Como selecionar e integrar sistemas de segurança multidimensionais para proteger os trabalhadores dos cobots

A segurança é essencial na implantação de robôs colaborativos (cobots), robôs móveis autônomos (AMRs) e veículos autônomos (AGVs) em fábricas e instalações de logística. Também é complexo e multidimensional.

Os movimentos da máquina precisam ser monitorados e controlados de acordo com a Organização Internacional de Normalização (ISO) 13849, a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) 62061 e a IEC 61800-5-2, que fornecem requisitos de segurança e orientação sobre os princípios para o projeto e a integração de partes de sistemas de controle relacionados à segurança (SRP/CS).

Garantir a operação segura de cobots, AMRs, AGVs e equipamentos similares geralmente exige o estabelecimento de um perímetro de segurança em camadas com vários campos, desde a detecção inicial e o aviso de objetos que se aproximam até a identificação de quando um objeto ultrapassa uma zona perigosa e interrompe a máquina.

Um sistema modular de controle de segurança pode acrescentar outra camada de análise e proteção. Uma análise de falhas rápida e eficiente pode ser uma consideração importante ao lidar com interrupções de campo de proteção e disparos inesperados de um scanner. Isso pode exigir um segundo sensor para monitorar o campo de proteção do sensor principal.

Este artigo começa com uma breve atualização sobre os requisitos das normas ISO 13849, IEC 62061 e IEC 61800-5-2 e uma revisão dos conceitos básicos dos scanners a laser de segurança bidimensionais (2D) de detecção e alcance de luz (LiDAR). Em seguida, ele oferece um conhecimento mais profundo em como os perímetros de segurança em camadas podem ser implementados para proteger as pessoas de cobots, AMRs, AGVs e equipamentos semelhantes.

Inclui-se uma análise do uso e da integração de sensores LiDAR 2D e uma análise dos benefícios da combinação desses sensores com um controlador de segurança modular programável para fornecer uma dimensão adicional de segurança, além do uso de uma câmera de eventos para permitir a análise de falhas de interrupções inesperadas de campos de proteção. Estão incluídos dispositivos exemplares da SICK.

A IEC 61508 é a norma fundamental para a "Segurança funcional de sistemas elétricos/eletrônicos programáveis relacionados à segurança (E/E/PE ou E/E/PES)" e se aplica a todos os setores. Além disso, há subseções e variantes específicas do setor e da aplicação.

IEC 62061, "Segurança de máquinas: Segurança funcional de sistemas de controle elétricos, eletrônicos e eletrônicos programáveis" é a variante específica para máquinas da IEC 61508. A IEC 61800-5-2, "Sistemas de acionamento elétrico com velocidade ajustável - Parte 5-2: Exigências de segurança - Funcional", também está relacionada à IEC 61508 e é uma norma para o projeto e o desenvolvimento de sistemas de acionamento de velocidade ajustável.

A ISO 13849 foi desenvolvida de forma independente e não é derivada da IEC 61508. Ambas estão preocupadas com a segurança funcional. A IEC 61800-5-2 usa os níveis de integridade de segurança (SILs) para definir os requisitos de segurança, enquanto a ISO 13849 define o nível de desempenho exigido (PL_r).

A ISO 13849 e a IEC 61508 são baseadas no conceito de probabilidade de falha perigosa por hora (PFH_d). A análise de segurança funcional da ISO 13849 considera três fatores: a gravidade de uma possível lesão, a frequência ou exposição a um risco e o potencial de limitar o risco e evitar danos (Figura 1):

• Gravidade da lesão
  • S1: Leve (lesão normalmente reversível)
  • S2: Grave (normalmente irreversível ou morte)
• Frequência e/ou exposição ao risco
  • F1: Raramente a menos frequentemente e/ou o tempo de exposição é curto
  • F2: Frequente a contínuo e/ou o tempo de exposição é longo
• Possibilidade de evitar o risco ou limitar o dano
  • P1: Possível sob condições específicas
  • P2: Dificilmente possível

Figura 1: Derivação dos níveis de PL_r na ISO 13849 e SILs correspondentes na IEC 62061. Ambas as normas são baseadas no conceito de falha perigosa por hora (PFH_d). (Fonte da imagem: SICK)

Como o LiDAR funciona?

A certificação PL_b de acordo com a ISO 13849 é necessária para o uso de sensores de segurança LiDAR 2D em aplicações de proteção pessoal. A família de sensores LiDAR 2D TiM inclui modelos que atendem a esse requisito. Os sensores LiDAR 2D varrem seus arredores usando a tecnologia óptica de tempo de voo (ToF). O ToF é implementado enviando pulsos de laser, usando um espelho giratório e detectando a luz refletida. Quanto mais tempo leva para a luz refletida chegar de volta ao sensor, mais distante está o objeto.

A medição do tempo, combinada com a intensidade do sinal retornado, permite que o sensor calcule a posição de vários objetos com precisão milimétrica. A imagem resultante dos arredores é atualizada até 15 vezes por segundo (Figura 2). Pode oferecer suporte a funções de navegação, orientação, controle e segurança em tempo real.

Figura 2: Os sensores LiDAR 2D TiM usam um espelho giratório e pulsos de laser para criar uma imagem dos arredores que pode ser atualizada até 15 vezes por segundo. (Fonte da imagem: SICK)

Os sensores LiDAR 2D TiM detectam objetos em áreas definidas (campos) a serem monitoradas. Dependendo do modelo, eles têm um alcance de varredura de até 25 m e um alcance de trabalho de até 270°.

Os dados do pulso de retorno do laser são processados usando a tecnologia de medição de distância de alta definição (HDDM) ou HDDM+. O HDDM alcança uma precisão de medição muito alta em distâncias curtas e é adequado para o posicionamento preciso em aplicações como acoplamento. O HDDM+ processa particularmente bem as reflexões nas bordas, o que o torna mais adequado para aplicações de localização e anticolisão em ambientes dinâmicos.

Em ambos os casos, a tecnologia patenteada de múltiplos pulsos HDDM/HDDM+ permite que os sensores LiDAR 2D TiM detectem toda a faixa de varredura sem lacunas, garantindo uma precisão de medição consistente, e eles podem lidar com diferentes superfícies e fatores de remissão.

Os tipos TiM1xx, TiM3xx e TiM7xx detectam se os objetos estão em um campo predefinido. Dezesseis conjuntos de campos, cada um com três campos pré-configurados, permitem uma adaptação rápida durante a operação (Figura 3). Geometrias de campo individuais podem ser especificadas ou campos de contorno de referência podem ser definidos para monitoramento de contorno estático. Filtros digitais, áreas mascaradas e tempos de resposta também podem ser definidos para maximizar o desempenho, mesmo na presença de chuva forte, neve ou poeira.

Figura 3: Os conjuntos de campos nos sensores LiDAR 2D TiM consistem em três campos pré-configurados. (Fonte da imagem: SICK)

Estão disponíveis modelos que fornecem dados de avaliação de campo ou dados de avaliação e medição de campo. Os sensores de avaliação de campo determinam apenas a presença de um objeto, enquanto os dados de avaliação e medição de campo podem ser usados para fornecer uma imagem precisa de uma superfície varrida.

Além dos dados de distância, estão disponíveis sensores LiDAR 2D TiM que também fornecem dados angulares e uma saída de indicador de intensidade de sinal recebido (RSSI). Esse conjunto de dados expandido pode ser especialmente útil para evitar colisões e para a navegação de AMRs em ambientes mutáveis.

LiDARs de segurança, adicionando as primeiras camadas de proteção

A família LiDAR 2D TiM tem variantes relacionadas à segurança, o TiM361S (avaliação de campo) e o TiM781S (avaliação de campo e saída de dados de medição), que atendem aos requisitos da PL_b e podem ser usados em aplicações fixas e móveis. Podem ser usados para proteção pessoal no monitoramento de acesso para cobots industriais e em plataformas móveis, como AMRs e AGVs.

• O tipo TIM361S-2134101, número de modelo 1090608, é adequado para uso em ambientes internos com um alcance de detecção de 0,05 a 10 m e tecnologia HDDM.
• O tipo TIM781S-2174104, número de modelo 1096363, também é adequado para uso em ambientes internos com um alcance de detecção de 0,05 a 25 m e tecnologia HDDM+.

Integração simplificada

Os sensores LiDAR 2D TiM são projetados para simplificar a integração. Com uma classificação de proteção de até IP67, nem a poeira, nem a umidade podem entrar no compartimento. São altamente imunes à iluminação ambiente brilhante de até 80.000 lx. Seu design robusto atende aos requisitos de resistência à vibração da norma IEC 60068-2-6 e aos requisitos de resistência a choques da norma IEC 60068-2-27. Sua robustez pode ser aprimorada quando necessário, usando montagens amortecidas de placas de proteção.

O design compacto, o peso leve e o baixo consumo de energia dos sensores LiDAR 2D TiM os tornam adequados para plataformas móveis. O tipo TIM361S-2134101 e o tipo TIM781S-2174104 pesam apenas 250 g, têm um consumo de potência típico de 4 W e medem 60 mm de comprimento x 60 mm de largura x 86 mm de altura.

Os controladores de segurança adicionam outra camada

Os scanners a laser LiDAR detectam perigos e enviam alertas, enquanto um controlador de segurança modular pode adicionar outra camada de segurança a um sistema de proteção. Por exemplo, o controlador de segurança Flexi Soft é um sistema modular que pode ser conectado a vários sensores e elementos de comutação, inclusive scanners a laser. Ele é classificado como SIL3 de acordo com a norma IEC 61508 e PLe com um PFH_d de 1,07 x 10^-9 de acordo com a norma ISO 13849.

Um sistema básico consiste em pelo menos dois módulos (Figura 4):

1. A CPU0, como o modelo 1043783, é a unidade lógica central em que os sinais de sensores como o LiDAR são analisados e avaliados, aliviando a análise de segurança no controlador central da máquina. A saída da CPU0 se conecta a um controle de máquina de nível superior, como um controlador lógico programável (CLP), onde as funções de segurança são implementadas.
2. O módulo de expansão de E/S XTIO, como o modelo 1044125, é necessário para conectar scanners a laser ao sistema. É necessário um módulo de expansão de E/S XTIO para cada dois scanners a laser, pois cada scanner a laser usa três entradas de comutação. O controlador pode operar até 12 módulos de E/S.

Figura 4: O sistema de controle de segurança Flexi Soft consiste em um módulo de CPU (1) e um ou mais módulos de E/S (2). (Fonte da imagem: SICK)

O que aconteceu?

Um elemento importante em um sistema de segurança pode ser a capacidade de analisar e entender a causa raiz de qualquer falha, respondendo à pergunta: "O que aconteceu para que o scanner a laser de segurança fosse disparado?" Uma câmera de eventos, a EventCam da SICK, foi projetada especificamente para detectar e analisar falhas esporádicas em instalações industriais.

A EventCam é autônoma com óptica, iluminação, eletrônica e memória e pode ser integrada a sistemas móveis ou fixos. O compartimento de alumínio fundido tem classificação IP65 e pode ser montada em várias posições. A EventCam pode ser conectada a um sistema de automação, como um controlador de segurança, ou diretamente a um sensor.

Quando um erro é relatado, a EventCam começa a armazenar quadros individuais ou sequências de vídeo. A memória circular interna pode armazenar até 240 segundos antes e 100 segundos depois de um evento. No modo de alta definição (HD), ela pode registrar até 25 segundos antes e 15 segundos depois. A taxa de quadros de vídeo por segundo (fps) varia de 13 a 65, dependendo da resolução necessária.

A EventCam também pode ser útil no comissionamento de novas máquinas ou processos. Ela pode monitorar uma execução de teste sem supervisão, como um teste contínuo de várias horas ou vários dias, e identificar rapidamente as fontes de erro. Várias EventCams podem monitorar um único processo, fornecendo informações visuais de vários ângulos ao mesmo tempo para uma análise mais profunda e completa dos erros (Figura 5).

Figura 5: Várias EventCams podem ser sincronizadas para registrar um único evento de vários ângulos simultaneamente. (Fonte da imagem: SICK)

A EventCam é oferecida em duas variantes. O modelo 1102028 tem um alcance de trabalho de 0,4 m a 0,6 m e pode ser adequado para uso com cobots fixos com espaços de proteção relativamente pequenos. O modelo 1093139 tem um alcance de trabalho de 0,8 a 6 m e pode acomodar espaços de proteção maiores encontrados em cobots, AMRs e AGVs maiores.

Resumo

Os sensores LiDAR 2D, como a família TiM da SICK, podem fornecer a primeira linha de defesa em um sistema de segurança para cobots, AMRs, AGVs e máquinas similares. Eles fornecem uma série de campos de proteção para monitorar a aproximação de pessoas. A adição de um controlador de segurança pode dar suporte à análise de intrusão e melhorar o desempenho do sistema. Por fim, uma ou mais EventCams podem monitorar o sensor LiDAR 2D principal para ajudar a identificar a causa principal de qualquer disparo esporádico.