Escáneres láser de seguridad: cómo funcionan, estándares IEC 61496 y guía de integración

Escáneres láser de seguridad son la columna vertebral de la protección de máquinas moderna en la automatización de fábricas, reemplazando la protección fi×ed, las alfombrillas de seguridad y, en muchos casos, las cortinas de luz. Escanean un plano 2D con un láser giratorio y detienen la maquinaria cercana cuando una persona u objeto entra en la zona de protección. A diferencia de los sensores industriales típicos, se monitorean continuamente según IEC 61496-3 y activan un estado seguro ante cualquier falla interna.

Esta descripción general explica su principio de ingeniería subyacente (cómo funcionan), los estándares de certificación (IEC 61496-3, IEC 61508 SIL 2, ISO 13849 PLd), las principales especificaciones que diferencian los modelos, el cálculo de la distancia de montaje ISO 13855, el uso con PLC de seguridad. y cómo elegir su escáner.

¿qué es un escáner láser de seguridad y cómo funciona?

Un escáner láser de seguridad es un dispositivo de protección optoelectrónico activo que responde a la reflexión difusa (AOPDDR), previamente clasificado como ESPE tipo 3 por IEC 61496-3. El identificador de “reflexión difusa” indica que no requiere un par de transmisor/receptor dedicado y, en cambio, “recibe la reflexión de cualquier objeto que disperse suficiente energía emitida de regreso al detector”. Un escáner detecta cualquier superficie reflectante que disperse suficiente luz de regreso al detector.

Principio de funcionamiento

Para ello, ilumina el campo con un diodo láser pulsado «generalmente que funciona a 905 nanómetros en el infrarrojo cercano, en una salida segura para los ojos de Clase 1 según IEC 60825-1 « y luego mide el tiempo de vuelo de los fotones reflejados a medida que regresan al detector. Para cada conjunto de impulsos emitidos, el escáner mide un punto distanciador frente a la velocidad conocida de la luz. Su salida es una nube de puntos, es decir, un conjunto de distancias medidas aproximadamente orientadas alrededor del arco de cobertura del escáner, generadas muy rápidamente.

Una vez establecidos los puntos de distancia, el software define un campo de protección -un polígono en el entorno que rodea el peligro - que activará las salidas de seguridad en el escáner si algún punto medido cae dentro de él con una señal de retorno adecuada.

Redundancia de autocontrol

Según IEC 61496-3, el dispositivo en sí debe incorporar una función de autoverificación suficiente para los requisitos de Categoría 3. En realidad, los microprocesadores duales funcionan de forma independiente entre sí, procesando cada escaneo y comparando las cifras resultantes. Si se identifica alguna inconsistencia (ya sean subproductos ópticos, errores de firmware o electrónicos o fallas en el suministro de energía), el escáner deja caer las salidas OSSD de su OCO a su estado de seguridad, deteniendo de manera segura su equipo. IEC 61496-3 impone un umbral mínimo de reflectancia objetivo de 1,8%, lo que significa que incluso la ropa negra o mate reflejará suficiente luz para que el escáner la detecte. Esto evita que los operadores usen ropa oscura para evadir la detección.

4 la especificación del dispositivo se publica en IEC 61496-3:2018.

Normas de seguridad: IEC 61496, IEC 61508 SIL e ISO 13849 PLd

Los escáneres láser de seguridad están vinculados a una serie de estándares internacionales y cada estándar rige una parte diferente del sistema de seguridad SCS. Saber qué norma regula qué función evita especificaciones fallidas.

SIL 2 vs SIL 3 « Por qué los escáneres tipo 3 alcanzan su máximo en SIL 2

SIL 2 representa una peligrosa tasa de fallas de entre 10 y 10 horas. Los escáneres de tipo 3 pueden certificarse como SIL 2 porque en la arquitectura OSSD, ambos OSSD emanan del mismo elemento sensor óptico. Para alcanzar SIL 3 (10-10/hora), una función de seguridad debe estar respaldada por un segundo canal de detección verdaderamente independiente, la arquitectura utilizada para las unidades Tipo 4.

Arquitectura Categoría 3

ISO 13849-1 categoría 3 significa que conserva la función de seguridad en caso de una sola falla. Las fallas acumulativas podrían causar fallas en la función de seguridad, pero cualquier falla debe detectarse antes de la siguiente demanda en la función de seguridad (o durante la siguiente demanda a más tardar). El autocontrol interno IEC 61496-3 Tipo 3 cumple con este requisito para el hardware del escáner en sí, pero la función de seguridad total, desde el escáner hasta la parada de la máquina, debe validarse en la Categoría 3, incluidos todos los componentes intermedios.

En la mayoría de las situaciones generales de protección de máquinas (el perímetro de una celda de trabajo robótica, maquinaria de embalaje, ensamblaje automatizado), un escáner láser de seguridad con clasificación PLd/SIL 2 de tipo 3 es la solución correcta y eficaz cuando la evaluación de riesgos dicta un PLr d.

Especificaciones clave: rango de detección, resolución y tiempo de respuesta

Las especificaciones del escáner definen tanto lo que el dispositivo detectará de manera confiable como seguro como a qué distancia del peligro debe colocarse. La siguiente tabla resume las especificaciones clave relacionadas con la seguridad, con rangos típicos extraídos de hojas de datos del mercado para la categoría de escáner genérico Tipo 3.

Resolución de detección: por qué es más importante que el alcance

La resolución de detección es el tamaño mínimo de objeto que el escáner está diseñado para detectar de manera confiable en su radio de campo de protección nominal. Un escáner de resolución de 30 mm puede detectar de manera consistente y confiable una mano o muñeca humana en su zona de detección, lo que lo hace apropiado para la protección de aproximación cercana en áreas peligrosas. Un escáner de resolución de 70 mm es suficientemente sensible para detectar de manera confiable al personal que cruza (piernas, torso), pero es posible que no detecte una mano que alcanza el límite del campo de protección. (Nota: la interacción de la resolución angular y la resolución de detección es un cálculo geométrico, basado en el hecho de que a un rango de 4 m una resolución de 0,33 es igual a una separación de aproximadamente 23 mm entre puntos de escaneo adyacentes (es decir, la especificación del campo de protección de rango completo debe tomarse de la hoja de datos, no calculada a partir de la especificación de resolución angular)

Aplicaciones principales: protección de áreas, protección de acceso y prevención de colisiones

¿para qué se utilizan los escáneres láser de seguridad? Cubren tres modos diferentes de aplicación, aprovechando diferentes propiedades del campo de protección 2D configurable.

1. Protección de área “Células de máquinas estacionarias

El escáner se monta horizontalmente al nivel del suelo o a una altura tal que el campo de protección intercepta el objeto que se aproxima. Comprueba la presencia de personal en la zona de peligro alrededor de equipos estacionarios protegidos, como células robóticas, prensas, equipos de embalaje y paletizadores automatizados. En presencia de una persona u objeto, los OSSD pasan a un estado seguro y la máquina se detiene. Su función de prevención de reinicio mantiene la máquina en estado seguro para proteger al personal hasta que la zona esté despejada y el operador se reinicie fuera de la zona.

Ejemplo de aplicación: Celda robótica de seis ejes sin valla de seguridad física. Según ISO 10218-2, el escáner define una zona de advertencia de desaceleración (la máquina cae a velocidad reducida) y una zona de parada interna (la máquina se detiene). El modo de mantenimiento permite la entrada del operador con la función de seguridad anulada temporalmente mediante un procedimiento de bloqueo/etiquetado apropiado y un interruptor de llave con clasificación de seguridad.

2. Protección de acceso « Grandes aberturas

Montado verticalmente en la entrada de una zona de peligro, el escáner reemplaza lo que de otro modo requeriría múltiples pares de cortinas de luz para proteger aberturas de forma ancha o irregular. Un escáner con un ángulo de escaneo de 270 puede proteger una abertura que podría requerir tres o cuatro pares de cortinas de luz transmisor/receptor, eliminando hardware y complejidad y costo de montaje. El polígono del campo de protección está programado para coincidir exactamente con la apertura.

Ejemplo de aplicación: Desenrolladora con gran abertura de alimentación. El escáner confirma que ningún operador se encuentra en la zona de peligro antes del reinicio. Combinado con un interruptor de bloqueo de seguridad con clasificación GS en cualquier puerta de acceso secundaria, esto proporciona control de acceso de Categoría 3 en todos los puntos de entrada.

3. Prevención de colisiones « Plataformas móviles

Los escáneres se utilizan para evitar colisiones de vehículos en AGV (vehículos guiados automáticos), AMR (robots móviles autónomos) y carretillas elevadoras. Sus conjuntos de campos programables (hasta 32 de ellos) permiten cambiar de zona sensible a la dirección con el campo de protección hacia adelante habilitado cuando se viaja hacia adelante, el campo trasero cuando se da marcha atrás, campos laterales estrechos cuando se mueve normalmente y campos omnidireccionales anchos para maniobras de estacionamiento y rotación. Las señales externas del controlador del vehículo cambian el campo activo configurado en un orden monitoreado.

Cálculo de distancia de seguridad según ISO 13855

al ejecutar los cálculos de la distancia mínima de seguridad desde el límite de la zona de detección hasta el punto de peligro, esta especificación de ISO 13855:2024 puede ser una estrella o, más a menudo, un ancla de barco: equivocarse en su cálculo (leer el valor del “tiempo total de respuesta” demasiado bajo), da como resultado una distancia montada que no puede detener de manera confiable la máquina antes de que el operador alcance el peligro. Este es el problema de instalación del escáner láser de seguridad más común.

La fórmula

Velocidad de aproximación (K)

• Enfoque mano/brazo: K = 2000 mm/seg (predeterminado de ISO 13855:2024)
• Utilice K = 1600 mm/seg (corrección ISO 13855:2024 para permitir un alcance más largo)
• Acercamiento de todo el cuerpo (caminar): K = 1.600 mm/s

Distancia de intrusión (C) por resolución de detección

• Detección manual (d 40 mm): C = 8 (d 14) mm, 0 mm mínimo
• Detección de cuerpo (d 40 mm): C = 850 mm (promedio de ISO 13855)

Tiempo total de respuesta (T)

Donde: T representa la suma de todos los retrasos en la cadena de seguridad, desde el momento en que una persona ingresa a la zona de detección hasta el momento en que cesa el peligro:

• Tiempo de respuesta del escáner (de la hoja de datos, por ejemplo, 80 ms)
• Tiempo de respuesta del controlador de seguridad (p. ej., 10 ms)
• Tiempo de parada del freno del actuador/máquina (p. ej., 120 ms)

Referencia: ISO 13855:2024- Posicionamiento de salvaguardias con respecto a las velocidades de aproximación de partes del cuerpo humano.

Integración con controladores de seguridad: CIP Safety, PROFIsafe y OSSD Wiring

La forma en que se integra un escáner láser de seguridad en el sistema de seguridad general depende de su red PLC de seguridad, la cantidad de datos de zona que necesita transmitir y la necesidad de diagnóstico remoto.

Enfoques de integración

Ossd cableado: Escáner Dos canales OSSD están conectados directamente a un relé de seguridad o canal de entrada dual PLC de seguridad. simple, muy confiable, fácilmente configurado para celdas pequeñas con 1 escáner, no se necesitan datos de zona. Ambos OSSD deben estar activos para el estado seguro: una caída de cualquier canal pone el sistema en modo seguro.

Safety Fieldbus: el uso de un cable de red de seguridad dedicado para transportar tanto la señal OSSD como los datos de diagnóstico/zona genera menos cableado y permite la visualización simultánea del estado multizona en el PLC HMI de seguridad.

Fundamentos de cableado OSSD

Las salidas OSSD (Dispositivo de conmutación de señal de salida) son dos canales de transistores PNP independientes. Ambos deben ser ALTOS (24 VCC) para un estado activo seguro. Cuando cualquiera de los dos cae, la entrada de seguridad conectada percibe una condición defectuosa y detiene la función de la máquina conectada. Los circuitos de entrada OSSD del PLC de seguridad también monitorean cortocircuitos entre canales y cortocircuitos a 24 VCC, los cuales son fallas de cableado que deben corregirse antes de permitir el reinicio.

Marco de selección: hacer coincidir el escáner tipo 3 con su aplicación

Como ocurre con cualquier dispositivo de seguridad, complete una evaluación de riesgos en ISO 12100 e ISO 13849-1 para determinar el PLr requerido. Ese PLr es la entrada requerida para la selección del dispositivo, no la marca y el modelo del escáner, ni los atributos de marketing del dispositivo, ni lo que se utilizó anteriormente en un proyecto similar.

Cuando el tipo 3 NO es suficiente

• Prensas de freno que requieren detección de dedos SIL 3 Tipo 4 AOPD (cortina de luz de seguridad)
• Aplicaciones donde la evaluación de riesgos requiere sistemas Tipo 4 de doble canal con arquitectura de Categoría 4
• Cualquier aplicación donde PLr = e sea el resultado de la evaluación de riesgos

Cuando el tipo 3 es la elección correcta

• Navegación AGV y detección de obstáculos en el vehículo
• Monitoreo de acceso al área donde los operadores caminan por la zona (sin llegar a un peligro cercano)
• Perímetro de células robóticas estacionarias con zonas de parada y desaceleración configurables
• Aberturas grandes o irregulares donde los pares de cortinas ligeras no serían prácticos
• Cualquier instalación donde PLr d esté confirmado mediante evaluación de riesgos

Preguntas frecuentes

Referencias y estándares

1. IEC 61496-3:2018 « Seguridad de las máquinas “Equipos de protección electrosensibles “ Parte 3: Requisitos particulares para equipos que utilizan medidas de protección basadas en reflexión difusa “Comisión Electrotécnica Internacional
2. ISO 13855:2024 « Seguridad de las máquinas “ Colocación de medidas de seguridad con respecto a las velocidades de aproximación de partes del cuerpo humano “Organización Internacional de Normalización
3. ISO 13849-1 « Seguridad de las máquinas “ Partes de los sistemas de control relacionadas con la seguridad « Parte 1: Principios generales para el diseño « Organización Internacional de Normalización
4. IEC 61508 “Seguridad funcional de sistemas eléctricos/electrónicos/electrónicos programables relacionados con la seguridad “ Comisión Electrotécnica Internacional
5. IEC 60825-1:2014 « Seguridad de los productos láser « Parte 1: Clasificación y requisitos de los equipos « Comisión Electrotécnica Internacional

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