Gli scanner laser di sicurezza possono proteggere persone e macchine

Gli scanner laser di sicurezza possono contribuire alla sicurezza nelle strutture industriali e logistiche, proteggendo le persone da interazioni non sicure con le macchine e le macchine da interferenze involontarie da parte delle persone.

Diversi fattori contribuiscono a massimizzare l'efficacia degli scanner laser di sicurezza. Il primo è stabilire se uno scanner laser è la soluzione migliore o se un'altra tecnologia, come una barriera fotoelettrica, può essere più adatta all'applicazione finale.

Una volta stabilito che lo scanner è ideale, ci sono decisioni importanti da prendere, tra cui la scelta del tipo di scanner:

• Selezione dei campi di protezione e dei set di campi di sicurezza ottimali
• Utilizzo di uno standard come quello stabilito dall'Organizzazione Normativa Internazionale (ISO) 13855 per il posizionamento delle protezioni in relazione all'avvicinamento di una persona
• Selezione del corretto valore di campionamento multiplo
• Selezione di uno scanner con il set di funzioni ottimale

Questo articolo inizia con una rassegna dei fattori che influenzano la scelta di uno scanner e di una barriera fotoelettrica. Presenta quindi gli importanti criteri di selezione per l'utilizzo degli scanner ed esamina scanner laser di sicurezza rappresentativi di IDEC, Omron, SICK e Banner Engineering.

Scanner o barriera?

Una delle prime considerazioni da fare riguarda lo spazio fisico da proteggere. Sia gli scanner sia le barriere fotoelettriche possono proteggere le persone dai danni e le macchine dalle interferenze. Anche se le capacità di protezione degli scanner e delle barriere fotoelettriche sono in parte sovrapponibili, in genere sono adatte ad applicazioni diverse, ad esempio:

Protezione del punto operativo, ossia dell'area attiva di una macchina in cui viene eseguito il lavoro. Le barriere fotoelettriche sono adatte a questa applicazione perché possono essere posizionate in un punto ottimale e la loro risoluzione può essere impostata per rilevare dita, mani o piedi/gambe e fornire il livello di protezione richiesto. Gli scanner necessitano in genere di una distanza minima maggiore dai pericoli a causa dei loro tempi di risposta più lunghi e non sono generalmente utilizzati per la protezione dei punti operativi.

Protezione perimetrale, che protegge più lati di una macchina. Come la protezione del punto operativo, le barriere fotoelettriche sono adatte a fornire soluzioni compatte per la protezione perimetrale. Se una persona attraversa il perimetro, un segnale di arresto ferma la macchina. Sebbene sia le barriere fotoelettriche sia gli scanner possano essere utilizzati per la protezione perimetrale, le barriere fotoelettriche di sicurezza sono utilizzate più spesso per la protezione perimetrale, mentre gli scanner sono più frequenti per la protezione delle aree.

Controllo degli accessi e protezione delle aree, che possono essere implementati con una barriera fotoelettrica o con uno scanner, a seconda delle esigenze specifiche dell'applicazione. Le barriere fotoelettriche sono adatte quando esiste un unico punto di ingresso. Ad esempio, il monitoraggio e la valutazione individuale di ciascun fascio di luce consente a una barriera fotoelettrica di distinguere tra una persona "alta" e un dispositivo "basso", come un pallet che attraversa una soglia, e di modificare la risposta di conseguenza.

Gli scanner possono essere impostati per monitorare un'area di 275° per creare una zona protetta bidimensionale definita dall'utente (Figura 1). Possono anche stabilire zone di protezione multiple in base alla distanza tra una persona e la macchina protetta e rallentare o fermare la macchina, a seconda dei casi.

Figura 1: Un scanner laser di sicurezza come questo può monitorare un'area di 275° per creare una zona protetta bidimensionale e inviare un allarme se una persona o un oggetto inatteso entra in tale area (linee rosse). (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Sistemi mobili come i robot mobili autonomi (AMR) e i veicoli a guida automatica (AGV), che possono trarre vantaggio dall'uso di più scanner. Questi scanner possono essere alimentati a batteria e installati per lavorare in modo cooperativo, monitorando simultaneamente decine di zone di sicurezza intorno al veicolo. È possibile attivare diverse zone in base alla velocità del veicolo, alla sua posizione e ai cambiamenti di direzione previsti. I dati provenienti dagli scanner possono essere integrati da encoder posti sulle ruote e da altri sensori per supportare la navigazione AMR.

Quale livello di sicurezza?

Una volta definito lo spazio fisico da proteggere, la considerazione successiva è il livello di sicurezza necessario. Oltre a presentare vantaggi applicativi diversi, le barriere fotoelettriche e gli scanner laser di sicurezza supportano livelli di sicurezza diversi, definiti da vari standard internazionali. Ad esempio, la norma ISO 13849-1 definisce l'affidabilità delle funzioni di controllo sicure utilizzando livelli di prestazione (PL) da "a" a "e", dove PLe rappresenta il livello più alto.

Gli scanner laser di sicurezza soddisfano i criteri PLd e sono adatti all'uso in applicazioni in cui la sicurezza è una priorità assoluta. La classificazione PLd viene assegnata ai sistemi con la probabilità di un guasto pericoloso ogni 1-10 milioni di ore (da 141 a 1.141 anni a funzionamento continuo). Le barriere fotoelettriche sono disponibili con una gamma più ampia di opzioni, da PLc a PLe.

Un altro standard importante è la norma IEC 62061, Sicurezza delle macchine: Sicurezza funzionale dei sistemi di controllo elettrici, elettronici ed elettronici programmabili. Si basa su una strategia di valutazione e riduzione dei rischi per le funzioni di controllo della sicurezza come le barriere fotoelettriche e gli scanner laser di sicurezza. Include le specifiche dei requisiti funzionali e i requisiti del livello di integrità della sicurezza (SIL).

Esempi di requisiti funzionali sono la frequenza di funzionamento, il tempo di risposta, le modalità operative, i cicli di lavoro, l'ambiente operativo, le funzioni di reazione ai guasti e così via. I SIL risultanti sono misurati su una scala da 1 a 4 (Figura 2).

Figura 2: Gli scanner laser di sicurezza soddisfano i criteri PLd e SIL3 e sono adatti all'uso in applicazioni in cui la sicurezza è importante. (Immagine per gentile concessione di SICK)

La norma ISO 13855 definisce come posizionare gli scanner rispetto all'avvicinamento di una persona. Ad esempio, se uno scanner è montato a un'altezza di 300 mm, una risoluzione di 70 mm è sufficiente per rilevare una gamba umana. Ad altezze di montaggio inferiori, la risoluzione minima consigliata è di 50 mm.

Specifiche dello scanner

Una volta stabilito che uno scanner laser di sicurezza soddisfa i requisiti dell'applicazione e può supportare il livello di sicurezza richiesto, è il momento di considerare le specifiche. Esempi di importanti specifiche per uno scanner includono:

Angolo di scansione. Sono disponibili diversi angoli di scansione, come 190°, 270° e 275°. L'angolo di scansione e la sua struttura determinano il modo in cui lo scanner viene montato nel sistema per monitorare le aree necessarie.

Zone di protezione. Gli scanner laser di sicurezza offrono più zone di protezione, tra cui la zona di protezione primaria e una o più zone di avviso. Alcuni possono utilizzare i dati scansionati per la configurazione automatica per ignorare gli oggetti fermi nelle zone di avviso (Figura 3). In alcuni casi, uno scanner laser di sicurezza può scansionare più zone in sequenza o contemporaneamente. Ad esempio, uno scanner può supportare fino a 70 set unici di zone di sicurezza. Su un AMR, questa funzione consente allo scanner di regolare le aree scansionate in base all'ambiente circostante e alla velocità del movimento.

Figura 3: La messa in funzione può essere accelerata utilizzando uno scanner che utilizza i dati scansionati per la configurazione automatica per identificare gli oggetti fissi nelle zone di avviso. (Immagine per gentile concessione di IDEC)

Campo di protezione. È la distanza massima dell'area protetta dallo scanner. I valori tipici vanno da 3 a 10 m. Il campo di protezione richiesto dipende dalle normative locali e dal tempo di risposta e dalla risoluzione dello scanner.

Risoluzione. Si misura in millimetri e determina la dimensione minima dell'oggetto che lo scanner è in grado di rilevare con precisione. I valori tipici vanno da 30 mm a 200 mm.

Tempo di risposta. Detto anche tempo di rilevamento, misura la velocità con cui uno scanner è in grado di riconoscere l'avvicinamento di un oggetto. I valori tipici vanno da 60 a 500 ms.

Campionamento. Indica quante volte un oggetto deve essere scansionato in successione per essere riconosciuto dallo scanner. Per impostazione predefinita, di solito sono necessarie almeno due scansioni di campionamento. Tuttavia, per alcuni scanner e in alcune circostanze possono essere necessarie dieci o più scansioni di campionamento successive per riconoscere un oggetto.

Doppia zona di protezione

Gli scanner laser di sicurezza hanno varie caratteristiche e funzioni che si adattano alle diverse esigenze applicative. Ad esempio, gli scanner laser di sicurezza SE2L di IDEC includono la funzionalità master/slave e due zone di protezione. La funzione master/slave consente a uno scanner di comunicare con un massimo di altri tre scanner. Ciò può semplificare notevolmente la progettazione del sistema e consentire l'uso di un controller a basso costo, poiché il controller di sicurezza deve comunicare solo con il master, che trasmette le istruzioni agli scanner slave. Il modello SE2L-H05LP può essere installato utilizzando cavi di lunghezza compresa tra 2 e 20 m, aumentando ulteriormente la flessibilità.

Questi scanner hanno un tempo di ciclo di scansione di 30 ms e possono includere 32 modelli nell'area di scansione. Utilizzando la funzione di doppia zona, una singola unità SE2L può scansionare in modo indipendente due zone adiacenti contemporaneamente, eliminando la necessità di un secondo scanner e semplificando la progettazione del sistema.

Basso consumo per la sicurezza a batteria

Estendere al massimo i tempi di esercizio degli AGV e degli AMR può essere una considerazione importante. Queste applicazioni possono trarre vantaggio dall'utilizzo dello scanner laser di sicurezza OS32C-SP1-4M di Omron, un modello compatto di soli 104,5 mm. Il consumo massimo è di 5 W (3,75 W in modalità standby) e offre 70 set di combinazioni di zone di sicurezza e di allarme, che lo rendono adatto all'uso in ambienti complessi (Figura 4). Le altre caratteristiche includono:

• Risoluzione minima impostabile su 30, 40, 50 o 70 mm
• Area di sicurezza variabile a seconda della risoluzione:
  • 1,75 m (risoluzione di 30 mm)
  • 2,5 m (risoluzione di 40 mm)
  • 3,0 m (risoluzione di 50 mm)
  • 4,0 m (risoluzione di 70 mm)
• Raggio della zona di avviso fino a 15 m
• Tempo di risposta configurabile da 80 ms a 680 ms
• Tempo di commutazione della zona impostabile da 20 ms a 320 ms

Figura 4: Questo scanner laser di sicurezza a basso consumo supporta 70 serie di combinazioni di zone di sicurezza e di avviso, che lo rendono adatto agli AMR in ambienti complessi o dinamici. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Campi tripli con campionamento e risoluzione selezionabili

Gli scanner laser di sicurezza S300 Mini Standard di SICK offrono risoluzioni di rilevamento e livelli di campionamento selezionabili. Ad esempio, il modello S32B-2011BA supporta diametri di risoluzione di 30, 40, 50 e 70 mm. È possibile definire più campionamenti e risoluzioni per ogni campo, compresi i campi protettivi simultanei (Figura 5). Questi scanner supportano fino a 48 campi liberamente configurabili e 16 set di campi commutabili. La funzione di triplo campo offre contemporaneamente un campo protettivo e due campi di avviso.

Figura 5: Gli scanner laser di sicurezza S300 Mini Standard possono implementare più livelli di campionamento e diverse risoluzioni per ogni campo di scansione. (Immagine per gentile concessione di SICK)

Dire addio ai PLC di sicurezza

Gli scanner laser di sicurezza SX5 di Banner Engineering sono dotati di una funzione di silenziamento integrata che può monitorare e rispondere ai segnali e sospendere automaticamente la funzione di protezione per consentire a un oggetto di attraversare la zona di sicurezza senza generare un comando di arresto. Questa funzione consente di sospendere l'intera zona di sicurezza (silenziamento totale) o solo una sezione della zona di sicurezza (silenziamento dinamico parziale).

Un'unità master SX5, come SX5-ME70, può controllare fino a tre unità remote come SX5-R; lo scanner può anche leggere gli ingressi dell'encoder incrementale per modificare la zona di sicurezza in base alla velocità del veicolo. Queste funzioni possono eliminare la necessità di hardware di controllo aggiuntivo come un PLC di sicurezza.

Conclusione

Se specificati, configurati e integrati correttamente, gli scanner laser di sicurezza sono ideali per proteggere persone e macchine in applicazioni come il controllo degli accessi, la protezione delle aree e i sistemi mobili, compresi AGV e AMR. Soddisfano i requisiti PLd e SIL3 e sono adatti all'uso in applicazioni in cui la sicurezza è una considerazione importante. Questi scanner sono disponibili con varie combinazioni di caratteristiche e funzioni per soddisfare una vasta gamma di esigenze applicative.