Scanners laser de sécurité industrielle : comment ils fonctionnent, normes et sélection

Scanners laser de sécurité industrielle : un guide basé sur des normes pour la protection des zones dangereuses

Spécifications rapides : scanner laser de sécurité industrielle

• Principe de fonctionnement : télémétrie optique à temps de vol (TOF), lumière infrarouge de classe 1 de 905 nm
• Angle de balayage typique : 270276° horizontal
• Rayon du champ de protection : 3 m à 7,5 m (configurable)
• Objet minimum détecté : 30 mm, 40 mm ou 70 mm (selon l'application)
• Temps de réponse : 60180 ms (configurable)
• Indice de sécurité typique : Type 3 (CEI 61496), SIL 2 (IEC 61508), PL d Cat. 3 (ISO 13849-1)
• Protection contre les entrées : IP65
• Immunité à la lumière ambiante : ≥3 000 lu×

Les scanners laser de sécurité industrielle sont la nouvelle solution à un problème insoluble : comment protéger les travailleurs à proximité de machines en mouvement, de robots et d'AGV sans installer de barrières physiques qui ralentissent la production ? Ces appareils envoient un nombre limité de faisceaux laser infrarouges tournants, prennent leurs mesures de temps de vol et produisent un signal d'arrêt si un opérateur ou un objet traverse une zone de protection configurée. Ils ne sont pas nouveaux : la taille du marché mondial en 2023 était de 469,8 millions de dollars, avec une croissance annuelle d'environ 61TP3 T jusqu'en 2031.

Si vous achetez de nouveaux équipements de sécurité pour une nouvelle ligne de production, installez une cellule de robot ou choisissez une flotte AGV, cet article passe en revue le fonctionnement, les normes et un processus de sélection en 8 étapes à appliquer avant de contacter un fabricant.

Qu'est-ce qu'un scanner laser de sécurité industrielle ? (Et comment il diffère d'un LiDAR ordinaire)

Un scanner laser de sécurité est un dispositif de détection de présence actif sans contact. Il fait tourner un faisceau laser infrarouge autour de son plan horizontal, applique la physique du TOF pour dériver la distance à chaque objet dans son champ de vision et produit un signal d'arrêt OSSD à l'instant où quelque chose entre dans une zone de sécurité configurable. Contrairement à une clôture ou à un tapis pare-lumière, un scanner laser de sécurité peut être reprogrammé pour surveiller différentes zones, des objets de forme arbitraire et plusieurs zones à l'aide d'un seul scanner.

La classification technique publiée par la CEI 61496 est “Active Opto-electronic Protective Device responsive to Diffuse Reflection” (AOPDDR).Cette terminologie est pertinente car elle laisse entendre pourquoi un LiDAR standard, même celui qui fonctionne à 905 nm et peut déterminer le TOF comme les dispositifs de sécurité nominale, ne peut pas être directement remplacé.

En quoi un scanner laser de sécurité est-il différent d'un LiDAR de navigation ?

Les deux utilisent un laser tournant, tous deux mesurent le temps de vol (TOF).Mais le scanner laser de sécurité est certifié, a des redondances, une couverture de diagnostic et de diagnostic Un LiDAR ordinaire met l'accent sur l'acquisition de nuages de points à haute résolution et le SLAM (localisation et cartographie simultanées) ; un scanner laser classé de sécurité aura les capacités de diagnostic à double canal et d'analyse en mode de défaillance dans sa conception pour garantir que la probabilité d'une panne dangereuse non détectée se situe dans une limite quantifiée Un LiDAR de navigation ordinaire peut être induit en erreur par une simple erreur optique pour dégager un chemin lorsqu'un opérateur se tenait dans ce chemin, un scanner robotisé a été conçu pour empêcher Liocommander un système de sécurité approprié.

Comment fonctionnent les scanners laser de sécurité : temps de vol, champ de protection, champ d'avertissement

Le principe de fonctionnement sous-jacent consiste en un cycle en quatre étapes répété 25 fois par seconde Une tête optique rotative déclenche un faisceau laser IR pulsé (normalement 905 nm, produit laser de classe 1 ye-safe en fonctionnement normal) et émet ce faisceau à travers un plan de balayage Le faisceau IR frappe un objet, diffuse, et une partie de la lumière IR réfléchie atteint le récepteur Le scanner multiplie l'impulsion réfléchie, la convertit en une distance avec d = (c t) /2, puis stocke chaque position angulaire dans sa mémoire comme coordonnée polaire.

Après avoir effectué un tour (généralement période de rotation de 40 ms) le micrologiciel du scanner compare chaque point mesuré avec les zones de protection prédéfinies chargées en mémoire Tout point à l'intérieur de la cellule de protection fait tomber les sorties OSSD à OFF et la machinerie protégée à décélérer dans un état sûr Tout point de la cellule d'avertissement, une zone tampon plus grande de pré-alerte, fait que le scanner envoie un signal d'alerte comme un ralentissement, une balise ou un klaxon sans arrêter la machine.

Note d'ingénierie pour analyser le timing sur un véritable scanner

Le timing publié de la plupart des séries QJKH Scanner laser de sécurité SH27 est : impulsion de détection t1 ≥ 200 µs, période de rotation t2 = 40 ms, temps de réponse bloquant la lumière t3 ≥100 ms (configurable), et temps de récupération t4 ≥300 ms (configurable).Réduire le temps de réponse réduit la distance de sécurité nécessaire, mais peut également augmenter la sensibilité du scanner à l'occlusion temporaire comme la pulvérisation de soudage (swelding spatter), d'où la configurabilité.

Les scanners laser de sécurité peuvent-ils fonctionner dans des environnements extérieurs ou poussiéreux ?

Les limitations physiques sont l'éclairage ambiant, la plage de température et la contamination des fenêtres La plupart des appareils de qualité industrielle sont évalués à la protection IP65 et tolèrent des niveaux d'éclairage ambiant de 3000 lux suffisants pour un sol d'usine typique mais insuffisants pour la lumière solaire directe de midi Les plages de température de fonctionnement sont généralement de -10 C à +50 C, avec des températures de fenêtre de stockage de -40 C à +70 C. Pour les applications AGV extérieures, recherchez un indicateur d'avertissement de contamination (le scanner vous alerte chaque fois que la saleté risque d'entraver la détection) et co-sourcez l'immunité aux interférences lumineuses (donc plusieurs scanners dans la même proximité ne s'aveugle pas).

Les normes importantes : CEI 61496, CEI 61508 (SIL) et ISO 13849-1 (PL)

Il existe trois normes différentes régissant la mise en œuvre et les spécifications du scanner laser de sécurité industrielle, et elles ne sont pas interchangeables La CEI 86496 définit le capteur lui-même ; La CEI 61508 décrit la fonction de sécurité dont fait partie le scanner ; et HC18 décrit l'application de sécurité au sein du système du capteur La plupart des ingénieurs l'apprennent à la dure : concevoir intentionnellement un scanner de type 3 dans un processus SIL 3 et découvrir que la configuration n'est pas certifiable.

Le tableau de références croisées ci-dessous résume les trois systèmes Il est assemblé à partir de la CEI 86496-1 édition 3.0 (2020), des données de sécurité publique DGUV/IFA sur les classes ESPE, et des certifications de fabricants publiées.

Que signifie CEI 61496 Type 3 vs Type 4 pour votre application ?

Le type 3 et le type 4 diffèrent par le calibre de couverture diagnostique requis (et donc le SIL maximum pris en charge par l'appareil dans une fonction de sécurité).D'après Livre blanc 440L de Rockwell Automation et le tableau 2 de la CEI 61496-1 Edition 3.0, un rideau lumineux de type 3 est appliqué pour les fonctions de sécurité à SIL 2 et PL d. Lorsque SIL 3 ou PL e est requis selon l'analyse des risques, un rideau lumineux de type 4 est appliqué.

Les presses plieuses mécaniques et les cellules de forgeage robustes spécifient généralement l'application de rideaux légers de type 4 sur le point de fonctionnement, tandis que les scanners de type 3 sont presque toujours applicables pour la protection des zones autour des robots collaboratifs, des AGV et des cellules d'usinage.

Le type, SIL et PL sont des catégories de composants liés à la sécurité... CEI 61496 Le tableau 2 indique qu'un capteur de sécurité de type 3 est requis pour une fonction de sécurité SIL 2 et/ou PL d.

Point principal : choisissez d'abord le niveau de performance dans l'évaluation des risques, puis sélectionnez à nouveau le type de capteur. Sélectionnez l'autre moyen et vous vous retrouverez presque toujours avec du matériel spécifié ou sous celui-ci.

Protection stationnaire des zones dangereuses : protection des machines fixes

 

La garde stationnaire-mais souvent appelée garde de zone ou d'accès dans les catalogues des fournisseurs-est la première application pour le scanner laser de sécurité Essayez d'imager une cellule de soudage robotisée de 12 m sur 8 m avec trois points d'accès, un plateau tournant au milieu et un opérateur chargeant des composants à l'avant Mettre des clôtures fixes tout autour des trois bras bloquerait le pont roulant et rendrait le poste de chargement inaccessible.

Positionner un module SLS à angle de balayage de 276° installé horizontalement à chaque port d'accès surveillé par un champ de protection à trois côtés défini dans le logiciel. Entrez dans la zone d'avertissement - les résultats représentent la moitié de la vitesse, le passage dans le champ de protection entraîne un arrêt brusque et sûr. Un opérateur a signalé cette modernisation et l'a donc remplacée par quatre clôtures distinctes sur une ligne d'estampage, et a réduit le temps de changement pour les échanges d'outils de plus de la moitié (ces résultats de modernisation sont régulièrement rapportés dans les historiques de cas de presse commerciale).

Des exemples d'applications stationnaires courantes sont les cellules de moulage par injection, les presses plieuses, les postes de travail robotisés de soudage/polissage, les robots de palettisation et les clôtures d'accès autour des points d'accès de manutention. Pour les installations fixes, la règle générale pour le technicien est de définir un rayon de champ de protection de 5 m (par exemple, le série QJKH SH27-05D avec sortie Ethernet et deux zones de protection), installer horizontalement à 300 mm ou 150 mm de hauteur centrale, et programmer les zones de protection pour reproduire l'enveloppe de portée de la machinerie sauvegardée Parce que le scanner est toujours surveillé par le diagnostic interne et l'autotest OSSD, la maintenance est mesurée en mois, pas en équipes.

Applications mobiles : AGV, AMR et cellules robotiques collaboratives

Déplacer la protection pour les zones dangereuses est l'endroit où l'industrie du scanner laser de sécurité se développe le plus rapidement Un AGV voyageant autour d'un entrepôt ne peut pas dépendre de clôtures permanentes pour la sécurité à mesure que l'AGV se déplace, sa zone de danger se déplace avec lui La réponse à cela est de fixer un scanner de sécurité au nez de chaque AGV et de faire fonctionner les zones de sécurité de manière dynamique en fonction de la vitesse, de la charge utile et de la direction de déplacement de l'AGV.

Lorsqu'il se déplace à une vitesse opérationnelle (disons 4 m/sec), le champ de protection s'étend sur plusieurs mètres ; lors de l'amarrage à un quai de chargement, il se rétrécit en un cône étroit afin que l'AGV puisse se heurter à une interface de convoyeur.

Paramètres communs pour un déploiement mobile : l'angle de balayage doit être de 270° et plus (couvrant tous les angles morts à l'avant et sur le côté) ; le temps de réponse doit être inférieur à 100 ms (en gardant la distance de freinage comme prévu) ; la résolution minimale de l'objet doit être de 70 mm (sur la base d'une approximation de jambe humaine) ; et la commutation dynamique de zone entre l'état actif et l'état inactif doit prendre moins de 50 ms (sans provoquer de ‘ blancs ’ dans la couverture lors d'un changement de vitesse). Un champ de protection de 3 m avec un champ d'avertissement de 10 m fournira souvent une géométrie de départ appropriée dans une application d'intérieur AGV ; a Scanner laser de sécurité à cadence mobile QJKH SH27-03D fournit précisément cette géométrie avec une sortie Ethernet permettant une commutation en temps réel basée sur le réglage de zone sur Profinet ou des protocoles similaires.

Pour les cellules cobot à cellules molles, le scanner remplace généralement complètement la clôture périphérique Monté à plat sous le cobot, il détecte un travailleur qui s'approche sous n'importe quel angle et provoque une transition de surveillance de la vitesse et de la séparation tout en revenant à pleine vitesse lors de la retraite des travailleurs. Si vous le désirez (même si vous ne devriez pas), pour la navigation, optez pour le Capteurs lidar industriels QJKH pour cartographier et définir la fonction de sécurité dans le scanner certifié.

Détection d'intrusion et contrôle d'accès : scanner vs rideau de lumière

Les ingénieurs demandent à “Est-ce qu'un scanner ou un rideau lumineux est la bonne solution pour l'ouverture ?” L'essentiel est qu'ils sont pour différentes géométries. Un rideau lumineux de sécurité crée le plan vertical de faisceaux IR invisibles à travers une ouverture rectangulaire d'une presse plieuse, d'un alimentateur, d'un transfert de convoyeur où un travailleur se prépare à travers un espace prévisible Le scanner laser de sécurité crée un plan horizontal ou vertical de faisceaux IR (ou visibles), qui peuvent couvrir des ouvertures de forme irrégulière, un accès multizone et de grandes zones.

Un mythe courant est qu'un rideau lumineux se caractérise dans tous les cas par un“ car il répond plus rapidement. Plus vite, c'est seulement mieux lorsque la géométrie s'adapte à la plupart des cellules cobot, des quais AGV et des grands postes de travail de palettisation, la géométrie ne s'adapte pas.

Sélection d'un scanner laser de sécurité industrielle : une liste de contrôle en 8 points

 

Avant de demander un devis à un fournisseur, parcourez ces huit questions. Chaque mappe directement à un élément de la ligne de feuille de spécifications, et chacun a une réponse défendable que vous pouvez indiquer dans votre évaluation des risques.

1. Quel niveau de performance ou quel niveau d'intégrité de sécurité votre évaluation des risques exige-t-elle ? PL d /SIL 2 est la réponse courante pour la protection de zone et les AGV, qui correspond à un capteur de type 3. PL e /SIL 3 nécessite un appareil de type 4. ne choisissez pas le capteur avant d'avoir ce numéro.
2. Quelle est la taille du champ de protection dont vous avez réellement besoin ? les rayons communs sont de 3 m (garde rapprochée, petits AGV), 5 m (cellules robotiques, véhicules de taille moyenne) et 7,5 m ou plus (machines à grand encombrement).Spécifiez le plus petit rayon qui couvre toujours le rayon de danger plus grand ; réduisez la résolution des objets aux bords.
3. Quel angle de balayage avez-vous besoin ? 190° est suffisant pour une cellule à trois faces montée dans un coin. 270276° est la norme pour le montage avant AGV et la garde périmétrique Tout ce qui est inférieur à 270° laisse des angles morts sur le côté du boîtier du scanner.
4. Quel est l'objet minimum que vous devez détecter ? 30 mm est réservé aux applications d'accès doigt/main (généralement un travail de rideau léger).40 mm couvre la détection des bras. 70 mm est la résolution typique de détection des jambes pour l'AGV et la protection de zone et c'est ce que publient la plupart des appareils SLS industriels.
5. Quelles sont les contraintes environnementales ? IP65 est standard La température de fonctionnement 10 C à +50 C couvre la plupart des usines intérieures Si le scanner vivra à l'extérieur ou dans une baie de stockage à froid, vérifiez la limite inférieure L'immunité à la lumière ambiante 3 000 lux est un numéro d'intérieur sûr.
6. Comment allez-vous intégrer le scanner dans le circuit de sécurité ? installations de base utiliser le double OSSD câblé dans un module relais de sécurité. Les AGV avancés utilisent Profinet, EtherCAT FSoE ou CIP Safety pour échanger des commandes de zone en temps réel. Faites correspondre le protocole de sortie à votre bus de sécurité PLC.
7. Comment les zones seront-elles configurées et échangées ? recherchez les bibliothèques de zones vectorielles (64 à 256 zones pré-stockées sont courantes), la commutation de stratégie sous 50 ms et si vous exécutez une flotte (prise en charge des modules de mémoire) afin qu'un scanner remplacé charge automatiquement la configuration de son prédécesseur sans remise en service.
8. Nécessite une surveillance multizone simultanée ?Un scanner contemporain est capable d'exécuter un champ d'avertissement et un champ de protection simultanément (mode PAA bizone) ou deux zones de protection autonomes (mode PP double).Élaborer des cellules de production avec diverses fonctions d'opérateur nécessite généralement un fonctionnement bizone (un instrument monozone) signifie compromettre les choses qui vous presseront sous l'arche.

Pour 801TP3 T de toutes les applications d'automatisation industrielle la majorité des presses, forgeage, équipements mobiles lourds, un scanner laser de sécurité Type 3 /SIL 2 /PL d correctement spécifié avec un champ de protection de 5 m, un angle de balayage de 276°, un temps de réponse de 100 ms et 64 zones configurables seront appropriés L'autre 201TP3 T nécessitera un appareil de Type 4 et une évaluation plus détaillée des risques.

Foire aux questions

 

Les scanners laser de sécurité sont-ils requis par l'OSHA ?

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L'OSHA ne spécifie pas la technologie, 29 CFR 1910.212 réclame une protection générale des machines et 29 CFR 1910.217 réclame un dispositif de détection de présence sur les presses mécaniques. Un scanner laser de sécurité est un moyen possible d’accomplir le PSD.

Quelle est la différence entre un scanner laser de sécurité et un capteur LiDAR ordinaire ?

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Ils mesurent tous les deux la distance avec le même principe optique du temps de vol. Ils peuvent tous deux travailler dans la même longueur d'onde de 905 nm La distinction réside dans la certification de sécurité fonctionnelle.

Le scanner laser de sécurité est conçu avec une architecture à double canal, une couverture de diagnostic et une analyse en mode défaillance afin qu'il puisse satisfaire aux critères CEI 61496 de type 3 ou de type 4, lui permettant de participer à une fonction de sécurité SIL 2 ou SIL 3. Un LiD normal ne contient aucune de ces assurances. Il ne peut échouer silencieusement et dire un chemin ouvert de la coordonnée même lorsqu'un travailleur se tient devant lui. Dans un robot mobile ou une cellule collaborative, la fonction de sécurité doit être mise en œuvre avec un appareil certifié.

Un LiDAR de navigation peut être utilisé à des fins de cartographie, mais il ne peut pas remplacer le scanner.

Quelle cote IP un scanner laser de sécurité doit-il avoir pour une utilisation extérieure d'AGV ?

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IP65 minimum pour l'AGVS extérieur- empêche la pénétration de poussière et de jet d'eau à basse pression Dans les cours humides IP67 est recommandé Vérifiez toujours la plage de température de travail individuellement : un scanner évalué à 10 C ne fonctionnera pas dans un entrepôt de congélation.

La sécurité Profinet ou EtherCAT peut-elle être utilisée avec des scanners laser de sécurité ?

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Certes. Les scanners laser de sécurité moyens/plus coûteux disposent d'une interface de sécurité basée sur Ethernet, qui peut être Profinet avec PROFIsafe, EtherCAT avec FSoE ou CIP Safety sur EtherNet/IP. Ces protocoles intégrés permettent à la fois la commutation de zones et le transfert de données de diagnostic du scanner vers un automate de sécurité sans aucun câblage OSSD discret.

Les scanners d'entrée de gamme ont toujours deux sorties OSSD câblées dans un module relais de sécurité, les deux manières sont conformes aux normes, mais seules les versions Ethernet du scanner laser de sécurité prennent en charge la commutation de zone dynamique en temps réel requise par une nouvelle flotte d'AGV.

Quelle est la durée de vie typique d'un scanner laser de sécurité industrielle ?

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La plupart des fabricants donnent un délai moyen de défaillance dangereuse (MTTFd) de 50 ans ou plus pour les appareils de type 3, mais en réalité, la limite est l'usure des fenêtres optiques et la durée de vie des roulements de moteur Attendez-vous à 5 à 10 ans de service dans un environnement intérieur propre.