Laserscanner für die Arbeitssicherheit: Funktionsweise, Standards und Auswahl

Laserscanner für die Arbeitssicherheit: Ein standardbasierter Leitfaden zum Schutz gefährlicher Gebiete

Schnelle Spezifikationen: Laserscanner für Arbeitssicherheit

• Funktionsprinzip: Flugzeit (TOF) optische Entfernungsmessung, 905 nm Infrarotlicht der Klasse 1
• Typischer Scanwinkel: 270 276° horizontal
• Schutzfeldradius: 3 m bis 7,5 m (konfigurierbar)
• Minimal erkanntes Objekt: 30 mm, 40 mm oder 70 mm (abhängig von der Anwendung)
• Reaktionszeit: 60 – 180 ms (konfigurierbar)
• Typische Sicherheitsbewertung: Typ 3 (IEC 61496), SIL 2 (IEC 61508), PL d Kat. 3 (ISO 13849-1)
• Eindringschutz: IP65
• Umgebungslichtimmunität: 3.000 LU×

Laserscanner für die Arbeitssicherheit sind die neue Lösung für ein hartnäckiges Problem: Wie können Arbeiter in der Nähe beweglicher Maschinen, Roboter und FTF geschützt werden, ohne physische Barrieren zu installieren, die die Produktion verlangsamen? Diese Geräte senden eine große Anzahl rotierender Infrarot-Laserstrahlen aus, nehmen ihre Flugzeitmessungen und erzeugen ein Stoppsignal, falls ein Bediener oder Objekt eine konfigurierte Schutzzone durchquert. Sie sind nicht neu: Die Weltmarktgröße betrug 2023 469,8 Millionen US-Dollar, mit einem jährlichen Wachstum von etwa 61 TP3 T bis 2031.

Wenn Sie neue Sicherheitsausrüstung für eine neue Produktionslinie beschaffen, eine Roboterzelle nachrüsten oder sich für eine AGV-Flotte entscheiden, werden in diesem Artikel Betrieb, Standards und ein 8-stufiges Auswahlverfahren zur Anwendung vorgestellt, bevor Sie sich an einen Hersteller wenden.

Was ist ein Laserscanner für Arbeitssicherheit? (Und wie unterscheidet er sich von einem normalen LiDAR)

Ein Sicherheitslaserscanner ist ein aktives berührungsloses Anwesenheitserkennungsgerät. Es dreht einen Infrarot-Laserstrahl um seine horizontale Ebene, wendet die Physik von TOF an, um die Entfernung zu jedem Objekt in seinem Sichtfeld abzuleiten, und erzeugt ein OSSD-Stoppsignal in dem Moment, in dem etwas in eine konfigurierbare Sicherheitszone gelangt. Im Gegensatz zu einem Zaun oder einer Lichtschutzmatte kann ein Sicherheitslaserscanner neu programmiert werden, um verschiedene Zonen, beliebig geformte Objekte und mehrere Zonen mithilfe eines Scans zu überwachen.

Die von IEC 61496 veröffentlichte technische Klassifizierung lautet “Active Opto-electronic Protective Device responsive to Diffuse Reflection” (AOPDDR).Diese Terminologie ist relevant, weil sie auf ein Verständnis hinweist, warum ein Standard-LiDAR, selbst eines, das bei 905 nm arbeitet und TOF wie die Sicherheitsbewerteten Geräte bestimmen kann, nicht direkt ersetzt werden kann.

Wie unterscheidet sich ein Sicherheitslaserscanner von einem Navigations-LiDAR?

Beide verwenden einen rotierenden Laser, beide messen Flugzeit (TOF). Der Sicherheitslaserscanner ist jedoch zertifiziert und verfügt über Redundanzen sowie diagnostische und diagnostische Abdeckung. Ein gewöhnliches LiDAR legt Wert auf hochauflösende Punktwolkenerfassung und SLAM (gleichzeitige Lokalisierung und Kartierung); Ein sicherheitsbewerteter Laserscanner verfügt über die Dual-Channel-, Diagnosefunktionen und Fehlermodusanalyse in seinem Design, um sicherzustellen, dass die Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen unentdeckten Ausfalls innerhalb einer quantifizierten Grenze liegt. Ein gewöhnlicher Navigations-LiDAR kann durch einen einfachen optischen Fehler dazu verleitet werden, einen Pfad freizumachen, wenn ein Bediener auf diesem Weg stand. Es wurde ein sicherheitsfreier Scanner entwickelt, um zu verhindern. Das ist der “diese”das“-Liox ”Lioxter Laser-System, der”-Li-System-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-Cer-C

Funktionsweise von Sicherheitslaserscannern: Flugzeit, Schutzfeld, Warnfeld

Das zugrundeliegende Funktionsprinzip besteht aus einem vierstufigen Zyklus, der 25-mal pro Sekunde wiederholt wird Ein rotierender optischer Kopf löst einen gepulsten IR-Laserstrahl aus (normalerweise 905 nm, Laserprodukt der Klasse 1 augensicher im Normalbetrieb) und emittiert diesen Strahl über eine Scanebene, der IR-Strahl trifft auf ein Objekt, diffundiert, und ein Teil des reflektierten IR-Lichts erreicht den Empfänger Der Scanner multipliziert mit dem reflektierten Impuls, wandelt ihn in eine Entfernung mit d = (c t) / 2 um, speichert dann jede Winkelposition in seinem Speicher als Polarkoordinate.

Nach Abschluss einer Drehung (normalerweise 40 ms Rotationsperiode) vergleicht die Scanner-Firmware jeden gemessenen Punkt mit den im Speicher geladenen vordefinierten SchutzzonenJeder Punkt innerhalb der Schutzzelle bewirkt, dass die OSSD-Ausgänge auf AUS fallen und die geschützte Maschinerie in einen sicheren Zustand abbremstJeder Punkt in der Warnzelle, eine größere Pufferzone vor der Warnung, bewirkt, dass der Scanner ein Alarmsignal wie eine Verlangsamung, ein Leuchtfeuer oder eine Hupe sendet, ohne die Maschine anzuhalten.

Engineering Note TO Real Scanner Timing auf einem

Der veröffentlichte Zeitpunkt der meisten QJKH-Serien SH27 Sicherheitslaserscanner Ist: Detektionsimpuls t1 Rotationsperiode t200 s, = 40 ms, lichtblockierende Reaktionszeit t3 100 ms (konfigurierbar), und Wiederherstellungszeit t4 300 ms (konfigurierbar) Reduzieren der Reaktionszeit reduziert den notwendigen Sicherheitsabstand, kann aber auch die Empfindlichkeit des Scanners gegenüber temporären Verschlüssen wie Schweißspritzern erhöhen – daher die Konfigurierbarkeit.

Können Sicherheitslaserscanner in Außen- oder Staubumgebungen funktionieren?

Die physikalischen Einschränkungen sind Umgebungsbeleuchtung, Temperaturbereich und Fensterverschmutzung Die meisten Geräte in Industriequalität sind mit IP65-Schutz ausgestattet und tolerieren Umgebungsbeleuchtungsstärken von 3000 Lux. Dies reicht für einen typischen Anlagenboden aus, reicht jedoch nicht für direkte Mittagssonneneinstrahlung. Die Betriebstemperaturbereiche liegen üblicherweise zwischen -10 C und +50 C, mit Speicherfenstertemperaturen von -40 C bis +70 C. Suchen Sie bei AGV-Anwendungen im Freien nach einer Kontaminationswarnanzeige (der Scanner warnt Sie, wenn Schmutz die Erkennung behindert) und koquellen Sie die Störfestigkeit des Lichts (so dass sich mehrere Scanner in derselben Nähe nicht gegenseitig blenden).

Die Standards, die wichtig sind: IEC 61496, IEC 61508 (SIL) und ISO 13849-1 (PL)

Es gibt drei verschiedene Normen, die die Implementierung und Spezifikationen von Laserscannern für den Arbeitsschutz regeln, und sie sind nicht austauschbar. IEC 86496 definiert den Sensor selbst; IEC 61508 beschreibt die Sicherheitsfunktion, zu der der Scanner gehört; und HC18 beschreibt die Sicherheitsanwendung innerhalb des Systems des Sensors. Die meisten Ingenieure lernen dies auf die harte Tour 6, indem sie einen Typ-3-Scanner absichtlich in einen SIL-3-Prozess einbauen und feststellen, dass die Konfiguration nicht zertifizierbar ist.

Die nachstehende Querverweistabelle fasst die drei Systeme zusammen Es ist zusammengestellt aus IEC 86496-1 Ausgabe 3.0 (2020), DGUV/IFA-Daten zur öffentlichen Sicherheit zu ESPE-Klassen, und veröffentlichten Herstellerzertifizierungen.

Was bedeutet IEC 61496 Typ 3 vs. Typ 4 für Ihre Anwendung?

Typ 3 und Typ 4 unterscheiden sich im Kaliber der erforderlichen diagnostischen Abdeckung (und damit der maximalen SIL, die das Gerät in einer Sicherheitsfunktion unterstützt).Lt Das 440 L Whitepaper von Rockwell Automation und der IEC 61496-1 Edition 3.0 Tabelle 2 wird ein Lichtvorhang Typ 3 für Sicherheitsfunktionen auf SIL 2 und PL d aufgebracht, wenn SIL 3 oder PL e gemäß der Risikoanalyse benötigt wird, wird ein Lichtvorhang Typ 4 aufgebracht.

Mechanische Druckpressenbremsen und Hochleistungsschmiedezellen spezifizieren üblicherweise die Anwendung leichter Vorhänge vom Typ 4 am Einsatzort, während Scanner vom Typ 3 fast immer für die Flächenbewachung um kollaborative Roboter, AGVs und Bearbeitungszellen anwendbar sind.

Der Typ, SIL und PL sind Kategorien sicherheitsrelevanter Komponenten... IEC 61496 Tabelle 2 besagt, dass ein Typ-3-Sicherheitssensor für eine SIL 2- und/oder PL d-Sicherheitsfunktion erforderlich ist.

Hauptpunkt: Wählen Sie zuerst das Leistungsniveau aus der Risikobewertung aus und wählen Sie dann den Sensortyp zurück. Wählen Sie die andere Richtung aus und Sie erhalten am Ende fast immer eine über- oder unterspezifizierte Hardware.

Stationärer Gefahrenbereichsschutz: Befestigte Maschinenschutz

 

Stationäre Bewachung - in Lieferantenkatalogen aber oft Flächen - oder Zugangsschutz genannt - ist die früheste Anwendung für den Sicherheitslaserscanner Versuchen Sie, eine 12 m mal 8 m große Roboterschweißzelle mit drei Zugangspunkten, einer Drehscheibe in der Mitte und einem Bediener, der Komponenten vorne lädt, abzubilden, feste Zäune rund um die drei Arme anzubringen, würde den Laufkran blockieren und die Ladestation unzugänglich machen.

Positionieren Sie ein horizontal installiertes SLS-Modul mit einem Abtastwinkel von 276° an jedem Zugangsanschluss. Überwacht ein in der Software definiertes dreiseitiges Schutzfeld. Ein Einbruch in die Warnzone führt zur halben Geschwindigkeit, ein Übergang in das Schutzfeld führt zu einem abrupten sicheren Stopp. Ein Betreiber meldete diese Nachrüstung, ersetzte also vier separate Zäune an einer Stanzlinie und verkürzte die Umschaltzeit für Werkzeugwechsel um mehr als die Hälfte (solche Nachrüstungsergebnisse werden regelmäßig in Fallgeschichten von Fachpressen gemeldet).

Beispiele für gängige stationäre Anwendungen sind Spritzgusszellen, Druckbremsen, Roboter-Schweiß-/Polierarbeitsplätze, Palettierroboter, Zugangszäune um Materialhandhabungszugangspunkte Bei festen Installationen gilt als allgemeine Faustregel für den Techniker die Definition eines 5 m Schutzfeldradius (zum Beispiel der QJKH SH27-05 D-Serie mit Ethernet-Ausgang und zwei Schutzzonen), horizontal auf 300 mm oder 150 mm Mittelhöhe installieren, und die Schutzzonen programmieren, um die Reichweitenhülle der gesicherten Maschinen zu reproduzieren Da der Scanner immer durch die interne Diagnose und den OSSD-Selbsttest überwacht wird, wird die Wartung in Monaten gemessen, nicht in Schichten.

Mobile Anwendungen: AGVs, AMRs und kollaborative Roboterzellen

Beim Bewegungsschutz für Gefahrenbereiche expandiert die Branche der Sicherheitslaserscanner am schnellsten. Ein FTF, der in einem Lager herumfährt, kann sich nicht auf dauerhafte Zäune zur Sicherheit verlassen. Wenn sich das FTF bewegt, bewegt sich sein Gefahrenbereich mit. Die Antwort darauf ist, einen Sicherheitsscanner an der Nase jedes FTF anzubringen und die Sicherheitszonen dynamisch entsprechend der Geschwindigkeit, Nutzlast und Fahrtrichtung des FTF zu betreiben.

Bei Bewegung mit Betriebsgeschwindigkeit (z. B. 4 m/s) reicht das Schutzfeld über mehrere Meter; Beim Andocken an eine Laderampe verengt es sich zu einem schmalen Kegel, sodass das AGV in eine Förderschnittstelle laufen kann.

Gemeinsame Parameter für einen mobilen Einsatz: der Scanwinkel sollte 270° und mehr betragen (wobei alle toten Winkel vorne und an der Seite abgedeckt werden); die Reaktionszeit sollte weniger als 100 ms betragen (Bremsabstand wie erwartet beibehalten); die minimale Objektauflösung sollte 70 mm betragen (basierend auf einer menschlichen Beinnäherung); und das dynamische Zonenschalten zwischen aktivem und inaktivem Status sollte weniger als 50 ms dauern (ohne dass es bei Geschwindigkeitsänderungen zu einem ‘Blank’ in der Abdeckung kommt). Ein 3 m-Schutzfeld mit einem 10 m-Warnfeld wird in einer Indoor-AGV-Anwendung oft eine geeignete Startgeometrie bieten; a QJKH SH27-03 D mobil bewerteter Sicherheitslaserscanner Stellt genau diese Geometrie mit einem Ethernet-Ausgang bereit, der Echtzeit-Switching basierend auf der Zoneneinstellung über Profinet oder ähnliche Protokolle ermöglicht.

Bei Soft-Cell-Cobot-Zellen ersetzt der Scanner normalerweise vollständig den Umzäunungszaun. Flach unter dem Cobot montiert, erkennt er einen sich nähernden Arbeiter aus jedem Winkel und bewirkt einen Geschwindigkeits- und Trennmonitor-Übergang, während er beim Rückzug des Arbeiters wieder auf volle Geschwindigkeit zurückkehrt. Wenn Sie möchten (obwohl Sie es nicht sollten), zur Navigation, gehen Sie mit dem QJKH industrielle Lidar-Sensoren zur Abbildung und Einstellung der Sicherheitsfunktion im zertifizierten Scanner.

Eindringerkennung und Zugriffskontrolle: Scanner vs. Lichtvorhang

Ingenieure fragen “Ist ein Scanner oder ein Lichtvorhang die richtige Lösung für die Öffnung?”, unterm Strich sind sie für verschiedene Geometrien A Sicherheitslichtvorhang Erzeugt die vertikale Ebene Strahlen über eine rechteckige unsichtbare IR-Druckbremse, eine Zuführung, eine Förderbandübertragung, wo ein Arbeiter durch einen vorhersehbaren Spalt schreit Der Sicherheitslaserscanner erzeugt eine horizontale oder vertikale Ebene von IR (oder sichtbaren) Strahlen, die unregelmäßig geformte Öffnungen, mehrzonigen Zugang und große Bereiche abdecken kann.

Ein gängiger Mythos besagt, dass ein Lichtvorhang “jeden Fall abdeckt”, weil er schneller reagiert Schneller ist nur dann besser, wenn die Geometrie passt & – und in den meisten Cobot-Zellen, AGV-Docks und großen Palettierarbeitsplätzen passt die Geometrie nicht.

Auswahl eines Laserscanners für Arbeitssicherheit: Eine 8-Punkte-Checkliste

 

Bevor Sie ein Angebot von einem Lieferanten anfordern, gehen Sie diese acht Fragen durch. Jedes ist direkt einem Artikel mit Spezifikationsblattlinien zugeordnet und jeder hat eine vertretbare Antwort, auf die Sie in Ihrer Risikobewertung verweisen können.

1. Welches Leistungsniveau oder welchen Sicherheitsintegritätsgrad erfordert Ihre Risikobewertung? PL d / SIL 2 ist die gängige Antwort für Flächenschutz und AGVs, die einem Typ-3-Sensor zugeordnet werden. PL e / SIL 3 erfordert ein Typ-4-Gerät Wählen Sie den Sensor nicht, bevor Sie diese Nummer haben.
2. Wie groß ist das Schutzfeld, das Sie tatsächlich benötigen? gemeinsame Radien sind 3 m (nahe Bewachung, kleine AGVs), 5 m (Roboterzellen, Mittelklassefahrzeuge), und 7,5 m oder mehr (Maschinen mit großer Grundfläche) Geben Sie den kleinsten Radius an, der die Gefahr noch durch größere Felder reduziert Objektauflösung an den Rändern.
3. Welchen Abfangwinkel benötigen Sie? für eine in einer Ecke montierte dreiseitige Zelle reichen 190°.270 –276° ist der Standard für AGV-Frontmontage und Perimeterschutz Alles unter 270° hinterlässt tote Flecken auf der eigenen Gehäuseseite des Scanners.
4. Was ist das Mindestobjekt, das Sie erkennen müssen? 30 mm sind für Finger-/Handzugriffsanwendungen reserviert (normalerweise ein leichter Vorhang). 40 mm deckt die Armerkennung ab. 70 mm ist die typische Beinerkennungsauflösung für AGV und Flächenschutz und ist das, was die meisten industriellen SLS-Geräte veröffentlichen.
5. Was sind die Umweltauflagen? IP65 ist Standard Die Betriebstemperatur 10 C bis +50 C deckt die meisten Innenfabriken ab. Wenn der Scanner im Freien oder in einer Kühllagerbucht lebt, überprüfen Sie die untere Grenze. Umgebungslichtstauglichkeit 3.000 Lux ist eine sichere Innennummer.
6. Wie integrieren Sie den Scanner in den Sicherheitsschaltkreis? Grundlegende Installationen verwenden duale OSSD-verkabelt in einem Sicherheitsrelaismodul. Erweiterte AGVs verwenden Profinet, EtherCAT FSoE oder CIP Safety, um zoneneingestellte Befehle in Echtzeit auszutauschen. Passen Sie das Ausgabeprotokoll an Ihren SPS-Sicherheitsbus an.
7. Wie werden die Zonen konfiguriert und vertauscht? Suchen Sie nach Vektorzonenbibliotheken (64 bis 256 vorgespeicherte Zonen sind üblich), Strategieumschaltung unter 50 ms und – wenn Sie eine Flotte betreiben, – Unterstützung für Speichermodule, sodass ein ersetzter Scanner die Konfiguration seines Vorgängers automatisch lädt, ohne sie erneut in Betrieb zu nehmen.
8. Erfordert gleichzeitige Mehrzonenüberwachung? ein zeitgemäßer Scanner ist in der Lage, ein Warnfeld und ein Schutzfeld gleichzeitig auszuführen (Dual-Zone-PAA-Modus) oder zwei autonome Schutzzonen (Dual-PP-Modus).Aufwendige Produktionszellen mit vielfältigen Bedienfunktionen erfordern im Allgemeinen einen Dual-Zone-Betrieb. Ein Ein-Zonen-Instrument bedeutet Kompromisse bei Dingen, die Sie unter den Bogen drücken.

Für 801TP3 T aller industriellen Automatisierungsanwendungen wird der Großteil der Pressen, Schmieden, schwere mobile Ausrüstung, ein korrekt spezifizierter Typ 3 / SIL 2 / PL d Sicherheitslaserscanner mit einem 5 m Schutzfeld, 276° Scanwinkel, 100 ms Reaktionszeit und 64 konfigurierbaren Zonen angemessen sein Das andere 201TP3 T wird ein Typ 4 Gerät und eine detailliertere Risikobewertung erfordern.

Häufig gestellte Fragen

 

Sind Sicherheitslaserscanner von der OSHA erforderlich?

Antwort anzeigen

OSHA gibt keine Technologie an, 29 CFR 1910.212 fordert eine allgemeine Maschinenbewachung und 29 CFR 1910.217 fordert ein Anwesenheitserfassungsgerät für mechanische Kraftpressen Ein Sicherheitslaserscanner ist eine mögliche Möglichkeit, die PSD zu erreichen.

Was ist der Unterschied zwischen einem Sicherheitslaserscanner und einem normalen LiDAR-Sensor?

Antwort anzeigen

Sie messen beide die Entfernung mit dem gleichen optischen Flugzeitprinzip, beide können in derselben Wellenlänge von 905 nm arbeiten, die Unterscheidung liegt in der Zertifizierung der funktionalen Sicherheit.

Der Sicherheitslaserscanner ist mit Dual-Channel-Architektur, Diagnoseabdeckung und Fehlermodusanalyse so konstruiert, dass er die Kriterien IEC 61496 Typ 3 oder Typ 4 erfüllen kann, wodurch er an einer Sicherheitsfunktion SIL 2 oder SIL 3 teilnehmen kann Ein normaler LiDAR enthält keine dieser Zusicherungen “es kann stillschweigend versagen”und „klarer Weg” sagen, selbst wenn ein Arbeiter davor steht. In einem mobilen Roboter oder einer kollaborativen Zelle muss die Sicherheitsfunktion mit einem zertifizierten Gerät implementiert werden.

Ein Navigations-LiDAR kann zu Kartierungszwecken eingesetzt werden, kann den Scanner jedoch nicht ersetzen.

Welche IP-Einstufung sollte ein Sicherheitslaserscanner für den Einsatz im FTS im Freien haben?

Antwort anzeigen

IP65 Minimum für Outdoor AGVS-vermeidet das Eindringen von Staub und Niederdruckwasserstrahl In Nasshöfen wird IP67 empfohlen Überprüfen Sie den Arbeitstemperaturbereich immer einzeln: Ein Scanner mit einer Nennleistung von 10 C funktioniert in einem Gefrierlager nicht.

Kann die Sicherheit von Profinet oder EtherCAT mit Sicherheitslaserscannern genutzt werden?

Antwort anzeigen

Sicherlich. Mittel-/teuerere Sicherheitslaserscanner verfügen über eine Ethernet-basierte Sicherheitsschnittstelle, bei der es sich um Profinet mit PROFIsafe, EtherCAT mit FSoE oder CIP Safety über EtherNet/IP handeln kann. Diese integrierten Protokolle ermöglichen sowohl die Umschaltung von Zonensätzen als auch die Übertragung diagnostischer Daten vom Scanner auf eine Sicherheits-SPS ohne diskrete OSSD-Verkabelung.

Die Einstiegsscanner verfügen immer noch über zwei OSSD-Ausgänge, die in ein Sicherheitsrelaismodul verkabelt sind. Beide Wege sind standardkonform, aber nur die Ethernet-Versionen des Sicherheitslaserscanners unterstützen die dynamische Zonenumschaltung in Echtzeit, die eine neue Flotte von AGV erfordert.

Wie hoch ist die typische Lebensdauer eines Laserscanners für den Arbeitsschutz?

Antwort anzeigen

Die meisten Hersteller geben für Typ-3-Geräte eine mittlere Zeit bis zum gefährlichen Ausfall (MTTFd) von 50 Jahren oder mehr an, aber in Wirklichkeit ist die Grenze optischer Fensterverschleiß und die Lebensdauer des Motorlagers. Erwarten Sie 5 bis 10 Jahre Betriebszeit in einer sauberen Innenumgebung.