent uniquement la présence d'un objet, tandis que les données d'évaluation et de mesure de champ peuvent être utilisées pour fournir une image précise d'une surface balayée.

En plus des données de distance, les capteurs LiDAR 2D TiM fournissent également des données angulaires et une sortie d'indicateur de longueur de signal reçu (RSSI). Cet ensemble de données étendu peut s'avérer particulièrement utile pour la prévention des collisions et pour la navigation des AMR dans les environnements changeants.

LiDAR de sécurité, pour ajouter les premières couches de protection

La gamme de LiDAR 2D TiM comprend des variantes axées sur la sécurité, le TiM361S (évaluation de champ) et le TiM781S (sortie de données de mesure et évaluation de champ), répondant aux exigences PL_b et pouvant être utilisés pour des applications stationnaires et mobiles. Ils peuvent être utilisés pour la protection des personnes dans la surveillance d'accès pour les cobots industriels et sur des plateformes mobiles comme les AMR et les AGV.

• Le TIM361S-2134101 (numéro de modèle 1090608) est adapté à une utilisation en intérieur avec une plage de détection de 0,05 m à 10 m et la technologie HDDM.
• Le TIM781S-2174104 (numéro de modèle 1096363) est également adapté à une utilisation en intérieur avec une plage de détection de 0,05 m à 25 m et la technologie HDDM+.

Intégration simplifiée

Les capteurs LiDAR 2D TiM sont conçus pour simplifier l'intégration. Avec un indice de protection jusqu'à IP67, ni la poussière ni l'humidité ne peuvent pénétrer dans le boîtier. Ils sont très résistants à un éclairage ambiant intense jusqu'à 80 000 lx. Leur conception robuste répond aux exigences de résistance aux vibrations de la norme CEI 60068-2-6 et aux exigences de résistance aux chocs de la norme CEI 60068-2-27. Leur robustesse peut être renforcée si nécessaire à l'aide de plaques de protection avec des supports amortis.

Grâce à leur conception compacte, à leur faible poids et à leur basse consommation, les capteurs LiDAR 2D TiM sont parfaitement adaptés aux plateformes mobiles. Les types TIM361S-2134101 et TIM781S-2174104 ne pèsent que 250 g, ont une consommation d'énergie typique de 4 W et mesurent 60 mm de long x 60 mm de large x 86 mm de haut.

Les contrôleurs de sécurité ajoutent une couche supplémentaire

Les scanners laser LiDAR détectent les dangers et envoient des alertes, tandis qu'un contrôleur de sécurité modulaire peut ajouter une autre couche de sécurité à un système de protection. Par exemple, le contrôleur de sécurité Flexi Soft est un système modulaire qui peut être connecté à divers capteurs et éléments de commutation, y compris des scanners laser. Il est répertorié SIL3 conformément à CEI 61508, et PLe avec PFH_d de 1,07 x 10^-9 conformément à ISO 13849.

Un système de base se compose d'au moins deux modules (Figure 4) :

1. Le CPU0, comme le modèle 1043783, est l'unité logique centrale où les signaux provenant de capteurs tels que des LiDAR sont analysés et évalués, déchargeant l'analyse de sécurité du contrôleur central de la machine. La sortie du CPU0 se connecte à un contrôle de machine de plus haut niveau, tel qu'un automate programmable (PLC), où les fonctions de sécurité sont implémentées.
2. Le module d'extension E/S XTIO, tel que le modèle 1044125, est requis pour connecter les scanners laser au système. Un module d'extension E/S XTIO est nécessaire pour deux scanners laser, car chaque scanner laser utilise trois entrées de commutation. Le contrôleur peut gérer jusqu'à 12 modules E/S.

Figure 4 : Le système de contrôleur de sécurité Flexi Soft se compose d'un module CPU (1) et d'un ou plusieurs modules E/S (2). (Source de l'image : SICK)

Déterminer ce qui s'est passé

Un élément important d'un système de sécurité peut être la capacité d'analyser et de comprendre la cause première de toute défaillance, en répondant à la question : « qu'est-ce qui a provoqué le déclenchement du scanner laser de sécurité ? » Une caméra événementielle, l'EventCam de SICK, est spécialement conçue pour détecter et analyser les défaillances sporadiques dans les environnements industriels.

La caméra EventCam est autonome avec optique, éclairage, électronique et mémoire, et elle peut être intégrée dans des systèmes mobiles ou fixes. Le boîtier en aluminium moulé est répertorié IP65 et peut être monté dans différentes positions. La caméra EventCam peut être connectée à un système d'automatisation tel qu'un contrôleur de sécurité ou directement à un capteur.

Une fois qu'une erreur est signalée, l'EventCam commence à stocker des images individuelles ou des séquences vidéo. La mémoire circulaire interne peut stocker jusqu'à 240 secondes avant et 100 secondes après un événement. En mode haute définition (HD), elle peut enregistrer jusqu'à 25 secondes avant et 15 secondes après. La fréquence d'images vidéo par seconde (fps) varie de 13 à 65, selon la résolution requise.

L'EventCam peut également être utile lors de la mise en service de nouvelles machines ou de nouveaux processus. Elle peut surveiller une exécution de test non supervisée comme un test continu de plusieurs heures ou de plusieurs jours et identifier rapidement les sources d'erreur. Plusieurs caméras EventCam peuvent surveiller un seul processus, fournissant des informations visuelles sous plusieurs angles à la fois pour une analyse plus approfondie et plus complète des erreurs (Figure 5).

Figure 5 : Plusieurs caméras EventCam peuvent être synchronisées pour enregistrer un seul événement sous plusieurs angles simultanément. (Source de l'image : SICK)

La caméra EventCam est disponible en deux variantes. Le modèle 1102028 a une plage de mesure de 0,4 m à 0,6 m et peut être utilisé avec des cobots stationnaires avec des espaces de protection relativement petits. Le modèle 1093139 a une plage de mesure de 0,8 m à 6 m et peut s'adapter à des espaces de protection plus étendus pour des cobots, des AMR et des AGV plus grands.

Résumé

Les capteurs LiDAR 2D comme ceux de la gamme TiM de SICK peuvent constituer la première ligne de défense dans un système de sécurité pour les cobots, les AMR, les AGV et les machines similaires. Ils fournissent une série de champs de protection pour surveiller l'approche des personnes. L'ajout d'un contrôleur de sécurité peut faciliter l'analyse des intrusions et améliorer les performances du système. Enfin, une ou plusieurs caméras EventCam peuvent surveiller le capteur LiDAR 2D principal pour aider à identifier la cause première de tout déclenchement sporadique.