Scanners a laser de segurança industrial: como funcionam, padrões e seleção

Scanners a laser de segurança industrial: um guia baseado em padrões para proteção de áreas perigosas

Especificações rápidas: varredor a laser de segurança industrial

• Princípio de funcionamento: Tempo-de-voo (TOF) que varia ótico, luz infravermelha da classe 1 de 905 nm
• Ângulo de varredura típico: 270276° horizontal
• Raio do campo de proteção: 3 m a 7,5 m (configurável)
• Objeto mínimo detectado: 30 mm, 40 mm ou 70 mm (dependendo da aplicação)
• Tempo de resposta: 600 ms (configurável)
• Classificação de segurança típica: Tipo 3 (CEI 61496), SIL 2 (IEC 61508), PL d Cat. 3 (ISO 13849-1)
• Proteção de entrada: IP65
• Imunidade à luz ambiente: ≥3.000 lu×

Os scanners a laser de segurança industrial são a nova solução para um problema intratável: como proteger os trabalhadores nas proximidades de máquinas móveis, robôs e AGVs sem instalar barreiras físicas que retardem a produção? Estes dispositivos enviam um número fiortizado de feixes de laser infravermelhos giratórios, fazem as suas medições de tempo de voo e produzem um sinal de paragem caso um operador ou objecto atravesse uma zona de protecção configurada. Eles não são novos: o tamanho do mercado mundial de 2023 foi de 469,8 milhões de dólares, com um crescimento anual de cerca de 6% até 2031.

Se você estiver adquirindo novos equipamentos de segurança para uma nova linha de produção, modernizando uma célula robótica ou escolhendo uma frota AGV, este artigo percorre a operação, os padrões e um processo de seleção de 8 etapas para se inscrever antes de entrar em contato com um fabricante.

O que é um scanner a laser de segurança industrial? (e como ele difere de um LiDAR normal)

Um scanner a laser de segurança é um dispositivo ativo de detecção de presença sem contato. Ele gira um feixe de laser infravermelho em torno de seu plano horizontal, aplica a física do TOF para derivar a distância de cada objeto em seu campo de visão e produz um sinal de parada OSSD no instante em que algo entra em uma zona de segurança configurável. Ao contrário de uma cerca ou tapete de proteção contra luz, um scanner a laser de segurança pode ser reprogramado para monitorar diferentes zonas, objetos de formato arbitrário e múltiplas zonas usando uma varredura.

A classificação técnica publicada pela IEC 61496 é “Active Opto-electronic Protective Device responsive to Diffuse Reflection” (AOPDDR).Essa terminologia é relevante porque sugere uma compreensão de por que um LiDAR padrão, mesmo um que opera a 905 nm e pode determinar TOF como os dispositivos com classificação de segurança, não pode ser substituído diretamente.

Como um scanner a laser de segurança é diferente de um LiDAR de navegação?

Ambos usam um laser giratório, ambos medem o tempo de voo (TOF) Mas o scanner a laser de segurança é certificado, tem redundâncias, cobertura de diagnóstico e diagnóstico Um LiDAR comum enfatiza a aquisição de nuvem de pontos de alta resolução e SLAM (localização e mapeamento simultâneos); um scanner a laser com classificação de segurança terá o canal duplo, capacidades de diagnóstico e análise de modo de falha em seu projeto para garantir que a probabilidade de uma falha perigosa não detectada esteja dentro de um limite quantificado Um LiDAR de navegação comum pode ser induzido em erro por um simples erro óptico para limpar um caminho quando um operador estava de pé nesse caminho algo que um scanner com classificação de segurança foi projetado para evitar Essa é a diferença entre o “sensor que é o” e o “system que pode salvar uma vida.” (Os praticantes alertaram consistentemente contra a tentativa de atribuir um LiDAR não certificado para um scanner a laser de segurança em robótica móvel).

Como funcionam os scanners a laser de segurança: tempo de voo, campo de proteção, campo de alerta

O princípio de funcionamento subjacente consiste num ciclo de quatro passos repetido 25 vezes por segundo Uma cabeça ótica rotativa aciona um feixe de laser IR pulsado (normalmente 905 nm, produto laser Classe 1 seguro para os olhos em operação normal) e emite este feixe através de um plano de varredura O feixe IR atinge um objeto, difunde-se e alguma da luz IR refletida atinge o receptor O scanner vezes o pulso refletido, converte-o a uma distância com d = (ct) /2, depois armazena cada posição angular na sua memória como uma coordenada polar.

Depois de completar um turn (geralmente período de rotação de 40 ms) o firmware do scanner compara cada ponto medido com as zonas de proteção predefinidas carregadas na memória Qualquer ponto dentro da célula de proteção faz com que as saídas OSSD caiam para OFF e a maquinaria protegida desacelere para um estado seguro Qualquer ponto na célula de aviso, uma zona tampão maior de pré-alerta, faz com que o scanner envie um sinal de alerta como uma desaceleração, farol ou buzina sem parar a máquina.

Nota de engenharia para temporização real em um scanner

O tempo publicado da maioria das séries QJKH Scanner laser segurança SH27 é: pulso de detecção t1 200 μs, período de rotação t2 = 40 ms, tempo de resposta de bloqueio de luz t3 ≥ 100 ms (configurável) e tempo de recuperação t4 ≥ 300 ms (configurável).A redução do tempo de resposta reduz a distância de segurança necessária, mas também pode aumentar a sensibilidade do scanner a oclusões temporárias, como respingos de soldagem, portanto, a configurabilidade.

Os scanners a laser de segurança podem funcionar em ambientes externos ou empoeirados?

As limitações físicas são a iluminação ambiente, a faixa de temperatura e a contaminação da janela A maioria dos dispositivos de nível industrial são classificados para proteção IP65 e toleram níveis de iluminação ambiente de 3000 lux (o) para um piso típico da planta, mas insuficiente para a luz solar direta do meio-dia As faixas de temperatura de operação são comumente de -10 C a +50 C, com temperaturas da janela de armazenamento de -40 C a +70 C. Para aplicações AGV externas, procure um indicador de aviso de contaminação (o scanner alerta sempre que a sujeira corre o risco de obstruir a detecção) e imunidade de interferência de luz co-fonte (para que vários scanners na mesma proximidade não se ceguem).

Os padrões que importam: IEC 61496, IEC 61508 (SIL) e ISO 13849-1 (PL)

Existem três padrões diferentes que regem a implementação e especificações do scanner a laser de segurança industrial, e eles não são intercambiáveis A IEC 86496 define o próprio sensor; A IEC 61508 descreve a função de segurança da qual o scanner se torna parte; e o HC18 descreve a aplicação de segurança dentro do sistema do sensor A maioria dos engenheiros aprende isso da maneira mais difícil, projetando intencionalmente um scanner Tipo 3 em um processo SIL 3 e descobrindo que a configuração não é certificável.

A tabela de referência cruzada abaixo resume os três sistemas É montado a partir da IEC 86496-1 edição 3.0 (2020), dados de segurança pública DGUV/IFA sobre classes ESPE e certificações de fabricantes publicadas.

O que significa IEC 61496 Tipo 3 vs Tipo 4 para sua aplicação?

Tipo 3 e Tipo 4 diferem no calibre da cobertura diagnóstica necessária (e, portanto, o SIL máximo suportado pelo dispositivo em uma função de segurança).De acordo com Whitepaper 440L da Rockwell Automation e a IEC 61496-1 Edição 3.0 Tabela 2, uma cortina de luz Tipo 3 é aplicada para funções de segurança a SIL 2 e PL d. Quando SIL 3 ou PL e é necessário de acordo com a análise de risco, uma cortina de luz Tipo 4 é aplicada.

Os freios mecânicos de pressão de potência e as células de forjamento pesadas geralmente especificam a aplicação de cortinas leves Tipo 4 no ponto de operação, enquanto os scanners Tipo 3 são quase sempre aplicáveis para proteção de área em torno de robôs colaborativos, AGVs e células de usinagem.

O tipo, SIL e PL são categorias de componentes relacionados à segurança... IEC 61496 Tabela 2 afirma que um sensor de segurança Tipo 3 é necessário para uma função de segurança SIL 2 e/ou PL d.

Ponto principal: escolha primeiro o Nível de Desempenho da avaliação de risco e, em seguida, selecione novamente o Tipo de sensor Selecione o contrário e quase sempre você acabará com hardware acima ou abaixo do especificado.

Proteção de áreas perigosas estacionárias: proteção de máquinas fixas

 

Guarda estacionária - mas muitas vezes chamada de área ou guarda de acesso em catálogos de fornecedores - é a aplicação mais antiga para o scanner a laser de segurança Tente obter imagens de uma célula de soldagem robótica de 12 m por 8 m com três pontos de acesso, uma plataforma giratória no meio e um operador carregando componentes na frente Colocar cercas fixas ao redor dos três braços bloquearia a ponte rolante e tornaria a estação de carregamento inacessível.

Posicione um módulo SLS de ângulo de varredura de 276° instalado horizontalmente em cada porta de acesso - monitorou um campo de proteção de três lados definido no software Quebrar na zona de aviso - resulta em metade da velocidade, cruzando para o campo de proteção resulta em uma parada segura abrupta Um operador relatou esse retrofit, então substituiu quatro cercas separadas em uma linha de estampagem e reduziu o tempo de troca para trocas de ferramentas em mais da metade (tais resultados de retrofit são relatados regularmente em históricos de casos de imprensa comercial)

Exemplos de aplicações estacionárias comuns são células de moldagem por injeção, freios de pressão, estações de trabalho robóticas de soldagem/polimento, robôs de paletização e cercas de acesso em torno de pontos de acesso de manuseio de materiais Para instalações fixas, a regra geral para o técnico é definir um raio de campo de proteção de 5 m (por exemplo, o Série QJKH SH27-05 D com saída Ethernet e duas zonas de proteção), instale horizontalmente a 300 mm ou 150 mm de altura central e programe as zonas de proteção para reproduzir o envelope de alcance da maquinaria protegida. Como o scanner é sempre monitorado pelo diagnóstico interno e pelo autoteste OSSD, a manutenção é medida em meses, não em turnos.

Aplicativos móveis: AGVs, AMRs e células robóticas colaborativas

A proteção móvel é onde a indústria de scanners a laser de segurança está se expandindo mais rapidamente Um AGV viajando em um armazém não pode depender de cercas permanentes para segurança (segurança) à medida que o AGV se move, sua área de perigo se move com ele A resposta a isso é anexar um scanner com classificação de segurança no nariz de cada AGV operar as zonas de segurança dinamicamente de acordo com a velocidade AGV, carga útil e direção de deslocamento.

Ao mover-se a uma velocidade operacional (digamos 4 m/seg), o campo de proteção estende-se por vários metros; ao atracar em uma doca de carga, ele se estreita em um cone estreito para que o AGV possa entrar em uma interface transportadora.

Parâmetros comuns para uma implantação móvel: o ângulo de varrimento deve ser de 270° e mais (cobrindo todos os pontos cegos na frente e no lado); o tempo de resposta deve ser inferior a 100 ms (mantendo a distância de travagem como esperado); a resolução mínima do objeto deve ser de 70 mm (com base numa aproximação da perna humana); e a comutação dinâmica da zona entre o estado ativo e inativo deve demorar menos de 50 ms (sem causar quaisquer ‘brancos’ na cobertura ao alterar a velocidade).Um campo de proteção de 3 m com um campo de aviso de 10 m fornecerá frequentemente uma geometria de partida adequada numa aplicação AGV interior; a Scanner laser de segurança com classificação móvel QJKH SH27-03D fornece precisamente esta geometria com uma saída Ethernet que permite a comutação em tempo real com base na definição de zona através do Profinet ou protocolos semelhantes.

Para células cobot de células moles, o scanner geralmente substitui completamente a cerca do perímetro Montado plano sob o cobot, ele detecta um trabalhador que se aproxima de qualquer ângulo e causa uma transição de velocidade e separação do monitor enquanto reverte para a velocidade máxima após o recuo do trabalhador Se desejar (embora não deva), para navegação, vá com o Sensores lidar industriais QJKH para mapear e definir a função de segurança no scanner certificado.

Detecção de intrusão e controle de acesso: Scanner vs Cortina de Luz

Engenheiros perguntam “Um scanner ou uma cortina de luz é a solução certa para a abertura?” A linha inferior é que eles são para diferentes geometrias A cortina luz segurança cria o plano vertical feixes IR através de uma abertura retangular um freio de prensa invisível, um alimentador transferência transportadora onde um sacer através de uma lacuna previsível O scanner a laser de segurança um plano horizontal ou vertical de feixes IR (ou visível), que pode cobrir aberturas de forma irregular, acesso multi-zona, e grandes áreas.

Um mito comum é a cortina de cortina “cobre cada caso” porque ela é mais rápida Mais rápido é melhor apenas quando a geometria se encaixa (en) e na maioria das células cobot, docas AGV e grandes estações de trabalho de paletização, a geometria não se encaixa.

Selecionando um scanner a laser de segurança industrial: uma lista de verificação de 8 pontos

 

Antes de solicitar uma cotação de qualquer fornecedor, caminhe por essas oito perguntas Cada um mapeia diretamente para um item de linha de folha de especificações, e cada um tem uma resposta defensável que você pode apontar em sua avaliação de risco.

1. Qual o Nível de Desempenho ou Nível de Integridade de Segurança que a sua avaliação de risco exige? PL d / SIL 2 é a resposta comum para a área de guarda e AGVs, que mapeia para um sensor Tipo 3 PL e / SIL 3 requer um dispositivo Tipo 4 Não escolha o sensor antes de ter este número.
2. Quão grande é o campo de proteção que você realmente precisa Os raios comuns são 3 m (guarda próxima, pequenos AGVs), 5 m (células robóticas, veículos de tamanho médio) e 7,5 m ou mais (máquinas de grande pegada Especifique o menor raio que ainda cobre o perigo Os campos maiores reduzem a resolução do objeto nas bordas.
3. Qual ângulo de varredura faz? 190° é suficiente para uma célula de três lados montada em um canto.270 você precisa de 76° é o padrão para montagem frontal AGV e guarda de perímetro Qualquer coisa menor que 270° deixa pontos cegos no lado da própria caixa do scanner.
4. Qual é o objeto mínimo que você deve detectar? 30 mm é reservado para aplicações de acesso de dedo/mão (geralmente um trabalho de cortina de luz).40 mm cobre a detecção de braço.70 mm é a resolução típica de detecção de pernas para AGV e proteção de área e é o que a maioria dos dispositivos SLS industriais publica.
5. Quais são as restrições ambientais? IP65 é padrão Temperatura de operação 10 C a +50 C cobre a maioria das fábricas internas Se o scanner vai viver ao ar livre ou em uma baía de armazenamento a frio, verifique o limite inferior Imunidade à luz ambiente 3.000 lux é um número interno seguro.
6. Como você integrará o scanner no circuito de segurança? instalações básicas usam OSSD duplo com fio em um módulo relé segurança. AGVs avançados usam Profinet, EtherCAT FSoE ou CIP Safety para trocar comandos de configuração de zona em tempo real. Combine o protocolo de saída com seu barramento de segurança PLC.
7. Como as zonas serão trocadas? procure bibliotecas de zonas vetoriais (4 a 256 zonas pré-armazenadas são comuns), troca de estratégia sob 50 ms e 66 se você executar um suporte de frota para módulos de memória para que um scanner substituído carregue automaticamente a configuração de seu antecessor sem recomissionamento.
8. Requer monitoramento simultâneo de múltiplas zonas? Um scanner contemporâneo é capaz de executar um campo de aviso e um campo de proteção simultaneamente (modo PAA de zona dupla) ou duas zonas de proteção autônomas (modo PP duplo).Células de produção elaboradas com diversas funções de operador geralmente exigem operação de zona dupla. Um instrumento de zona única significa comprometer coisas que irão espremer você sob o arco.

Para 801TP3 T de todas as aplicações de automação industrial a maioria das prensas, forjamento, equipamentos móveis pesados, um scanner a laser de segurança Tipo 3 / SIL 2 / PL d corretamente especificado com um campo de proteção de 5 m, ângulo de varredura de 276°, tempo de resposta de 100 ms e 64 zonas configuráveis serão apropriadas O outro 201TP3 T exigirá um dispositivo Tipo 4 e uma avaliação de risco mais detalhada.

Perguntas frequentes

 

Os scanners a laser de segurança são exigidos pela OSHA?

Ver Resposta

A OSHA não especifica tecnologia, 29 CFR 1910.212 exige proteção geral da máquina e 29 CFR 1910.217 exige um dispositivo sensor de presença em prensas mecânicas. Um scanner a laser de segurança é uma maneira possível de realizar o PSD.

Qual é a diferença entre um scanner a laser de segurança e um sensor LiDAR normal?

Ver Resposta

Ambos medem a distância com o mesmo princípio óptico de tempo de voo Ambos podem trabalhar no mesmo comprimento de onda de 905 nm A distinção está na certificação de segurança funcional.

O scanner a laser de segurança é desenvolvido com arquitetura de canal duplo, cobertura de diagnóstico e análise de modo de falha para que possa satisfazer os critérios IEC 61496 Tipo 3 ou Tipo 4, permitindo que ele participe de uma função de segurança SIL 2 ou SIL 3. Um LiDAR normal não contém nenhuma dessas garantias (ele pode falhar silenciosamente e dizer “clear path” mesmo quando um trabalhador está na frente dele Em um robô móvel ou célula colaborativa, a função de segurança deve ser implementada com um dispositivo certificado.

Um LiDAR de navegação pode ser empregado para fins de mapeamento, mas não pode substituir o scanner.

Qual classificação IP um scanner a laser de segurança deve ter para uso externo de AGV?

Ver Resposta

IP65 mínimo para AGVS-exterior impede a entrada de poeira e jato de água de baixa pressão Em pátios úmidos IP67 é recomendado Verifique sempre a faixa de temperatura de trabalho individualmente: um scanner avaliado em 10 C não funcionará em um armazém congelador.

A segurança Profinet ou EtherCAT pode ser usada com scanners a laser de segurança?

Ver Resposta

Certamente. Os scanners a laser de segurança médios/mais caros têm uma interface de segurança baseada em Ethernet, que pode ser Profinet com PROFIsafe, EtherCAT com FSoE ou CIP Safety sobre EtherNet/IP. Esses protocolos integrados permitem a comutação de conjuntos de zonas e a transferência de dados de diagnóstico do scanner para um PLC de segurança sem qualquer fiação OSSD discreta.

Os scanners básicos ainda possuem saídas OSSD duplas conectadas a um módulo de relé de segurança, ambos os sentidos são compatíveis com o padrão, mas apenas as versões Ethernet do scanner a laser de segurança suportam a comutação de zona dinâmica em tempo real exigida por uma nova frota de AGV.

Qual é a vida útil típica de um scanner a laser de segurança industrial?

Ver Resposta

A maioria dos fabricantes dá um tempo médio para falha perigosa (MTTFd) de 50 anos ou mais para dispositivos Tipo 3, mas na realidade o limite é o desgaste da janela óptica e a vida útil do rolamento do motor Espere 5 a 10 anos de serviço em um ambiente interno limpo.