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Einsatz von Sicherheits-Laserscannern zum Schutz des Bedienpersonals in gefährlichen industriellen Arbeitsbereichen

Von Bill Giovino

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Die meisten industriellen Automatisierungseinrichtungen sind gefährliche Arbeitsplätze. Es gibt Bereiche des Fußbodens, in denen automatische oder halbautomatische Geräte in Betrieb sind, und oft - während sich die Geräte in Gebrauch befinden - sind solche Bereiche für Menschen extrem gefährlich zu betreten. Zu den Gefahrenbereichen können Geräte wie Hochspannungsgeneratoren, industrielle Schweißmaschinen, Hochleistungs- und Bestückungsautomaten, Roboter und andere exponierte Maschinen gehören, bei denen ein unbefugter Zugang zu schweren Verletzungen führen kann. Häufig müssen diese Bereiche auch dann schnell und einfach zugänglich sein, wenn die Maschinen nicht in Betrieb sind, was Zäune und Tore schwerfällig oder unpraktisch macht. Farbige reflektierende Streifen auf dem Boden können zur Kennzeichnung eines Gefahrenbereichs verwendet werden, aber ein wirksameres Mittel wäre ein aktives Detektionssystem für den Boden, das eingreifen könnte, wenn ein Mensch den Gefahrenbereich betritt.

In diesem Artikel wird erläutert, wie Sicherheits-Laserscanner zur Überwachung gefährlicher industrieller Arbeitsbereiche eingesetzt werden können, indem sie den Zielbereich mit Laserstrahlen abtasten. Sie untersucht die Vorteile von Sicherheits-Laserscannern in stark ausgelasteten Industrieanlagen, während gleichzeitig die Sicherheit des Bedienpersonals bei der Annäherung an gefährliche Geräte gewährleistet wird. Anschließend wird gezeigt, wie industrielle Laserscanner von Banner Engineering und IDEC problemlos einen Bereich des Fußbodens überwachen können, um menschliche Bediener zu erkennen und Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen, wie z. B. einen Alarm auszulösen, die Maschine zu verlangsamen oder die Ausrüstung abzuschalten.

Gefährliche Arbeitsbereiche sicher halten

Industrieanlagen können über Hochspannungsgeräte verfügen, die den Betreibern schweren Schaden zufügen können. Während die Geräte isoliert oder in Käfigen eingeschlossen gehalten werden können, müssen die mit der Bedienung der Geräte beauftragten menschlichen Techniker geschützt werden. Produktionsstätten können auch über Industrieroboter verfügen, die einen Bediener ohne Vorwarnung leicht von den Füßen stoßen können. Befindet sich der Roboter auf einer automatisierten Montagelinie, kann er in der Regel abgezäunt werden. Handelt es sich jedoch um einen bedienerbedienten Arbeitsplatz für die Handhabung und Verarbeitung von Materialien, muss er in einer stark frequentierten Fabrikhalle für jedermann leicht zugänglich sein. Pick-and-Place-Maschinen sind in der Regel ebenfalls zugänglich, aber sicher vor Passanten; dennoch müssen sie vor neugierigen Besuchern geschützt werden, die ihre Hände und Arme dorthin stecken wollen, wo sie nicht hingehören.

Bei dieser Art von Industrieausrüstung auf dem Boden ist es bei der Planung einer Industrieanlage wichtig, die Sicherheit der menschlichen Bediener zu gewährleisten. Anstatt diese Sicherheitsentscheidungen zu treffen, wenn der Grundriss der Anlage bereits ausgelegt ist, ist es am besten, die Sicherheitsvorkehrungen bereits in der Anfangsphase der Planung der Anlage zu treffen. Dies gilt insbesondere beim Einsatz von Sicherheits-Laserscannern. Diese Scanner überfluten einen ausgewählten Bereich mit mehreren fokussierten Lasern, und das Laserlicht wird zurück zu den Empfängern auf dem Scanner reflektiert. Der Scanner verwendet dieses reflektierte Licht, um eine zweidimensionale Sichtlinienkarte des Bodenbereichs im Erfassungsbereich des Scanners zu erstellen. Wenn ein Laserstrahl im gescannten Bereich unterbrochen wird, kann der Sicherheits-Laserscanner das Ereignis erkennen und so programmiert werden, dass er Warnlampen und Alarme auslöst oder sogar automatisierte Geräte deaktiviert. Dadurch wird die Sicherheit des menschlichen Bedienpersonals gewährleistet, während gleichzeitig die Maschinenverfügbarkeit erhöht und die Produktivität der Anlage verbessert wird.

Der gesamte zu scannende Bereich muss eine klare Sichtlinie zum Sicherheits-Laserscanner haben (Abbildung 1). Wenn der Arbeitsbereich nicht von Anfang an für einen Sicherheits-Laserscanner geplant ist, kann der gescannte Bereich Objekte im Strahlengang enthalten, die blinde Flecken für die Scannerstrahlen erzeugen. Schlimmer noch, der gescannte Bereich könnte große und nicht bewegliche Hindernisse wie eine tragende Säule enthalten. Diese Hindernisse können vermieden werden, wenn die Industrieanlage von Anfang an unter Berücksichtigung von Sicherheits-Laserscannern konzipiert wird.

Diagramm eines typischen Aufbaus eines Sicherheits-LaserscannersAbbildung 1: Eine typische Einrichtung eines Sicherheits-Laserscanners besteht aus zwei Warnzonen, die während eines Eindringens Warnungen ausgeben, und einer Schutzzone, die das Gerät während eines Eindringens in einen sicheren oder nicht betriebsbereiten Zustand versetzt. (Bildquelle: IDEC)

Der Arbeitsbereich sollte von Anfang an für einen Sicherheits-Laserscanner eingerichtet werden. Ein Techniker programmiert die Scan-Zonen in den Scanner mit Hilfe der visuellen Planungssoftware, die mit dem Scanner geliefert wird. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, ist das Gebiet normalerweise mit einer oder mehreren Warnzonen und einer letzten Schutzzone programmiert. Jede Warnzone kann mit Hilfe einer Konfigurationssoftware so eingestellt werden, dass ein Alarm oder eine Warnung ausgelöst wird. Das unbefugte Betreten der Schutzzone kann so eingestellt werden, dass die Anlage abgeschaltet wird.

Betrieb eines Sicherheits-Laserscanners

Sicherheits-Laserscanner verfügen über einen eingebauten Erkennungsalgorithmus, der eine programmierbare Laserabtastrate verwendet, um Eindringlinge zu verifizieren. Die meisten Scanner sind auf die Standardabtastrate von 2x eingestellt, um ein Objekt zu verifizieren - das heißt, das Objekt muss zweimal hintereinander erkannt werden, um eine Aktion auszulösen. Durch die Mehrfachprobenahme wird verhindert, dass Fremdpartikel wie Metallsplitter oder Insekten einen Fehlalarm auslösen. Eine Erhöhung der Anzahl der Proben verringert falsch positive Ergebnisse, erhöht aber auch die Nachweiszeit. Wenn die Erkennungszeit verlängert wird, kann die Sicherheit durch Vergrößerung des Erkennungsabstands aufrechterhalten werden, so dass mehr Zeit für eine Alarmierung zur Verfügung steht.

Ein robuster Sicherheits-Laserscanner, der für große Industrieumgebungen entwickelt wurde, ist der Banner Engineering SX5-B Sicherheits-Laserscanner (Abbildung 2). Das SX5-B hat eine maximale Reichweite für Sicherheits- und Warnzonen von 5,5 Metern (m) bzw. 40 m und wird über einen M12-Stecker an das verkabelte Ethernet der Einrichtung angeschlossen. Er hat die Schutzklasse IP65 und ist somit immun gegen Staub und Spritzwasser. Die Laserrezeptoren filtern das sichtbare Licht heraus und machen es dadurch immun gegen Störungen durch das Umgebungslicht. Das SX5-B kann für bis zu sechs Zoneneinstellungen konfiguriert werden, z. B. fünf Warnzonen und eine Schutzzone.

Bild von Banner Engineering SX5-B Sicherheits-LaserscannerAbbildung 2: Der Sicherheits-Laserscanner SX5-B von Banner Engineering hat eine maximale Reichweite für Sicherheits- und Warnzonen von 5,5 m bzw. 40 m. Sie kann 275 Grad der Abdeckung bieten und ist immun gegen Umgebungslicht und Staub. (Bildquelle: Banner Engineering)

Der SX5-B verfügt über ein LCD-Farbdisplay zur Anzeige des Status des Sicherheits-Laserscanners. Die Anzeige kann bis zu 27 verschiedene Status-, Diagnose- und Fehlerzustände einschließlich einer Warnung oder Schutzverletzung anzeigen oder anzeigen, ob die Laserdetektoren gereinigt werden müssen.

Das SX5-B verfügt über ein 275-Grad-Schutzfeld und kann den Schutzbereich kontinuierlich nach Eindringlingen in den überwachten Bereich absuchen. Der Scanner kann falsch positive Ergebnisse aus Staub, Schmutz oder kleinen Rückständen herausfiltern. Er ist 152 Millimeter (mm) hoch, was die Positionierung in einem stark frequentierten Bereich erleichtert, ohne den Betrieb der Fabrik zu stören. Die Konfigurationssoftware ist einfach zu bedienen und ermöglicht die flexible Gestaltung von Erkennungsbereichen, einschließlich rechteckiger, kreisförmiger oder unregelmäßig geformter Bereiche. Diese Flexibilität ermöglicht es dem SX5-B, nur den Problembereich sicher zu überwachen, während sichere Bereiche, in denen kein Einbruchalarm erforderlich ist, ausgeschlossen werden.

Anschließen mehrerer Sicherheits-Laserscanner

Für große Erfassungsbereiche hat IDEC den SE2L-H05LPC Sicherheits-Laserscanner (Abbildung 3). Er verfügt über viele der gleichen Funktionen wie der SX5-B mit dem zusätzlichen Vorteil, dass vier SE2L-Scanner miteinander verbunden werden können.

Bild des IDEC SE2L-H05LPC Sicherheits-Laserscanners<Abbildung 3: Der Sicherheits-Laserscanner IDEC SE2L-H05LPC unterstützt ein 270-Grad-Schutzfeld von bis zu 5 m. Vier SE2L-Scanner können einfach über RS-485 für den gleichzeitigen Betrieb miteinander verbunden werden. (Bildquelle: IDEC)

Der SE2L-H05LPC wird über einen wasserdichten 100Base-T Ethernet-Anschluss an das lokale Netzwerk angeschlossen und von einem Host-PC aus über eine USB 2.0-Verbindung konfiguriert. Alternativ können die Konfigurationsdaten mit einer Mikro-SD-Speicherkarte auf die SE2L übertragen werden. Dies macht die Übertragung einer neuen Konfiguration auf eine andere SE2L-Einheit sehr schnell und effizient, da diese nicht an einen PC angeschlossen werden muss.

Der SE2L ist 95 mm hoch und lässt sich somit auch in kleinen Bereichen leicht einbauen. Der Erfassungswinkel beträgt 270 Grad mit einem maximalen Erfassungsbereich von 5 m. Er kann Umgebungslicht herausfiltern und hat die Schutzart IP65, wodurch das Eindringen von Staub verhindert und die Widerstandsfähigkeit gegen falsche Erkennungsereignisse erhöht wird.

Zur Überwachung großer Bodenflächen können bis zu vier SE2L-Scanner miteinander verbunden werden. Ein Host SE2L ist mit der Hauptsteuerplatine oder der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) verbunden, die für die Ausrüstung und die Scanner zuständig ist. Bis zu drei weitere SE2L-Scanner werden an den RS-485-Port des Host-Scanners angeschlossen. Eine Alarm- oder Ereignisanzeige auf einem dieser drei SE2L-Scanner wird über die RS-485-Verbindung an den Host-Scanner übermittelt. Der Host kommuniziert dann die entsprechende Aktion an die SPS oder an einen der Alarmanzeiger. Dies ermöglicht es allen vier Scannern, gemeinsame Alarm- und Warnindikatoren für ihre jeweiligen Erfassungsbereiche zu verwenden. Dadurch wird die Konfiguration stark vereinfacht und die Verkabelung reduziert.

Fazit

Die Sicherheit des menschlichen Bedienpersonals hat in industriellen Automatisierungsanlagen höchste Priorität. Einige Bereiche sind zu gefährlich für den Zugang von Personen, während die Geräte in Betrieb sind, aber gleichzeitig müssen die Bediener leichten Zugang zu den Geräten haben, wenn diese nicht in Betrieb sind. Sicherheits-Laserscanner bieten ein einfaches und effektives Mittel zur Überwachung des Bodenbereichs um gefährliche Geräte herum. Dadurch wird die Produktivität verbessert, da die Sicherheit des Bedienpersonals gewährleistet ist und die Geräte bei Bedarf während des normalen Betriebs leicht zugänglich sind.

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Über den Autor

Bill Giovino

Bill Giovino ist Elektronikingenieur mit einem BSEE von der Syracuse University und einer der wenigen, die erfolgreich vom Entwicklungsingenieur über den Anwendungsingenieur zum Technologiemarketing wechselten.

Seit über 25 Jahren wirbt Bill für neue Technologien vor technischem und nicht-technischem Publikum für viele Unternehmen, darunter STMicroelectronics, Intel und Maxim Integrated. Während seiner Zeit bei STMicroelectronics trug Bill dazu bei, die frühen Erfolge des Unternehmens in der Mikrocontroller-Industrie voranzutreiben. Bei Infineon inszenierte Bill die ersten Erfolge des Unternehmens im Bereich Mikrocontroller-Design in den USA. Als Marketingberater für sein Unternehmen CPU Technologies hat Bill vielen Unternehmen geholfen, unterbewertete Produkte in Erfolgsgeschichten zu verwandeln.

Bill war zudem ein früher Anwender des Internets der Dinge, einschließlich der Implementierung des ersten vollständigen TCP/IP-Stacks auf einem Mikrocontroller. Die Botschaft von „Verkauf durch Aufklärung“ und die zunehmende Bedeutung einer klaren, gut geschriebenen Kommunikation bei der Vermarktung von Produkten im Internet sind Bills Anliegen. Er ist Moderator der beliebten „Semiconductor Sales & Marketing Group“ auf LinkedIn und spricht fließend B2E.

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key