Новые лазерные сканеры от SICK: полная безопасность внутри и вне помещений

Стандарты, нормы, правила и указания по технике безопасности, аналогично армейским уставам, как это хорошо известно, написаны в буквальном смысле кровью. Однако статистика травматизма на современном производстве хоть и снижается, но пока остается на неприемлемо высоком уровне. Среди всех причин первичной инвалидности и смертности именно травмы находятся на третьем месте, а у лиц трудоспособного возраста травмы занимают первое место среди причин смерти.

Производственный травматизм имеет две составляющие — это совокупность субъективных и объективных факторов. В первом случае мы подразумеваем сознательное и несознательное поведение персонала, приводящее к тем или иным нарушениям требований безопасности, а во втором — несанкционированное поведение оборудования, как правило, из-за сбоев в системах его управления или прямого отказа (аварии). Первый, самый распространенный фактор, вызван пренебрежением к требованиям, а также усталостью, стрессом и мгновенной потерей внимательности. Все это пресловутый человеческий фактор, причем часто из разряда «вот если бы я был такой умный сейчас, как потом». Решением, минимизирующим оба фактора, являются системы безопасности. Это четко и однозначно указано в п. 36 Приложения № 1 к действующему на территории Российской Федерации техническому регламенту Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования» (ТР ТС 010/2011): «Движущиеся части машин и (или) оборудования должны размещаться так, чтобы не возникла возможность получения травмы, или, если опасность сохраняется, должны применяться предупреждающие знаки и (или) надписи, предохранительные или защитные устройства во избежание таких контактов с машиной и (или) оборудованием, которые могут привести к несчастному случаю» [3].

Так, по данным Федеральной службы государственной статистики РФ, численность пострадавших от несчастных случаев на производстве составила в 2017 г. 25,4 тыс. человек, из них со смертельным исходом 1,14 тыс. [2]. Если же брать общую статистику, то мы видим снижение травматизма, однако с перерасчетом на одну тысячу работающих она уже четыре года удерживается на неизменном уровне (1,3 человека), и показатель травматизма превышает аналогичный в технически развитых странах, хотя расход средств на охрану труда постоянного растет (табл.). Последняя цифра говорит о том, что текущие меры обеспечения безопасности труда в Российской Федерации уже полностью себя исчерпали, и здесь требуется переход на новый уровень ее обеспечения, с новыми подходами и решениями. И хотя основной травматизм приходится на горнодобывающую и строительную отрасли, решение этой проблемы не менее актуально и для других сфер индустрии, таких, например, как машиностроение и обработка.

Понятно, что отгородиться физическим барьером от машин и механизмов можно далеко не везде и не всегда. Особенно это касается текущей ситуации, когда рабочий должен трудиться в одной среде с роботизированными механизмами (такие роботы называются коллаборативными) и механизмами без фиксированной зоны действия, например с автоматизированными транспортными средствами внутризаводской логистики. В этом случае для предотвращения травматизма используются однолучевые и многолучевые световые барьеры безопасности, а также световые завесы безопасности [1]. Если система обнаруживает прерывание светового луча, в машину передается сигнал отключения, который прекращает действие опасной операции.

Проблема использования таких систем связана именно с областью их применения. Как известно, индустриальная среда достаточно специфическая. Она насыщена акустическими шумами, электромагнитными помехами, для нее характерны удары и вибрация, а также пыль и загрязнение, причем и с наличием в атмосфере агрессивных компонентов. Еще одна немаловажная проблема систем безопасности, основанных на оптических датчиках, — это то, что, как правило, они работают на прерывание луча. То есть нужно разместить излучатель и напротив него приемник, при этом они должны работать взаимосвязанно, что далеко не всегда технически осуществимо. Кроме того, приемник должен реагировать исключительно и только на сигнал своего передатчика, причем в условиях сильных электромагнитных и оптических помех. К тому же подобная система должна отфильтровывать случайные прерывания, не связанные с нарушениями условий безопасности, иными словами, она должна быть интеллектуальной.

Указанных недостатков удалось избежать системам, спроектированным и предлагаемым компанией SICK — одним из ведущих производителей индустриальных датчиков для широкого круга задач и разработчиком соответствующих технических решений для их применения в различных отраслях промышленности. Компания предлагает свои технологии в области автоматизации производственных и технологических процессов, логистики, безопасности и защиты окружающей среды. Основной спектр деятельности SICK — автоматизация производства, логистики и процессов. Продукция компании успешно применяется в таких отраслях, как автомобилестроение, машиностроение, деревообрабатывающая промышленность, производство товаров широкого потребления, нефтегазовая, горнодобывающая и пищевая области индустрии и еще целый ряд направлений [6].

Среди наиболее эффективных датчиков безопасности, выпускаемых SICK, описанное в [1] новое поколение сканеров серии microScan3 Core. Эти устройства представляют собой лидары, именно данный термин очень часто используется разработчиками систем промышленной безопасности для автоматического роботизированного оборудования и движущихся систем. В общем случае лидар (LIDAR, Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности) — это технология получения и обработки информации об объектах с помощью активных оптических систем, действующих не на прерывании светового потока, а на основе явления отражения света. Такой подход значительно упрощает применение данных устройств, поскольку делает их максимально независимыми от среды эксплуатации.

Первыми ласточками в этом направлении стали сканеры в исполнении Core (рис. 1) c дискретными входными и выходными сигналами c максимальным радиусом защитного поля 4 и 5,5 м — microScan3 Core [1]. В этих сканерах была заложена перспективная для интеллектуальных систем безопасности технология сканирования safeHDDM (HDDM, high definition distance measurement — измерение расстояния с высокой точностью), запатентованная компанией.

Рис. 1. Лазерные сканеры безопасности семейства microScan3 Core

В чем же особенности технологии safeHDDM? Хотя вкратце они и были изложены в первой публикации о сканерах безопасности компании SICK, но, учитывая уникальность технологии, следует уделить ей больше внимания. Технология сканирования safeHDDM устанавливает новый стандарт в анализе времени отклика. Именно благодаря этому сканер microScan3 обеспечивает высокую надежность функционирования, причем ни рассеянный свет, ни наличие искр или частиц пыли в воздухе не играют никакой роли, а сигналы предупреждения и остановки выдаются только в тех случаях, когда есть реальный риск для присутствующих в зоне действия оборудования людей или взаимосвязанных механизмов — например, автоматизированных транспортных средств.

Рис. 2. Принцип технологии safeHDDM, заложенной в основу лазерных сканеров безопасности семейства microScan3

Как уже было сказано, в основе лазерных сканеров безопасности семейства microScan3 Core лежит технология анализа отражения от объекта (рис. 2). Для этого используются невидимые глазу инфракрасные лучи, формирующие защитное поле (рис. 3). Также в технологии safeHDDM не только частота импульсов почти в 170 раз выше по сравнению с предыдущими системами, но и сами лазерные импульсы кодируются с задержкой в несколько наносекунд. Последовательность не является строго определенной для каждого сканера, она формируется встроенным генератором случайных чисел. Такой подход позволяет полностью исключить взаимное влияние сканеров при их работе в общей зоне, поскольку результаты измерений учитываются только как последовательности в гистограмме. Хотя отдельные импульсы от других устройств и обнаруживаются, но они исчезают в фоновом шуме во время накопления.

Рис. 3. Общая иллюстрация создания зон с разным уровнем опасности при работе с роботизированным оборудованием

Излучение лазерных импульсов и пакетирование нескольких оцифрованных значений отражения для измерения расстояния значительно повысили устойчивость к окружающему свету, которая находится в пределах 4–40 000 люкс. Таким образом, лазерные сканеры с safeHDDM практически невосприимчивы к ослеплению — независимо от того, является ли его причина ярким солнечным светом, высокочастотным, искусственным окружающим освещением, от источника света или отражений, попадающих непосредственно в оптику сканера [5].

Лазерный сканер microScan3 излучает до 80 000 отдельных импульсов на одно сканирование — по сравнению с обычными измерительными процессами это обеспечивает гораздо больше данных для оценки. Такое число импульсов используется для расчета 700 измеренных значений, а угловое разрешение может достигать 0,1°. Новые фильтры и интеллектуальные алгоритмы гарантируют, что технология safeHDDM, заложенная в основу лазерных сканеров семейства microScan3, отвечает всем требованиям к системам безопасности и что microScan3 способен обнаруживать даже те объекты, у которых отражение составляет всего 1,8%, например от черной одежды. В то же время новая технология создает повышенную надежность в средах, для которых характерны пыль, фоновая засветка, в том числе и хаотическая, и позволяет формировать зоны с различными уровнями безопасности, в частности с динамическим их изменением и сложной конфигурации [1] (рис. 4).

Рис. 4. Фрагмент современного роботизированного производства с системой обеспечения безопасности, использующей лазерные сканеры microScan3

Лазерные сканеры microScan3 позволяют создать до 128 наборов программируемых полей любой формы, до 128 вариантов с разными сочетаниями наборов полей и до восьми для microScan3 Pro и четырех для microScan3 Core одновременно и независимо работающих защитных полей. При этом диапазон защитного поля, в зависимости от модели сканера, составляет 4, 5,5 и 9 м, а угол сканирования 275° при настраиваемом разрешении 30, 40, 50, 60, 70, 150 и 200 мм.

Одним из ключевых критериев при использовании лазерных сканеров безопасности является соотношение диапазона сканирования к размеру. Благодаря технологии safeHDDM сканеры microScan3 не только чрезвычайно компактны, но и способны контролировать большие площади. Так, модель, имеющая меньший диапазон 5 м, покрывает площадь размером до 73 м², а последняя модель рассматриваемого семейства сканеров при тех же 275° перекрывает площадь уже 194 м² с радиусом 9 м, что является уникальным достижением компании SICK и не имеет аналогов среди конкурентов (рис. 5).

Рис. 5. Распределение зон безопасности с новыми сканерами microScan3 Core по сравнению с предыдущими моделями этого ряда

Еще одно значительное преимущество использования лазерного сканера компании SICK — его пригодность для углового монтажа, позволяющая контролировать сразу две стороны машины. Хотя теоретически для безопасности вполне достаточно угла сканирования в 270°, microScan3 является лазерным сканером с углом сканирования 275°. Без этих дополнительных 5° могут легко возникнуть зазоры в защитном поле, например, в случае если лазерный сканер установлен с ненадлежащей точностью. Это означает, что microScan3 полностью устраняет проблему монтажа.

С современными встроенными технологиями и значительно лучшей производительностью можно предположить, что такое решение связано с достаточно сложным вводом в эксплуатацию и текущим использованием. Однако платформа, разработанная компанией SICK, позволяет сочетать прямое, интуитивно понятное управление с интеллектуальными возможностями подключения (рис. 6).

Рис. 6. Сканеры безопасности microScan3 имеют расширенные возможности благодаря интеллектуальному управлению с возможностями сетевого подключения

Сканеры серии microScan3 отличает интуитивное управление, самодиагностика и простой ввод в эксплуатацию, осуществляемые при помощи бесплатного програм­много обеспечения Safety Designer. Причем многоцветный графический дисплей и кнопки, предусмотренные на корпусе сканера, позволяют проводить его диагностику без компьютера, легко и быстро. Благодаря прямой безопасной интеграции в сеть PROFINET PROFIsafe или в сеть EtherNet/IP CIP Safety (в зависимости от модели) лазерные сканеры серии microScan3 предоставляют пользователю широкий набор возможностей в контексте того, что мы сейчас называем «Индустрией 4.0» — прогнозируемое событие с массовым внедрением киберфизических систем в производство (рис. 7). С microScan3 обеспечивать безопасность становится проще и надежнее.

Рис. 7. Интеграция в сеть PROFINET PROFIsafe или Ethernet IP CIP safety — новое слово компании SICK в технологии сканеров безопасности

Что касается устойчивости сканеров безопасности, предлагаемых компанией SICK, то конструктивное исполнение уже коммерчески доступных продуктов полностью соответствует области их применения. Сканеры имеют степень защиты оболочки IP65 (полная защита от пыли и водяных струй) и устойчивы к воздействию вибрации с амплитудой 0,35 мм в диапазоне частот 10–60 Гц и влиянию ускорения 5 g (50 м/c) в диапазоне частот 60–150 Гц, а также к ударам с ускорением 10 g (100 м/c) длительностью 16 мс, что соответствует требованиям международных стандартов. Диапазон рабочих температур сканеров –10…+50 °C.

Одной из областей, в которых могут найти применение лазерные сканеры безопасности, является мобильная и стационарная система внутренней логистики. В этом направлении компанией SICK было разработано решение, позволяющее использовать лазерный сканер microScan3 для мобильных систем — как универсальное устройство для обеспечения безопасности, локализации и навигации транспортных средств без водителя, мобильных машин и автономных платформ. Это решение было впервые представлено на выставке LogiMat в Штутгарте (ФРГ) в феврале этого года.

Реализация решения стала возможной благодаря полностью цифровой технологии сканирования safeHDDM, которая, обеспечивая угловое разрешение до 0,1°, детально определяет окружение сканера. Новая версия microScan3 с расширенным безопасным диапазоном до 9 м также повышает производительность мобильной внутрицеховой и внутризаводской логистики (так называемой интралогистики), поскольку теперь роботизированное транспортное средство обнаруживает людей и препятствия намного раньше обычных систем и, таким образом, способно работать на более высоких скоростях. Всего один датчик может контролировать площадь свыше 190 м², что достаточно для защиты, например, палетайзеров, подъемного оборудования или упаковочных машин.

Угол сканирования компактного безопасного лазерного сканера, как уже было сказано, составляет 275°, включая запас выравнивания 5°. Использование двух сканеров, установленных под углом по диагонали друг против друга на транспортном средстве или машине, обеспечивает одновременную и беспроблемную защиту с четырех сторон. В результате для мониторинга на 360° не требуются дополнительные датчики, что снижает затраты и усилия на установку и интеграцию.

Технология safeHDDM, заложенная в основу microScan3, обеспечивает высокоточные данные измерений для мониторинга безопасности, локализации и навигации. Цифровой процесс высокого разрешения для ориентированного на безопасность измерения времени и расстояния делает эксплуатацию систем компании SICK чрезвычайно надежной благодаря возможности обнаружения даже слабо отражающих темных поверхностей, при максимальной защищенности от внешнего освещения и частиц пыли в воздухе. Последние, даже попав на оптическое окно сканера, не нарушают его функционирование, так что в дополнение к своей защитной функции лазерный сканер безопасности microScan3 обеспечивает и максимальную функциональную доступность и гарантированную производительность в любой момент времени.

Немаловажную роль в использовании рассматриваемых систем компании SICK играет и тот факт, что благодаря передаче данных измерений на основе Ethernet сканер может передавать информацию об окружении на расстояния до 64 м. Это обеспечивает дополнительную экономическую эффективность и перспективу. Для выполнения всех трех задач производителям транспортных средств требуется только один дополнительный компонент — microScan3. Это экономит место на транспортном средстве и снижает затраты и усилия на установку, интеграцию и программирование. Эксперты видят существенный потенциал в локализации на основе контуров, в частности, благодаря надежным данным измерений, предоставленным microScan3, поскольку он использует существующие естественные контуры в окружающей среде и не требует никакой дополнительной системы наведения пути на полу. Это резко снижает интеграционные затраты как на новых заводах, так и на до­оснащение уже имеющихся предприятий. Все это подтверждает то, что, помимо своих показателей безопасности, microScan3 — это также перспективная инвестиция, учитывая автономный контроль транспортных средств и внедрение интеллектуальной интралогистики для Industry 4.0 (рис. 8).

Рис. 8. Сканеры безопасности microScan3 обеспечивают управление транспортными средствами и внедрение интеллектуальной интралогистики

Еще один предложенный SICK вариант — версия microScan3 для систем EFI-pro, который является центральным сенсорным компонентом интеллектуальных систем Safe EFI-pro производства той же компании. Система безопасности для роботизированных транспортных средств и коллаборативных роботов сочетает безопасную технологию датчиков и управления с технологией открытой сети Ethernet. Это позволяет реализовать концепции безопасности приложений для мобильной интралогистики, одновременно повышая их эффективность и производительность. В систему Safe EFI-pro можно объединить до шести лазерных сканеров, что позволяет выполнять чрезвычайно точный мониторинг движения робота и транспортного средства. Это значительно улучшает доступность и производительность автоматизированных управляемых транспортных средств и роботов.

Что касается последних новинок, на выставке LogiMat-2019 компания SICK также объявила о создании еще двух безопасных лазерных сканеров — на этот раз предназначенных для использования как вне, так и внутри помещений. Сканер outdoorScan3 (рис. 9) создан для мониторинга горизонтальных зон вне помещения и будет доступен для заказа с середины 2019 г.

Рис. 9. Сканер outdoorScan3

Сканер outdoorScan3 не только обеспечивает максимальную надежность для эксплуатации в любых погодных условиях, но и использует процесс измерения outdoor safeHDDM, благодаря которому обладает повышенной устойчивостью к солнечному свету, дождю, снегу и туману. Эта недавно разработанная технология дает возможность лазерному сканеру работать без ошибок при воздействии солнечного света с интенсивностью освещения до 40 000 люкс. Кроме того, интеллектуальный программный алгоритм outdoorScan3 обнаруживает дождь и снег, легко отфильтровывая эти воздействия окружающей среды, например дождь, до интенсивности осадков 10 мм/ч. Даже в тумане, с метеорологической дальностью видимости до 50 м, outdoorScan3 обнаруживает все препятствия с полной надежностью благодаря своей специальной противотуманной функции fogSight [8]. Диапазон рабочих температур нового сканера –25…+50 °C

Предложение первого в мире лазерного сканера безопасности outdoorScan3, предназначенного для применения вне помещений, — это историческое событие. Трудности, связанные с проверкой работоспособности оптических датчиков, предназначенных для защиты людей от машин на открытом воздухе, очевидны. Непредсказуемость таких условий, как яркий солнечный свет, дождь, туман, снег и пыль, является наиболее очевидной из многих сложных задач. Поэтому производители, машиностроители и системные интеграторы до сих пор не могли предоставить своим клиентам решение по обеспечению безопасности с применением лазерных сканеров, которое можно было бы сертифицировать для использования на открытом воздухе. Теперь это становится возможным.

Такие сканеры могут найти применение, например, не только в автоматизации промышленности и производства, но и в технологиях мобильных автоматизированных транспортных средств — в логистике, портах, сельском хозяйстве и горнодобывающей промышленности. В более долгосрочной перспективе технологические разработки, сделанные в настоящее время, проложат путь для дальнейших усовершенствований и понимания работы полуавтономных систем вождения в будущем.

В последнее время мы уже наблюдаем тенденцию использования мобильных транспортных средств, которые должны безопасно работать как на заводе или складе, так и на открытом воздухе. Например, в тяжелой промышленности, где большие тележки с автоматизированной системой управления могут перемещаться между близлежащими зданиями для перевозки инструментов или деталей — возможно, при этом им будет необходимо пересекать дороги или дворы, не подвергая опасности работающих поблизости людей.

Другая область, вероятно, относится к отраслям, где важно соответствие требованиям безопасности, в частности, для наружных автоматизированных систем, таких как пассажирские трапы в аэропортах. Возможно также применение таких устройств на общественном транспорте, на открытых производственных площадках и т. д. (рис. 10).

Рис. 10. Примеры использования сканеров outdoorScan3

Вторая новинка — это сканер nanoScan3 (рис. 11). Он будет доступен уже в конце 2019 г. и предназначен для использования внутри помещений. Сверхкомпактный размер — высота всего 80 мм — делает его весьма интересным и перспективным для работы на компактных транспортных средствах и транспортных платформах, а также на машинах и оборудовании с ограниченным пространством для установки. Все перечисленные новинки и сканер с радиусом покрытия в 9 м полностью закрывают имеющиеся на настоящий момент потребности в изделиях данного направления.

Рис. 11. Сканер nanoScan3

Лазерные сканеры безопасности microScan3 с передовой технологией safeHDDM для измерения времени и расстояния отвечают всем требованиям соответствующих стандартов и директив в отношении техники безопасности и лазерной защиты, а также достигают нового уровня надежности и, следовательно, доступности для машин и установок, даже при использовании в сложных условиях окружающей среды. Лазерные сканеры безопасности компании SICK также могут похвастаться конструктивными особенностями, которые повышают их эксплуатационную безопасность в промышленных приложениях, таких как автомобильная промышленность, машиностроение или внутрипроизводственная логистика. Именно подобные системы помогут сдвинуть с мертвой точки имеющуюся статистику травматизма на самых различных производствах, сломав наблюдающуюся уже в течение четыре лет тенденцию.

Подробные инструкции по использованию лазерного сканера безопасности семейства microScan3 Core, его программированию, планированию применения, подключению и монтажу, а также полные технические характеристики доступны по ссылке [7].