La dimension parfaite du champ de protection sur un véhicule industriel autonome

10 mars 2021

Les experts de SICK sont souvent sollicités pour donner leur avis sur le choix d'un scrutateur laser de sécurité, car le choix est vaste et tous ont des spécifications techniques différentes. Il est courant que les gens souhaitent obtenir le capteur le plus « puissant », mais nous verrons dans cet article que cette valeur n’est pas la seule à prendre en compte.

Dispositifs de sécurité et du système de commande du scrutateur laser de sécurité

La taille maximale du champ de protection qu'un scanner peut offrir est une caractéristique importante, mais cette seule valeur ne devrait pas être le seul facteur décisif pour déterminer si le scrutateur convient à une application industrielle de véhicule autonome. Il est important d’étudier le temps de réponse des dispositifs de sécurité et du système de commande qui peut influencer considérablement la taille du champ de protection requis et affecter directement les applications.

Il faut souligner qu'il y a beaucoup de choses à prendre en compte dans une application de véhicule industriel autonome (AGV) : l'environnement, le système de freinage, etc. Egalement, il faut noter qu'une évaluation complète des risques doit être effectuée par le concepteur. 
Les informations contenues dans cet article sont données à titre informatif et ne peuvent être utilisées pour valider des dangers, exclure des dangers non reconnus ou confirmer le degré de risque lié à tels ou tels dangers dans des applications réelles. Cela reste de la responsabilité du concepteur/fabricant de tout équipement de ce type.
 

Historique du scrutateur laser de sécurité

Scanner laser de sécurité pour améliorer la sécurité au travail

 Le scanner laser de sécurité a joué un rôle clé dans le développement des systèmes automatisés depuis l'introduction du "Optotrap", qui a été le premier scrutateur de zone de catégorie 2, lancé par SICK en 1976.

Puis, en 1994, SICK a lancé le premier scanner laser de sécurité de catégorie 3. Depuis lors, ces appareils ont permis une exploitation des outils de production, dans le secteur industriel, plus productive et plus efficace ainsi que d’améliorer la sécurité au travail. Un exemple marquant est celui du marché des véhicules guidés automatiques (AGVs), qui grâce à des scrutateurs laser de sécurité ont pu évoluer à des vitesses plus élevées en remplaçant les traditionnels bords sensibles de sécurité. 

Ces derniers sont des capteurs de contact. Ainsi lorsque l’information qu’un opérateur est en contact avec l’AGV, il faut que le véhicule s’arrête très rapidement. Pour cela, il est nécessaire de faire évoluer l’AGV à une vitesse très faible afin que l’AGV puisse s'arrêter en toute sécurité sans causer de blessure. Les scanners laser de sécurité permettent de détecter sans contact et à longue distance de manière sûre. Ainsi le véhicule dispose de plus de temps pour effectuer l’arrêt en toute sécurité pour éviter la collision avec une personne ou un obstacle situé sur sa trajectoire. Ce temps peut donc être mis à contribution pour effectuer une freinage plus importants. Ainsi le véhicule peut évoluer à des vitesses beaucoup plus élevées, figure 1.

Type de scanner laser de sécurité

 Un scanner laser de sécurité est un dispositif de type 3 dont les exigences sont contenues dans la norme harmonisée EN 61496-1. Lorsqu'une fonction de sécurité comprend un scanner laser de sécurité de type 3, le niveau de performance (PL) ou le niveau d'intégrité de sécurité (SIL) maximal pouvant être atteint est PLd (EN ISO 13849) ou SIL2 (CEI 62061). Il existe également une spécification technique pour les scanners laser de sécurité, la CEI 61496-3, qui couvre les exigences particulières pour les dispositifs de protection opto-électriques actifs sensibles à la réflexion diffuse (AOPDDR).

Utilisés dans des applications stationnaires et mobiles, ils peuvent déclencher le ralentissement ou l'arrêt d'une machine ou d'un véhicule en toute sécurité dès qu'ils détectent une personne, une partie du corps ou un obstacle inattendu à l'intérieur d’une zone définie préalablement.
 

Principe de mesure du temps de vol

Les scrutateurs laser de sécurité utilisent le principe de mesure du temps de vol, selon lequel une impulsion de lumière est émise, réfléchie puis détectée. La distance (d) entre l'objet et le scanner est calculée à partir du laps de temps écoulé entre l’émission et la réception du signal (ΔT) et de la vitesse de la lumière (c = 3 x 108 m/s).

Scrutateur laser de sécurité pour améliorer la sécurité au travail

Un miroir à l'intérieur du scanner fait tourner le faisceau sur un plan circulaire. Il peut donc évaluer sur un plan la distance des objets environnants.

La personne en charge du paramétrage du scrutateur peut définir sur ce plan des zones qui activeront ensuite telle ou telle sortie. On appelle ces zones, des champs. Certains capteurs sont capables de surveiller en même temps plusieurs champs de manière indépendante.

Il peut donc être utilisé pour réaliser simultanément plusieurs fonctions de sécurité pour des applications plus complexes. 

figure 3 Évaluation de champs simultanés
figure 3 : Évaluation de champs simultanés
figure 3 Évaluation de champs simultanés
figure 3 : Évaluation de champs simultanés

Types de champs :

Il existe quatre types de champs définis pour un scanner laser de sécurité, figure 4.

Quatre types de champs définis pour un scanner laser de sécurité
Quatre types de champs définis pour un scanner laser de sécurité

 De plus, le scrutateur est capable de surveiller plusieurs types de champs en même temps. Cette combinaison s’appelle un jeu de champ

Figure 5 : Un
Figure 5 : Un "jeu de champs".
Figure 5 : Un
Figure 5 : Un "jeu de champs".

Les scanners laser de sécurité ont la possibilité de stocker de nombreux jeux de champs. L’activation de tel ou tel jeu de champ est défini à partir de diverses conditions d’entrées provenant des :

  • Entrées câblée
  • Informations provenant d’une communication sûre avec un contrôleur de sécurité
  • Informations de vitesse fournies par des codeurs

Ensuite il est nécessaire de définir des « scénarios d’alerte » :

  • Quelle combinaison d’entrées active quel jeu de champs
  • Pour chaque champ d’un jeu de champs, on vient définir quelle sortie sera activée suite à l’interruption de ce champ
  • D’autres informations telle que le nombre de balayage (que nous examinerons plus loin) peuvent aussi être associée

Il est important de noter que la bascule d’un scénario à l’autre nécessite un certain laps de temps qui augmentera le temps de réponse momentané du système. Afin d’éviter ce temps de commutation de champs, il est souvent utiliser la capacité de certains capteurs d’évaluer des champs simultanément plutôt que l’un après l’autre. 

Échantillonnage multiple

Par défaut, un scanner laser de sécurité doit voir un objet deux fois de suite (deux révolutions) pour qu'il soit détecté en toute sécurité. Dans les environnements difficiles et en fonction de la robustesse de détection des scanners, cela peut être trop sensible à des perturbations externes et causer ainsi des déclenchements intempestifs. On retrouve notamment des problèmes dus à la détection de saletés, de poussières, d'étincelles lors de soudage ou encore des effets dû à de la vibration. Pour limiter ces déclenchements intempestifs, il peut être nécessaire d’augmenter le nombre de fois qu’un objet est détecté avant de déclencher la coupure des sorties. Par exemple, si la probabilité qu’un grain de poussière soit présent pendant 6 révolutions consécutives dans le plan de détection est plus faible que la probabilité de détecter ce même grain pendant 2 révolutions successives.  Ainsi, le système maintiendra une disponibilité forte de l’équipement.

Mais attention, le fait d’augmenter le nombre de fois qu’un objet soit détecté avant de déclencher l’arrêt de la situation dangereuse augmentera aussi le temps de réponse total. Or plus le temps de réponse est long plus le champ de protection devra être grand. Ce qui pour des applications de type AGV pourra générer d’autres conséquences négatives. Il est donc nécessaire de trouver le bon compromis afin de garantir une disponibilité optimale. 

Véhicules à guidage automatique

Un autre levier pour maintenir une productivité élevée est qu’au lieu de déclencher l’arrêt du véhicule lorsqu’une personne s’approche, de préférer d’enclencher une réduction de vitesse du véhicule. En effet, si le véhicule évolue à une vitesse plus faible, alors le véhicule peut avoir besoin d’une distance plus faible pour s’arrêter. Qui dit une distance d’arrêt plus faible, dit que le champ de protection en amont du véhicule sera plus petit.

Afin de réaliser cela, il est nécessaire de s’assurer que le véhicule industriel autonome est capable d’évaluer de manière sûre la vitesse du véhicule. Il faut donc y intégrer des codeurs accompagnés de fonction de contrôle de mouvement sûr.

Par exemple, lorsqu’une personne s’approche du véhicule, elle sera d’abord détectée par un champ d’alarme. L’interruption de celui-ci envoie un ordre au véhicule de ralentir. Grâce aux fonctions de contrôle de vitesse sûre et lorsque la vitesse est en dessous d’un certain seuil, il sera possible de basculer sur un nouveau jeu de champ comprenant un champ de protection plus petit car adapté à la nouvelle vitesse limite du véhicule. Lorsque la personne s’éloigne et n’interrompt plus le champ d’alarme, le véhicule pourra alors accélérer à nouveau et ainsi maintenir toujours une disponibilité et une vitesse maximale en fonction de la situation.

Les champs de protection doivent être tracés selon les spécifications des fabricants. SICK fournit l'équation suivante avec son scanner laser de sécurité microScan3 :

Equation du scanner laser de sécurité microScan3
Equation du scanner laser de sécurité microScan3

Plus la valeur SL augmente, plus l'empreinte du véhicule industriel autonome augmente car le scanner doit voir plus loin en raison de son temps de réaction. Il est donc avantageux de maintenir SL aussi petit que possible :

  • Les véhicules industriels autonomes doivent pouvoir travailler à proximité les uns des autres
  • Ils n'ont pas besoin d'un grand espace de dégagement autour d'eux
  • Les objets et les personnes sont moins susceptibles de provoquer des arrêts ou des ralentissements du véhicule
  • Les véhicules peuvent se déplacer beaucoup plus rapidement avec des champs plus petits et augmenter la disponibilité

Cela implique d'étudier chaque paramètre du système de contrôle pour optimiser l'application, figure 6.

Figure 6 : L'AGV travaille en étroite collaboration

Figure 6 : L'AGV travaille en étroite collaboration

Parmi tous les paramètres énumérés ci-dessus, la valeur la plus importante dans cette chaîne et celle qui varie le plus est généralement le paramètre SA, qui est la distance d'arrêt du véhicule.

La distance d'arrêt comprend la distance de freinage du véhicule, la distance parcourue pendant le temps de réponse du scanner laser de sécurité et pendant le temps de réponse du système de contrôle de sécurité.

Le temps d'arrêt comprend les paramètres suivants, voir l'équation :

Equation du temps d'arrêt
Equation du temps d'arrêt

La distance de freinage peut dépendre également d'un certain nombre de variables telles que le type de freins utilisés, l'environnement dans lequel le véhicule industriel autonome est utilisé, la charge, le sens de la marche, l'état des roues, etc. Cette distance doit donc être soigneusement étudiée.

La distance parcourue par le véhicule pendant le temps de réponse du contrôleur peut être améliorée en examinant le contrôle de sécurité, l'architecture et les méthodes de connexion. La distance parcourue pendant le temps de réponse du scanner laser de sécurité dépend du temps de réponse de base du scanner utilisé. 

Distance parcourue pendant la réponse du scrutateur laser de sécurité

La distance parcourue pendant le temps de réponse du scanner laser de sécurité dépend :

  • Du temps de réponse du scanner laser de sécurité
  • De la vitesse maximale du véhicule
  • Du temps de réponse supplémentaire qui s'ajoute en raison du nombre de balayages nécessaires, des délais de transmission et de la commutation des scénarios.

C'est ce que montre l'équation ci-dessous :

Equation du temps de réponse du scrutateur laser de sécurité
Equation du temps de réponse du scrutateur laser de sécurité

Il est souvent impossible d'évaluer chaque environnement, chaque système de véhicule industriel autonome, chaque contrôleur de sécurité et chaque scanner et ses connexions. La valeur est souvent dérivée des données d'essai. Toutefois, on peut constater que si le scanner a un temps de réponse rapide et que le nombre d’échantillonnage est maintenu à un niveau bas, cela a une influence directe sur le temps de réponse total du système, ce qui influe directement sur la taille du champ de protection requis.

En pratique, les différences de taille de champ de protection peuvent aller jusqu'à 10 m dans certains cas. Il est également important que les temps de transmission jusqu’au système de contrôle soient maintenus à un niveau bas. Cela peut être amélioré de plusieurs façons, par exemple en câblant les OSSD aux entrées des contrôleurs de sécurité ou en utilisant une communication sûre avec une "évaluation de champs simultanés" pour surveiller plusieurs champs de protection en même temps.

Conclusion : la taille parfaite du champ de protection

Le champ de protection doit être adapté à l'application. Sur les applications mobiles, il est avantageux de le maintenir aussi petit que possible en raison de problème de déclenchement intempestifs et de l'empreinte du véhicule. Il faut donc tenir compte du temps de réponse du scanner et de l'ensemble du système. Les échantillonnages multiples peuvent augmenter le temps de réponse du scanner. Il est important d’évaluer quelle quantité supplémentaire est nécessaire chaque fois qu'un balayage supplémentaire est ajouté. Plus le principe de détection d'un scanner est robuste et fiable, moins il est probable que des échantillonnages multiples soient nécessaires dans des environnements difficiles.Cela permet au véhicule de travailler à des vitesses plus élevées, à proximité des éléments environnants, ce qui augmente la productivité et l'efficacité globales et réduit l'encombrement des installations.

Le système de contrôle auquel un scanner est connecté et la manière dont il est connecté doivent également être pris en compte. L'évaluation  de champs simultanés peut également améliorer les temps de réponse.

La taille maximale du champ de protection qu'un scanner laser de sécurité peut surveiller est certes une caractéristique importante, mais pour les applications de véhicules industriels autonomes, il est plus important de tenir compte du temps de réponse total et de la robustesse de la détection afin que les champs de protection puissent être maintenus aussi petits que possible tout en étant aussi grands que nécessaire.

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