Miniatur-Sicherheitslaserscanner für maximale Sicherheit und Produktivität

Die zunehmende Komplexität der Fabrikautomation und Logistik der Industrie 4.0 erfordert neue Ansätze für die Systementwicklung, die gleichzeitig die Sicherheit und Produktivität maximieren.

Der flexible Charakter von Industrie-4.0-Betrieben bedeutet, dass sich Ort und Umfang gefährlicher Tätigkeiten gelegentlich ändern können und die Sicherheitssysteme sich schnell anpassen müssen. Es wird ein rekonfigurierbares, programmierbares und flexibles Sicherheitssystem benötigt.

Die Möglichkeit, Warnzonen einzurichten, um Arbeiter zu warnen, die sich einem Gefahrenbereich nähern, bevor sie ihm zu nahe kommen, kann ein großer Vorteil sein. Sie verhindert, dass Arbeiter versehentlich den Gefahrenbereich betreten, eine Sicherheitseinrichtung auslösen und eine Maschine abschalten. Das erhöht die Betriebszeit und die Produktivität.

Dieser Artikel beginnt mit einem kurzen Überblick über die internationalen Normen für Sicherheitsmatten und Sicherheitslaserscanner. Anschließend werden die Anwendungsaspekte von Sicherheitsmatten und Sicherheitslaserscannern verglichen, wobei Faktoren wie berührender oder berührungsloser Betrieb, Warnfeldschutz und Einstellbarkeit berücksichtigt werden.

Abschließend werden Beispiele von Miniatur-Sicherheitslaserscannern von SICK vorgestellt und gezeigt, wie sie die Anforderungen verschiedener Anwendungen erfüllen, welche Installations- und Konfigurationsmöglichkeiten es gibt und wie die Scanner im Falle einer Beschädigung einfach ausgetauscht werden können.

Zu den wichtigsten Sicherheitsnormen gehören die IEC 61508 (IEC: Internationale Elektrotechnische Kommission), „Funktionale Sicherheit elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer sicherheitsbezogener Systeme (E/E/PE oder E/E/PES)“, die ISO 13849 (ISO: Internationale Organisation für Normung), „Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen“, und die IEC 61496, „Sicherheit von Maschinen - Elektrosensible Schutzeinrichtungen“.

Sicherheitsmatten und Sicherheitslaserscanner erfüllen verschiedene Teile dieser Normen. So definiert die IEC 61508 eine Reihe von Sicherheitsintegritätsstufen (SILs). Sicherheitslaserscanner erfüllen die Anforderungen von SIL 2. Das gilt auch für einige, aber nicht für alle, Sicherheitsmatten. Einige Sicherheitsmatten erfüllen nur die Anforderungen von SIL 1, was um eine Größenordnung weniger streng ist als SIL 2.

Sicherheitsvorrichtungen gemäß SIL 1 sind für Anwendungen mit geringem Risiko vorgesehen, bei denen die Folgen eines Ausfalls nicht schwerwiegend sind, wie z. B. einfache Maschinenschutzvorrichtungen, unkritische Prozesse und einfache Alarme. Sicherheitsvorrichtungen gemäß SIL 2 sind so konzipiert, dass sie Risiken mindern, die zu schweren Verletzungen oder erheblichen Umweltschäden führen können, aber nicht unbedingt zu katastrophalen Ereignissen.

Unter Verwendung ähnlicher Konzepte wie SILs definiert die ISO 13849 Leistungsstufen (PLs). Sicherheitsmatten erfüllen in der Regel die PLc-Zertifizierung, während Sicherheitslaserscanner die strengere PLd-Zertifizierung erfüllen müssen. Einige Sicherheitsmatten können auch die PLd-Leistungsanforderungen erfüllen.

Um zertifiziert zu werden, muss ein Sicherheitslaserscanner SIL 2, PLd und IEC 61496-3 erfüllen, was speziell für aktive optoelektronische Schutzeinrichtungen gilt, die auf diffuse Reflexion reagieren (AOPDDR oder Laserscanner). Die Auswirkungen der verschiedenen Sicherheitszertifizierungen für Sicherheitsmatten und Sicherheitslaserscanner sind wichtig, aber sie sind nur der Anfang bei der Maximierung von Schutz und Produktivität.

Weitere Überlegungen

Ordnungsgemäß spezifizierte Sicherheitsmatten und Sicherheitslaserscanner können beide die IEC- und ISO-Sicherheitsanforderungen erfüllen. Doch damit ist die Geschichte noch nicht zu Ende, denn bei Industrie-4.0-Anwendungen in der Fabrik- und Logistikautomatisierung gibt es noch mehr zu beachten.

Eine Schaltmatte ist eine Matrix aus mechanischen Schaltern. Wenn ein Gewicht, z. B. eine Person, die auf die Matte tritt, einen oder mehrere Schalter schließt, wird ein Signal an die Mattensteuerung gesendet, das den Betrieb des geschützten Systems stoppt.

Die mechanische Beschaffenheit von Sicherheitsmatten kann Anlass zur Sorge geben. Erstens: Damit die Matte funktioniert, muss ein direkter Kontakt mit einer Person bestehen, die über die Matte läuft. Zweitens: Die Matten nutzen sich ab und können beschädigt werden. Personen können schwere und/oder scharfe Werkzeuge auf die Matte fallen lassen und sie dadurch beschädigen (Abbildung 1). Oder ein Gabelstapler könnte über die Matte fahren und sie beschädigen. Auch Umwelteinflüsse wie das Verschütten von ätzenden Stoffen können die Matte beeinträchtigen.

Abbildung 1: Der Betrieb von Sicherheitsmatten erfordert Körperkontakt und kann durch Beschädigungen und Umweltgefahren beeinträchtigt werden. (Bildquelle: SICK)

Justierbarkeit

Sicherheitsmatten sind von Natur aus fest installiert und können nicht justiert werden. Es gibt verschiedene Größen und Mattenkonfigurationen für spezifische Installationsanforderungen. Das kann in Fabriken und Logistikbetrieben der Industrie 4.0, die bei veränderten Prozessanforderungen neu konfiguriert werden müssen, eine Herausforderung darstellen.

Änderungen an Systemen basierend auf Sicherheitsmatten können die Anschaffung einer neuen Matte erforderlich machen, wodurch sich die Zeit für die Umstellung bis zur Inbetriebnahme verlängert. Das kann sich negativ auf die Maschinenverfügbarkeit und die Gesamtproduktivität auswirken.

Eine Möglichkeit, die Auswirkungen zu minimieren, besteht darin, verschiedene Größen von Ersatzschutzmatten bereitzuhalten. Das kann die Umstellung und den Austausch von beschädigten Matten beschleunigen. Aber es ist auch teuer. Außerdem kann es erforderlich sein, eine Vielzahl von Controllern für Sicherheitsmatten vorrätig zu haben, da nicht alle Matten mit allen Controllern kompatibel sind.

Diese Probleme können durch den Einsatz von Sicherheitslaserscannern gelöst werden. Sicherheitslaserscanner basieren nicht auf mechanischen Schaltern, sondern sind elektronische Geräte, die für verschiedene Anwendungsanforderungen angepasst werden können.

Bei Sicherheitslaserscannern handelt es sich um eine berührungslose Technologie, bei der ein Infrarotlaser (IR) eingesetzt wird, um die Umgebung in zwei Dimensionen abzutasten. Sie senden kurze Impulse von IR-Licht aus. Wenn ein Lichtimpuls auf ein Objekt trifft, wird er zum Scanner reflektiert. Die Entfernung zum Objekt lässt sich anhand des Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung und dem Zeitpunkt der Rückkehr des reflektierten Lichts mit hoher Genauigkeit bestimmen.

Die Fähigkeit, die Entfernung zu Hindernissen zu bestimmen, ermöglicht es Sicherheitslaserscannern, eine Reihe von Warn- und Schutzfeldern in Abhängigkeit von der Nähe eines Objekts aufzubauen. Einige Sicherheitslaserscanner können Dutzende von definierten Feldern haben. Das kann für Anwendungen wie die Navigation eines autonomen mobilen Roboters nützlich sein.

Die Sicherheitslaserscanner S300 Mini Standard von SICK sind für Sicherheitsanwendungen optimiert, bei denen drei definierte Felder - ein Schutzfeld und zwei Warnfelder - gleichzeitig aktiv sein müssen. Aufgrund ihrer kompakten Abmessungen von 102 x 116 x 105 Millimetern (B x H x T) eignen sie sich für Anwendungen wie Roboterarbeitszellen und fahrerlose Transportsysteme (AGVs) (Abbildung 2).

Abbildung 2: Größenvergleich zwischen dem Sicherheitslaserscanner S300 Mini Standard und einer Getränkedose. (Bildquelle: SICK)

Die Scanner S300 Mini Standard bieten einen 270°-Scanwinkel, um einen großen Bereich abzudecken, und eine wählbare Auflösung für Hand-, Bein- oder Körpererkennung. Diese Scanner unterstützen Warnfeldreichweiten bis zu 8 m und sind mit drei maximalen Schutzfeldreichweiten erhältlich:

• Ein Meter, Modell 1058000
• Zwei Meter, Modell 1050932
• Drei Meter, Modell 1056430

Dynamische Umgebungen

Dynamische Umgebungen, in denen sich das Layout oder die Betriebsbedingungen ändern oder in denen sich die AGVs bewegen, können von konfigurierbaren Sicherheitslaserscannern profitieren. Die Erkennungsbereiche können je nach Bedarf geändert werden, um dem sich ändernden Schutzbedarf gerecht zu werden.

Das Setzen mehrerer Warnfelder kann besonders nützlich sein, um zu verhindern, dass Personen zu nahe herankommen und eine Maschine abschalten. Die Warnsignaleinrichtungen können ein einfaches Blinklicht umfassen, wenn das erste Warnfeld verletzt wird, und eine Warnsirene oder Hupe, wenn das zweite Warnfeld betreten wird. Für die Berechnung der Größe von Schutzfeldern gibt es bestimmte Regeln.

Berechnungen des Sicherheitsabstands

Die ISO-Norm 13855 „Sicherheit von Maschinen - Anordnung von Schutzeinrichtungen bei Annäherung des menschlichen Körpers“ enthält Leitlinien für die Berechnung des Mindestsicherheitsabstands, der erforderlich ist, um eine Maschine anzuhalten, wenn eine Person sich ihr nähert. ISO 13855 gilt für verschiedene Arten von Sicherheitsvorrichtungen, darunter Sicherheitslaserscanner, Sicherheitslichtvorhänge, druckempfindliche Vorrichtungen, Sicherheitsmatten und -böden und mehr.

Sie kann bei der Berechnung der Größe von Sicherheitsfeldern für Sicherheitslaserscanner hilfreich sein (Abbildung 3). Eine gängige Formel zur Berechnung des Sicherheitsabstands S lautet: S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, wobei:

• K = Annäherungsgeschwindigkeit (1600 mm/s, definiert in ISO 13855)
• TM = Zeit für das Anhalten der Maschine oder Anlage
• TS = Reaktionszeit des Sicherheitslaserscanners und der nachgeschalteten Steuerung
• ZG = Allgemeiner Zuschlag = 100 mm
• ZR = Zuschlag für reflexionsbedingte Messfehler
• CRO = Zusatz, um ein Übergreifen zu verhindern

Abbildung 3: Die Richtlinien der ISO 13855 können zur Berechnung der Größe von Sicherheitsfeldern (rot) für Sicherheitslaserscanner wie den S300 Mini Standard verwendet werden. (Bildquelle: SICK)

Fahrerlose Transportsysteme

Fahrerlose Transportsysteme (AGVs) bewegen Artikel schnell und effizient ohne menschliches Eingreifen in Industrie-4.0-Fabriken, -Lagern und -Vertriebszentren. Bei einigen AGVs werden Schaltleisten oder Puffer eingesetzt, um Hindernisse zu erkennen. Dies kann die Fahrgeschwindigkeit des AGVs einschränken, und die Leisten oder Puffer können physisch beschädigt werden, so dass sie ausgetauscht werden müssen und das AGV für eine gewisse Zeit außer Betrieb genommen werden muss.

Um Sicherheit, Flexibilität und maximale Verfügbarkeit zu gewährleisten, können Schaltleisten und Puffer als primäre Sicherheitsvorrichtung des AGV durch einen Sicherheitslaserscanner ersetzt werden, der Hindernisse erkennt und für ein sicheres Anhalten sorgt. Die geringe Größe des S300 Mini erleichtert die Integration selbst in die kleinsten AGVs (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die kompakte Größe der Sicherheitslaserscanner S300 Mini Standard ermöglicht die Montage an kleinen AGVs. (Bildquelle: SICK)

Der Einsatz von zwei Sicherheitslaserscannern kann einen erweiterten Schutzbereich schaffen. Wenn die Scanner an den vorderen Ecken des AGVs angebracht sind, erstreckt sich der geschützte Bereich auf die Vorderseite und beide Seiten des Fahrzeugs. Angenommen, die Scanner sind diagonal gegenüberliegend an der Vorder- und Rückseite des Fahrzeugs angebracht. In diesem Fall umgibt der geschützte Bereich alle Seiten des AGVs und ermöglicht eine sichere Bewegung in beide Richtungen.

Konfiguration, Installation und Wartung

Mit der Konfigurations- und Diagnosesoftware (CDS) von SICK lassen sich Schutz- und Warnfelder über einen PC oder Laptop definieren. Die Software verfügt über eine intuitive Schnittstelle für den Entwurf und die Implementierung von Anwendungen. Die Software berechnet und speichert außerdem alle Konfigurations- und Diagnosedaten für eine schnelle Inbetriebnahme und/oder effiziente Fehlersuche. Konfiguration und Diagnose können während der Inbetriebnahme oder Wartung durchgeführt werden.

SICK bietet auch eine Auswahl an Montagekits für die physische Befestigung der S300-Mini-Sicherheitslaserscanner an. Kit 1a, Modell 2034324, ist die Basishalterung ohne Schutzabdeckung für die Optik, und Kit 1b, Modell 2034325, enthält einen Schutz für die Optik (Abbildung 5). Darüber hinaus können zusätzliche Montagehalterungen, einschließlich Kit 2, Modell 2039302, und Kit 3, Modell 2039303, hinzugefügt werden, um die Scanner in zwei Ebenen auszurichten. Der maximale Einstellwinkel beträgt ±11° in beiden Ebenen.

Abbildung 5: Kit 1b enthält eine Optikabdeckung. (Bildquelle: SICK)

Die Montagekits unterstützen auch den schnellen Austausch von beschädigten Scannerköpfen. Der Ersatzscannerkopf wird am Systemstecker befestigt, der fest am Gerät angebracht ist. Der Ersatzkopf lädt sofort die Konfigurationsdaten vom Systemstecker herunter und übernimmt die programmierten Sicherheitsaufgaben, kein Umprogrammieren oder manuelles Herunterladen von Konfigurationsdaten. Es handelt sich um ein Plug&Play-Verfahren, das die Ausfallzeiten der Maschine minimiert.

Zusammenfassung

Sicherheitslaserscanner S300 Mini Standard bieten eine robuste Alternative zu Sicherheitsmatten in Industrie-4.0-Fabriken, -Lagern und -Distributionszentren, die gleichzeitig die Sicherheit und Produktivität maximieren. Sie erfüllen die Sicherheitsnormen IEC 61508, ISO 13849 und IEC 61496 und eignen sich für feste Installationen und mobile Plattformen wie AGVs. Zudem unterstützen die Sicherheitslaserscanner S300 Mini Standard eine flexible und schnelle Konfiguration, Installation und Wartung.