Оптични бариери, светлинни завеси, лазерни скенери
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 9, 2009
Европейската законова рамка в областта дефинира строго определени нива на машинна безопасност
Изискванията за безопасност са формализирани за държавите-членки на Европейския съюз. Ако се ограничим само до европейските стандарти и дори само до тези, отнасящи се до машинната безопасност, списъкът с номера на норми би запълнил повече от страница. Съществуват, обаче, два основни нормативни документа в областта:
l EN 13849-1 Машинна безопасност - свързани с безопасността компоненти на управляващи системи, част 1 - Общи принципи на проектиране, както и
l EN 62061 Машинна безопасност - функционална безопасност на електрически, електронни и програмируеми електронни управляващи системи.
Първият стандарт, а именно EN ISO 13849-1, който, както е видно от абревиатурата му на изписване е и международен, замени през 2007 г. предишния стандарт EN 954-1. По отношение на стария стандарт бе приет тригодишен гратисен период, в който изискванията, залегнали в него са в сила. Именно клаузите в посочените стандарти изискват оборудване на различните машини и съоръжения със защити и блокировки, прекратяващи работата на машината при навлизане на хора или други обекти в работната зона, при отваряне на защитен капак, при отсъствие на оператор от работното му място и т.н.
Нива на безопасност, дефинирани от стандартите
Сериозните, съответстващи на изискванията системи за машинна безопасност, се специфицират в съответствие с категорията или нивото, на които те отговарят. Тези данни фигурират и в документацията на всеки един от компонентите, изграждащи системите за безопасност. Старият стандарт EN 954-1 дефинира 5 категории на безопасност, означени с: В, 1, 2, 3, 4. Съответно, с В е означена най-ниската категория, а с 4 - най-високата, която се характеризира с най-високи изисквания за безопасност. В EN 13849-1 са дефинирани пет нива, отбелязвани от международната техническа общност с PL (performance level). Тези нива, от а до е, се определят според диаграмата от фиг.1.
S е тежестта на евентуално нараняване – S1 – леко нараняване, а S2-тежко нараняване с трайни последици, включително смърт. F е честотата на появяване и продължителността на опасното събитие, като F1-означава рядко и кратко, а F2-често и продължително. Р означава вероятност за избягване на опасното събитие, Р1-избягване на опасността е възможно при определени условия, Р2-избягване на опасността е слабо вероятно.
В зависимост от горепосочените фактори се определя нивото на безопасност, което трябва да бъде осигурено за всяка конкретна машина. При изграждането на една система за безопасност, избраното ниво определя типа на елементите, които могат да влязат в нея, както и структурата й. Например, нека разгледаме защитна преграда (врата), чието положение се контролира от краен изключвател, подаващ сигнал за блокиране на машината, ако вратата се отвори. Описаната система би могла да се използва само в приложения, изискващи ниско ниво на безопасност. При по-високо ниво е необходимо системата да „наблюдава” състоянието на датчика, затова се налага използването на краен изключвател с две независими контактни системи. Едната от системите изпълнява ролята на обратна връзка към системата за безопасност. Ако се изисква постигането на още по-високо ниво на безопасност, то сензорите за състояние на вратата трябва да се дублират. Всеки производител указва нивото (или класа според стария стандарт), на което неговото устройство отговаря.
Зонови средства за машинна безопасност
Една от основните мерки, която се прилага за осигуряване на машинна безопасност е ограничаване на достъпа на хора в работната зона на автоматични машини. Най-лесният начин за постигане на тази цел е използването на подходящи заграждения - панели, капаци, огради, както неподвижни, така и подвижни. В много случаи обаче, приложението на подобни пасивни форми на защита е невъзможно. Машините трябва да се обслужват, да се зареждат с материали и консумативи, да се изнася готовата продукция и т.н. Съществуват много опасни машини, които въпреки това са предназначени за ръчна, а не за автоматична експлоатация. Това е причината да се използват специални устройства, които регистрират наличието на човек или друг обект в работната зона на машината. Ако тя е в покой, а работният й орган е в изходно положение, присъствието на хора в работната зона не предизвиква реакция. Когато обаче, се навлезе в работната зона по време на работен цикъл, системата за безопасност автоматично блокира функционирането на машината.
Устройствата от този тип могат да бъдат заграждащи и сканиращи
Те почти винаги работят на основата на оптичен принцип.
Заграждащите устройства, наричани светлинни завеси или бариери, следят само за нарушаване на определен периметър. Те блокират машината при пресичането му, но не поддържат функцията да следят за присъствието на хора извън периметъра по време на работния цикъл. Напълно е възможно, обаче, навлизане на човек в охранявания периметър по време на работна пауза. В случай, че той остане вътре, но не пресича контролираната линия, системата за безопасност няма да регистрира присъствието на човека и машината ще бъде пусната. А с това съществува възможност за създаване на опасна ситуация. Затова, заграждащи устройства не се използват в приложения, към които съществуват изисквания за постигане на най-високо ниво на безопасност. В подобни приложения се използват скенери, които мониторират не само даден периметър, но и определена област.
Оптични бариери
Наричат се още оптични завеси. Състоят се от предавател и приемник. Предавателят съдържа инфрачервен източник на светлина, обикновено с дължина на светлинните вълни в диапазона 900 - 1000 nm. Приемникът е изграден от датчик на инфрачервена светлина (полупроводников), който управлява един или няколко изхода. Съществуват опростени като конструкция устройства, състоящи се от един инфрачервен светодиод в предавателя и един фотодиод в приемника - фиг.2. Те се използват в приложения, изискващи ниски нива на безопасност, както и за контрол на достъпа - обикновено на врата или охранявана зона. За управление на автоматични врати, бариери за автомобили и т.н. се прилагат малко по-сложни устройства като показаните на фиг. 3. Те се отличават с повишена шумоустойчивост, устойчивост на запрашаване, овлажняване и др. Предлагат се в изпълнение за монтаж на открито.
Чувствителни са към параметрите на средата
Един от големите проблеми на оптичните устройства е чувствителността им към условията на околната среда. Запрашаването на елементите, разположени на оптичния път води до намаляване на чувствителността и дори до некоректно сработване. Същия ефект оказват запотяването (независимо от коя страна на защитния екран), зацапването, намокрянето и т.н. Задимеността в едно помещение, както и наличието на други инфрачервени източници също биха могли да окажат отрицателно въздействие върху работата на някои устройства. Освен това стойностите на температурата, влажността, радиацията, ултравиолетовото облъчване и др. влияят върху параметрите, както на предавателя, така и на приемника. Върху тях влияние оказва и естественото стареене на полупроводниковите елементи, защитните екрани и др. Водещите производители в областта на средствата за машинна безопасност вземат специални мерки за отстраняване или поне за минимизиране влиянието на тези фактори. Разработени са схеми със самокомпенсиране на промяната на параметрите. На практика, това се постига чрез използване на различни средства – вътрешни обратни връзки, модулиране на сигнала на предавателя и др.
При необходимост от постигане на по-високо ниво на безопасност се използват т.нар. светлинни завеси (фиг. 4). Предавателят се състои от голям брой инфрачервени излъчватели, разположени по височина на колона с определена стъпка, указана в техническата документация. Типичните растери са 20, 30, 40, 50 и 90 mm. Това затруднява нерегистрираното пресичане на периметъра, например чрез прекрачване на бариерата или минаване под нея, което е възможно при единичен излъчвател. Самите колони се предлагат със средна височина от 30 см до 2 м. Обикновено са предназначени за монтаж на закрито. Работят с различно напрежение, но е по-лесно да се намерят модели, захранвани с ниско постоянно напрежение – 24 V. Единият или няколкото изходи са контактни или представляват колекторна верига на транзистор. Този факт би следвало да се вземе под внимание в случай, че е планирано изграждането на комплексна система за безопасност, тъй като транзисторните изходи са много по-чувствителни към претоварвания, дори краткотрайни, както и към пренапрежения. Повечето устройства от този тип нямат друг комуникационен интерфейс. Текущото им състояние се визуализира със светодиод, а понякога и с индикатори.
При светлинните завеси отсъства нулева зона
Максималното разстояние между предавателя и приемника е от порядъка на 20 м. Точната му стойност се указва в документацията на изделието. Характерно за светлинните завеси е отсъствието на нулева зона, т.е. не съществува участък от оптичния път, който да е нечувствителен.
При необходимост от създаване на начупен периметър на защита е възможно използването на огледала, които също се предлагат от производителите на светлинни завеси. Общата дължина на лъча обаче, трябва да се съобрази. Оптичните бариери не изискват почти никаква поддръжка, освен периодично почистване, ако са инсталирани в много силно замърсени помещения.
Използването на устройства от този тип се изисква от стандартите по безопасност, затова сложните машини се оборудват със светлинни завеси. В България те навлизат основно чрез закупуване на автоматично или полуавтоматично технологично оборудване. За съжаление, в много случаи, особено при малките и средни фирми, в процеса на реализация на проектите не се спазват предпазните разстояния, на които трябва да се монтират оптичните бариери. Съществуват достатъчно примери за проекти, при които габаритите на помещението не са съобразени с необходимата защитна зона. В резултат, дори и при желание за поддържане на добра производствена дисциплина, работниците няма как да не пресичат периметъра на бариерите и да не ги задействат. Затова машината автоматично се изключва доста често, нарушавайки технологичния процес и изнервяйки операторите, които трябва непрекъснато да я рестартират.
Резултатът често е “шунтиране” на светлинните завеси, веднага след изтичане на гаранционния срок. Твърде често това не е самоинициатива на работещите, а нареждане на ръководството, тъй като се създават предпоставки за злополуки. Както много други проблеми, така и този, може да се реши чрез добро предварително планиране – съобразяване на необходимата за дадено съоръжение площ и предвиждане на възможности за разширяване. Необходим е и опит при закупуване и инсталиране на ново технологично оборудване.
Лазерните скенери
са сред най-новите технологии в областта на машинната безопасност. Те осигуряват мониторинг върху цяла област, а не само върху определен периметър, предлагайки много голяма гъвкавост. Използват се за защита на точки на достъп и опасни зони, намиращи се в близост до машини, технологични линии, роботи и т.н. Могат да бъдат прилагани както за защита на стационарни машини, така и за обезопасяване на мобилни съоръжения. Подходящи са за приложение при всички нива на безопасност, включително и за реализацията на най-строгите изисквания.
Външният вид на лазерен скенер е показан на фиг. 5. Основни негови конструктивни елементи са лазерен източник и приемник (детектор). Обикновено лазерният източник се завърта на определен ъгъл (примерно 180о). След позиционирането му на определения ъгъл, лазерът излъчва много кратък импулс.
Принципът на работа на лазерния скенер се основава на измерване на интервала от време между излъчването и отражението на лъча. Ако импулсът срещне преграда, т.е. обект, намиращ се в защитаваното поле, той ще се отрази от него и ще се върне обратно, където ще бъде регистриран от приемника. Електронен таймер отчита времето между излъчването на импулса и получаването на отразения сигнал. Тъй като скоростта на светлината е известна, този времеви период е пропорционален на разстоянието до обекта, отразил лазерния лъч.
Лазерът се завърта на стъпки, например през десет ъглови минути, излъчвайки импулси, чието евентуално отражение се следи от приемника. По този начин лазерът сканира цялата площ на охраняваната област. Тъй като ъгълът на завъртане на лазера е известен, както и изчислителното разстояние до обекта, т.е. налице са две координати (в полярна координатна система), лазерните скенери са двудименсионни устройства, обозначавани за краткост с 2D.
Сканират с определена резолюция
Тъй като светлинните импулси не се излъчват непрекъснато, а само при прецизно позициониране на лазера под определен ъгъл, наблюдаваната площ се сканира с определена резолюция. На практика това означава, че съществува долна граница на размера на обекта, който би могъл да бъде засечен. Типични стойности на минималните размери на обектите са в диапазона 30 – 150 mm, като малката стойност се отнася за близки обекти, а голямата за по- отдалечени. Съществува и изискване по отношение на отражателните способности на обектите. Обикновено е необходимо коефициентът им на отражение да е по-голям от 1,8 - 2%. Известно е, че коефициентът на отражение представлява отношение между отразения и падащия върху обекта лъчист поток.
При лазерните скенери наблюдаваната площ би могла да се раздели на зони (фиг. 6). Защитната зона покрива опасната област, в която работи машината. Веднага щом лазерният скенер засече обект в защитната зона, генерира сигнал за изключване на машината. Наред с нея се дефинира предупредителна зона, която обгражда защитната. При засичане на обект в предупредителната зона се подава само предупредителен сигнал – светлинен или звуков. По този начин преминаващ човек би могъл да бъдат предупреден предварително, което намалява броя на инцидентните пресичания на защитната зона, а следователно и броя на изключванията на машината.
Системата се отличава с висока гъвкавост
Някои производители дефинират максимален радиус на всяка от зоните. Възможно е да се дефинират повече от две зони. Обикновено задаването на броя и на размерите им се извършва софтуерно. Принципът на работа на лазерните скенери позволява зоните да са с произволно начупена, а не само с полукръгла форма (фиг. 7). По този начин силно се увеличава гъвкавостта на системата – тя може да бъде лесно препрограмирана при промяна в технологичния цикъл. Наред с това, лазерните скенери са универсални устройства и имат много разнообразни приложения. На фиг. 8 е показано динамичното изменение на защитната зона в зависимост от наличието на палет с готова продукция в нея. При поставяне на палет, той би могъл автоматично да бъде „разпознат” от скенера, което да не предизвиква изключване на машинното оборудване.
Друга характеристика на лазерните скенери е регулиране на времето на задействане в определен диапазон, например от 80 - 100 ms до 600 - 800 ms. Тази характеристика е полезна при защита например, на заваръчни агрегати, при които наличието на разтопен метал и шлака може да предизвика погрешно сработване.
Част от предлаганите на пазара лазерни скенери поддържат комуникационен интерфейс RS-232. Освен това разполагат с поне два главни изхода, обикновено колекторни вериги на npn транзистори и няколко помощни изхода (също електронни). Товарният капацитет на изходите е достатъчен за директно управление на контактор, така че тези устройства могат да се използват самостоятелно, без да се свързват към външен контролер на системата за безопасност.
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 5/2024
