Escáneres láser de seguridad industrial: cómo funcionan, estándares y selección

Escáneres láser de seguridad industrial: una guía basada en estándares para la protección de áreas peligrosas

Especificaciones rápidas: Escáner láser de seguridad industrial

• Principio de funcionamiento: Rango óptico del tiempo de vuelo (TOF), luz infrarroja Clase 1 de 905 nm
• Angular de scanare tipic: 270-276° horizontal
• Radio de campo protector: 3 m a 7,5 m (configurable)
• Objeto mínimo detectado: 30 mm, 40 mm o 70 mm (según aplicación)
• Timp de răspuns: 60-180 ms (configurable)
• Calificación de seguridad típica: Tipo 3 (IEC 61496), SIL 2 (IEC 61508), PL d Cat. 3 (ISO 13849-1)
• Protecție de intrare: IP65
• Inmunidad a la luz ambiental: ≥3.000 lu×

Los escáneres láser de seguridad industrial son la nueva solución a un problema intratable: ¿cómo proteger a los trabajadores en las proximidades de maquinaria en movimiento, robots y AGV sin instalar barreras físicas que ralenticen la producción? Estos dispositivos envían un número determinado de rayos láser infrarrojos giratorios, toman sus mediciones del tiempo de vuelo y producen una señal de alto en caso de que un operador u objeto cruce una zona de protección configurada. No son nuevos: el tamaño del mercado mundial en 2023 fue de 469,8 millones de dólares, con un crecimiento anual de aproximadamente 6% hasta 2031.

Si está adquiriendo nuevos equipos de seguridad para una nueva línea de producción, modernizando una celda robótica o eligiendo una flota AGV, este artículo analiza la operación, los estándares y un proceso de selección de 8 pasos para solicitarlo antes de comunicarse con un fabricante.

¿qué es un escáner láser de seguridad industrial? (Y cómo se diferencia de un LiDAR normal)

Un escáner láser de seguridad es un dispositivo activo de detección de presencia sin contacto. Hace girar un rayo láser infrarrojo alrededor de su plano horizontal, aplica la física de TOF para derivar la distancia a cada objeto en su campo de visión y produce una señal de alto OSSD en el instante en que algo ingresa a una zona de seguridad configurable. A diferencia de una valla o una alfombra protectora de luz, un escáner láser de seguridad se puede reprogramar para monitorear diferentes zonas, objetos con formas arbitrarias y múltiples zonas usando un solo escaneo.

La clasificación técnica publicada por IEC 61496 es “Dispositivo de protección optoelectrónico activo que responde a la reflexión difusa” (AOPDDR). Esa terminología es relevante porque sugiere una comprensión de por qué un LiDAR estándar, incluso uno que opera a 905 nm y puede determinar TOF como los dispositivos clasificados para seguridad, no puede sustituirse directamente.

¿en qué se diferencia un escáner láser de seguridad de un LiDAR de navegación?

Ambos utilizan un láser giratorio, ambos miden el tiempo de vuelo (TOF). Pero el escáner láser de seguridad está certificado, tiene redundancias, diagnóstico y cobertura de diagnóstico. Un LiDAR ordinario enfatiza la adquisición de nubes de puntos de alta resolución y SLAM (localización y mapeo simultáneos); un escáner láser con clasificación de seguridad tendrá el análisis de modo de falla, capacidades de diagnóstico y doble canal en su diseño para garantizar que la probabilidad de una falla peligrosa no detectada esté dentro de un límite cuantificado. Un LiDAR de navegación normal puede ser engañado por un simple error óptico para despejar un camino cuando un operador estaba parado en ese camino, algo para lo cual se diseñó un escáner con clasificación de seguridad. Esa es la diferencia entre “sensor apropiado” y “sistema que puede salvar una vida” (los profesionales han advertido constantemente contra el intento de sustituir un LiDAR no certificado por un escáner láser de seguridad en robótica móvil)

Cómo funcionan los escáneres láser de seguridad: tiempo de vuelo, campo de protección, campo de advertencia

El principio operativo subyacente consiste en un ciclo de cuatro pasos repetido 25 veces por segundo. Un cabezal óptico giratorio activa un rayo láser IR pulsado (normalmente 905 nm, producto láser de Clase 1, seguro para los ojos en funcionamiento normal) y emite este rayo a través de un plano de exploración. El haz de infrarrojos golpea un objeto, se difunde y parte de la luz IR reflejada llega al receptor. El escáner multiplica el pulso reflejado, lo convierte a una distancia con d = (ct) / 2 y luego almacena cada posición angular en su memoria como una coordenada polar.

Después de completar un turno (generalmente un período de rotación de 40 ms), el firmware del escáner compara cada punto medido con las zonas de protección predefinidas cargadas en la memoria. Cualquier punto dentro de la celda de protección hace que las salidas OSSD caigan a APAGADO y la maquinaria protegida desacelere hasta un estado seguro. Cualquier punto en la celda de advertencia, una zona de amortiguamiento más grande de alerta previa, hace que el escáner envíe una señal de alerta como una desaceleración, una baliza o una bocina sin detener la máquina.

Nota de ingeniería « Sincronización TOF en un escáner real

El momento publicado de la mayoría de las series QJKH Escáner láser de seguridad SH27 es: pulso de detección t1 ¦ 200 μs, período de rotación t2 = 40 ms, tiempo de respuesta de bloqueo de luz t3 ≥ 100 ms (configurable) y tiempo de recuperación t4 ≥ 300 ms (configurable). Reducir el tiempo de respuesta reduce la distancia de seguridad necesaria, pero también puede aumentar la sensibilidad del escáner a oclusiones temporales como salpicaduras de soldadura ñan, de ahí la configurabilidad.

¿pueden los escáneres láser de seguridad funcionar en entornos exteriores o polvorientos?

Las limitaciones físicas son la iluminación ambiental, el rango de temperatura y la contaminación de las ventanas. La mayoría de los dispositivos de grado industrial están clasificados para protección IP65 y toleran niveles de iluminación ambiental de 3000 lux ñu suficiente para el piso típico de una planta pero insuficiente para la luz solar directa del mediodía. Los rangos de temperatura de funcionamiento suelen ser de 10 C a +50 C, con temperaturas de ventana de almacenamiento de -40 C a +70 C. Para aplicaciones AGV en exteriores, busque un indicador de advertencia de contaminación (el escáner le avisa cuando la suciedad corre el riesgo de obstruir la detección) y co-fuente inmunidad a interferencias de luz (por lo que múltiples escáneres en la misma proximidad no se ciegan entre sí).

Las normas que importan: IEC 61496, IEC 61508 (SIL) e ISO 13849-1 (PL)

Existen tres estándares diferentes que rigen la implementación y las especificaciones del escáner láser de seguridad industrial, y no son intercambiables. IEC 86496 define el sensor en sí; IEC 61508 describe la función de seguridad de la que pasa a formar parte el escáner; y HC18 describe la aplicación de seguridad dentro del sistema del sensor. La mayoría de los ingenieros aprenden esto de la manera más difícil «diseñando intencionalmente un escáner Tipo 3 en un proceso SIL 3 y descubriendo que la configuración no es certificable.

La siguiente tabla de referencias cruzadas resume los tres sistemas. Se recopila a partir de IEC 86496-1 edición 3.0 (2020), datos de seguridad pública de DGUV/IFA sobre clases ESPE y certificaciones de fabricantes publicadas.

¿qué significa IEC 61496 tipo 3 frente a tipo 4 para su aplicación?

El tipo 3 y el tipo 4 difieren en el calibre de cobertura de diagnóstico requerida (y, por lo tanto, en el SIL máximo soportado por el dispositivo en una función de seguridad). Según Documento técnico de 440L de Rockwell Automation y la IEC 61496-1 Edición 3.0 Tabla 2, se aplica una cortina de luz Tipo 3 para funciones de seguridad a SIL 2 y PL d. Cuando se requiere SIL 3 o PL e según el análisis de riesgos, se aplica una cortina de luz Tipo 4.

Las plegadoras mecánicas y las celdas de forja de alta resistencia comúnmente especifican la aplicación de cortinas ligeras Tipo 4 en el punto de operación, mientras que los escáneres Tipo 3 casi siempre son aplicables para proteger el área alrededor de robots colaborativos, AGV y celdas de mecanizado.

El tipo, SIL y PL son categorías de componentes relacionados con la seguridad... IEC 61496 La Tabla 2 establece que se requiere un sensor de seguridad Tipo 3 para una función de seguridad SIL 2 y/o PL d.

Punto principal: primero elija el nivel de rendimiento de la evaluación de riesgos y luego vuelva a seleccionar el tipo de sensor. Seleccione al revés y casi siempre terminará con hardware especificado o menos.

Protección de áreas peligrosas estacionarias: protección de maquinaria fija

La protección estacionaria, pero a menudo llamada protección de área o acceso en los catálogos de proveedores, es la primera aplicación del escáner láser de seguridad. Intente obtener imágenes de una celda de soldadura robótica de 12 m por 8 m con tres puntos de acceso, una plataforma giratoria en el medio y un operador cargando componentes en la parte delantera. Colocar vallas fijas alrededor de los tres brazos bloquearía la grúa puente y haría inaccesible la estación de carga.

Coloque un módulo SLS de ángulo de escaneo de 276° instalado horizontalmente en cada puerto de acceso, monitoreado por un campo protector de tres lados definido en el software. Irrumpir en la zona de advertencia da como resultado la mitad de la velocidad, cruzar al campo protector da como resultado una parada segura abrupta. Un operador informó sobre esta modernización, por lo que reemplazó cuatro vallas separadas en una línea de estampado y redujo el tiempo de cambio para los intercambios de herramientas a más de la mitad (estos resultados de modernización se informan regularmente en los historiales de casos de la prensa especializada)

Ejemplos de aplicaciones estacionarias comunes son celdas de moldeo por inyección, plegadoras, estaciones de trabajo robóticas de soldadura/pulido, robots paletizadores y cercas de acceso alrededor de puntos de acceso para manipulación de materiales. Para instalaciones fijas, la regla general para el técnico es definir un radio de campo protector de 5 m (por ejemplo, el Serie QJKH SH27-05D con salida Ethernet y dos zonas de protección), instalar horizontalmente a 300 mm o 150 mm de altura central y programar las zonas de protección para reproducir la envolvente de alcance de la maquinaria protegida. Debido a que el escáner siempre es monitoreado por el diagnóstico interno y la autoprueba OSSD, el mantenimiento se mide en meses, no en turnos.

Aplicaciones móviles: AGV, AMR y células robóticas colaborativas

La protección en movimiento para áreas peligrosas es donde la industria de los escáneres láser de seguridad se está expandiendo más rápidamente. Un AGV que viaja por un almacén no puede depender de cercas permanentes para mayor seguridad «a medida que el AGV se mueve, su área de peligro se mueve con él. La respuesta a esto es conectar un escáner con clasificación de seguridad en la punta de cada AGV y operar las zonas de seguridad dinámicamente de acuerdo con la velocidad, la carga útil y la dirección de viaje del AGV.

Cuando se mueve a velocidad operativa (digamos 4 m/s), el campo de protección se extiende a lo largo de varios metros; cuando se acopla a un muelle de carga, se estrecha hasta formar un cono estrecho para que el AGV pueda pasar a una interfaz transportadora.

Parámetros comunes para una implementación móvil: el ángulo de escaneo debe ser de 270° o más (cubriendo todos los puntos ciegos en la parte delantera y lateral); el tiempo de respuesta debe ser inferior a 100 ms (manteniendo la distancia de frenado como se esperaba); la resolución mínima del objeto debe ser de 70 mm (basada en una aproximación de pierna humana); y el cambio de zona dinámica entre el estado activo e inactivo debe tardar menos de 50 ms (sin causar ningún ‘espacio en blanco’ en la cobertura al cambiar de velocidad). Un campo protector de 3 m con un campo de advertencia de 10 m a menudo proporcionará una geometría inicial adecuada en una aplicación AGV interior; a Escáner láser de seguridad con clasificación móvil QJKH SH27-03D proporciona precisamente esta geometría con una salida Ethernet que permite la conmutación en tiempo real basada en el ajuste de zonas a través de Profinet o protocolos similares.

Para las células cobot de células blandas, el escáner generalmente reemplaza completamente la cerca perimetral. Montado plano debajo del cobot, detecta a un trabajador que se acerca desde cualquier ángulo y provoca una transición del monitor de velocidad y separación mientras vuelve a la velocidad máxima al retirarse del trabajador. Si lo deseas (aunque no deberías), para navegar, elige el Sensores lidar industriales QJKH para mapear y configurar la función de seguridad en el escáner certificado.

Detección de intrusiones y control de acceso: escáner versus cortina de luz

Los ingenieros preguntan “¿Es un escáner o una cortina de luz la solución adecuada para la apertura?” La conclusión es que son para diferentes geometrías. Un cortina de luz de seguridad crea el plano vertical de haces IR invisibles a través de una abertura rectangular: una plegadora, un alimentador, un transportador de transferencia donde un trabajador pasa por un espacio predecible. El escáner láser de seguridad crea un plano horizontal o vertical de haces IR (o visibles), que puede cubrir aberturas de forma irregular, accesos multizona y grandes áreas.

Un mito común es que una cortina de luz “cubre todos los casos” porque responde más rápido. Más rápido sólo es mejor cuando la geometría encaja ñon y en la mayoría de las celdas cobot, muelles AGV y grandes estaciones de trabajo de paletizado, la geometría no encaja.

Selección de un escáner láser de seguridad industrial: una lista de verificación de 8 puntos

Antes de solicitar una cotización a cualquier proveedor, consulte estas ocho preguntas. Cada uno se asigna directamente a una línea de hoja de especificaciones y cada uno tiene una respuesta defendible que puede señalar en su evaluación de riesgos.

1. ¿qué nivel de rendimiento o nivel de integridad de seguridad requiere su evaluación de riesgos? PL d / SIL 2 es la respuesta común para la protección de áreas y AGV, que se asigna a un sensor Tipo 3. PL e / SIL 3 requiere un dispositivo Tipo 4. No elija el sensor antes de tener este número.
2. ¿qué tamaño tiene el campo protector que realmente necesita? Los radios comunes son 3 m (protección cercana, AGV pequeños), 5 m (células robóticas, vehículos de tamaño mediano) y 7,5 m o más (maquinaria de gran tamaño). Especifique el radio más pequeño que aún cubre el peligro. Los campos más grandes reducen la resolución del objeto en los bordes.
3. ¿qué ángulo de escaneo necesitas? 190° es suficiente para una celda de tres lados montada en una esquina. 270-276° es el estándar para el montaje frontal AGV y la protección perimetral. Cualquier valor inferior a 270° deja puntos ciegos en el lado de la carcasa del escáner.
4. ¿cuál es el objeto mínimo que debes detectar? 30 mm está reservado para aplicaciones de acceso con los dedos y las manos (normalmente un trabajo con cortinas ligeras). 40 mm cubre la detección de brazos. 70 mm es la resolución típica de detección de piernas para AGV y protección de área y es lo que publican la mayoría de los dispositivos SLS industriales.
5. ¿cuáles son las limitaciones ambientales? IP65 es estándar. La temperatura de funcionamiento de 10 C a +50 C cubre la mayoría de las fábricas interiores. Si el escáner funciona al aire libre o en un compartimento de almacenamiento en frío, verifique el límite inferior. La inmunidad a la luz ambiental de 3000 lux es un número seguro en interiores.
6. ¿cómo integrarás el escáner en el circuito de seguridad? Las instalaciones básicas utilizan OSSD dual conectado a un módulo de relé de seguridad. Los AGV avanzados utilizan Profinet, EtherCAT FSoE o CIP Safety para intercambiar comandos de conjunto de zonas en tiempo real. Haga coincidir el protocolo de salida con su bus de seguridad PLC.
7. ¿cómo se configurarán e intercambiarán las zonas? Busque bibliotecas de zonas vectoriales (son comunes de 64 a 256 zonas prealmacenadas), cambio de estrategia de menos de 50 ms y --si ejecuta una flota -- de soporte para módulos de memoria, por lo que un escáner reemplazado carga automáticamente la configuración de su predecesor sin volver a ponerlo en servicio.
8. ¿requiere monitoreo multizona simultáneo? Un escáner contemporáneo es capaz de ejecutar un campo de advertencia y un campo de protección simultáneamente (modo PAA de doble zona) o dos zonas de protección autónomas (modo PP dual). Las células de producción elaboradas con diversas funciones de operador generalmente requieren operación de doble zona ñona un instrumento de zona única significa comprometerse con cosas que lo meterán debajo del arco.

Para 80% de todas las aplicaciones de automatización industrial, la mayoría de las prensas, forjas y equipos móviles de servicio pesado, se puede utilizar un escáner láser de seguridad Tipo 3/SIL 2/PLd correctamente especificado con un campo de protección de 5 m, un ángulo de escaneo de 276°, un tiempo de respuesta de 100 ms y Serán apropiadas 64 zonas configurables. El otro 20% requerirá un dispositivo Tipo 4 y una evaluación de riesgos más detallada.

Preguntas frecuentes

¿OSHA requiere escáneres láser de seguridad?

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OSHA no especifica tecnología, 29 CFR 1910.212 requiere protección general de la máquina y 29 CFR 1910.217 requiere un dispositivo de detección de presencia en prensas eléctricas mecánicas. Un escáner láser de seguridad es una posible forma de lograr el PSD.

¿cuál es la diferencia entre un escáner láser de seguridad y un sensor LiDAR normal?

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Ambos miden la distancia con el mismo principio óptico de tiempo de vuelo. Ambos pueden funcionar en la misma longitud de onda de 905 nm. La distinción está en la certificación de seguridad funcional.

El escáner láser de seguridad está diseñado con arquitectura de doble canal, cobertura de diagnóstico y análisis de modo de falla para que pueda satisfacer los criterios IEC 61496 Tipo 3 o Tipo 4, lo que le permite participar en una función de seguridad SIL 2 o SIL 3. Un LiDAR normal no contiene ninguna de esas garantías (puede fallar silenciosamente y decir “camino despejado” incluso cuando un trabajador se para frente a él). En un robot móvil o celda colaborativa, la función de seguridad debe implementarse con un dispositivo certificado.

Se puede emplear un LiDAR de navegación con fines cartográficos, pero no puede sustituir al escáner.

¿qué clasificación IP debe tener un escáner láser de seguridad para uso AGV en exteriores?

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IP65 mínimo para AGVS exterior: evita la entrada de polvo y chorros de agua a baja presión. En patios húmedos se recomienda IP67. Compruebe siempre el rango de temperatura de trabajo individualmente: un escáner con una potencia nominal de 10 C no funcionará en un almacén congelador.

¿se puede utilizar la seguridad Profinet o EtherCAT con escáneres láser de seguridad?

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Ciertamente. Los escáneres láser de seguridad de mediana y más costos tienen una interfaz de seguridad basada en Ethernet, que puede ser Profinet con PROFIsafe, EtherCAT con FSoE o CIP Safety sobre EtherNet/IP. Estos protocolos integrados permiten tanto la conmutación de conjuntos de zonas como la transferencia de datos de diagnóstico desde el escáner a un PLC de seguridad sin ningún cableado OSSD discreto.

Los escáneres de nivel básico todavía tienen salidas OSSD duales conectadas a un módulo de relé de seguridad, ambas formas cumplen con los estándares, pero solo las versiones Ethernet del escáner láser de seguridad admiten la conmutación de zona dinámica en tiempo real que requiere una nueva flota de AGV.

¿cuál es la vida útil típica de un escáner láser de seguridad industrial?

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La mayoría de los fabricantes dan un tiempo medio para fallas peligrosas (MTTFd) de 50 años o más para dispositivos Tipo 3, pero en realidad el límite es el desgaste óptico de las ventanas y la vida útil de los cojinetes del motor. Espere de 5 a 10 años de servicio en un ambiente interior limpio.