Come selezionare e integrare i sistemi di sicurezza multidimensionali per proteggere i lavoratori dai cobot

La sicurezza è essenziale quando si impiegano robot collaborativi (cobot), robot mobili autonomi (AMR) e veicoli a guida autonoma (AGV) in fabbriche e impianti logistici. È una questione anche complessa e multidimensionale.

I movimenti delle macchine devono essere monitorati e controllati in conformità agli standard dell'Organizzazione Internazionale per la Normazione (ISO) 13849 e della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) 62061 e IEC 61800-5-2, che forniscono requisiti di sicurezza e linee guida sui principi per la progettazione e l'integrazione delle parti del sistema di controllo delle macchine legate alla sicurezza (SRP/CS).

Assicurare il funzionamento sicuro di cobot, AMR, AGV e apparecchiature simili richiede spesso la creazione di un "involucro" di sicurezza stratificato con campi multipli, dal rilevamento iniziale con la segnalazione di oggetti in avvicinamento, all'identificazione di un oggetto che entra in una zona pericolosa, fino all'arresto della macchina.

Un sistema di controllo della sicurezza modulare può aggiungere un ulteriore livello di analisi e protezione. Un'analisi efficiente e rapida dei guasti può essere una considerazione importante quando si devono gestire interruzioni del campo di protezione e attivazioni impreviste di uno scanner. Ciò può richiedere un secondo sensore per monitorare il campo protettivo del sensore primario.

Questo articolo inizia con un breve aggiornamento sui requisiti delle norme ISO 13849, IEC 62061 e IEC 61800-5-2 e con un ripasso dei principi base degli scanner laser di sicurezza bidimensionali (2D) a tecnologia LiDAR (imaging, rilevamento e telemetria tramite onde luminose). Il documento fornisce poi un'analisi più approfondita di come sia possibile implementare "involucri" di sicurezza stratificati per proteggere le persone da cobot, AMR, AGV e apparecchiature simili.

È fornita anche una panoramica dell'uso e dell'integrazione dei sensori LiDAR 2D e un'analisi dei vantaggi derivanti dalla combinazione di tali sensori con un controller di sicurezza modulare programmabile per fornire un'ulteriore dimensione di sicurezza, oltre all'uso di una telecamera basata su eventi per consentire l'analisi dei guasti nei casi di interruzione imprevista dei campi protettivi. Sono menzionati dispositivi di esempio di SICK.

La norma IEC 61508 è lo standard fondamentale per la "Sicurezza funzionale dei sistemi elettrici, elettronici ed elettronici programmabili (E/E/PE) correlati alla sicurezza" e si applica a tutti i settori industriali. Esistono inoltre sottosezioni e varianti di queste norme specifiche per determinati settori e applicazioni.

La norma IEC 62061, "Sicurezza dei macchinari: Sicurezza funzionale dei sistemi di controllo elettrici, elettronici ed elettronici programmabili", è la variante della IEC 61508 specifica per i macchinari. La norma IEC 61800-5-2, "Sistemi di azionamento elettrico a velocità regolabile - Parte 5-2: Requisiti di sicurezza - Funzionali", è correlata alla norma IEC 61508 e riguarda la progettazione e lo sviluppo di sistemi di azionamento a velocità regolabile.

La norma ISO 13849 è stata sviluppata in modo indipendente e non è derivata dalla norma IEC 61508. Entrambe riguardano la sicurezza funzionale, ma la norma IEC 61800-5-2 utilizza i livelli di integrità della sicurezza (o SIL, Safety Integrity Level) per definire i requisiti di sicurezza, mentre la norma ISO 13849 definisce il livello di prestazione richiesto (o PL_r, Required Perfomance Level).

Le norme ISO 13849 e IEC 61508 si basano sul concetto di probabilità di guasto pericoloso per ora (PFH_d). L'analisi della sicurezza funzionale secondo ISO 13849 prende in considerazione tre fattori: la gravità di una possibile lesione, la frequenza o l'esposizione a un pericolo e la possibilità di limitare il pericolo ed evitare il danno (Figura 1):

• Gravità della lesione
  • S1: Lieve (normalmente reversibile)
  • S2: Grave (normalmente irreversibile o morte)
• Frequenza e/o durata dell'esposizione al pericolo
  • F1: Rara e/o tempo di esposizione breve
  • F2: Frequente/continua e/o tempo di esposizione lungo
• Possibilità di evitare il pericolo o limitare il danno
  • P1: Possibile in specifiche condizioni
  • P2: Difficilmente possibile

Figura 1: Derivazione dei livelli PL_r secondo ISO 13849 e dei corrispondenti livelli SIL secondo IEC 62061. Entrambe le norme si basano sul concetto di guasto pericoloso all'ora (PFH_d). (Immagine per gentile concessione di SICK)

Come funziona la tecnologia LiDAR?

La certificazione di PL_b secondo la norma ISO 13849 è necessaria per l'uso di sensori di sicurezza LiDAR 2D in applicazioni di protezione personale. La famiglia di sensori LiDAR 2D TiM comprende modelli che soddisfano questo requisito. I sensori LiDAR 2D effettuano una scansione dell'ambiente circostante utilizzando la tecnologia ottica del tempo di volo (ToF). Il ToF viene implementato inviando impulsi laser tramite uno specchio rotante e rilevando la luce riflessa. Più tempo impiega la luce riflessa a tornare al sensore, più lontano è l'oggetto.

La misurazione del tempo combinata con l'intensità del segnale restituito consente al sensore di calcolare la posizione di più oggetti con una precisione millimetrica. L'immagine risultante dell'ambiente circostante viene aggiornata fino a 15 volte al secondo (Figura 2). Questa tecnologia può supportare funzioni di navigazione, orientamento, controllo e sicurezza in tempo reale.

Figura 2: I sensori LiDAR 2D TiM utilizzano uno specchio rotante e impulsi laser per creare un'immagine dell'ambiente circostante che può essere aggiornata fino a 15 volte al secondo. (Immagine per gentile concessione di SICK)

I sensori LiDAR 2D TiM rilevano gli oggetti in aree definite (campi) da monitorare. A seconda del modello, hanno un campo di scansione fino a 25 m e un campo di lavoro fino a 270°.

I dati degli impulsi di ritorno del laser vengono elaborati con la tecnologia di misurazione della distanza ad alta definizione HDDM o HDDM+: HDDM raggiunge una precisione di misurazione molto elevata a brevi distanze ed è adatta al posizionamento fine in applicazioni come il docking; HDDM+ elabora in modo particolarmente efficace i riflessi sui bordi, rendendolo particolarmente adatto alle applicazioni di localizzazione e anticollisione in ambienti dinamici.

In entrambi i casi, la tecnologia brevettata HDDM/HDDM+ multi-impulso consente ai sensori LiDAR 2D TiM di rilevare l'intero campo di scansione senza spazi vuoti, assicurando una precisione di misurazione costante, nonché di gestire superfici e fattori di remissione diversi.

I tipi TiM1xx, TiM3xx e TiM7xx rilevano la presenza di oggetti in un campo predefinito. Sedici set di campi, ciascuno con tre campi preconfigurati, consentono un rapido adattamento durante il funzionamento (Figura 3). È possibile specificare le geometrie dei singoli campi o definire campi di contorno di riferimento per il monitoraggio statico dei contorni. È inoltre possibile definire filtri digitali, aree mascherate e tempi di risposta per massimizzare le prestazioni anche in presenza di pioggia, neve o polvere.

Figura 3: I set di campi nei sensori LiDAR 2D TiM sono costituiti da tre campi preconfigurati. (Immagine per gentile concessione di SICK)

Sono disponibili modelli che forniscono dati di valutazione sul campo o dati di valutazione e misurazione sul campo. I sensori di valutazione sul campo determinano solo la presenza di un oggetto, mentre i dati di valutazione e misurazione sul campo possono essere utilizzati per fornire un'immagine accurata di una superficie scansionata.

Oltre ai dati sulla distanza, sono disponibili sensori LiDAR 2D TiM che forniscono anche dati angolari e un'uscita indicatore dell'intensità del segnale ricevuto (RSSI). Questo set di dati ampliato può essere particolarmente utile per l'evitamento delle collisioni e la navigazione degli AMR in ambienti mutevoli.

LiDAR di sicurezza, aggiunta dei primi strati protettivi

La famiglia di LiDAR 2D TiM dispone di varianti correlate alla sicurezza (TiM361S per la valutazione sul campo e TiM781S per l'output di dati di valutazione e misurazione sul campo), che soddisfano i requisiti del PL_b e possono essere utilizzate per applicazioni fisse e mobili. Questi dispositivi possono essere utilizzati per la protezione personale nel monitoraggio degli accessi per cobot industriali e su piattaforme mobili come AMR e AGV.

• Il dispositivo TIM361S-2134101, numero di modello 1090608, è adatto per l'uso in interni con un raggio di rilevamento da 0,05 a 10 m e tecnologia HDDM.
• Il dispositivo TIM781S-2174104, numero di modello 1096363, è adatto anche per l'uso in interni con un raggio di rilevamento da 0,05 a 25 m e tecnologia HDDM+.

Integrazione semplificata

I sensori LiDAR 2D TiM sono progettati per semplificare l'integrazione. Con un grado di protezione fino a IP67, né la polvere né l'umidità possono penetrare nell'alloggiamento. Sono altamente immuni all'illuminazione ambientale intensa, fino a 80.000 lx. Il design robusto soddisfa i requisiti di resistenza alle vibrazioni secondo IEC 60068-2-6 e di resistenza agli urti secondo IEC 60068-2-27. La loro robustezza può essere migliorata, se necessario, utilizzando piastre di protezione dotate di supporti smorzati.

Il design compatto, il peso contenuto e il basso consumo energetico dei sensori LiDAR 2D TiM li rendono adatti alle piattaforme mobili. I modelli TIM361S-2134101 e TIM781S-2174104 pesano entrambi solo 250 g, hanno un consumo tipico di 4 W e misurano 60 x 60 x 86 mm (L x P x A).

I controller di sicurezza aggiungono un ulteriore livello

Gli scanner laser LiDAR rilevano i pericoli e inviano avvisi, ma un controller di sicurezza modulare può aggiungere un ulteriore livello di sicurezza a un sistema di protezione. Ad esempio, il controller di sicurezza Flexi Soft è un sistema modulare che può essere collegato a vari sensori ed elementi di commutazione, compresi gli scanner laser. È classificato SIL3 secondo IEC 61508 e PLe con un PFH_d di 1,07 x 10^-9 secondo ISO 13849.

Un sistema di base è composto da almeno due moduli (Figura 4):

1. La CPU0, come il modello 1043783, è l'unità logica centrale in cui vengono analizzati e valutati i segnali provenienti da sensori come il LiDAR, alleggerendo dell'analisi di sicurezza il controller centrale della macchina. L'uscita della CPU0 si collega a un controllo macchina di livello superiore, come un controller a logica programmabile (PLC), dove vengono implementate le funzioni di sicurezza.
2. Il modulo di espansione I/O XTIO, come il modello 1044125, è necessario per collegare gli scanner laser al sistema. Ogni due laser scanner è necessario un modulo di espansione I/O XTIO, poiché ogni laser scanner utilizza tre ingressi di commutazione. Il controller può gestire fino a 12 moduli di I/O.

Figura 4: Il sistema di controllo della sicurezza Flexi Soft è costituito da un modulo CPU (1) e da uno o più moduli di I/O (2). (Immagine per gentile concessione di SICK)

Determinare l'accaduto

Un elemento importante in un sistema di sicurezza può essere la capacità di analizzare e comprendere la causa principale di qualsiasi guasto, rispondendo alla domanda: "Cosa ha determinato l'attivazione del laser scanner di sicurezza?". Una telecamera basata su eventi, come EventCam di SICK, è progettata specificamente per rilevare e analizzare guasti sporadici in ambienti industriali.

EventCam è un dispositivo autonomo dotato di ottica, illuminazione, elettronica e memoria, che può essere integrato in sistemi mobili o fissi. L'alloggiamento in alluminio pressofuso ha un grado di protezione IP65 e può essere montato in varie posizioni. EventCam può essere collegata a un sistema di automazione come un controller di sicurezza o direttamente a un sensore.

Una volta segnalato un errore, EventCam inizia a memorizzare singoli fotogrammi o sequenze video. La memoria circolare interna può memorizzare fino a 240 secondi prima e 100 secondi dopo un evento. In modalità ad alta definizione (HD) può registrare fino a 25 secondi prima e 15 secondi dopo. La velocità dei fotogrammi al secondo (fps) varia da 13 a 65, a seconda della risoluzione richiesta.

EventCam può essere utile anche per la messa in funzione di nuove macchine o processi. Può monitorare un'esecuzione di test non supervisionata, come un test continuo di più ore o più giorni, e identificare rapidamente le fonti di errore. Più EventCam possono monitorare un singolo processo, fornendo informazioni visive da più angolazioni contemporaneamente per un'analisi più approfondita e completa degli errori (Figura 5).

Figura 5: È possibile sincronizzare più EventCam per registrare un singolo evento da più angolazioni contemporaneamente. (Immagine per gentile concessione di SICK)

EventCam è disponibile in due varianti: il modello 1102028 ha una distanza di lavoro da 0,4 a 0,6 metri e può essere utilizzato con cobot stazionari con spazi di protezione relativamente piccoli, il modello 1093139 ha invece una distanza di lavoro da 0,8 a 6 metri e può adattarsi agli spazi protettivi più ampi per cobot più grandi, AMR e AGV.

Conclusione

I sensori LiDAR 2D come la famiglia TiM di SICK possono costituire la prima linea di difesa in un sistema di sicurezza per cobot, AMR, AGV e macchine simili. Forniscono una serie di campi protettivi per monitorare l'avvicinamento delle persone. L'aggiunta di un controller di sicurezza può supportare l'analisi delle intrusioni e migliorare le prestazioni del sistema. Infine, una o più telecamere basate su eventi possono monitorare il sensore LiDAR 2D primario per aiutare a identificare la causa di qualsiasi attivazione sporadica.