Sicherheitslaserscanner bieten Schutz für Menschen und Maschinen

Sicherheitslaserscanner können zur Sicherheit in Industrie- und Logistikanlagen beitragen. Sie können Menschen vor unsicheren Interaktionen mit Maschinen schützen und sie können Maschinen vor unbeabsichtigten Eingriffen durch Menschen bewahren.

Um die Wirksamkeit von Sicherheitslaserscannern zu maximieren, sind mehrere Faktoren erforderlich. Zunächst ist zu klären, ob ein Laserscanner die beste Lösung ist oder ob eine andere Technologie, wie z. B. ein Lichtvorhang, für die Anwendung besser geeignet ist.

Sobald feststeht, dass ein Scanner die beste Wahl ist, müssen wichtige Entscheidungen getroffen werden, darunter folgende:

• Auswahl der optimalen Sicherheitszonen
• Verwendung eines Standards wie der ISO (International Organization for Standardization) 13855 für die Positionierung von Sicherheitsvorkehrungen mit Blick auf die Annäherung einer Person
• Auswahl der richtigen Anzahl von Stichproben
• Auswahl eines Scanners mit dem optimalen Sortiment an Funktionen

Dieser Artikel befasst sich zunächst mit den Faktoren, die bei der Wahl eines Scanners und eines Lichtvorhangs eine Rolle spielen. Anschließend werden die wichtigen Auswahlkriterien für den Einsatz von Scannern vorgestellt und repräsentative Sicherheitslaserscanner von IDEC, Omron, SICK und Banner Engineering betrachtet.

Scanner oder Lichtvorhang?

Eine der ersten Überlegungen lautet: Welcher physische Raum wird geschützt? Sowohl Scanner als auch Lichtvorhänge können Menschen vor Schäden schützen und Maschinen vor Störungen bewahren. Zwar überschneiden sich die Schutzfunktionen von Scannern und Lichtvorhängen in gewissem Maße, doch eignen sie sich im Allgemeinen für unterschiedliche Anwendungen, wie z. B:

Schutz des Betriebsbereichs, der sich auf den aktiven Bereich einer Maschine bezieht, in dem die Arbeit ausgeführt wird. Lichtvorhänge eignen sich für diese Anwendung, da sie an einem optimalen Ort positioniert werden können und ihre Auflösung so eingestellt werden kann, dass sie Finger, Hände oder Füße/Beine erkennen und die erforderliche Schutzstufe bieten. Scanner benötigen aufgrund ihrer längeren Reaktionszeiten in der Regel einen größeren Mindestabstand zu Gefahren und werden im Allgemeinen nicht für den Schutz von Betriebsbereichen eingesetzt.

Perimeterschutz, der mehrere Seiten einer Maschine schützt. Wie beim Schutz von Betriebsbereichen sind Lichtvorhänge gut geeignet, um kompakte Lösungen für den Perimeterschutz zu bieten. Wenn eine Person den Perimeter überschreitet, kann ein Signal zum Anhalten gesendet werden und die Maschine wird angehalten. Während sowohl Lichtvorhänge als auch Scanner für den Perimeterschutz eingesetzt werden können, werden Lichtvorhänge häufiger für den Schutz von Perimetern und Scanner häufiger für den Flächenschutz verwendet.

Zugangskontrolle und Flächenschutz, die je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung mit einem Lichtvorhang oder einem Scanner realisiert werden können. Lichtvorhänge sind geeignet, wenn es nur einen einzigen Zugang gibt. Durch die individuelle Überwachung und Auswertung jedes einzelnen Lichtstrahls kann ein Lichtvorhang beispielsweise zwischen einer „großen“ Person und einem „kleinen“ Materialträger, wie einer Palette, die einen Schwellenwert überschreitet, unterscheiden und seine Reaktion entsprechend anpassen.

Die Scanner können so eingestellt werden, dass sie einen Bereich von 275° überwachen, um eine benutzerdefinierte zweidimensionale Schutzzone zu schaffen (Abbildung 1). Sie können auch mehrere Schutzzonen einrichten, die sich nach dem Abstand zwischen einer Person und der geschützten Maschine richten, und diese entsprechend verlangsamen oder anhalten.

Abbildung 1: Ein Sicherheitslaserscanner wie dieser kann einen Bereich von 275° überwachen, um eine zweidimensionale Schutzzone zu schaffen und einen Alarm zu senden, wenn eine unerwartete Person oder ein unerwartetes Objekt in diesen Bereich eindringt (rote Linien). (Bildquelle: Banner Engineering)

Mobile Systeme wie autonome mobile Roboter (AMRs) und fahrerlose Transportsysteme (AGVs), die von der Verwendung mehrerer Scanner profitieren können. Diese Scanner können mit Batterien betrieben und so installiert werden, dass sie kooperativ arbeiten und gleichzeitig Dutzende von Sicherheitszonen rund um das Fahrzeug überwachen. Je nach Geschwindigkeit, Position und zu erwartender Richtungsänderung des Fahrzeugs können verschiedene Zonen aktiviert werden. Die Daten von den Scannern können mit Encodern an den Rädern und anderen Sensor-Eingaben ergänzt werden, um die AMR-Navigation zu unterstützen.

Welches Sicherheitniveau ist erforderlich?

Sobald der zu schützende physische Raum definiert ist, ist die nächste Überlegung die erforderliche Ebene der Sicherheit. Lichtvorhänge und Sicherheitslaserscanner bieten nicht nur unterschiedliche Vorteile bei der Anwendung, sondern unterstützen auch verschiedene Stufen der Sicherheit, die in verschiedenen internationalen Standards definiert sind. So definiert die ISO 13849-1 die Zuverlässigkeit sicherer Steuerungsfunktionen mit Hilfe von „Performance Levels“ (PLs) von „a“ bis „e“, wobei PLe die höchste Ebene darstellt.

Sicherheitslaserscanner erfüllen die Kriterien von PLd und eignen sich für den Einsatz in Anwendungen, bei denen die Sicherheit eine große Rolle spielt. Eine PLd-Einstufung wird für Systeme mit der Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls alle 1 bis 10 Millionen Stunden (141 bis 1141 Jahre bei kontinuierlichem Betrieb) vergeben. Lichtvorhänge sind mit einer breiteren Auswahl von PLc bis PLe erhältlich.

IEC 62061, Sicherheit von Maschinen: Funktionale Sicherheit elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Regelsysteme ist ein weiterer wichtiger Standard. Er basiert auf einer Risikoabschätzung und -minderungsstrategie für Sicherheitsfunktionen wie Lichtvorhänge und Sicherheitslaserscanner. Sie umfasst Spezifikationen für funktionale Anforderungen und Anforderungen an die Sicherheitsintegritätsstufe (SIL).

Beispiele für funktionale Anforderungen sind Betriebsfrequenz, Reaktionszeit, Betriebsarten, Reaktionszeiten, Betriebsumgebung, Fehlerreaktionsfunktionen und so weiter. Die daraus resultierenden SILs werden auf einer Skala von 1 bis 4 gemessen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Sicherheitslaserscanner erfüllen die Kriterien von PLd und SIL3 und eignen sich für den Einsatz in Anwendungen, bei denen Sicherheit wichtig ist. (Bildquelle: SICK)

ISO 13855 legt fest, wie die Scanner mit Blick auf die Annäherung einer Person zu platzieren sind. Wird ein Scanner beispielsweise in einer Höhe von 300 mm befestigt, reicht eine Auflösung von 70 mm aus, um ein menschliches Bein zu erkennen. Bei niedrigeren Montagehöhen beträgt die empfohlene Mindestauflösung 50 mm.

Spezifikation des Scanners

Sobald feststeht, dass ein Sicherheitslaserscanner die Anforderungen der Anwendung erfüllt und die erforderliche Ebene der Sicherheit unterstützen kann, ist es an der Zeit, die Spezifikationen zu berücksichtigen. Beispiele für wichtige Spezifikationen von Scannern sind:

Scanwinkel. Es stehen mehrere Scanwinkel zur Verfügung, z. B. 190°, 270° und 275°. Der Scanwinkel und seine Struktur bestimmen, wie der Scanner in das System eingebaut wird, um den/die benötigten Bereich(e) zu überwachen.

Schutzzonen. Sicherheitslaserscanner bieten mehrere Schutzzonen, darunter die Hauptschutzzone und eine oder mehrere Warnzonen. Einige können Scans zur automatischen Konfiguration verwenden, um stationäre Objekte in den Warnbereichen zu ignorieren (Abbildung 3). In einigen Fällen kann ein Sicherheitslaserscanner mehrere Bereiche nacheinander oder gleichzeitig scannen. Zum Beispiel kann ein Scanner bis zu 70 verschiedene Sicherheitszonen unterstützen. Bei einem AMR ermöglicht diese Vorrichtung dem Scanner, die gescannten Bereiche auf der Grundlage der Umgebung und der Geschwindigkeit der Bewegung anzupassen.

Abbildung 3: Die Inbetriebnahme kann durch den Einsatz eines Scans beschleunigt werden, der gescannte Daten zur automatischen Konfiguration verwendet, um feststehende Objekte in den Warnbereichen zu identifizieren. (Bildquelle: IDEC)

Schutzzonenbereich. Dies ist die maximale Entfernung, die der geschützte Bereich vom Scanner haben darf. Typische Werte liegen zwischen 3 und 10 m. Der erforderliche Schutzzonenbereich hängt von den örtlichen Vorschriften und der Reaktionszeit und Auflösung des Scanners ab.

Auflösung. Sie wird in mm gemessen und bestimmt die Mindestgröße des Objekts, das der Scanner genau erkennen kann. Typische Werte liegen im Bereich von 30 mm bis 200 mm.

Reaktionszeit. Sie wird auch als Erkennungszeit bezeichnet und misst, wie schnell ein Scanner die Annäherung eines Objekts erkennen kann. Die typischen Werte liegen im Bereich von 60 bis 500 ms.

Abtastungen. Zeigt an, wie oft ein Objekt nacheinander gescannt werden muss, damit es vom Scanner erkannt wird. In der Regel sind mindestens zwei Scans erforderlich. Bei einigen Scannern und unter bestimmten Umständen können jedoch zehn oder mehr aufeinander folgende Scans erforderlich sein, um ein Objekt zu erkennen.

Doppelte Schutzzonen

Sicherheitslaserscanner verfügen über verschiedene Vorrichtungen und Funktionen, die den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht werden. Die Sicherheitslaserscanner SE2L von IDEC verfügen zum Beispiel über eine Master/Slave-Funktion und doppelte Schutzzonen. Die Master/Slave-Funktion ermöglicht die Kommunikation eines Scanners mit bis zu drei anderen Scannern. Das kann die Systementwicklung erheblich vereinfachen und den Einsatz einer kostengünstigeren Steuerung ermöglichen, da die Sicherheitssteuerung nur mit dem Master kommunizieren muss, der die Anweisungen an die Slave-Scanner weiterleitet. Das Modell SE2L-H05LP kann mit 2 bis 20 m langen Kabeln installiert werden, was die Flexibilität weiter erhöht.

Diese Scanner haben eine Scanzykluszeit von 30 ms und können 32 Muster in den Scanbereich aufnehmen. Mit der Zwei-Zonen-Funktion kann eine einzige SE2L-Einheit zwei benachbarte Zonen gleichzeitig und unabhängig voneinander scannen, wodurch ein zweiter Scanner überflüssig wird und die Systementwicklung vereinfacht wird.

Geringe Leistungsaufnahme für eine längere Akkulaufzeit

Die Verlängerung der Laufzeiten von AGVs und AMRs kann ein wichtiger Aspekt sein. Diese Anwendungen können von der Verwendung des kompakten (104,5 mm) Sicherheitlaserscanners OS32C-SP1-4M von Omron profitieren. Er verbraucht maximal 5 W (3,75 W im Bereitschaftsmodus) und verfügt über 70 Kombinationen aus Sicherheits- und Warnzonen, wodurch er sich für den Einsatz in komplexen Umgebungen eignet (Abbildung 4). Weitere Merkmale sind:

• Die Mindestauflösung kann auf 30, 40, 50 oder 70 mm eingestellt werden.
• Der Sicherheitsbereich variiert mit der Auflösung:
  • 1,75 m (30 mm Auflösung)
  • 2,5 m (40 mm Auflösung)
  • 3,0 m (50 mm Auflösung)
  • 4,0 m (70 mm Auflösung)
• Warnzonenradius bis 15 m
• Konfigurierbare Reaktionszeit von 80 ms bis 680 ms.
• Die Zeit für das Umschalten von Schutzzonen kann von 20 ms bis 320 ms eingestellt werden.

Abbildung 4: Dieser energieeffiziente Sicherheitslaserscanner unterstützt 70 Kombinationen aus Sicherheits- und Warnzonen und eignet sich daher für AMRs, die in komplexen oder dynamischen Umgebungen arbeiten. (Bildquelle: Omron)

Dreifachzonen mit wählbarer Abtastung und Auflösung

Die Sicherheitslaserscanner S300 Mini Standard von SICK verfügen über wählbare Auflösungen und Stufen für die Abtastung. Das Modell S32B-2011BA unterstützt beispielsweise die Auflösungsdurchmesser 30, 40, 50 und 70 mm. Mehrere Abtastwerte und Auflösungen können für jede Zone individuell festgelegt werden, einschließlich simultan abgetasteter Schutzzonen (Abbildung 5). Diese Scanner unterstützen bis zu 48 frei konfigurierbare Zonen und 16 umschaltbare Zonensätze. Mit der Dreifachzonenfunktion können eine Schutzzone und zwei Warnzonen gleichzeitig betrieben werden.

Abbildung 5: Die Sicherheitslaserscanner S300 Mini Standard können mehrere Ebenen und unterschiedliche Auflösungen für jedes Scanfeld implementieren. (Bildquelle: SICK)

Eliminieren der Notwendigkeit einer Sicherheits-SPS

Die Sicherheitslaserscanner SX5 von Banner Engineering verfügen über eine integrierte Stummschaltfunktion, die Signale überwachen und darauf reagieren kann und die Sicherungsfunktion automatisch aussetzt, damit ein Objekt die Sicherheitszone durchqueren kann, ohne einen Stoppbefehl zu erzeugen. Die Muting-Funktion ermöglicht die Aufhebung der gesamten Sicherheitszone (totale Stummschaltung) oder nur eines Teils der Sicherheitszone (partielle dynamische Stummschaltung).

Eine SX5-Master-Einheit, wie die SX5-ME70, kann bis zu drei ferngesteuerte Einheiten wie die SX5-R steuern; der Scanner kann auch Inkrementalgeber-Eingaben lesen, um die Sicherheitszone auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit zu ändern. Diese Funktionen können zusätzliche Steuerungshardware wie eine Sicherheits-SPS überflüssig machen.

Fazit

Wenn sie richtig spezifiziert, konfiguriert und integriert sind, eignen sich Sicherheitslaserscanner gut zum Schutz von Menschen und Maschinen in Anwendungen wie Zugangskontrolle, Bereichsschutz und auf mobilen Systemen, einschließlich AGVs und AMRs. Sie erfüllen die Anforderungen von PLd und SIL3 und eignen sich für den Einsatz in Anwendungen, bei denen Sicherheit eine wichtige Rolle spielt. Diese Scanner sind mit verschiedenen Kombinationen von Merkmalen und Funktionen erhältlich, um einer Reihe von Anwendungen gerecht zu werden.