De perfecte afmeting van het veiligheidsveld voor autonome industriële voertuigen

9-feb-2021

De experts van SICK worden vaak gevraagd klanten te adviseren bij de keuze van een veiligheidslaserscanner.De keuze is groot en de verschillende types hebben allemaal hun eigen technische specificaties . Het komt vaak voor dat de klant in eerste instantie die met het ‘grootst mogelijke’ veiligheidsveld had gekozen. In dit artikel proberen we u duidelijk te maken, dat het daar bij mobiele toepassingen meestal niet op aankomt.

industrial autonomous vehicle
industrial autonomous vehicle

Het maximale veiligheidsvelddat een scanner kan bieden, is een belangrijk kenmerk, maar deze waarde is niet doorslaggevend of de scanner geschikt is voor een toepassing in autonome industriële voertuigen. Ik zal in dit artikel uitleggen, hoe de responstijden van uw veiligheidsinrichtingen en uw besturingssysteem samen de afmeting van een vereist veiligheidsveld aanzienlijk kunnen beïnvloeden en hoe dit direct effect heeft op uw toepassingen. 

Een belangrijk punt is, dat bij de toepassing van autonome industriële voertuigen veel dingen moeten worden overwogen, zoals bijvoorbeeld de omgeving, het remsysteem, stabiliteit enz. en dat de designer van het systeem een volledige en uitgebreide risicobeoordeling moet uitvoeren om uiteindelijk tot een juiste scannerkeuze te komen. Alle informatie in dit artikel dient uitsluitend als leidraad en magniet worden gebruikt om een uitspraak te doen over mogelijke gevaren, uit te sluitenniet herkende gevaren of de mate van het risico in samenhang met zulke gevaren in echtetoepassingen. Dit is de verantwoording van de ontwerper/fabrikant van deze apparaten.

 

De geschiedenis van de veiligheidslaserscanner

Sinds de invoering van de "Optotrap, de eerste gebiedsscanner van categorie 2, die in 1976 door SICK op de markt werd gebracht, speelt de veiligheidslaserscanner een sleutelrol bij de ontwikkeling van geautomatiseerde systemen. In het jaar 1994 kwam de eerste veiligheidslaserscanner van categorie 3 van SICK op de markt. Sindsdien maken deze apparaten een productievere en efficiëntere productie mogelijk en droegen ze bij aan de verhoging van de arbeidsveiligheid. Een indrukwekkend voorbeeld is de markt voor bestuurderloze transportvoertuigen (AGV), waarin veiligheidslaserscanners eenvoudig door de vervanging van bumpers een hogere rijsnelheid mogelijk hebben gemaakt. Een bumper is een contactsensor en om ervoor te zorgen dat een AGV veilig kan stoppen, zonder verwondingen te veroorzaken, moet het voertuig met een voldoende langzame snelheid bewegen, om tijdig te kunnen reageren. Veiligheidslaserscanners maakten de betrouwbare contactloze detectie van personen en hindernissen ruim vooraf mogelijk, waardoor aanzienlijk hogere snelheden mogelijk waren, zie afbeelding 1.

Figure 1: AGV Safety
Afbeelding 1: veiligheid bij AGV
Figure 1: AGV Safety
Afbeelding 1: veiligheid bij AGV

Type veiligheidslaserscanner

Een veiligheidslaserscanner is een apparaat van meestal het type 3, waarvan de vereisten zijn vermeld in de geharmoniseerde norm EN 61496-1. Wanneer een veiligheidsfunctie een veiligheidslaserscanner van het type 3 gebruikt, bedraagt het maximaal bereikbare performance level (PL) of Safety Integrity Level (SIL) PLd (EN ISO 13849) of SIL2 (IEC 62061). Specifiek voor de producenten van veiligheidslaserscanners is er met IEC 61496-3 ook een technische specificatie. Deze IEC 61496-3 beschrijft alle eisen specifiek voor veiligheidssensoren welke gebruik maken van diffuse reflectie, ofwel actieve opto-elektronische veiligheidssystemen (AOPDDR) zoals veiligheidsscanners.

Veiligheidslaserscanners worden zowel in stationaire als mobiele toepassingen ingezet en kunnen een machine of een voertuig veilig laten afremmen of stoppen, zodra ze een persoon, een lichaamsdeel of een onverwachte hindernis in het veiligheidsveld herkennen.

 

Principe van de time-of-flight-meting

Veiligheidslaserscanners werken volgens het principe van de time-of-flight-meting, waarbij een lichtpuls verzonden, gereflecteerd en dan gedetecteerd wordt. De afstand (d) tussen object en scanner wordt berekend met behulp van de tijd van de terugkerende straal (ΔT) en de lichtsnelheid (c = 3 x 108 m/s), zie afbeelding 2.

 

Figure 2: The time-of-flight principle
Afbeelding 2: het time-of-flight-principe
Figure 2: The time-of-flight principle
Afbeelding 2: het time-of-flight-principe

 

Een spiegel binnenin de scanner laat de uitgezonden straal roteren en maakt metingen in een vlak mogelijk. Dat betekent, dat de scanner een profiel van de omgeving kan maken. Via parametrisatie kunnen verschillende velden in het omgevingsprofiel worden geconfigureerd , waarmee outputs voor het gebruik in veiligheidsfuncties kunnen worden in- en uitgeschakeld. Sommige scanners kunnen ook worden ingezet in meerdere veiligheidsfuncties, omdat ze in staat zijn, meerdere velden gelijktijdig te evalueren, zie afbeelding 3.

Figure 3: Simultaneous field evaluation
Afbeelding 3: gelijktijdige veldevaluatie
Figure 3: Simultaneous field evaluation
Afbeelding 3: gelijktijdige veldevaluatie

De gelijktijdige veldevaluatie maakt de oplossing van complexere toepassingen mogelijk. In het verleden bleek dit lastig, omdat het aantal schakeloutputs tot één of maximaal twee was begrensd. Tegenwoording zijn veel meer outputs mogelijk en dus ook veel complexere applicaties.

 

Typen velden

Er zijn vier veldtypen gedefinieerd voor een veiligheidslaserscanner, zie afbeelding 4.

 

Figure 4: Safety laser scanner fields
Afbeelding 4: velden van een veiligheidslaserscanner
Figure 4: Safety laser scanner fields
Afbeelding 4: velden van een veiligheidslaserscanner

 

Bovendien kan een combinatie van deze velden worden samengevoegd tot een ‘veldset’, zie afbeelding 5.

Figure 5: A
Afbeelding 5: veldset
Figure 5: A
Afbeelding 5: veldset

Veiligheidslaserscanners hebben de mogelijkheid, meerdere veldsets op te slaan, die allemaal worden geselecteerd op basis van verschillende invoervoorwaarden. Deze komen voor in de volgende vormen:

Vast bedrade ingangen

Software-bits

Snelheidsinformatie van encoders

Ieder criterium, dat bepaalt, welke veldset wordt geselecteerd, wordt als ‘monitoring case’ aangeduid. Een ’monitoring case’ bevat het veldset en de ingangsvoorwaarden, maar ook informatie zoals de ‘meervoudige evaluatie’ (multiple sampling). Deze meervoudige evaluatie wordt verderop uitgelegd.

Er moet worden opgemerkt dat het schakelen tussen de bewakingsgevallen de responstijd van een systeem verlengt. Het gebruik en toepassen van de gelijktijdige veldevaluatie (gelijktijdige beschouwing van meerdere veiligheidsvelden in één veldset) wordt dan ook aangeraden, om de responstijd laag te houden.

 

Meervoudige evaluatie

Standaard moet een veiligheidslaserscanner een object twee keer achter elkaar (twee omwentelingen) detecteren, om het zeker te herkennen. In moeilijke omgevingen en op basis van de detectiestabiliteit van de scanner kan deze te gevoelig zijn en problemen vanwege vuil, stof, lasvonken of trillingsinvloeden veroorzaken. De meervoudige evaluatie geeft aan hoe vaak een object moet worden gedetecteerd, voor een detectiesignaal wordt gegenereerd, wat de beschikbaarheid van een systeem aanzienlijk kan verhogen. Wanneer bijvoorbeeld voor een veiligheidsveld een meervoudige evaluatie van 3 is geconfigureerd, moet een object drie keer achter elkaar in het veiligheidsveld worden gedetecteerd, voor de outputs UIT worden geschakeld.

Het gebruik van deze functie is echter een compromis, omdat de totale responstijd bij iedere extra scan wordt verhoogd, wat bij AGV-toepassingen negatieve effecten kan hebben.

 

Automatisch geleide voertuigen

Bij de integratie van encoders in een autonoom industrieel voertuig is het mogelijk, via veilige snelheidsbewaking om veilig op en af te toeren in plaats van een noodstop te activeren. Met behulp van waarschuwingsvelden kan worden verzekerd, dat voertuigen afhankelijk van de afstand tot een persoon of een object zo worden vertraagd of versneld, dat een optimale beschikbaarheid is gewaarborgd en dat het veiligheidsveld slechts zelden wordt geactiveerd.Het voertuig hoeft dus niet tot stilstand te komen. Het voertuig moet echter altijd snel genoeg stoppen, zodat verwondingen worden voorkomen.

Veiligheidsvelden moeten worden bepaald door de fabrikant. SICK biedt voor zijn veiligheidslaserscanner microScan3 de volgende vergelijking aan:

 
Equation 1
Equation 1

Met een toenemende SL-waarde wordt het grondvlak van het autonome industriële voertuig vergoot, omdat de scanner op grond van zijn responstijd verder vooruit moet kijken. Om de volgende redenen is het raadzaam, de SL-waarde zo klein mogelijk te houden:

om autonome industriële voertuigen dichter bij elkaar te kunnen laten werken

zodat ze weinig ruimte om zich heen nodig hebben

zodat objecten en personen zelden de oorzaak zijn voor stops of remprocedures van het voertuig

de voertuigen zich met kleinere velden veel sneller kunnen bewegen en hun beschikbaarheid verhogen

Daarvoor is het nodig, iedere parameter in het besturingssysteem te onderzoeken, om de toepassing te optimaliseren, zie afbeelding 6.

Figure 6: AGV's working closely together
Afbeelding 6: AGV's werken dicht bij elkaar
Figure 6: AGV's working closely together
Afbeelding 6: AGV's werken dicht bij elkaar

Van alle bovengenoemde parameters is gewoonlijk SA , de stopafstand van het voertuig, de grootste en sterkst variërende waarde in deze ketting. De stopafstand is samengesteld uit de remweg van het voertuig, de tijdens de responstijd van de veiligheidslaserscanner afgelegde weg en de responstijd van de veiligheidscontroller samen.

De stoptijd omvat de volgende parameters, zie vergelijking:

 

Equation 2
Equation 2

De remweg kan afhangen van een serie factoren, zoals bijvoorbeeld het type van de gebruikte remmen, de omgeving, waarin het autonome industriële voertuig wordt gebruikt, de belasting, de stabiliteit, de rijrichting, de toestand van de wielen enz. Deze factoren moeten zorgvuldig in aanmerking worden genomen. Maar ook de afgelegde weg naar aanleiding van de responstijd van de besturing en de sensoren zijn belangrijk. De afgelegde weg die het voertuig tijdens de responstijd van de controller aflegt, kan eventueel worden verbeterd door het overwegen van welke veiligheidscontroller er wordt gebruikt, de architectuur en de aansluitmethoden. De afgelegde afstand tijdens de responstijd van de veiligheidslaserscanner is afhankelijk van de basisresponstijd van de gebruikte scanner en zijn configuratie.

 

Tijdens de responstijd van de veiligheidslaserscanner afgelegde weg

De afgelegde afstand tijdens de responstijd van de veiligheidslaserscanner is afhankelijk van:

de basisresponstijd van de veiligheidslaserscanner

de maximale snelheid van het voertuig

de extra responstijd vanwege meerdere evaluaties, overdrachtstijden en wisseling

In de volgende vergelijking wordt dit duidelijk gemaakt:

Equation 3
Equation 3

Het is onmogelijk, alleomgevingen, ieder autonoom industrieel voertuigsysteem, elke veiligheidscontroller, elke scanner te combineren en te beoordelen op basis van testgegevens. Wat echter duidelijk wordt, is als de scanner snel reageert en het aantal meervoudige evaluaties laag kan blijven, dat dit een directe invloed heeft op de totale responstijd van het systeem.. Dit heeft direct effect op de grootte van het veiligheidsveld. In de praktijk kan dit in sommige gevallen gelijk staan aanverschillen in het veiligheidsveld tot en met 3 m. Het is ook belangrijk, dat de overdrachtstijden naar het besturingssysteem laag worden gehouden. Dit kan op verschillende manieren worden bereikt, bijvoorbeeld door vaste bedrading van OSSD met ingangen aan veiligheidscontrollers of door veilige communicatie met ‘simultane veldevaluatie’ voor gelijktijdige bewaking van meerdere veiligheidsvelden.

 

Conclusie: zo krijg je het perfecte formaat veiligheidsveld

Het veiligheidsveld moet geschikt zijn voor de toepassing. Bij mobiele toepassinge is het voordelig dit zo klein mogelijk te houden, ter voorkoming van foutieve uitschakeling en vanwege de benodigde ruimte van de voertuigen. Daarom moet rekening worden gehouden met de responstijd van zowel de scanner als het complete systeem. Meerdere scans kunnen de responstijd van de scanner verlengen. Bovendien moet er rekening mee worden gehouden, hoeveel extra responstijd voor iedere volgende scan nodig is. Hoe robuuster en betrouwbaarder het detectieprincipe van een scanner is, des te waarschijnlijker is het, dat in complexe omgevingen minder meervoudige scans nodig zijn. Voertuigen kunnen zo met hogere snelheid en dichter bij omgevingscontouren werken, wat de totale productiviteit en efficiëntie verhoogt en het grondvlak van installaties verkleint. Het besturingssysteem, waarop een scanner is aangesloten en type en manier, hoe hij wordt aangesloten, moet ook in aanmerking worden genomen. Een gelijktijdige veldevaluatie bij complexe toepassingen of een vaste bedrading bij eenvoudige toepassingen kan de responstijden verbeteren. De maximale grootte van het veiligheidsveld, dat een veiligheidslaserscanner kan bieden, is een belangrijk kenmerk, maar voor toepassingen in autonome industriële voertuigen is het belangrijker, rekening te houden met de totale reactietijd en de stabiliteit van de detectie, zodat veiligheidsvelden zo klein mogelijk en tegelijk zo groot als nodig kunnen worden gehouden.

 
 

 

Verdere artikelen

Bestuurderloze transportsystemen automatiseren de productie

 

Meer lezen

Modulair en mobiel – met AGV's onderweg naar maximale flexibiliteit

 

Meer lezen

Zes frequente fouten bij de configuratie en instelling van veiligheidslaserscanners

 

 Meer lezen

Martin Kidman
Martin Kidman

Martin Kidman 

Product Specialist Machinery Safety SICK (UK) Ltd.

Martin Kidman promoveerde in 2010 aan de Universiteit van Liverpool en is sinds 2006 werkzaam op het gebied van industriële automatisering voor diverse sensorfabrikanten. Sinds 2013 werkt hij bij SICK UK Ltd. als productspecialist voor machineveiligheid voor industriële veiligheidstoepassingen. Bovendien is hij gecertificeerd Functional Safety Engineer (TUV Rijnland, #13017/16).