Cómo seleccionar e integrar sistemas de seguridad multidimensionales para proteger a los trabajadores de los cobots

La seguridad es esencial a la hora de implementar robots colaborativos (cobots), robots móviles autónomos (AMR) y vehículos guiados autónomos (AGV) en fábricas e instalaciones logísticas. También es compleja y multidimensional.

Los movimientos de la máquina deben supervisarse y controlarse de acuerdo con la Organización Internacional de Normalización (ISO) 13849, la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) 62061 y la CEI 61800-5-2, que proporcionan requisitos de seguridad y orientación sobre los principios para el diseño y la integración de las partes de los sistemas de control relacionadas con la seguridad (SRP/CS).

Garantizar el funcionamiento seguro de cobots, AMR, AGV y equipos similares suele requerir el establecimiento de una funda de seguridad en capas con múltiples campos, desde la detección inicial y el aviso de objetos que se aproximan hasta la identificación de cuándo un objeto traspasa una zona peligrosa y detiene la máquina.

Un sistema modular de controlador de seguridad puede añadir otra capa de análisis y protección. El análisis eficaz y rápido de averías puede ser una consideración importante cuando se trata de interrupciones del campo de protección y disparos inesperados de un escáner. Eso puede requerir un segundo sensor para controlar el campo de protección del sensor primario.

Este artículo comienza con un breve repaso de los requisitos de las normas ISO 13849, IEC 62061 e IEC 61800-5-2 y una revisión de los fundamentos de los escáneres láser de seguridad bidimensionales (2D) de detección y alcance de luz (LiDAR). A continuación, profundiza en el modo en que pueden aplicarse las distintas fundas de seguridad para proteger a las personas de cobots, AMR, AGV y equipos similares.

Se incluye una revisión del uso y la integración de sensores LiDAR 2D y un análisis de las ventajas de combinar dichos sensores con un controlador de seguridad programable modular para proporcionar una dimensión adicional de seguridad, además del uso de una cámara de eventos para permitir el análisis de fallos de interrupciones inesperadas de los campos de protección. Se incluyen dispositivos ejemplares de SICK.

La IEC 61508 es la norma fundamental para la "Seguridad funcional de los sistemas eléctricos/electrónicos/electrónicos programables relacionados con la seguridad (E/E/PE, o E/E/PES)" y se aplica a todas las industrias. Además, hay subsecciones y variantes específicas para cada sector y aplicación.

IEC 62061, "Seguridad de las máquinas: Seguridad funcional de los sistemas de mando eléctricos, electrónicos y electrónicos programables", es la variante específica para máquinas de la IEC 61508. La norma IEC 61800-5-2, "Accionamientos eléctricos de potencia de velocidad regulable - Parte 5-2: Requisitos de seguridad - Funcionales", también está relacionada con la norma IEC 61508 y es una norma para el diseño y desarrollo de sistemas de accionamiento de velocidad regulable.

La norma ISO 13849 se ha desarrollado de forma independiente y no se deriva de la norma IEC 61508. Ambos se ocupan de la seguridad funcional. La norma IEC 61800-5-2 utiliza niveles de integridad de la seguridad (SIL) para definir los requisitos de seguridad, mientras que la norma ISO 13849 define el nivel de prestaciones requerido (PL_r).

Las normas ISO 13849 e IEC 61508 se basan en el concepto de probabilidad de fallo peligroso por hora (PFH_d). El análisis de seguridad funcional ISO 13849 tiene en cuenta tres factores: la gravedad de una posible lesión, la frecuencia o exposición a un peligro, y la posibilidad de limitar el peligro y evitar el daño (figura 1):

• Gravedad de la lesión
  • G1: Leve (lesión normalmente reversible)
  • G2: Grave (normalmente irreversible o muerte)
• Frecuencia y/o exposición al peligro
  • F1: Poco frecuente y/o tiempo de exposición corto
  • F2: Frecuente a continuo y/o el tiempo de exposición es largo
• Posibilidad de evitar el peligro o limitar el daño
  • P1: Posible en condiciones específicas
  • P2: Difícilmente posible

Figura 1: Derivación de los niveles PL_r en ISO 13849 y los SIL correspondientes en IEC 62061. Ambas normas se basan en el concepto de fallo peligroso por hora (PFH_d). (Fuente de la imagen: SICK)

¿Cómo funciona el LiDAR?

La certificación PL_b según ISO 13849 es necesaria para el uso de sensores de seguridad LiDAR 2D en aplicaciones de protección personal. La familia de sensores LiDAR TiM 2D incluye modelos que cumplen ese requisito. Los sensores LiDAR 2D escanean su entorno utilizando la tecnología óptica de tiempo de vuelo (ToF). La ToF se implementa enviando pulsos láser mediante un espejo giratorio y detectando la luz reflejada. Cuanto más tarde la luz reflejada en volver al sensor, más lejos estará el objeto.

La medición del tiempo combinada con la intensidad de la señal devuelta permite al sensor calcular la posición de múltiples objetos con una precisión milimétrica. La imagen resultante del entorno se actualiza hasta 15 veces por segundo (Figura 2). Puede soportar funciones de navegación, orientación, control y seguridad en tiempo real.

Figura 2: Los sensores TiM 2D LiDAR utilizan un espejo giratorio y pulsos láser para crear una imagen del entorno que puede actualizarse hasta 15 veces por segundo. (Fuente de la imagen: SICK)

Los sensores LiDAR TiM 2D detectan objetos en zonas definidas (campos) que se van a supervisar. Según el modelo, tienen un alcance de exploración de hasta 25 m y un rango de trabajo de hasta 270°.

Los datos de los impulsos de retorno del láser se procesan mediante la tecnología de medición de distancias de alta definición (HDDM) o HDDM+. El HDDM alcanza una precisión de medición muy alta en distancias cortas y es adecuado para el posicionamiento fino en aplicaciones como la estación de conexión. HDDM+ procesa especialmente bien los reflejos en los bordes, por lo que es el más adecuado para aplicaciones de localización y anticolisión en entornos dinámicos.

En ambos casos, la tecnología multipulso HDDM/HDDM+ patentada permite a los sensores LiDAR TiM 2D detectar todo el rango de exploración sin espacios vacíos, lo que garantiza una precisión de medición constante, y pueden manejar diferentes superficies y factores de remisión.

Los tipos TiM1xx, TiM3xx y TiM7xx detectan si los objetos se encuentran en un campo predefinido. Dieciséis conjuntos de campos, cada uno con tres campos preconfigurados, permiten una rápida adaptación durante el funcionamiento (Figura 3). Se pueden especificar geometrías de campo individuales o definir campos de contorno de referencia para la supervisión estática del contorno. También se pueden definir filtros digitales, zonas enmascaradas y tiempos de respuesta para maximizar el rendimiento incluso en presencia de lluvia intensa, nieve o polvo.

Figura 3: Los conjuntos de campos de los sensores LiDAR TiM 2D constan de tres campos preconfigurados. (Fuente de la imagen: SICK)

Existen modelos que proporcionan datos de evaluación sobre el terreno o datos de evaluación y medición sobre el terreno. Los sensores de evaluación sobre el terreno solo determinan la presencia de un objeto, mientras que los datos de evaluación y medición sobre el terreno pueden utilizarse para obtener una imagen precisa de una superficie escaneada.

Además de los datos de distancia, existen sensores LiDAR TiM 2D que también proporcionan datos angulares y una salida de indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI). Este conjunto de datos ampliado puede ser especialmente útil para evitar colisiones y para la navegación de los AMR en entornos cambiantes.

LiDAR de seguridad, añadiendo las primeras capas protectoras

La familia TiM 2D LiDAR cuenta con variantes relacionadas con la seguridad, el TiM361S (evaluación sobre el terreno) y el TiM781S (evaluación sobre el terreno y salida de datos de medición), que cumplen los requisitos de PL_b y pueden utilizarse tanto para aplicaciones fijas como móviles. Pueden utilizarse para la protección personal en la supervisión de accesos para cobots industriales y en plataformas móviles como AMR y AGV.

• El tipo TIM361S-2134101, número de modelo 1090608, es adecuado para uso en interiores con un alcance de detección de 0.05 a 10 m y tecnología HDDM.
• El tipo TIM781S-2174104, número de modelo 1096363, también es adecuado para uso en interiores con un rango de detección de 0,05 a 25 m y tecnología HDDM+.

Integración simplificada

Los sensores LiDAR TiM 2D están diseñados para simplificar la integración. Con un grado de protección de hasta IP67, ni el polvo ni la humedad pueden penetrar en el receptáculo. Son altamente inmunes a la luz ambiental brillante de hasta 80,000 lx. Su resistente diseño cumple los requisitos de resistencia a las vibraciones de la norma IEC 60068-2-6 y de resistencia a los golpes de la norma IEC 60068-2-27. Su resistencia puede mejorarse cuando sea necesario utilizando montajes amortiguados de placas protectoras.

El diseño compacto, el peso ligero y el bajo consumo energético de los sensores LiDAR TiM 2D permiten que sean ideales para plataformas móviles. Los modelos TIM361S-2134101 y TIM781S-2174104 pesan solo 250 g, tienen un consumo típico de 4 A y miden 60 mm de largo x 60 mm de ancho x 86 mm de alto.

Los controladores de seguridad añaden otra capa

Los escáneres láser LiDAR detectan peligros y envían alertas, mientras que un controlador de seguridad modular puede añadir otra capa de seguridad a un sistema de protección. Por ejemplo, el controlador de seguridad Flexi Soft es un sistema modular que puede conectarse a diversos sensores y elementos de conmutación, incluidos escáneres láser. Está clasificado SIL3 según la norma IEC 61508 y PLe con un PFH_d de 1.07 x 10^-9 según la norma ISO 13849.

Un sistema básico consta de al menos dos módulos (Figura 4):

1. La CPU0, como el modelo 1043783, es la unidad lógica central donde se analizan y evalúan las señales de sensores como LiDAR, descargando el análisis de seguridad del controlador central de la máquina. La salida de la CPU0 conecta con un control de máquina de nivel superior, como un controlador lógicos programables (PLC), donde se implementan las funciones de seguridad.
2. El módulo de expansión de E/S XTIO, como el modelo 1044125, es necesario para conectar escáneres láser al sistema. Se necesita un módulo de expansión de E/S XTIO por cada dos escáneres láser, ya que cada escáner láser utiliza tres entradas de conmutación. El controlador puede operar hasta 12 módulos de E/S.

Figura 4: El sistema de control de seguridad Flexi Soft consta de una unidad central de procesamiento (1) y uno o varios módulos de E/S (2). (Fuente de la imagen: SICK)

¿Qué ha pasado?

Un elemento importante en un sistema de seguridad puede ser la capacidad de analizar y comprender la causa raíz de cualquier fallo, respondiendo a la pregunta: "¿Qué ha ocurrido para que se dispare el escáner láser de seguridad?" La EventCam de SICK es una cámara de eventos diseñada específicamente para detectar y analizar fallos esporádicos en entornos industriales.

EventCam es autónoma con óptica, iluminación, electrónica y memoria, y puede integrarse en sistemas móviles o fijos. El receptáculo de aluminio fundido tiene un grado de protección IP65 y puede montarse en varias posiciones. EventCam puede conectarse a un sistema de automatización, como un controlador de seguridad, o directamente a un sensor.

Una vez notificado un error, EventCam comienza a almacenar fotogramas sueltos o secuencias de vídeo. La memoria anular interna puede almacenar hasta 240 segundos antes y 100 segundos después de un evento. En modo de alta definición (HD), puede grabar hasta 25 segundos antes y 15 segundos después. La tasa de fotogramas por segundo (fps) oscila entre 13 y 65, en función de la resolución requerida.

EventCam también puede ser útil en la puesta en marcha de nuevas máquinas o procesos. Puede supervisar una prueba no supervisada, como una prueba continua de varias horas o varios días, e identificar rápidamente las fuentes de error. Varias EventCam pueden supervisar un mismo proceso, proporcionando información visual desde varios ángulos a la vez para un análisis más profundo y exhaustivo de los errores (Figura 5).

Figura 5: Se pueden sincronizar varias EventCams para grabar un mismo suceso desde varios ángulos simultáneamente. (Fuente de la imagen: SICK)

EventCam se ofrece en dos variantes. El modelo 1102028 tiene un rango de trabajo de 0.4 m a 0.6 m y puede ser adecuado para su uso con cobots estacionarios con espacios de protección relativamente pequeños. El modelo 1093139 tiene un rango de trabajo de 0.8 a 6 m y puede adaptarse a los espacios de protección más grandes que se encuentran con cobots, AMR y AGV más grandes.

Resumen

Los sensores LiDAR 2D como la familia TiM de SICK pueden constituir la primera línea de defensa de un sistema de seguridad para cobots, AMR, AGV y máquinas similares. Proporcionan una serie de campos de protección para controlar la aproximación de personas. La incorporación de un controlador de seguridad puede facilitar el análisis de intrusiones y mejorar el rendimiento del sistema. Por último, una o varias EventCams pueden supervisar el sensor LiDAR 2D primario para ayudar a identificar la causa raíz de cualquier desconexión esporádica.