Bezdotykové bezpečnostní senzory
 | ||||||||
| inovace, technologie, projekty Bezdotykové bezpečnostní senzory Ing. Zdeněk Bekr, Siemens s. r. o. Nároky na výrobce, provozovatele i uživatele strojů a strojních zařízení neustále rostou. Nejvýraznějším trendem je zvýšit produktivitu strojů, snížit celkové náklady a současně vyhovět moderním požadavkům na bezpečný provoz strojních zařízení. Koncepce Safety Integrated společnosti Siemens tyto požadavky splňuje – počínaje senzory, přes řídicí systém a bezpečnostní moduly a konče akčními členy pro uvedení do bezpečného stavu. Safety Integrated nabízí maximální funkční bezpečnost v podobě programovatelných automatů SIMATIC, řídicích systémů SINUMERIK (pro obráběcí stroje CNC), pohonů vřetene SIMODRIVE, jakož i v podobě přístrojů pro bezpečnostní obvody řady SIGUARD. Integrace bezpečnostních obvodů do standardní automatizační techniky přináší úsporu nákladů na instalaci, zapojování a při uvádění do provozu.  Na moderních strojích a strojních zařízeních se stále ve větší míře používají bezdotykové světelné bezpečnostní senzory, jako jsou např. světelné clony, závory nebo laserový skener (obr. 1). Bezdotykové senzory dovolují otevřené uspořádání stroje, což umožňuje rychlý zásah při obsluze či poruše, aniž by bylo nutné nejprve odejmout mechanický ochranný kryt či otevřít dveře. V následujících odstavcích je blíže pojednáno o světelných clonách a závorách „s ochranným faktorem SIGUARD 3RG784„. Bezpečné zastavení nebezpečného pohybu Světelné clony i světelné závory jsou aktivní optoelektronická bezpečnostní zařízení s optickou synchronizací, která zvyšují úroveň ochrany zdraví osob a chrání majetek i životní prostředí v souvislosti s provozem průmyslových strojních zařízení. Skládají se z vysílače a přijímače, umístěné naproti sobě. Mezi nimi se nachází dvojrozměrná pracovní oblast tvořená rovnoběžnými infračervenými paprsky. Svítivé diody vysílače jsou umístěnými vedle sebe v jedné řadě, postupně, jedna po druhé, cyklicky vysílají krátké infračervené implusy. Ty potom dopadají na protilehlé fotodiody přijímače, jenž vyhodnocuje přerušení paprsků. Je-li přerušen alespoň jeden z nich např. tím, že do pracovní oblasti vnikne ruka obsluhy, vydá výstupní obvod přijímače povel k uvedení zařízení nebo jeho části do bezpečného stavu. Polovodičový výstupní obvod, sestávající ze dvou tranzistorů, využívá princip zálohování (redundance) a cyklicky testuje správnost funkce (kategorie 4). Tak je zajištěna detekce závady v samotném přístroji i ve vnějších souvisejících obvodech. Počet svítivých diod vysílače, popř. fotodiod přijímače, závisí na rozlišovací schopnosti a délce přijímače, popř. vysílače. Díky optické synchronizaci není zapotřebí propojovat přijímač s vysílačem elektrickým vedením. Bezpečný stav strojního zařízení musí nastat dříve, než dojde ke zranění obsluhy nebo k poškození majetku. Zabezpečení strojního zařízení tedy může být účinné jen tehdy, jsou-li světelné clony a závory správně uspořádány a začleněny do řídicího systému stroje podle příslušných doporučení. Vysílač i přijímač jsou vybaveny četnými diagnostickými funkcemi, signalizací (LED, sedmisegmentový zobrazovač) a přepínačem přenosových kanálů.
Obr. 2. Světelné clony s rozlišovací schopností 14 mm, popř. 30 mm, chrání obsluhu před úrazem prstů nebo rukou
Vhodná ochrana pro každou aplikaci Vyžaduje-li technologie časté operativní zásahy, jakými jsou např. výměna obrobku či nástroje nebo zakládání materiálu, poskytují bezdotykové bezpečnostní světelné senzory optimální řešení. Obsluha nemusí otevírat nebo odnímat ochranné kryty a v definovaném okamžiku může jednoduše a rychle provést požadovaný zásah. Bezdotykové bezpečnostní senzory tedy nenarušují uspořádání pracoviště a zvyšují produktivitu práce. Nejnáročnějším požadavkům na funkční bezpečnost vyhoví clony a závory typu 4 (podle EN 61496-1, -2), které jsou určeny pro stroje, jejichž bezpečnostní části řídicích systémů splňují požadavky kategorie 4 podle ČSN EN 954-1. Podle toho, z jaké vzdálenosti je možná ergonomická obsluha stroje, je nutné zvolit odpovídající rozlišovací schopnost a výšku pracovní oblasti světelné clony. Ochranu prstů, popř. rukou, před úrazem při vniknutí do nebezpečného místa stroje zajistí clona s rozlišovací schopností 14 mm, popř. 30 mm, a výškou pracovního pole od 150 mm do 3 m (obr. 2). Pojmem rozlišovací schopnost se zde rozumí minimální rozměr, který může být vyhodnocen, nikoliv rozteč sousedních světelných paprsků. Tvar a velikost pracovní oblasti lze přizpůsobit dané aplikaci pomocí funkce statické či dynamické vyclonění nebo využitím kaskádního zapojení master-slave (řídicí-řízený), které zjednodušuje propojování a elektrické připojení.  Rozlišovací schopnost 50 mm a 90 mm se používá především k vyhodnocení přítomnosti osob v bezprostřední blízkosti strojního zařízení. Pracovní oblast se v tomto případě nachází ve vodorovné rovině buď ve výšce bérců (v případě rozlišovací schopnosti 50 mm) nebo ve výšce stehen (při rozlišovací schopnosti 90 mm). Je-li clona umístěna v blízkosti podlahy, je možné vyhodnotit také podlezení (obr. 3a, obr. 3b). Zabezpečení přístupu k strojním zařízením zajišťují cenově dostupnější dvou-, tří- a čtyřpaprskové světelné závory s dosahem buď 18 m (obr. 4a) nebo 60 m. Poslední z nich je určena pro rozsáhlá automatická obráběcí centra, protože vyzářený světelný výkon umožňuje přesměrování světelných paprsků pomocí zrcadel, která jsou dodávána jako příslušenství (obr. 4b). Světelné clony a závory typu 4 se již mnohokrát osvědčily např. na hydraulických a mechanických lisech, pilách, obráběcích strojích nebo robotizovaných pracovištích. Světelné clony typu 2 (podle EN 61496-1, -2) jsou vhodné pro stroje, u nichž na základě stanovení rizikovosti (podle postupů uvedených v ČSN EN 1050) byly zvoleny požadavky na bezpečnostní části řídicích systémů podle kategorie 2 (ČSN EN 954-1). Uplatnění naleznou např. na strojích pro textilní průmysl nebo na montážních linkách. Poměrně malé rozměry, ve srovnání se clonami typu 4, usnadňují jejich integraci do strojního zařízení. Stejně jako clony a závory typu 4 mají přepínání přenosových kanálů, diagnostické funkce, signalizaci a umožňují realizaci kaskádního zapojení master-slave.
Integrované funkce Světelné clony i závory jsou k dispozici v provedeních standard a vyclonění. V obou jsou integrovány dále uvedené funkce tak, že k jejich realizaci není nutná externí vyhodnocovací jednotka. V provedení standard jsou integrovány funkce: automatický test při zapnutí, blokování (opětného) spuštění, vícenásobný přeběh, kontrola stykačů, dva přenosové kanály, nouzové zastavení. Provedení vyclonění má stejné funkce jako standard a navíc funkce pevné vyclonění a dynamické vyclonění. Speciální funkce dočasné překlenutí zabezpečovací funkce a řízení taktu lisů, které se využívají při zavádění materiálu a zakládání nebo vyjímání výrobků z nebezpečných míst stroje, lze realizovat pomocí vyhodnocovacích jednotek.
Funkce vyclonění Existují dva způsoby, jak zamezit nežádoucí vydání povelu k zastavení stroje v případě, že se objekt (např. konstrukční část stroje) trvale nachází v pracovní oblasti clony a trvale přerušuje jeden nebo více světelných paprsků. Hovoří se přitom o tzv. pevném nebo dynamickém vyclonění objektů. Pevné vyclonění (obr. 5) se využívá, jestliže se v pracovní oblasti trvale nacházejí nepohyblivé objekty. Metodou zvanou teach-in (samoučení) se definuje, které paprsky budou objektem trvale přerušeny. Pevné vyclonění lze definovat pro libovolný počet paprsků s výjimkou synchronizačního paprsku. Poloha vycloněného objektu je přitom přijímačem neustále vyhodnocována a tak je kontrolováno, zda se jeho poloha nezměnila vůči poloze při samoučení. Je-li vyhodnocena změna polohy, přijímač vydá povel k zastavení stroje. Dynamické vyclonění (obr. 6) se využívá, jestliže se v pracovní oblasti trvale nacházejí pohyblivé objekty, přičemž je možné současně vyclonit několik objektů. Dynamické vyclonění je opět možné definovat pro libovolný počet paprsků. Poloha vycloněného objektu je přijímačem rovněž neustále vyhodnocována a tak je kontrolováno, zda se poloha objektu mění pouze v definovaném rozmezí.
Redukovaná rozlišovací schopnost Využívá se v případě pohyblivých objektů, které se nenacházejí v pracovní oblasti trvale. Poloha objektu není v tomto případě neustále vyhodnocována tak jako při dynamickém vyclonění. To znamená, že nemusí být přerušen ani jeden paprsek, ale může být přerušeno i několik paprsků současně (obr. 7). Tuto vlastnost lze využít, je-li nutné vkládání materiálu určité tloušťky pracovní oblastí clony, např. u lisů. Při volbě této funkce je nutné dodržet větší bezpečnou vzdálenost než u pevného či dynamického vyclonění. Dva přenosové kanály Jsou-li dvě světelné clony umístěny blízko sebe, může (díky jejich vzájemnému nasměrování – obr. 8) světelný impuls vysílače 1 dopadnout na přijímač 2 a způsobit tím nežádoucí zastavení stroje. Poruchy funkce způsobené vzájemným ovlivňováním dvou sousedních přístrojů lze vyloučit nastavením dvou odlišných přenosových kanálů. To umožňuje provoz několika přístrojů v bezprostřední blízkosti. Zapojení master-slave Vytvoří dvě na sobě nezávislá pracovní pole, která jsou připojena k jednomu výstupnímu obvodu. Tímto způsobem se současně zajišťuje ochrana v horizontální i vertikální rovině (obr. 9). Řídicí a výstupní obvody jsou integrovány pouze v nadřízeném vysílači nebo přijímači (master), podřízený vysílač nebo přijímač (slave) je připojen kabelem do kaskády za master, přičemž nemusí mít stejnou rozlišovací schopnost ani výšku pracovního pole jako master.  Signalizace Provozní stav a částečně i nastavené parametry světelné clony či závory jsou signalizovány svítivými diodami nebo jedním, popř. dvěma sedmisegmentovými zobrazovači (podle provedení – obr. 10). K zobrazovaným údajům patří přenosový kanál, režim vícenásobného přeběhu, správnost nasměrování přijímače a vysílače. Čtyři svítivé diody signalizují stav výstupního obvodu, znečištění optické soustavy, aktivaci blokování opětného spuštění a režim samoučení (teach-in). Vícenásobný přeběh Poruchy funkce způsobené nežádoucím zdrojem intenzivního světla, jakým může být např. stroboskopická lampa nebo svařovací robot, je možné vyloučit nastavením většího počtu přeběhů. Pojmem „jeden přeběh„ se rozumí postupné vyslání a přijmutí krátkého světelného implusu všemi vysílacími a přijímacími diodami (obr. 11). Standardně je nastaven jeden přeběh, jemuž odpovídá doba odezvy asi 7 ms. Je-li počet přeběhů zvýšen, jsou vyhodnoceny pouze ty objekty, které se v pracovní oblasti clony nacházejí po nastavený počet přeběhů. Doba odezvy se tak prodlouží až na 35 ms. Siemens, s. r. o. | ||||||||
