Qu'est-ce qu'une barrière immatérielle de sécurité ?

Les barrages immatériels de sécurité sont utilisés pour protéger le personnel des usines dans le monde entier. Bien que la technologie ait été développée il y a près de 70 ans, de nombreux fabricants ne tirent pas pleinement parti de ses capacités. La valeur des barrières immatérielles est souvent sous-estimée par beaucoup. En effet, elles possèdent des fonctions et des caractéristiques pertinentes pour la sécurité des machines, mais aussi pour le contrôle de l'usine et la productivité. La barrière immatérielle de sécurité est devenue si omniprésente qu'il serait bien trop facile de la considérer comme un simple dispositif de mise en marche/arrêt – une alternative de sécurité auxclôtures de protection, facile d’installation. Cependant, une gamme de barrières immatérielles de sécurité polyvalentes s’est développée avec le temps pour remplir de multiples fonctions. Aujourd’hui, elle contribue positivement à la productivité et s'intègre aux réseaux locaux d'un site de production pour soutenir une automatisation plus efficace à l'échelle de l'usine.

Histoire de la barrière immatérielle

En 1951, le Dr Erwin Sick a présenté le premier modèle en bois de son barrage immatériel à la foire commerciale allemande des inventeurs et des nouveaux développements à Munich, en Allemagne. Il a reçu un prix  pour "performance créative exceptionnelle". Plus tard, la même année, le dépôt d'un brevet sur le barrage immatériel basé sur le principe de l'autocollimation a été considéré comme la percée technique qui a lancé le développement de la technologie que nous connaissons aujourd'hui - une percée qui a sauvé d'innombrables personnes de blessures par des machines dangereuses. Depuis lors, le développement du matériel et des logiciels a transformé l’adaptabilité et l'utilisabilité des barrières immatérielles de sécurité. Les principales caractéristiques de la barrière immatérielle restent les mêmes, mais son potentiel est peut-être encore sous-exploité.

Spécifications des barrages immatériels, comment bien les choisir ?

Il n'existe pas vraiment de menu tout fait pour choisir un barrage immatériel de sécurité. Tous les fabricants proposent leurs propres variétés, avec des tailles, des formes et  des résolutions différentes. Toutefois, le point de départ de toute application de sécurité est toujours le danger dont vous voulez protéger vos opérateurs et l'espace dans lequel ce danger se trouve. Mais il y a différentes caractéristiques à prendre en compte en ce qui concerne les propriétés physiques de la barrière immatérielle. Actuellement, les normes ISO 13855 et ANSI B11.19 sont les principales normes utilisées pour le positionnement des barrières immatérielles de sécurité. Ces normes peuvent aider à déterminer quels format sélectionner et quelles spécifications principales prendre en compte. Cependant, il existe également d'autres propriétés comme l'indice IP (protection contre les intrusions), selon la norme CEI 60509, la consommation de courant et  les indications visuelles qui ne sont pas couvertes ici.

La portée, à choisir selon la dimension de la zone à protéger

La portée est la distance maximale entre l'émetteur et le récepteur. Les produits sont disponibles soit avec une portée fixe, soit avec une portée sélectionnable (par exemple basse/élevée) soit avec une portée à réglage automatique (la sensibilité est ajustée au démarrage en fonction de la distance entre l'émetteur et le  récepteur). Le choix de la bonne portée garantit que le barrage immatériel est le mieux adapté à votre application. Par exemple, si un appareil de grande puissance et de longue portée est utilisé sur une courte distance, les réflexions sur les surfaces proches peuvent rendre l'installation dangereuse. D'autre part, un dispositif à longue portée peut être nécessaire pour protéger des zones étendues qui nécessitent des détecteurs puissants et sensibles.

Hauteur, à choisir selon la zone d’accès au danger

La hauteur d'une barrière immatérielle de sécurité doit être choisie en fonction de l'accès au danger. Par exemple, si un barrage immatériel sert à sécuriser un point dangereux, il doit couvrir toute l'ouverture pour détecter toute entrée vers la zone de danger. Toutefois, si une barrière immatérielle de sécurité est utilisée pour la protection du périmètre, différentes hauteurs peuvent être utilisées en fonction du nombre de faisceaux sélectionnés et de leur hauteur par rapport au sol, ainsi que de la possibilité de contournement du dispositif.

Résolution, à choisir selon la nature de ce qu’on doit protéger

La résolution d'une barrière immatérielle peut également affecter la position de montage par rapport au danger. Les termes de protection des doigts et de protection des mains sont souvent utilisés, en référence à des résolutions de 14 mm et de 30 mm respectivement. Toutefois, le barrage immatériel peut également avoir d'autres résolutions (par exemple 20 mm, 40 mm, 200 mm, etc.). Plus la résolution est fine (capable de détecter des objets plus petits), meilleure est la capacité de détection d'un barrage immatériel de sécurité. Ainsi, l'appareil peut éventuellement être monté plus près d'un danger (c'est-à-dire que la distance d’intrusion pour un barrage immatériel de 14 mm de résolution est plus petite que celle d'un barrage immatériel de 30 mm de résolution).  Toutefois, selon la marque, la résolution et la hauteur du barrage immatériel, le temps de réponse du dispositif peut augmenter.

Distance de sécurité

La norme ANSI B11.19 explique différentes méthodes de calcul pour évaluer les distances minimales de montage en fonction notamment de la résolution effective. Mais l'équation de base est présentée dans la figure 2 ci-dessous.

Pour les applications de détection de corps, un dispositif avec un espacement entre les faisceaux de 400 mm est normalement suffisant. Dans ce cas précis, la distance évaluée entre la zone dangereuse et le dispositif de détection est telle qu’une personne peut se trouver derrière la barrière immatérielle et donc ne pas être détectée. Il est alors nécessaire de mettre en œuvre des mesures supplémentaires de réduction des risques visant à prévenir la mise en marche intempestive. Cela peut être réalisée par une détection de présence continue afin d'éviter que la machine ne soit réinitialisée lorsqu'une personne se trouve derrière la barrière multifaisceaux. Une évaluation approfondie des risques selon la norme ISO 12100-2010 ou ANSI B11.0-2020 doit alors être effectuée pour prendre ces points en considération.

Les barrières immatérielles à haute résolution sont généralement plus coûteuses que les dispositifs à faible résolution. Lorsqu'il est important de réduire au minimum la distance de sécurité, le compromis entre le temps de réponse et la capacité de détection doit être pleinement évalué.

Types d'ESPE

Lors du choix d'un dispositif de sécurité pour une application, différentes normes peuvent être utilisées pour concevoir les parties du système de commande relatives à la sécurité (SRP/CS), notamment les normes ISO 13849, IEC 62061 ou ANSI B11.26. Après la définition d'une fonction de sécurité (par exemple, le déclenchement d'un arrêt à l'aide d'une barrière immatérielle), il est important de déterminer le niveau de performance (PL) ou le niveau d'intégrité de la sécurité (SIL) que le SRP/CS associé doit atteindre en fonction du risque.

Le type de barrière immatérielle de sécurité est directement lié au PL/SIL le plus élevé que la fonction de sécurité peut atteindre et est défini par la norme CEI 61496. La figure suivante reflète cette relation, voir la figure 3.

Systèmes actifs/passifs

Pour économiser sur le câblage et réduire les coûts des applications de surveillance périmétrique, il est possible d'utiliser des systèmes actifs/passifs. Un système actif/passif se compose de deux dispositifs. Un dispositif dispose à la fois d’émetteurs à DEL et de récepteurs à photodiodes, tandis que l'autre dispositif intègre des miroirs qui réfléchissent les faisceaux venant des émetteurs vers les récepteurs.

Les miroirs réduisent la puissance d'un faisceau optique et, par conséquent, les systèmes actifs/passifs ont généralement une portée beaucoup plus courte que les systèmes émetteurs/récepteurs. Voir la figure 4.

Fonctions des barrages multifaisceaux

La fonction la plus simple d'un barrage multifaisceaux est, lorsqu’au moins un des fasiceaux est interrompu, de couper les sorties, ce qui indique au système de commande de déclencher l'arrêt du ou des mouvements dangereux associés. Si aucun incident ne s'est produit et que la zone est sûre, un réarmement peut être effectué.

Ce mode de fonctionnement sûr avec arrêt/démarrage peut perturber le flux et la productivité de l'usine. C'est pourquoi les barrières immatérielles ont évolué au cours du dernier demi-siècle pour remplir de multiples fonctions, telles que le réarmement interne, la surveillance des contacteurs commandés (EDM), le codage des faisceaux et le masquage (blanking).

Verrouillage du redémarrage

Les deux principaux modes de verrouillage qui peuvent être définis sont automatique et manuel. En mode automatique, les sorties OSSD (dispositifs de commutation des signaux de sortie) sont activées lorsque les faisceaux ne sont pas obstrués. En mode manuel, les sorties OSSD sont activées lorsque les faisceaux ne sont pas interrompus et qu’un signal de réinitialisation manuel a été activé.

Il est important qu'un redémarrage automatique ne puisse être utilisé que lorsqu’il n'est pas possible de se tenir derrière le barrage immatériel sans être détecté (par exemple, une petite presse avec accès au niveau des bras seulement), comme le montre la figure 5. D'autres exigences peuvent également s'appliquer.

Un signal de réarmement manuel peut être traité soit par un relais de sécurité externe, un automate de sécurité ou en interne, si la barrière immatérielle en a la capacité. Avant les relais de sécurité et automate de sécurité, la réinitialisation était effectuée à l'aide d'une logique de relais.

Surveillance des contacteurs commandés (EDM)

Le niveau de performance d'une fonction de sécurité peut être augmenté si la détection des défauts est mise en œuvre. Les normes ISO 13849 et ANSI B11.26, utilisées pour déterminer la performance de sécurité d'une SRP/CS, décrivent cette capacité sous le terme de couverture de diagnostic (DC). Il s'agit d'une mesure du nombre de défaillances dangereuses qui peuvent être détectées.

Une méthode, mentionnée dans ces normes et largement utilisée dans l'industrie, a une couverture de diagnostic de 99% (peut détecter 99% des défaillances dangereuses) et est appelée External Device Monitoring (EDM), c’est-à-dire la surveillance des contacteurs commandés.

Cette fonction de surveillance est un moyen par lequel le dispositif de sécurité surveille activement l'état des dispositifs externes qu'il contrôle, tels que les éléments de commande primaires des machines (MPCE), les contacteurs ou les relais. Cette fonction est nécessaire car les dispositifs externes n'ont généralement pas de diagnostic propre et sont considérés comme des dispositifs "bêtes".

Si un état dangereux est détecté dans le dispositif externe, le dispositif de sécurité peut assurer un état sûr. Pour ce faire, il surveille les canaux complémentaires des dispositifs externes qui sont physiquement reliés en interne. Si les sorties d'un dispositif de sécurité sont au niveau haut, le signal EDM de retour des dispositifs de commutation finale doit être au niveau bas si le système est dans un état sûr. Dans le cas contraire, il y a un défaut. Voir la figure 6 pour des exemples de mise en œuvre dans un relais de sécurité et directement dans une barrière immatérielle de sécurité.

Dans certaines applications, il peut être souhaitable de permettre à certains objets d’être présent dans le champ de la barrière immatérielle sans déclencher la fonction de sécurité. Par exemple, lors de l'utilisation d'une table ou d'un support nécessaire pour alimenter la machine avec une pièce lourde, une fonction de masquage peut être appliquée pour modifier la capacité de détection de la barrière immatérielle et ne pas faire de temps d’arrêt. Le masquage peut être soit fixe, soit flottant pour permettre une position variable de l'objet. Voir la figure 7.

Permettre le passage de matériau – Inhibition (Muting)

Dans de nombreuses applications, une barrière immatérielle doit être capable de laisser passer des objets tout en réagissant à la présence de personnes. Ceci est particulièrement important sur les lignes de transport de marchandises passant d'une zone de production à une autre ou dans les opérations d'entreposage automatisé où le personnel est exclu des zones d'empilage et de rayonnage automatisés.

Des capteurs peuvent être utilisés pour identifier l'objet (comme une carrosserie de voiture) et permettre le passage dans une zone dangereuse en raison de sa forme et de sa taille, tout en détectant la présence d'une personne. Cette opération est automatique et connue sous le nom d’ "inhibition" (muting). Les deux méthodes d’inhibition les plus populaires sont l’inhibition avec 2 capteurs en croix et l’inhibition avec quatre capteurs parallèles, comme le montre la figure 8.

Cependant, il existe de nombreuses méthodes différentes d’inhibition (muting), notamment l'utilisation de cellules photoélectriques, de boucles inductives au sol, de scrutateurs laser de sécurité et de commutation de champ de détection, comme indiqué dans un livre blanc distinct. Les normes IEC 62046:2018 et ANSI B11.19-2019 peuvent aider à l'application de dispositifs de protection pour la détection de personnes. Il est important de comprendre, cependant, que l’inhibition (muting) n'est pas la même chose que le bypass. L’inhibition est automatique, tandis que le bypass est un mode sélectionné manuellement par un opérateur pendant que d'autres mesures de protection (par exemple, un dispositif d'activation) sont utilisées.

Un autre terme lié à l’inhibition (muting) est le dégagement (override), qui est une opération manuelle, réalisée par l’opérateur, requise après une erreur dans les conditions d’inhibition. Elle est nécessaire pour remettre au propre le système, comme lorsqu'une palette est coincée dans le champ de détection d'une barrière immatérielle de sécurité suite à l’arrêt du convoyeur et que ce dernier a temporairement besoin d'énergie pour retirer la palette.

Permettre le passage de matériau - Reconnaissance de formes

Certaines barrières immatérielles de sécurité peuvent exécuter des algorithmes complexes à partir de l’information de chacun des faisceaux. Cela signifie qu'elles peuvent non seulement détecter si les faisceaux sont obstrués ou non, mais aussi quels faisceaux et dans quel ordre.

Le barrage immatériel peut détecter en toute sécurité des modèles, des objets et leurs directions, tout en maintenant la sécurité et en permettant à des motifs connus d'entrer et de sortir de la zone de détection du barrage immatériel. En outre, elle ne nécessite aucun capteur ou contrôleur supplémentaire. Cette fonction puissante peut augmenter considérablement la disponibilité et la sécurité tout en permettant le passage de matériel. La C4000 Fusion est un exemple d'un tel dispositif. Voir la figure 9.

Codage des faisceaux

Comme les barrières immatérielles de sécurité fonctionnent sur une fréquence optique similaire dans le spectre infrarouge, des interférences peuvent se produire entre plusieurs barrières immatérielles de sécurité utilisées à proximité l’une de l’autre, ce qui pourrait provoquer une situation dangereuse.

Pour surmonter ce problème, certaines barrières immatérielles de sécurité offrent un codage des faisceaux afin qu'un récepteur puisse distinguer les faisceaux d'un émetteur spécifique et ne soit pas affecté par un autre dispositif situé à proximité. Toutefois, lorsque le codage des faisceaux est activé, le temps de réponse et/ou la portée de la barrière immatérielle de sécurité peuvent être affectés et doivent être pris en compte car cela peut affecter la distance de sécurité minimale.

Résumé

Les installations de barrages immatériels d'aujourd'hui sont beaucoup plus adaptées aux besoins de la production. Elles sont capables d'un large éventail de fonctions manuelles et automatiques qui font en sorte qu'une barrière immatérielle contribue à la sécurité et à la productivité sans sacrifier l'efficacité.

Toutefois, il est important de savoir quelles sont les caractéristiques et les fonctions disponibles avec les barrières immatérielles de sécurité et si ces caractéristiques sont nécessaires pour l'application. Il est extrêmement courant que les barrières immatérielles comportent de nombreuses fonctions qui ne sont pas utilisées. L'application d'une barrière immatérielle n'est pas toujours aussi simple que de la positionner devant un point d'accès ; une réflexion plus approfondie peut être nécessaire.

Vous avez besoin de conseil ? Une question technique ?

Contactez-nous au 01 64 62 35 00 !

Comment gérer de manière sûre le convoyage de matériel sur sa ligne de production sans perte de productivité ?

Lire l'article