Siguranța este esențială atunci când se implementează roboți colaborativi (coboți), roboți mobili autonomi (AMR) și vehicule cu ghidare autonomă (AGV) în fabrici și facilități logistice. Este, de asemenea, complexă și multidimensională.
Mișcările mașinilor trebuie monitorizate și controlate în conformitate cu Organizația Internațională de Standardizare (ISO) 13849, Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) 62061 și IEC 61800-5-2, care oferă cerințe de siguranță și orientări privind principiile de proiectare și integrare a părților sistemelor de control legate de siguranță (SRP/CS).
Asigurarea operării în siguranță a coboților, AMR-urilor, AGV-urilor și a echipamentelor similare necesită, adesea, stabilirea unui pachet de siguranță stratificat cu câmpuri multiple, de la detectarea și avertizarea inițială a obiectelor, care se apropie până la identificarea momentului în care un obiect depășește o zonă periculoasă și oprește mașina.
Un sistem modular de controler de siguranță poate adăuga un alt nivel de analiză și protecție. Analiza eficientă și rapidă a defecțiunilor poate fi un considerent important atunci când este vorba de întreruperi ale câmpului de protecție și declanșarea neașteptată a unui scaner. Acest lucru poate necesita un al doilea senzor pentru a monitoriza câmpul de protecție al senzorului primar.
Este inclusă o revizuire a utilizării și integrării senzorilor LiDAR 2D, precum și o analiză a beneficiilor combinării acestor senzori cu un controler de siguranță programabil modular pentru a oferi o dimensiune suplimentară de siguranță, plus utilizarea unei camere pentru evenimente cu scopul de a permite analiza defecțiunilor în cazul întreruperilor neașteptate ale câmpurilor de protecție. De asemenea, se prezintă câteva exemple de dispozitive de la SICK.
IEC 61508 este standardul de bază pentru “Siguranța funcțională a sistemelor electrice/electronice/electronice programabile asociate siguranței (E/E/PE, sau E/E/PES)” și se aplică tuturor industriilor. În plus, există subsecțiuni și variante specifice industriei și aplicațiilor.
IEC 62061, “Siguranța mașinilor: Siguranța funcțională a sistemelor de control electrice, electronice și electronice programabile”, este varianta specifică mașinilor a IEC 61508. IEC 61800-5-2, “Sisteme de acționare electrică cu viteză reglabilă – Secțiunea 5-2: Cerințe de securitate – Funcționale”, este, de asemenea, legată de IEC 61508 și este un standard pentru proiectarea și dezvoltarea sistemelor de comandă cu viteză reglabilă.
Figura 1: Derivarea nivelurilor PLr in ISO 13849 în ISO 13849 și a SIL-urilor corespunzătoare în IEC 62061. Ambele standarde se bazează pe conceptul de defecțiune periculoasă pe oră (PFHd). (Sursă imagine: SICK)
ISO 13849 a fost dezvoltat independent și nu derivat din IEC 61508. Ambele se referă la siguranța funcțională. IEC 61800-5-2 utilizează nivelurile de integritate a siguranței (SIL) pentru a defini cerințele de siguranță, în timp ce ISO 13849 definește nivelul de performanță necesar (Required Performance Level – PLr).
ISO 13849 și IEC 61508 se bazează pe conceptul de probabilitate de defecțiune periculoasă pe oră (PFHd). Analiza siguranței funcționale ISO 13849 ia în considerare trei factori: gravitatea unei posibile vătămări, frecvența sau expunerea la un pericol și potențialul de limitare a pericolului și de evitare a vătămării (figura 1):
- Nivelul de severitate al vătămării
- S1: Slight (Ușor) (vătămare reversibilă, în mod normal)
- S2: Serious (Grav) (în general, vătămare ireversibilă sau deces)
- Frecvența și/sau expunerea la pericol
- F1: Cu frecvență redusă până la foarte rar și/sau timpul de expunere este scurt
- F2: Frecvent până la continuu și/sau timpul de expunere este lung
- Posibilitatea de a evita pericolul sau de a limita daunele
- P1: Posibil în anumite condiții
- P2: Foarte puțin posibil
Cum funcționează LiDAR?
Certificarea PLb în conformitate cu ISO 13849 este necesară pentru utilizarea senzorilor de siguranță LiDAR 2D în aplicații de protecție personală. Familia de senzori TiM 2D LiDAR include modele care îndeplinesc această cerință. Senzorii LiDAR 2D scanează mediul înconjurător utilizând tehnologia optică ToF (Time-of-Flight). ToF se implementează prin trimiterea de impulsuri laser cu ajutorul unei oglinzi rotative și detectarea luminii reflectate. Cu cât lumina reflectată are nevoie de mai mult timp pentru a ajunge înapoi la senzor, cu atât obiectul este mai îndepărtat.
Figura 2: Senzorii TiM 2D LiDAR utilizează o oglindă rotativă și impulsuri laser pentru a crea o imagine a împrejurimilor care poate fi actualizată de aproximativ 15 ori pe secundă. (Sursă imagine: SICK)
Măsurarea timpului combinată cu puterea semnalului returnat permite senzorului să calculeze poziția mai multor obiecte cu o precizie milimetrică. Imaginea rezultată a împrejurimilor este actualizată cu o frecvență de până la 15 ori pe secundă (figura 2). Acesta poate susține funcții de navigație, orientare, control și siguranță în timp real.
Senzorii TiM 2D LiDAR detectează obiecte în zone definite (câmpuri) care urmează să fie monitorizate. În funcție de model, aceștia au o rază de scanare de până la 25 m și o rază de lucru de până la 270°.
Datele impulsului de întoarcere de la laser sunt prelucrate utilizând tehnologia HDDM (High-Definition Distance Measurement) sau HDDM+. HDDM atinge o precizie de măsurare foarte ridicată pe distanțe scurte și este potrivită pentru poziționarea fină în aplicații precum andocarea. HDDM+ procesează foarte bine undele care se reflectă de pe marginea suprafețelor (obiectelor), ceea ce o face mai potrivită pentru aplicații de localizare și anti-coliziune în medii dinamice.
În ambele cazuri, tehnologia patentată multi-puls HDDM/HDDM+ permite senzorilor TiM 2D LiDAR să acopere întreaga zonă de scanare fără întreruperi, asigurând o precizie constantă a măsurătorilor și să poată gestiona diferite suprafețe și factori de reflectivitate.
Figura 3: Seturile de câmpuri în senzorii TiM 2D LiDAR constau din trei câmpuri preconfigurate. (Sursă imagine: SICK)
Tipurile de senzori TiM1xx, TiM3xx și TiM7xx detectează dacă obiectele se află într-un câmp predefinit. Șaisprezece seturi de câmpuri, fiecare cu trei câmpuri preconfigurate, permit adaptarea rapidă în timpul operării (figura 3). Pot fi specificate geometrii de câmp individuale sau pot fi definite câmpuri de contur de referință pentru monitorizarea statică a contururilor. De asemenea, pot fi definite filtre digitale, zone mascate și timpi de răspuns pentru a maximiza performanța chiar și în prezența precipitațiilor abundente, a zăpezii sau a prafului.
Sunt disponibile modele care furnizează date de evaluare a câmpului sau date de evaluare și măsurare a câmpului. Senzorii de evaluare a câmpului determină doar prezența unui obiect, în timp ce datele de evaluare și măsurare a câmpului pot fi utilizate pentru a oferi o imagine exactă a unei suprafețe scanate.
Pe lângă datele privind distanța, sunt disponibili senzori LiDAR TiM 2D care furnizează și date unghiulare și un indicator al puterii semnalului recepționat (RSSI). Acest set extins de date poate fi deosebit de util pentru evitarea coliziunilor și navigația pentru AMR-uri în medii în continuă schimbare.
Senzori LiDAR de siguranță – adăugarea primelor straturi de protecție
Familia de senzori TiM 2D LiDAR dispune de versiuni axate pe siguranță: TiM361S (evaluare pe teren) și TiM781S (evaluare pe teren și transmitere de date de măsurare), care îndeplinesc cerințele PLb și pot fi utilizați pentru aplicații staționare și mobile. Aceștia pot fi folosiți pentru asigurarea protecției persoanelor în monitorizarea accesului la coboții industriali și pe platforme mobile precum AMR-uri și AGV-uri.
- Tipul TIM361S-2134101, număr de referință 1090608, este potrivit pentru utilizarea în interior, cu o rază de detectare de la 0,05 la 10 m și tehnologie HDDM.
- Tipul TIM781S-2174104, număr de referință 1096363, este, de asemenea, potrivit pentru utilizarea în interior, având o rază de detectare de la 0,05 la 25 m și tehnologie HDDM+.
Integrare simplificată
Senzorii LiDAR TiM 2D au fost creați pentru a simplifica integrarea. Cu un grad de protecție de până la IP67, nici praful, nici umezeala nu pot intra în carcasă. Sunt imuni la o lumină ambientală intensă de până la 80.000 lx. Designul lor robust îndeplinește cerințele de rezistență la vibrații din IEC 60068-2-6 și cerințele de rezistență la șocuri din IEC 60068-2-27. Robustețea lor poate fi îmbunătățită atunci când este necesar, prin montarea de plăci de amortizare.
Designul compact, greutatea redusă și consumul mic de putere ale senzorilor LiDAR TiM 2D îi fac potriviți pentru platformele mobile. Modelele TIM361S-2134101 și TIM781S-2174104 cântăresc doar 250 g, au un consum tipic de energie de 4 W și măsoară 60 mm lungime × 60 mm lățime × 86 mm înălțime.
Controlerele de siguranță adaugă încă un nivel de protecție
Figura 4: Controlerul de siguranță Flexi Soft este format dintr-un modul CPU (1) și unul sau mai multe module I/O (2). (Sursă imagine: SICK)
Scanerele laser LiDAR detectează pericolele și trimit alerte, în timp ce un controler de siguranță modular poate adăuga un alt nivel de securitate la un sistem de protecție. De exemplu, controlerul de siguranță Flexi Soft este un sistem modular care poate fi conectat la diverși senzori și elemente de comutare, inclusiv scanere laser. Este clasificat SIL3 în conformitate cu IEC 61508 și PLe cu un PFHd de 1.07 × 10-9 în conformitate cu ISO 13849.
Un sistem de bază constă din cel puțin două module (figura 4):
- CPU0, precum modelul 1043783, este unitatea logică centrală în care semnalele de la senzori, precum LiDAR, sunt analizate și evaluate, descărcând analiza de siguranță de la controlerul central al mașinii. Ieșirea CPU0 se conectează la un control al mașinii de nivel superior, cum ar fi un controler logic programabil (PLC), unde sunt implementate funcțiile de siguranță.
- Modulul de expansiune XTIO I/O, cum ar fi dispozitivul 1044125, este necesar pentru a conecta scanerele laser la sistem. Un modul de extensie XTIO I/O este necesar la fiecare două scanere laser, deoarece fiecare scaner laser utilizează trei intrări de comutare. Controlerul poate opera până la 12 module I/O.
Ce s-a întâmplat?
Un element important într-un sistem de siguranță poate fi abilitatea de a analiza și înțelege cauza principală a oricăror defecțiuni, răspunzând la întrebarea: “Ce a determinat declanșarea scanerului laser de siguranță?” Pentru detectarea și analiza defecțiunilor sporadice din mediul industrial, SICK a proiectat special o cameră pentru detectarea evenimentelor: EventCam.
EventCam dispune de optică, iluminare, partea electronică și memorie și poate fi integrată în sisteme mobile sau staționare. Carcasa din aluminiu turnat este clasificată IP65, aceasta putând fi montată în diverse poziții. EventCam poate fi conectată la un sistem de automatizare precum un controler de siguranță sau direct la un senzor.
Odată ce o eroare a fost raportată, EventCam începe să stocheze cadre unice sau secvențe video. Memoria circulară internă poate stoca până la 240 de secunde înainte și 100 de secunde după un eveniment. În modul de înaltă definiție (HD), aceasta poate înregistra până la 25 de secunde înainte și 15 secunde după. Rata cadrelor video pe secundă (fps) variază de la 13 la 65, în funcție de rezoluția necesară.
Figura 5: Pentru a înregistra un eveniment din mai multe unghiuri, simultan, pot fi sincronizate mai multe camere EventCam. (Sursă imagine: SICK)
EventCam poate fi utilă și la punerea în funcțiune a noilor mașini sau procese. Aceasta poate monitoriza un test nesupravegheat, cum ar fi un test continuu de mai multe ore sau mai multe zile și poate identifica rapid sursele de eroare. Un singur proces poate fi monitorizat de mai multe camere EventCam, acestea oferind informații vizuale din mai multe unghiuri simultan pentru o analiză mai profundă și mai amănunțită a erorilor (figura 5).
EventCam este disponibilă în două variante. Modelul 1102028 are o gamă de lucru de la 0,4 m la 0,6 m și poate fi adecvată pentru utilizarea cu coboți staționari, cu spații de protecție relativ mici. Modelul 1093139 are o rază de acțiune cuprinsă între 0,8 și 6 m și se poate adapta spațiilor de protecție mai largi întâlnite la coboți mai mari, AMR-uri și AGV-uri.
Rezumat
Senzorii LiDAR 2D, precum familia TiM de la SICK, pot oferi prima linie de apărare într-un sistem de siguranță pentru coboți, AMR-uri, AGV-uri și mașini similare. Aceștia furnizează o serie de câmpuri de protecție pentru a monitoriza apropierea persoanelor. Adăugarea unui controler de siguranță poate sprijini analiza intruziunilor și poate spori performanța sistemului. În sfârșit, una sau mai multe camere EventCam pot monitoriza senzorul LiDAR 2D principal pentru a ajuta la identificarea cauzei principale a oricărei declanșări ocazionale.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.
DigiKey | https://www.digikey.ro
