Como os scanners de segurança a laser em miniatura podem maximizar a proteção e a produtividade

A crescente complexidade da automação da fábrica e da logística da Indústria 4.0 exige novas abordagens para o projeto de sistemas que maximizem simultaneamente a segurança e a produtividade.

A natureza flexível das operações da Indústria 4.0 significa que o local e a extensão das operações de risco podem mudar ocasionalmente, e os sistemas de segurança devem se adaptar rapidamente. É necessário um sistema de segurança reconfigurável, programável e flexível.

A capacidade de estabelecer zonas de advertência para alertar os trabalhadores que se aproximam de uma área de risco, antes que eles cheguem perto demais, pode ser uma grande vantagem. Isso impede que os trabalhadores entrem acidentalmente na área de risco, disparem um dispositivo de segurança e desliguem uma máquina. Isso aumenta o tempo de operação e a produtividade.

Este artigo começa com uma breve análise das normas internacionais para tapetes de segurança e scanners a laser e, em seguida, compara as considerações da aplicação para tapetes de segurança e scanners a laser, analisando fatores como operação com ou sem contato, proteção da área de advertência e ajustabilidade.

E encerra apresentando exemplos de scanners de segurança a laser em miniatura da SICK e como eles atendem aos requisitos de várias aplicações, juntamente com as opções de instalação e configuração, inclusive como os scanners podem ser facilmente substituídos se forem danificados.

As principais normas de desempenho em segurança incluem a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) 61508, "Segurança funcional de sistemas elétricos/eletrônicos/eletrônicos programáveis relacionados à segurança (E/E/PE ou E/E/PES)", Organização Internacional de Normalização (ISO) 13849, "Segurança de maquinários — Partes de sistemas de controle relacionados à segurança" e IEC 61496, "Segurança de maquinários — Equipamentos de proteção eletrossensíveis".

Os tapetes de segurança e os scanners a laser atendem a várias partes dessas normas. Por exemplo, a norma IEC 61508 define uma série de níveis de integridade de segurança (SILs). Os scanners de segurança a laser atendem aos requisitos SIL 2. O mesmo acontece com alguns tapetes de segurança, mas não todos. Alguns tapetes de segurança atendem apenas aos requisitos do SIL 1, que é uma ordem de magnitude menos rigorosa do que o SIL 2.

Os dispositivos de segurança SIL 1 destinam-se ao uso em aplicações de pouco risco, em que as consequências de uma falha não são graves, como proteção básica de máquinas, processos não críticos e alarmes simples. Os dispositivos de segurança SIL 2 são projetados para reduzir os riscos que podem resultar em ferimentos graves ou danos ambientais significativos, mas não necessariamente em eventos catastróficos.

Usando conceitos semelhantes aos SILs, a ISO 13849 define níveis de desempenho (PLs). Os tapetes de segurança normalmente se qualificam para uma certificação PLc, enquanto os scanners a laser devem se qualificar para a certificação PLd, mais rigorosa. Algumas instalações de tapetes de segurança também podem atender aos requisitos de desempenho do PLd.

Para obter a certificação, um scanner de segurança a laser deve atender às normas SIL 2, PLd e IEC 61496-3, que abrangem especificamente os dispositivos optoeletrônicos ativos de proteção que respondem à reflexão difusa (AOPDDR ou scanners a laser). As implicações das várias certificações de segurança para tapetes de segurança e scanners a laser são importantes, mas são apenas o começo para maximizar a proteção e a produtividade.

Mais a considerar

Os tapetes de segurança e os scanners a laser especificados adequadamente podem atender aos requisitos de segurança da IEC e da ISO. Mas esse não é o fim da história; há mais a considerar nas aplicações de automação de fábrica e logística da Indústria 4.0.

Um tapete de segurança é uma matriz de chaves mecânicas. Quando um peso, como uma pessoa pisando no tapete, fecha um ou mais contatos, ele envia um sinal para o controlador do tapete que interrompe a operação do sistema protegido.

A natureza mecânica dos tapetes de segurança pode ser motivo de preocupação. Em primeiro lugar, para que o tapete funcione, deve haver contato direto com uma pessoa que esteja andando sobre o tapete. Em segundo lugar, os tapetes estão sujeitos a desgaste e (às vezes literalmente) rasgos. As pessoas podem deixar cair ferramentas pesadas e/ou afiadas sobre o tapete, danificando-o (Figura 1). Ou uma empilhadeira pode atravessar o tapete e danificá-lo. Fatores ambientais, como derramamento de materiais corrosivos, também podem comprometer o tapete.

Figura 1: A operação do tapete de segurança requer contato físico e pode ser comprometida por acidentes e riscos ambientais. (Fonte da imagem: SICK)

Ajustabilidade

Os tapetes de segurança são instalações inerentemente fixas e não são ajustáveis. Há diferentes tamanhos e configurações de tapete para requisitos específicos de instalação. Isso pode representar desafios nas fábricas e operações de logística da Indústria 4.0, que estão sujeitas a reconfiguração conforme as demandas do processo mudam.

Fazer alterações nos sistemas baseados em tapetes de segurança pode exigir a aquisição de um novo tapete, aumentando o tempo necessário para que a mudança se torne operacional. Isso pode afetar negativamente a disponibilidade da máquina e a produtividade em geral.

Uma maneira de minimizar o impacto é manter à mão vários tamanhos de tapetes de segurança para substituição. Isso pode acelerar as trocas e a substituição dos tapetes danificados. Mas também é caro. Também pode ser necessário manter uma variedade de controladores de tapetes de segurança à mão, pois nem todos os tapetes são compatíveis com todos os controladores.

Esses problemas podem ser resolvidos com o uso de scanners a laser. Os scanners de segurança a laser não são baseados em chaves mecânicas; são dispositivos eletrônicos que podem ser ajustados para várias necessidades de aplicação.

Os scanners de segurança a laser são uma tecnologia sem contato que usa um laser infravermelho (IV) para varrer os arredores em duas dimensões. Eles emitem pulsos curtos de luz infravermelha. Se um pulso de luz atingir um objeto, será refletido para o scanner. A distância até o objeto pode ser determinada com um alto grau de precisão com base no intervalo de tempo entre o momento da transmissão e o momento em que a luz refletida retorna.

A capacidade de determinar a distância até os obstáculos permite que os scanners de segurança a laser estabeleçam uma série de áreas de advertência e proteção com base na proximidade de um objeto. Alguns scanners a laser podem ter dezenas de áreas definidas. Isso pode ser útil para aplicações como a navegação de um robô móvel autônomo.

Os scanners de segurança a laser S300 Mini Standard da SICK são otimizados para aplicações de segurança que precisam que três áreas definidas — uma área de proteção e duas áreas de advertência — estejam ativas simultaneamente. Suas dimensões compactas de 102 x 116 x 105 milímetros (mm) (l x a x p) os tornam adequados para aplicações como células de trabalho robóticas e veículos autônomos (AGVs) (Figura 2).

Figura 2: Comparação de tamanho entre o scanner de segurança a laser S30 Mini Standard e uma lata de refrigerante. (Fonte da imagem: SICK)

Os scanners S300 Mini Standard têm um ângulo de varredura de 270° para cobrir uma área ampla e uma resolução selecionável para detecção de mãos, pernas ou tronco. Esses scanners suportam alcances da área de advertência de até 8 m e estão disponíveis com três alcances máximos da área de proteção:

• Um metro, modelo 1058000
• Dois metros, modelo 1050932
• Três metros, modelo 1056430

Ambientes dinâmicos

Ambientes dinâmicos, onde o layout ou as condições operacionais mudam, ou onde os AGVs se movimentam, podem se beneficiar dos scanners de segurança a laser configuráveis. As zonas de detecção podem ser modificadas conforme necessário para atender às necessidades de proteção em constante mudança.

A definição de várias áreas de advertência pode ser especialmente útil para evitar que as pessoas se aproximem demais e desliguem uma máquina. Os dispositivos de sinalização de advertência podem incluir uma luz piscante simples, se a primeira área de advertência for violada, e uma sirene ou buzina, se entrar na segunda área de advertência. Há regras específicas para calcular o tamanho das áreas de proteção.

Cálculos da distância de segurança

A norma ISO 13855, "Segurança de maquinários — Posicionamento de proteções em relação à aproximação do corpo humano, inclui diretrizes para o cálculo da distância mínima de segurança necessária para parar uma máquina, quando uma pessoa se aproxima dela. A ISO 13855 se aplica a vários tipos de dispositivos de segurança, incluindo scanners a laser, cortinas de luz, dispositivos sensíveis à pressão, tapetes e pisos, entre outros.

Pode ser útil ao calcular o tamanho das áreas de segurança para scanners a laser (Figura 3). Uma fórmula comum para calcular a distância segura, S, é S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO, onde:

• K = Velocidade de aproximação (1.600 mm/s, definida na ISO 13855)
• TM = Tempo de parada da máquina ou do sistema
• TS = Tempo de resposta do scanner de segurança a laser e do subsequente controlador
• ZG = Suplemento geral = 100 mm
• ZR = Suplemento para erros de medição relacionados à reflexão
• CRO = Suplemento para evitar a ultrapassagem

Figura 3: As diretrizes da ISO 13855 podem ser usadas para calcular os tamanhos das áreas de segurança (em vermelho) para scanners a laser, como o S300 Mini Standard. (Fonte da imagem: SICK)

Veículos autônomos

Os veículos autônomos (AGVs) movimentam itens de forma rápida e eficiente sem intervenção humana em fábricas, armazéns e centros de distribuição da Indústria 4.0. Em alguns AGVs, fitas de comutação ou para-choques são usados para detectar obstáculos. Isso pode limitar a velocidade de deslocamento do AGV, e as fitas ou os para-choques podem sofrer danos físicos, exigindo a substituição e tirando o AGV de operação por um período.

Para manter a segurança, a flexibilidade e a disponibilidade máxima, os AGVs podem substituir as fitas de comutação e os para-choques, como os principais dispositivos de segurança, e podem incluir um scanner de segurança a laser para detectar obstáculos e parar com segurança. O tamanho reduzido do S300 Mini facilita a integração, mesmo nos menores AGVs (Figura 4).

Figura 4: O tamanho compacto dos scanners de segurança a laser S300 Mini Standard permite que eles sejam montados em AGVs pequenos. (Fonte da imagem: SICK)

O uso de dois scanners a laser pode proporcionar uma área protegida ampliada. Se os scanners forem montados nos cantos dianteiros do veículo autônomo, a área protegida se estenderá para a frente e para os dois lados do veículo. Suponha que os scanners sejam montados na diagonal, um em frente ao outro, na frente e na traseira do veículo. Nesse caso, a área protegida envolverá todos os lados do AGV, permitindo a movimentação segura em ambas as direções.

Configuração, instalação e manutenção

O software de configuração e diagnóstico (CDS) da SICK pode ser usado para definir áreas de proteção e advertência, usando um PC ou laptop. O software inclui uma interface intuitiva para o projeto e a implementação da aplicação. O software também calcula e salva todos os dados de configuração e diagnóstico para um rápido comissionamento e/ou solução eficiente de problemas. A configuração e o diagnóstico podem ser implementados durante o comissionamento ou a manutenção.

A SICK também oferece uma variedade de kits de montagem para fixar fisicamente os scanners a laser S300 Mini. O kit 1a, modelo 2034324, é o suporte de montagem básico sem uma tampa protetora para a óptica, e o kit 1b, modelo 2034325, inclui proteção para a óptica (Figura 5). Além disso, suportes de montagem suplementares, incluindo o kit 2, modelo 2039302, e o kit 3, modelo 2039303, podem ser adicionados para alinhar os scanners em dois planos. O ângulo máximo de ajuste é de ±11° em ambos os planos.

Figura 5: O kit de montagem 1b inclui a proteção da tampa do sistema óptico. (Fonte da imagem: SICK)

Os kits de montagem também permitem a substituição rápida de cabeçotes de scanner danificados. O cabeçote de substituição do scanner é conectado ao plugue do sistema, que é montado permanentemente na máquina. O cabeçote de substituição faz imediatamente o download dos dados de configuração do plugue do sistema e assume as tarefas de segurança programadas, sem reprogramação ou download manual dos dados de configuração. É um processo plug-and-play que minimiza a paralisação da máquina.

Resumo

Os scanners de segurança a laser S300 Mini Standard oferecem uma alternativa robusta aos tapetes de segurança em fábricas, armazéns e centros de distribuição da Indústria 4.0 que maximizam simultaneamente a segurança e a produtividade. Eles atendem às normas de segurança IEC 61508, ISO 13849 e IEC 61496 e são adequados para instalações fixas e plataformas móveis, como AGVs. Por fim, os scanners a laser S300 Mini Standard suportam configuração, instalação e manutenção flexíveis e rápidas.