Co přesně je bezpečnostní světelný závěs?

Bezpečnostní světelné závěsy se používají pro ochranu personálu továren po celém světě. Ačkoliv je technologie známá již téměř 70 let, možnosti bezpečnostního světelného závěsu nejsou u mnohých aplikací vždy zcela využity. V tomto článku se pokusím o nové posouzení předností světelných závěsů pro bezpečnost vašich strojů, pro řízení výroby a produktivitu a zahrnují přitom aktuálně využitelné funkce a vlastnosti. Světelné závěsy jsou v současnosti natolik všudypřítomné, že je velice snadno můžeme považovat za jednoduchý přístroj: zabezpečený proti výpadku, snadno instalovatelný a jako náhrada za ochranné ploty, abychom si nemuseli dělat žádné starosti. V průběhu času však bylo vyvíjeno stále širší a rozmanitější spektrum světelných závěsů. Dnes splňují více funkcí a mohou kladně přispět k produktivitě vaší firmy. Mohou být integrovány do lokálních továrních sítí a zlepšují tak podnikovou automatizaci.

Historie světelného závěsu

V roce 1951 představil Erwin Sick první dřevěný model svého světelného závěsu na „Německém veletrhu vynálezů a novinek“ v Mnichově. Ještě v tomtéž roce byla patentová přihláška světelného závěsu na principu autokolimátoru považována za technickou revoluci, která zahájila vývoj techniky, kterou dnes známe – techniky, která ochránila nespočet lidí před zraněním a usmrcením hrozícím u strojů. Od té doby vývoj hardwaru a softwaru zásadně změnil rozmanitost a použití bezpečnostních světelných závěsů. Nejdůležitější vlastnosti světelných závěsů jsou sice stejné jako předtím, ale jejich potenciál ještě nemusí být zcela vyčerpán.

Specifikace světelného závěsu

Bohužel neexistuje žádný jednotný sortiment standardních provedení bezpečnostních světelných závěsů, protože všichni výrobci nabízejí svoje vlastní produktové řady s různými velikostmi, tvary, rozlišením atd. Výchozím bodem každé bezpečnostní aplikace je však vždy nebezpečí, před kterým se chceme chránit, a prostor, v němž se toto nebezpečí nachází. Na tomto základě se posuzují různé požadavky ohledně fyzikálních vlastností světelného závěsu. Aktuálně slouží norma ČSN EN ISO 13855 jako harmonizované základní dílo pro stanovení pozice bezpečnostních optoelektronických snímačů a podporuje uživatele při stanovení fyzikálních vlastností. Na tomto místě vám chci vysvětlit nejdůležitější specifikace, které je nutné zohlednit. Existují však také další vlastnosti jako IP rating, proudový příkon, zobrazení atd., kterými se zde nebudeme zabývat.

Snímací dosah

Snímací dosah je maximální vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem. U aktivních/pasivních jednotek se vzdálenost mezi aktivní a pasivní systémovou částí nazývá také snímací dosah. Výrobky mají pevný snímací dosah, volitelný snímací dosah (např. nízký/vysoký) nebo automaticky nastavovaný snímací dosah (při spuštění se nastaví citlivost na bázi vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem). Volba správného snímacího dosahu zajistí, aby byly bezpečnostní optoelektronické snímače nejvhodnější pro aplikaci – např. odrazy blízkých povrchů mohou způsobit nespolehlivou instalaci, pokud se přístroj s vysokým výkonem a velkým snímacím dosahem používá na krátkou vzdálenost. Na druhé straně může být vyžadován přístroj s velkým snímacím dosahem pro ochranu velkých oblastí.

Výška ochranného pole

Výška bezpečnostního světelného závěsu musí být zvolena podle přístupu k nebezpečnému místu. Když má světelný závěs např. zabezpečit nebezpečná místa v určitém bodě, musí světelný závěs pokrývat celý otvor. Pokud však bezpečnostní produkt slouží jako zabezpečení přístupu, lze podle počtu potřebných paprsků a výšky od země, včetně možných nadměrných výšek, použít různé výsledné výšky.

Rozlišení

Rozlišení světelného závěsu může přitom ovlivnit místo upevnění vzhledem ke zdroji nebezpečí. Často se používají pojmy „detekce prstů“ a „detekce ruky“, které se vztahují na hodnoty rozlišení 14, resp. 30 mm. Světelné závěsy a vícepaprskové systémy však mohou také mít různá rozlišení nebo vzdálenosti mezi paprsky (např. 20 mm, 40 mm, 200 mm atd.). Čím vyšší je rozlišení, tím lepší je detekční schopnost bezpečnostního světelného závěsu. Přístroj lze tedy namontovat blíže ke zdroji nebezpečí (to znamená, že světelný závěs se 14 mm lze namontovat blíže než světelný závěs se 30 mm). Norma ČSN EN ISO 13855 obsahuje mnoho různých výpočetních metod pro upevňovací vzdálenosti. Rozlišení přitom má značný význam. Základní rovnice však zní stejně: S = (K x T) + C

Norma zahrnuje také další aspekty, například směr přiblížení, možné nadměrné velikosti atd. Pro větší vzdálenosti a zabezpečení přístupu je obvykle dostačující vzdálenost mezi paprsky 400 mm. Přesto mohou být vyžadována další zařízení pro detekci přítomnosti, pokud má být stroj resetován, když se za světelným závěsem nebo vícepaprskovou bezpečnostní světelnou mříží nachází nějaká osoba. Pro zohlednění těchto bodů by mělo být provedeno pečlivé posouzení rizika podle harmonizované normy ČSN EN ISO 12100. Světelné závěsy s vyšším rozlišením jsou zpravidla dražší než s nižším rozlišením, nicméně přechod na nižší rozlišení znamená, že se musí vzdálenost mezi bezpečnostním světelným závěsem a nebezpečím zvětšit, což ve výrobní hale může být neužitečné nebo dokonce nemožné.

Typ

Při výběru bezpečnostního zařízení pro určitou oblast použití lze použít harmonizovanou normu ČSN EN ISO 13849 nebo IEC 62061 pro navržení bezpečnostních částí řídicího systému (SRP/CS). Po definování bezpečnostní funkce (např. spuštění zastavení bezpečnostním světelným závěsem) je důležité stanovit úroveň vlastností (PL) nebo safety integrity level (SIL) příslušného SRP/CS, které má být dosaženo s ohledem na riziko. Nebudu se zde podrobně zabývat funkční bezpečností, přesto pro elektrická snímací ochranná zařízení (ESPE) bezpečnostní výrobek dle IEC 61496 přímo souvisí s hodnotami PL/SIL, kterých může bezpečnostní funkce dosáhnout.

Aktivní/pasivní systémy

Pro minimalizaci nákladů na zapojení a nákladů na zabezpečení přístupu lze použít aktivní/pasivní systémy. Aktivní/pasivní systém se skládá ze dvou částí. Jedna část obsahuje prvky vysílače i přijímače a druhá část obsahuje např. zrcadla, která slouží k odrážení paprsků zpátky k přijímačům. Protože zrcadla snižují intenzitu světelného paprsku, jsou pro aktivní/pasivní systémy obvykle stanoveny mnohem kratší vzdálenosti než pro systémy vysílače/přijímače.

Funkce bezpečnostních světelných závěsů

Nejjednodušší funkce světelného závěsu spočívá v přerušení světelných paprsků, takže se výstupní funkce vypnou a s nimi spojené nebezpečné pohyby se zastaví. Pokud nenastal žádný incident a detekční oblast je bezpečná, lze provést reset. Tento druh bezpečného procesu zastavení/spuštění může narušit výrobní proces a produktivitu. Proto byl světelný závěs v průběhu posledních padesáti let dále vyvíjen a byly přidány různé funkce jako interní blokování opětovného rozběhu, kontrola stykačů (EDM), paprskové kódování, muting, vymaskování, detekce vzoru a paprskové kódování.

Blokování opětovného rozběhu (reset)

Dva nejdůležitější nastavitelné režimy jištění jsou automatizované – OSSD (output signal switching device, bezpečné vypínací prvky) jsou zapnuté, pokud nejsou paprsky přerušené. Manuálně – OSSD jsou zapnuté, pokud nejsou paprsky přerušené, a poté se stiskne tlačítko reset. Je nutné pamatovat na to, že automatizovaný opětovný rozběh se smí používat jen ve speciálních případech, zejména tehdy, pokud nelze snímat osobu stojící za světelným závěsem (např. u malého lisu jen s přístupem pro paži). Případně mohou být kladeny další požadavky.

Manuální reset lze provést prostřednictvím externího bezpečnostního relé, bezpečnostního PLC nebo interně, pokud má systém bezpečnostního optoelektronického snímače odpovídající schopnost.

Kontrola stykačů (EDM)

Úroveň bezpečnostní funkce lze zvýšit, pokud je implementována detekce chyby. Harmonizovaná norma ČSN EN ISO 13849 použitá pro výpočet úrovně výkonu SRP/CS používá pojem diagnostické pokrytí (DC), s nímž se měří tato schopnost. Tato hodnota slouží jako měřítko k tomu, kolik nebezpečných výpadků bude detekováno. Metoda, která je uvedena v těchto normách a je velmi rozšířená v tomto oboru, má diagnostické pokrytí 99 % (může tedy detekovat 99 % nebezpečných výpadků) a nazývá se kontrola stykačů (EDM, External Device Monitoring). Tato monitorovací funkce je prostředek, u něhož bezpečnostní zařízení aktivně monitoruje stav jím řízených externích přístrojů jako např. primárních řídicích prvků stroje (stykače nebo relé). To je nezbytné proto, že externí zařízení zpravidla nemají žádné vlastní diagnostické funkce. Je-li v externím zařízení detekován nebezpečný stav, může bezpečnostní zařízení spustit blokování. To se provádí monitorováním dalších kanálů externích přístrojů, které jsou interně fyzicky propojené. Pokud se výstupy bezpečnostního zařízení přepnou na HIGH, musí se zpětný signál EDM z koncových spínacích přístrojů nastavit na LOW, jestliže se systém nachází v bezpečném stavu. V opačném případě došlo k chybě.

Vymaskování

V některých aplikacích se doporučuje nechat určité objekty vyčnívat do ochranného pole bez signalizace blokování detekční oblasti. Pokud se například používá stůl stroje nebo podstavec pro zakládání těžkého obrobku do stroje, lze použít funkci vymaskování, která změní detekční schopnost světelného závěsu bez přerušení toku práce. Toto vymaskování může být buď pevné, nebo pohyblivé, aby byla umožněna variabilní pozice objektu.

Muting

U mnoha aplikací bezpečnostních optoelektronických snímačů musí být bezpečnostní zařízení schopno nechat projet objekty, a přesto zareagovat na přítomnost osob. To je důležité zejména u dopravních tras, na nichž zboží putuje z jedné výrobní oblasti do druhé, nebo v automatizovaných skladových provozech, u nichž se má personál zdržovat v bezpečné vzdálenosti od oblastí s automatizovaným stohovacím a regálovým provozem.

Senzory lze použít k identifikaci objektu (např. karoserie motorového vozidla) a k umožnění jeho průchodu na základě tvaru a velikosti do nebezpečné zóny, zatímco i nadále musí být detekována přítomnost osoby. Tento proces probíhá automaticky a nazývá se muting. Dvě nejběžnější metody mutingu jsou křížový muting a čtyřsenzorový muting.

Existuje však mnoho dalších metod mutingu, včetně použití difuzních snímačů, podlahových indukčních smyček, použití bezpečnostních laserových skenerů, částečného mutingu (resp. částečné vymaskování) atd. Technická specifikace IEC/TS 62046 může být užitečná při použití ochranných zařízení pro detekci osob. Je však nutné upozornit na rozdíl mezi mutingem a bypass mutingem: muting je automatizovaný, zatímco bypass je režim zvolený obsluhujícím personálem, kde zasahují další ochranná opatření (např. uvolňovací zařízení), tedy manuální metody.

Dalším pojmem v souvislosti s mutingem je „přemostění – override“, tzn. manuální trigger mutingu po chybě v podmínkách mutingu. Toto přemostění je nezbytné pro vyřešení situace, kdy například v bezpečnostním světelném závěsu uvízne paleta a dopravník se zastaví, avšak dopravník potřebuje k odstranění palety přechodně elektrický proud.

Detekce vzoru

Existují také bezpečnostní světelné závěsy, které mohou provádět složité algoritmy pro jednotlivé světelné paprsky. Tyto světelné závěsy nejenže detekují, zda byly světelné paprsky blokovány nebo ne, ale také rozpoznají, které paprsky a v jakém pořadí byly blokovány.

Světelný závěs umí spolehlivě detekovat vzor, objekty a směry a přitom musí zaručit bezpečnost, zatímco známé vzory mohou nadále vstupovat do oblasti snímání světelného závěsu a vystupovat z něj. Navíc nejsou vyžadovány žádné další senzory nebo řídicí systémy. Tato výkonná funkce může enormně zvýšit využitelnost a bezpečnost a současně umožnit průchod materiálu. Příkladem takového přístroje je C4000 Fusion.

Paprskové kódování

Na základě podobných optických frekvencí v infračerveném spektru může při použití více bezpečnostních světelných závěsů v bezprostřední blízkosti docházet k interferencím mezi systémy. To by mohlo způsobit nebezpečné situace. Pro zamezení těmto interferencím mají některé bezpečnostní světelné závěsy paprskové kódování, takže přijímač může rozlišovat paprsky vysílané z určitého vysílače a není negativně ovlivněn jiným přístrojem v bezprostřední blízkosti. Je-li toto paprskové kódování aktivované, může to ovlivnit dobu odezvy a snímací dosah bezpečnostního světelného závěsu. To je nutné zohlednit při stanovení montážní vzdálenosti.

Rekapitulace: co jsou bezpečnostní světelné závěsy a vícepaprskové bezpečnostní světelné mříže?

Současná bezpečnostní zařízení jsou mnohem více optimalizovaná pro potřeby průmyslu a mohou provádět celou řadu manuálních a automatizovaných procesů, které podporují větší bezpečnost a produktivitu a nesnižují účinnost. Je však důležité vědět, jaké vlastnosti a funkce bezpečnostní světelný závěs má a zda jsou potřebné pro jeho aplikaci nebo ne.

Autor. Ing. Hrubý, SICK spol. s.r.o