Scanners laser de sécurité miniatures pour optimiser la protection et la productivité

La complexité croissante liée à l'automatisation des usines et de la logistique de l'Industrie 4.0 requiert de nouvelles approches de conception de systèmes qui optimisent à la fois la sécurité et la productivité.

La nature flexible des activités de l'Industrie 4.0 implique que le lieu et l'étendue des opérations dangereuses peuvent changer occasionnellement et que les systèmes de sécurité doivent s'adapter rapidement. Un système de sécurité reconfigurable, programmable et flexible est nécessaire.

La possibilité d'établir des zones d'avertissement pour alerter les travailleurs qui s'approchent d'une zone dangereuse avant qu'ils ne l'atteignent peut constituer un sérieux avantage. Cela empêche les travailleurs de pénétrer accidentellement dans la zone dangereuse, de déclencher un dispositif de sécurité et d'arrêter une machine. Cette mesure permet d'améliorer la disponibilité et la productivité.

Cet article commence par un bref aperçu des normes internationales relatives aux tapis de sécurité et aux scanners laser de sécurité. Il compare ensuite les considérations d'application pour les tapis de sécurité et les scanners laser de sécurité, en examinant des facteurs tels que le fonctionnement avec ou sans contact, la protection du champ d'alerte et la capacité de réglage.

Enfin, il présente des exemples de scanners laser de sécurité miniatures de SICK et montre comment ils répondent aux exigences de nombreuses applications, puis présente des options d'installation et de configuration, y compris la manière dont les scanners peuvent être facilement remplacés s'ils subissent des dommages.

Les principales normes de performances de sécurité incluent la norme 61508 de la Commission électrotechnique internationale (CEI), « Sécurité fonctionnelle des systèmes électriques/électroniques/électroniques programmables relatifs à la sécurité (E/E/PE ou E/E/PES) », la norme 13849 de l'Organisation internationale de normalisation (ISO), « Sécurité des machines — Parties des systèmes de commande relatives à la sécurité », et la norme CEI 61496, « Sécurité des machines — Équipements de protection électro-sensibles ».

Les tapis de sécurité et les scanners laser de sécurité répondent à différentes parties de ces normes. Par exemple, la norme CEI 61508 définit une série de niveaux d'intégrité de sécurité (SIL). Les scanners laser de sécurité répondent aux exigences SIL 2. C'est également le cas de certains tapis de sécurité, mais pas de tous. Certains tapis de sécurité ne répondent qu'aux exigences SIL 1, soit un ordre de grandeur moins strict que le niveau SIL 2.

Les dispositifs de sécurité SIL 1 sont destinés à être utilisés avec des applications à faible risque où les conséquences d'une défaillance ne sont pas graves, comme la protection de base des machines, les processus non critiques et les alarmes simples. Les dispositifs de sécurité SIL 2 sont conçus pour atténuer les risques pouvant entraîner des blessures graves ou des dommages environnementaux importants, mais pas nécessairement des événements catastrophiques.

En utilisant des concepts similaires aux niveaux SIL, la norme ISO 13849 définit des niveaux de performances (PL). Les tapis de sécurité répondent généralement à la certification PLc, tandis que les scanners laser de sécurité doivent répondre à la certification PLd plus stricte. Certaines installations de tapis de sécurité peuvent également répondre aux exigences de performances PLd.

Pour être certifié, un scanner laser de sécurité doit répondre aux normes SIL 2, PLd et CEI 61496-3, couvrant spécifiquement les dispositifs protecteurs optoélectroniques actifs sensibles aux réflexions diffuses (AOPDDR ou scanners laser). Les implications des différentes certifications de sécurité pour les tapis de sécurité et les scanners laser de sécurité sont importantes, mais elles ne constituent qu'un point de départ lorsqu'il s'agit de maximiser la protection et la productivité.

Autres éléments à prendre en compte

Des tapis de sécurité et des scanners laser de sécurité correctement spécifiés peuvent répondre aux exigences de sécurité CEI et ISO. Mais les choses ne s'arrêtent pas là : de nombreux autres éléments doivent être pris en compte dans les applications d'automatisation des usines et de la logistique de l'Industrie 4.0.

Un tapis de sécurité est un ensemble d'interrupteurs mécaniques. Lorsqu'un poids, par exemple une personne marchant sur le tapis, ferme un ou plusieurs interrupteurs, il envoie un signal au contrôleur du tapis qui arrête le fonctionnement du système protégé.

La nature mécanique des tapis de sécurité peut être une source de préoccupation. Premièrement, pour que le tapis fonctionne, il doit y avoir un contact direct avec une personne marchant sur le tapis. Deuxièmement, les tapis sont exposés à l'usure et (parfois littéralement) aux déchirures. Des opérateurs peuvent faire tomber des outils lourds et/ou tranchants sur le tapis, et l'endommager (Figure 1). Ou un chariot élévateur peut rouler sur le tapis et causer des dommages. Des facteurs environnementaux tels que le déversement de substances corrosives peuvent également détériorer le tapis.

Figure 1 : Le fonctionnement d'un tapis de sécurité requiert un contact physique et peut être affecté par des accidents et des dangers environnementaux. (Source de l'image : SICK)

Capacités de réglage

Les tapis de sécurité sont par nature fixes et ne sont pas réglables. Il existe différentes tailles et configurations de tapis pour répondre à des exigences d'installation spécifiques. Cela peut présenter des défis dans les usines et les opérations logistiques de l'Industrie 4.0 qui doivent être reconfigurées lorsque les exigences des processus changent.

La modification des systèmes basés sur des tapis de sécurité peut impliquer l'achat d'un nouveau tapis, augmentant le temps nécessaire pour que le changement devienne opérationnel. Cela peut avoir un impact négatif sur la disponibilité des machines et sur la productivité globale.

Une façon de minimiser l'impact est de disposer de différentes tailles de tapis de sécurité de rechange. Cela peut accélérer le changement et le remplacement des tapis endommagés. Mais cette solution a un coût. En outre, il peut être nécessaire d'avoir en stock une grande variété de contrôleurs de tapis de sécurité, car tous les tapis ne sont pas compatibles avec tous les contrôleurs.

Ces problèmes peuvent être résolus en utilisant des scanners laser de sécurité. Les scanners laser de sécurité ne sont pas basés sur des interrupteurs mécaniques ; ce sont des dispositifs électroniques qui peuvent être réglés pour répondre à divers besoins applicatifs.

Les scanners laser de sécurité offrent une technologie sans contact utilisant un laser infrarouge (IR) pour scanner l'environnement en deux dimensions. Ils émettent de courtes impulsions de lumière IR. Si une impulsion lumineuse frappe un objet, elle est réfléchie vers le scanner. La distance de l'objet peut être déterminée avec un haut degré de précision sur la base de l'intervalle de temps entre le moment de l'émission et le moment du retour de la lumière réfléchie.

La capacité à déterminer la distance par rapport aux obstacles permet aux scanners laser de sécurité d'établir une série de champs d'alerte et de protection en fonction de la proximité d'un objet. Certains scanners laser de sécurité peuvent avoir des dizaines de champs définis. Cela peut être utile pour des applications telles que la navigation d'un robot mobile autonome.

Les scanners laser de sécurité S300 Mini Standard de SICK sont optimisés pour les applications de sécurité dans lesquelles trois champs définis — un champ de protection et deux champs d'alerte — doivent être actifs simultanément. Grâce à leurs dimensions compactes de 102 mm x 116 mm x 105 mm (l x H x p), ils conviennent à des applications telles que les cellules de travail robotisées et les véhicules à guidage automatique (AGV) (Figure 2).

Figure 2 : Comparaison de la taille du scanner laser de sécurité S300 Mini Standard et d'une canette de soda. (Source de l'image : SICK)

Les scanners S300 Mini Standard ont un angle de balayage de 270° pour couvrir une large zone, et une résolution sélectionnable pour la détection des mains, des jambes ou du corps. Ces scanners prennent en charge des portées de champ d'alerte atteignant 8 m et sont disponibles avec trois portées de champ de protection maximum :

• Un mètre, modèle 1058000
• Deux mètres, modèle 1050932
• Trois mètres, modèle 1056430

Environnements dynamiques

Les environnements dynamiques, dans lesquels la configuration ou les conditions opérationnelles changent, ou dans lesquels des AGV se déplacent, peuvent bénéficier de scanners laser de sécurité configurables. Les zones de détection peuvent être modifiées selon les besoins pour s'adapter à l'évolution des exigences de protection.

La définition de plusieurs champs d'alerte peut être particulièrement utile pour empêcher les personnes de s'approcher trop près d'une machine et d'entraîner son arrêt. Les dispositifs de signalisation d'alerte peuvent consister en un simple feu clignotant si le premier champ d'alerte est franchi, et en une sirène ou un avertisseur sonore si le deuxième champ d'alerte est franchi. Il existe des règles spécifiques pour calculer la taille des champs de protection.

Calculs de distance de sécurité

La norme ISO 13855, « Sécurité des machines – Positionnement des moyens de protection par rapport à la vitesse d'approche des parties du corps », inclut des lignes directrices pour le calcul de la distance de sécurité minimum requise pour arrêter une machine lorsqu'une personne s'en approche. La norme ISO 13855 s'applique à plusieurs types de dispositifs de sécurité, y compris les scanners laser de sécurité, les barrières immatérielles de sécurité, les dispositifs sensibles à la pression, les tapis et sols de sécurité, et plus.

Cette norme peut être utile lors du calcul de la taille des champs de sécurité pour les scanners laser de sécurité (Figure 3). Une formule courante pour calculer la distance de sécurité, S, est S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, où :

• K = Vitesse d'approche (1600 mm/s, selon la norme ISO 13855)
• TM = Temps d'arrêt de la machine ou du système
• TS = Temps de réponse du scanner laser de sécurité et du contrôleur en aval
• ZG = Marge de sécurité générale = 100 mm
• ZR = Marge de sécurité pour les erreurs de mesure liées aux réflexions
• CRO = Marge de sécurité pour éviter l'intrusion par-dessus

Figure 3 : Les directives ISO 13855 peuvent être utilisées pour calculer la taille des champs de sécurité (rouge) pour les scanners laser de sécurité tels que le S300 Mini Standard. (Source de l'image : SICK)

Véhicules à guidage automatique

Les véhicules à guidage automatique (AGV) déplacent les articles rapidement et efficacement sans intervention humaine dans les usines, les entrepôts et les centres de distribution de l'Industrie 4.0. Dans certains AGV, des bandes de sécurité ou des butées sont utilisées pour détecter les obstacles. Cela peut limiter la vitesse de déplacement de l'AGV, et les bandes ou les butées peuvent subir des dommages physiques, exigeant le remplacement et la mise hors service de l'AGV pendant un certain temps.

Pour maintenir la sécurité, la flexibilité et une disponibilité maximum, il est possible de remplacer les bandes de sécurité ou les butées en tant que principaux dispositifs de sécurité des AGV par un scanner laser de sécurité pour détecter les obstacles et garantir un arrêt sécurisé. Le format compact du S300 Mini facilite son intégration, même dans les AGV les plus petits (Figure 4).

Figure 4 : Grâce à leur format compact, les scanners laser de sécurité S300 Mini Standard peuvent être montés sur de petits AGV. (Source de l'image : SICK)

L'utilisation de deux scanners laser de sécurité permet d'étendre la zone protégée. Si les scanners sont montés sur les coins avant de l'AGV, la zone protégée s'étend à l'avant et aux deux côtés du véhicule. Supposons que les scanners soient placés en diagonale à l'avant et à l'arrière du véhicule. Dans ce cas, la zone protégée englobera tous les côtés de l'AGV, permettant un déplacement sûr dans les deux directions.

Configuration, installation et maintenance

Le logiciel de configuration et de diagnostic (CDS) de SICK permet de définir des champs de protection et d'alerte à l'aide d'un PC ou d'un ordinateur portable. Le logiciel offre une interface intuitive pour la conception et la mise en œuvre d'applications. Le logiciel calcule et enregistre également toutes les données de configuration et de diagnostic pour une mise en service rapide et/ou un dépannage efficace. La configuration et le diagnostic peuvent être effectués pendant la mise en service ou la maintenance.

SICK propose également un choix de kits de montage pour la fixation physique des scanners laser de sécurité S300 Mini. Le kit 1a, modèle 2034324, est le support de montage de base sans protection pour l'optique, et le kit 1b, modèle 2034325, inclut une protection optique (Figure 5). En outre, des supports de montage supplémentaires, dont le kit 2, modèle 2039302, et le kit 3, modèle 2039303, peuvent être ajoutés pour aligner les scanners sur deux plans. L'angle de réglage maximum est de ±11° dans les deux plans.

Figure 5 : Le kit de montage 1b inclut une protection optique. (Source de l'image : SICK)

Les kits de montage permettent également le remplacement rapide des têtes de scanner endommagées. La tête de scanner de rechange se fixe à la prise système, qui est montée de manière permanente sur la machine. La tête de rechange télécharge immédiatement les données de configuration depuis la prise système et prend en charge les tâches de sécurité programmées, sans reprogrammation ni téléchargement manuel des données de configuration. Ce processus plug-and-play minimise les temps d'arrêt des machines.

Résumé

Les scanners laser de sécurité S300 Mini Standard offrent une alternative robuste aux tapis de sécurité dans les usines, entrepôts et centres de distribution de l'Industrie 4.0, en maximisant à la fois la sécurité et la productivité. Ils répondent aux normes de sécurité CEI 61508, ISO 13849 et CEI 61496 et conviennent aux installations fixes et aux plateformes mobiles comme les AGV. Enfin, les scanners laser de sécurité S300 Mini Standard prennent en charge une configuration, une installation et une maintenance flexibles et rapides.