Optoelektroniczne kurtyny bezpieczeństwa są stosowane do ochrony personelu fabryk na całym świecie. Jednakże pomimo iż technologia ta jest znana od prawie 70 lat, wiele zastosowań nie wykorzystuje wciąż jeszcze w pełni możliwości optoelektronicznej kurtyny bezpieczeństwa. W niniejszym tekście podejmuję próbę ponownej oceny korzyści płynących z kurtyn świetlnych dla bezpieczeństwa posiadanych przez użytkowników maszyn, do sterowania produkcją oraz zwiększania wydajności produkcji, przy czym zostały tu ujęte wszystkie aktualnie dostępne funkcje i cechy. Kurtyny świetlne stały się tymczasem tak powszechne, że można je nazbyt łatwo potraktować tylko jako proste urządzenie: niezawodne, łatwe w instalacji i zastępujące ogrodzenie ochronne, nad którym nie ma potrzeby się zastanawiać. Z biegiem czasu jednakże projektowano coraz szersze i coraz bardziej wszechstronne spektrum kurtyn świetlnych. Dzisiaj spełniają one wiele funkcji i mogą przyczyniać się pozytywnie do uzyskiwania wyższej wydajności produkcji w przedsiębiorstwach. Można je zintegrować z lokalnymi sieciami w fabrykach i usprawniają one w ten sposób automatyzację całego zakładu.
Czym właściwie jest optoelektroniczna kurtyna bezpieczeństwa?
Historia kurtyny świetlnej
W roku 1951 Erwin Sick zaprezentował pierwszy, drewniany model swojej kurtyny świetlnej na „Niemieckich targach wynalazców i nowości” w Monachium. Jeszcze w tym samym roku zgłoszenie patentowe kurtyny świetlnej, działającej na zasadzie autokolimatora, okazało się przełomem technicznym, dzięki któremu rozpoczął się rozwój znanej nam dzisiaj techniki – techniki, która uchroniła niezliczoną ilość ludzi przed obrażeniami i śmiercią w następstwie zagrożeń generowanych przez maszyny. Od tego czasu rozwój sprzętu i oprogramowania wpłynął na wszechstronność oraz zasadniczo zmienił zastosowanie optoelektronicznych kurtyn bezpieczeństwa. Najważniejsze właściwości kurtyn świetlnych są wprawdzie nadal takie same, jednakże ich potencjał jest być może nadal jeszcze nie w pełni wykorzystany.
Specyfikacje kurtyny świetlnej
Nie ma jednakże klarownego asortymentu standardowych wersji optoelektronicznych kurtyn bezpieczeństwa, ponieważ wszyscy producenci oferują swoje własne serie produktów o różnych wielkościach, kształtach, rozdzielczościach itp. Punktem wyjścia każdego zastosowania bezpieczeństwa jest jednakże zawsze zagrożenie, przed którym należy się chronić, oraz pomieszczenie, w którym zagrożenie to występuje. Stanowi to podstawę dla rozważań o różnych wymogach w odniesieniu do właściwości fizycznych kurtyny świetlnej. Obecnie norma EN ISO 13855 stanowi zharmonizowany standard przepisów w odniesieniu do pozycjonowania optoelektronicznych urządzeń bezpieczeństwa i zapewnia użytkownikom wsparcie w ustalaniu ich właściwości fizycznych. W tej części chciałbym objaśnić najważniejsze specyfikacje, jakie należy uwzględnić. Istnieje jednakże również wiele innych właściwości, takich jak stopień ochrony IP, pobór prądu, wskaźniki itp., które nie będą tutaj omawiane.
Zasięg
Zasięg to maksymalna odległość pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. W przypadku jednostek aktywno-pasywnych odległość pomiędzy aktywną oraz pasywną częścią systemu jest również określana jako zasięg. Produkty mają albo stały zasięg, zasięg wybierany (np. mały/duży), albo też mają zasięg regulujący się automatycznie (podczas uruchamiania czułość jest ustawiana na podstawie odległości pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem). Wybór prawidłowego zasięgu zapewnia, że optoelektronicznych urządzeń bezpieczeństwa nadają się najlepiej do danego zastosowania, na przykład odbicia od pobliskich powierzchni mogą obniżyć bezpieczeństwo instalacji, jeśli urządzenie o wysokiej mocy i dużym zasięgu będzie używane na krótką odległość. Z drugiej strony urządzenie o dużym zasięgu może być niezbędne, aby zabezpieczyć duże obszary.
Wysokość pola ochronnego
Wysokość optoelektronicznej kurtyny bezpieczeństwa należy dobrać odpowiednio do dostępu do miejsca niebezpiecznego. Jeśli kurtyna świetlna ma na przykład zabezpieczać punkt niebezpieczny, musi ona obejmować cały otwór. Jeśli jednakże produkt związany z bezpieczeństwem ma służyć jako zabezpieczenie dostępu, w zależności od ilości niezbędnych wiązek świetlnych oraz wysokości od podłogi wraz z możliwymi przewyższeniami stosowane są różne wysokości wynikowe.
Rozdzielczość
Na rozdzielczość kurtyny świetlnej może ponadto wpływać miejsce zamocowania względem źródła zagrożenia. Często stosowane są pojęcia „wykrywanie palców” oraz „wykrywanie dłoni”, które odnoszą się do wartości rozdzielczości rzędu 14 względnie 30 mm. Kurtyny świetlne oraz systemy wielowiązkowe mogą mieć jednakże również różne rozdzielczości lub też odstępy między wiązkami (np. 20 mm, 40 mm, 200 mm itp.). Im wyższa jest rozdzielczość, tym wyższa jest zdolność detekcji optoelektronicznej kurtyny bezpieczeństwa. Urządzenie można więc zamontować bliżej źródła zagrożenia (tzn. kurtyna świetlna 14 mm może być zamontowana bliżej niż kurtyna świetlna 30 mm). Norma EN ISO 13855 zawiera wiele różnych metod obliczania odległości mocowania. Duże znaczenie ma przy tym rozdzielczość. Mimo to podstawowe równanie ma postać jak na ilustracji 2:
Norma reguluje również inne kwestie, takie jak np. kierunek zbliżania się, możliwe przekroczenia wymiarów itp. W przypadku większych odległości oraz zabezpieczania dostępu zazwyczaj odstęp między wiązkami na poziomie 400 mm jest wystarczający. Pomimo to mogą być niezbędne dodatkowe urządzenia do wykrywania obecności, gdy maszyna wymaga zresetowania, gdy osoba znajduje się za kurtyną świetlną lub wielowiązkową barierą bezpieczeństwa. Aby uwzględnić te punkty, konieczne jest przeprowadzenie gruntownej oceny ryzyka zgodnie z normą zharmonizowaną EN ISO 12100. Kurtyny świetlne o wyższej rozdzielczości są z reguły droższe niż mające niższą rozdzielczość, jednakże przestawienie na niższą rozdzielczość oznacza, że odstęp pomiędzy optoelektroniczną kurtyną bezpieczeństwa oraz zagrożeniem musi być większy, co w hali fabrycznej może być mało przydatne lub też nawet niemożliwe do realizacji.
Typ
W przypadku wyboru urządzenia zabezpieczającego do obszaru zastosowania można skorzystać z normy zharmonizowanej EN ISO 13849 lub też IEC 62061, aby zaprojektować związane z bezpieczeństwem części systemu sterowania (SRP/CS). Zgodnie z definicją funkcji bezpieczeństwa (np. wyzwalanie zatrzymania przez optoelektroniczną kurtynę bezpieczeństwa) ważne jest, aby określić poziom zapewnienia bezpieczeństwa (PL) lub też poziom nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) odpowiedniego urządzenia SRP/CS, jakie powinny zostać osiągnięte w odniesieniu do ryzyka. Nie będę szczegółowo omawiać kwestii bezpieczeństwa funkcjonalnego, jednakże w odniesieniu do elektroczułego wyposażenia ochronnego produkt bezpieczeństwa zgodny z normą IEC 61496 ma bezpośredni związek z wartościami PL/SIL, jakie może osiągać funkcja bezpieczeństwa. Poniższa ilustracja 3 przedstawia ten związek.
Jeśli więc wymagany jest poziom PLe/SIL3, na przykład w celu zabezpieczenia pras mechanicznych, potrzebne byłoby urządzenie typu 4.
Systemy aktywno-pasywne
Aby ograniczyć nakłady pracy związane z okablowaniem oraz koszty zabezpieczenia dostępu, można zastosować systemy aktywno-pasywne. System aktywno-pasywny składa się z dwóch części. Jedna część zawiera zarówno elementy nadajnika, jak również odbiornika, a druga zawiera np. lustra, które służą do kierowania wiązek świetlnych z powrotem do odbiorników, patrz ilustracja 4. Ponieważ lustro redukuje intensywność wiązki świetlnej, dla systemów aktywno-pasywnych są zazwyczaj przewidziane o wiele krótsze odległości niż dla systemów nadawczo-odbiorczych.
Funkcje optoelektronicznych kurtyn bezpieczeństwa
Najprostsza funkcja kurtyny świetlnej polega na tym, że wiązki świetlne są przerywane, w wyniku czego wyłączane są funkcje wyjściowe, a tym samym zatrzymywane są powiązane z nimi niebezpieczne ruchy. Jeśli nie wystąpił żaden incydent, a zakres detekcji jest bezpieczny, można wykonać reset. Ten rodzaj procedury bezpiecznego uruchamiania/zatrzymywania może zakłócać przebieg produkcji oraz wydajność produkcji. Dlatego też w trakcie ostatniej połowy stulecia nadal rozwijano kurtynę świetlną i dodawano różne funkcje, takie jak wewnętrzna blokada ponownego uruchomienia, monitorowanie urządzeń zewnętrznych (EDM), kodowanie wiązki, muting, maskowanie i rozpoznawanie wzorców.
Blokada ponownego uruchomienia
Obydwa najważniejsze, regulowane tryby blokady są zautomatyzowane – urządzenia przełączające sygnał wyjściowy (OSSD – Output signal switching device, bezpieczne elementy wyłączające) są w stanie włączonym, jeśli wiązki świetlne nie są przerwane. Tryb ręczny – urządzenia przełączające sygnał wyjściowy są w stanie włączonym, jeśli wiązki świetlne nie są przerwane, a następnie zostanie naciśnięty przycisk reset. Należy pamiętać o tym, że zautomatyzowanego ponownego uruchamiania można używać tylko w przypadkach szczególnych, mianowicie, jeśli nie jest możliwe wykrycie osoby stojącej za kurtyną świetlną (np. w przypadku małej prasy z dostępem dla ramion), patrz ilustracja 5. Do tego dochodzą jeszcze ewentualnie dodatkowe wymagania.
Reset ręczny można wykonać albo za pomocą zewnętrznego przekaźnika bezpieczeństwa, sterownika programowalnego albo też wewnętrznie, jeśli system optoelektronicznego urządzenia bezpieczeństwa jest wyposażony w odpowiednią możliwość.
Monitorowanie urządzeń zewnętrznych (EDM)
Poziom funkcji bezpieczeństwa można podwyższyć, jeśli została zaimplementowana detekcja błędów. Stosowana do obliczania poziomu wydajności SRP/CS norma zharmonizowana EN ISO 13849 wykorzystuje pojęcie pokrycia diagnostycznego (DC), za pomocą którego mierzona jest ta możliwość. Stopień ten służy jako miara tego, ile niebezpiecznych awarii jest wykrywanych. Metoda, która jest wymieniona w tych normach i szeroko rozpowszechniona w branży, ma pokrycie diagnostyczne na poziomie 99% (więc jest w stanie wykrywać 99% niebezpiecznych awarii) i jest określana jako monitorowanie urządzeń zewnętrznych (EDM, External Device Monitoring). Ta funkcja monitorowania stanowi środek, w przypadku którego urządzenie zabezpieczające aktywnie monitoruje status sterowanych przez nie urządzeń, takich jak na przykład nadrzędne elementy sterujące maszyny (styczniki lub przekaźniki). Jest to niezbędne, ponieważ urządzenia zewnętrzne nie posiadają z reguły własnych funkcji diagnostycznych. Jeśli w urządzeniu zewnętrznym zostanie wykryty stan niebezpieczny, urządzenie zabezpieczające może aktywować blokadę. Dzieje się tak dzięki monitorowaniu dodatkowych kanałów urządzeń zewnętrznych, które są wewnętrznie połączone fizycznie ze sobą. Gdy wyjścia urządzenia zabezpieczającego zostaną przełączone na stan HIGH, powracający sygnał EDM z końcowych urządzeń przełączających musi przejść w stan LOW, jeśli system znajduje się w stanie bezpiecznym. W przeciwnym razie występuje błąd. Na ilustracji 6 przedstawione zostały przykłady implementacji w przekaźniku bezpieczeństwa oraz bezpośrednio w optoelektronicznej kurtynie bezpieczeństwa.
Maskowanie
W przypadku niektórych zastosowań potrzebne jest umożliwienie wystawania określonych obiektów do pola ochronnego, bez sygnalizowania zablokowania zakresu detekcji. Jeśli na przykład do doprowadzania do maszyny ciężkiego elementu obrabianego używany jest stół maszyny lub stojak, funkcję maskowania można wykorzystać do zmiany zdolności wykrywania kurtyny świetlnej bez przerywania przy tym całego procesu roboczego. Maskowanie to może mieć albo charakter stały, albo też ruchomy, co ma na celu umożliwienie przyjmowania przez obiekt zmiennych pozycji. Patrz ilustracja 7.
Muting
W przypadku wielu zastosowań optoelektronicznych urządzeń bezpieczeństwa urządzenie zabezpieczające musi być w stanie przepuszczać obiekty, a mimo to reagować na obecność osób. Jest to ważne szczególnie w przypadku odcinków transportowych, na których towary z jednego obszaru produkcji trafiają do innego, lub też w zautomatyzowanych magazynach, w których personel nie powinien stykać się z obszarami, gdzie odbywa się zautomatyzowany ruch podnoszenia i układania na regałach.
Czujników można używać do identyfikacji obiektu (np. nadwozia pojazdu mechanicznego) i umożliwiania na podstawie kształtu oraz wielkości przejścia do strefy niebezpiecznej, podczas gdy stale musi być wykrywana obecność osób. Odbywa się to automatycznie i jest określane jako muting. Dwie najbardziej rozpowszechnione metody mutingu to muting krzyżowy oraz muting czteroczujnikowy, co pokazano na ilustracji 8.
Istnieje jednakże jeszcze wiele innych metod mutingu, włącznie z zastosowaniem fotoprzekaźników odbiciowych, pętli indukcyjnych w podłożu, wykorzystaniem laserowych skanerów bezpieczeństwa, częściowym mutingiem (np. maskowaniem częściowym) itp. Specyfikacja techniczna IEC/TS 62046 może być pomocna w przypadku zastosowania urządzeń ochronnych do wykrywania osób. Jednakże należy wskazać na różnice pomiędzy mutingiem oraz mutingiem w trybie obejścia: muting jest funkcją zautomatyzowaną, podczas gdy obejście to tryb wybierany przez pracownika obsługi, w przypadku którego obowiązują inne środki bezpieczeństwa (np. urządzenie zezwalające), a więc metody ręczne.
Innym pojęciem występującym w związku z mutingiem jest „override”, czyli ręczne wyzwolenie mutingu po błędzie w warunkach mutingu. Jest to niezbędne, aby poinformować system, kiedy na przykład paleta zaklinuje się w optoelektronicznej kurtynie bezpieczeństwa i przenośnik zostanie zatrzymany, ale przenośnik wymaga tymczasowego zasilania, aby można było usunąć paletę.
Rozpoznawanie wzorców
Istnieją również optoelektroniczne kurtyny bezpieczeństwa, które są w stanie wykonywać złożone algorytmy w odniesieniu do pojedynczych wiązek świetlnych. Rozpoznają one nie tylko, czy wiązki świetlne zostały zablokowane czy też nie, lecz również, które wiązki oraz w jakiej kolejności zostały zablokowane.
Kurtyna świetlna może niezawodnie wykrywać wzorce, obiekty oraz kierunki, zapewniając przy tym bezpieczeństwo, podczas gdy znane wzorce mogą nadal wchodzić i wychodzić z obszaru detekcji kurtyny świetlnej. Ponadto nie są wymagane dodatkowe czujniki lub sterowniki. Ta bardzo wydajna funkcja może znacząco zwiększyć dostępność eksploatacyjną oraz bezpieczeństwo, a równocześnie umożliwić przepływ materiału. Przykładem takiego urządzenia jest C4000 Fusion. Patrz ilustracja 9.
Kodowanie wiązki
Ze względu na podobne częstotliwości optyczne w spektrum podczerwieni, w przypadku zastosowania wielu optoelektronicznych kurtyn bezpieczeństwa blisko siebie może dojść do interferencji pomiędzy systemami. Mogłoby to spowodować powstanie niebezpiecznych sytuacji. Aby tego uniknąć, niektóre optoelektroniczne kurtyny bezpieczeństwa są wyposażone w funkcję kodowania wiązki, dzięki czemu odbiornik może odróżnić wiązki świetlne z określonego nadajnika i nie jest zakłócany przez inne urządzenie znajdujące się w pobliżu. Jeśli to kodowanie wiązki jest włączone, może jednakże mieć wpływ na czas reakcji oraz na zasięg optoelektronicznej kurtyny bezpieczeństwa. Należy to uwzględnić podczas określania odległości montażu.
Podsumowanie: czym są optoelektroniczne kurtyny bezpieczeństwa oraz wielowiązkowe bariery bezpieczeństwa?
Dzisiejsze urządzenia zabezpieczające są o wiele bardziej dostosowane do potrzeb występujących w przemyśle i mogą wykonywać w sposób ręczny lub zautomatyzowany wiele procesów, które wpływają korzystnie na bezpieczeństwo oraz wydajność produkcji, zamiast ograniczania efektywności. Ważne jest jednakże, aby wiedzieć, jakie cechy i funkcje posiada optoelektroniczna kurtyna bezpieczeństwa, oraz czy w przypadku danego zastosowania są one wymagane czy też nie.
Pozostałe teksty
Martin Kidman
Product Specialist Machinery Safety SICK (UK) Ltd.
Martin Kidman uzyskał w roku 2010 tytuł doktora na Uniwersytecie w Liverpoolu i od roku 2006 działa w branży automatyki przemysłowej dla różnych producentów czujników. Od roku 2013 pracuje w SICK UK Ltd. jako specjalista do spraw produktów w dziedzinie bezpieczeństwa maszyn do przemysłowych zastosowań bezpieczeństwa. Ponadto posiada certyfikat Functional Safety Engineer (TÜV Rheinland, #13017/16).
