Specificare e acquistare una barriera fotoelettrica

Le barriere fotoelettriche sono dispositivi di sicurezza che bloccano gli assi delle macchine per prevenire infortuni agli operatori e al personale dell'impianto che lavora nei pressi di una macchina. Le barriere fotoelettriche utilizzano un emettitore a forma di barra che genera fasci di luce fotoelettrica che devono essere rilevati da un ricevitore (Figura 1). L'interruzione di qualsiasi raggio serve a segnalare ai controller dei macchinari che si è verificato un movimento nell'area di lavoro e che le operazioni pericolose devono cessare o rallentare a velocità che non rappresentano un rischio per l'operatore umano. L'uso delle barriere fotoelettriche di sicurezza è in aumento, in quanto sono meno invadenti e molto più configurabili delle protezioni create mediante recinzioni.

Figura 1: Le barriere fotoelettriche moderne conferiscono alle macchine una sicurezza senza precedenti. Molte sono progettati per semplificare il processo di sostituzione dei sistemi di sicurezza basati su sensori di area. (Immagine per gentile concessione di Design World)

Questo articolo fornisce una visione d'insieme delle considerazioni da fare quando si specificano e si installano le barriere fotoelettriche. Poiché si tratta di un'attività critica per la sicurezza, prima di tentare l'installazione è necessario consultare tutte le norme nazionali e internazionali pertinenti. Ancor meglio sarebbe utilizzare i servizi di un installatore professionista abituato a lavorare nel rispetto di questi standard. Questo articolo deve essere considerato un'introduzione e una guida ad alcune delle norme pertinenti, oltre a fornire alcune conoscenze di base per aiutare a discutere i requisiti di progettazione con un installatore professionale di sistemi di sicurezza.

Identificare i pericoli e i rischi

Prima di specificare qualsiasi sistema di sicurezza, è necessario effettuare valutare bene dei rischi posti dai macchinari pericolosi. In questo modo si stabiliscono le aree pericolose dei macchinari e i potenziali punti di ingresso. Il livello di rischio che un pericolo presenta costituirà una parte importante della specifica delle contromisure appropriate.

Capacità minima di rilevamento del sensore

La capacità minima di rilevamento del sensore è la dimensione minima dell'oggetto che farà scattare la barriera fotoelettrica. Le diverse barriere fotoelettriche hanno raggi disposti a distanze diverse. Se la distanza tra i raggi è di 5 mm di diametro, un dito inserito in qualsiasi punto attraverso la barriera fotoelettrica farà scattare un comando di arresto. Tuttavia, una capacità minima di rilevamento del sensore di 150 mm consentirebbe al personale dell'impianto di raggiungere l'interno dell'area coperta con un intero braccio senza provocare l'arresto del macchinario. La dimensione dell'oggetto che una barriera fotoelettrica può rilevare determinerà la distanza a cui deve essere posizionata dalle parti pericolose dei macchinari.

Distanza minima

A differenza delle protezioni fisiche, le barriere fotoelettriche non impediscono fisicamente a una persona di entrare in una zona pericolosa. La barriera fotoelettrica emette invece un comando di arresto o riduce il macchinario a una velocità sicura in presenza di un'operazione pericolosa. Ciò significa che la barriera fotoelettrica deve essere posizionata abbastanza lontano dal pericolo per dar tempo al macchinario di arrestarsi prima che la persona la raggiunga (Figura 2). Questa distanza dipende da tre parametri: le prestazioni complessive del sistema di arresto, la distanza di intrusione e la velocità di avvicinamento.

Figura 2: La corretta specifica di una barriera fotoelettrica richiede il calcolo accurato della distanza di sicurezza tra l'area di rilevamento della barriera e l'area pericolosa dei macchinari - e quindi il mantenimento di una distanza pari o superiore a tale valore. Esistono norme che aiutano a definire tali distanze e, di fatto, la norma EN ISO 13855 sulla distanza di sicurezza è stata abbreviata per comprendere barriere sempre più capaci, consentendo al tempo stesso l'utilizzo di macchinari di produzione più compatti. (Immagine per gentile concessione di Panasonic Industrial Automation Sales)

La prestazione complessiva del sistema di arresto è il tempo totale che intercorre tra il passaggio di una persona attraverso la barriera fotoelettrica e l'arresto effettivo della macchina. Questo comprende il ritardo del sistema di controllo elettrico e gli effetti inerziali che determinano la velocità di arresto dei macchinari in movimento. Le prestazioni complessive di arresto del sistema sono rappresentate dalla variabile T.

La distanza di intrusione è la distanza che una piccola parte del corpo, ad esempio un dito o una mano, potrebbe superare la barriera fotoelettrica verso la zona di pericolo prima dell'attivazione della barriera stessa. Questo è molto importante quando la capacità minima di rilevamento del sensore è alta, quando solo il corpo di una persona potrebbe attivare il comando di arresto. In questo caso, una persona potrebbe superare la barriera fotoelettrica e il suo braccio non fermerebbe la macchina.

Secondo la norma EN ISO 13855 sulla distanza di sicurezza - stabilita dall'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione e utilizzata a livello globale - la distanza minima dalla zona di pericolo S viene calcolata (in mm) utilizzando l'equazione:

dove K è la velocità massima di avvicinamento umano (braccio o corpo) in mm/sec, T è la prestazione di arresto complessiva in secondi e C è la distanza di intrusione in mm. Per quanto riguarda il K, la norma EN ISO 13855 definisce K come 2.000 mm/sec per il movimento più veloce di un braccio umano e 1.600 mm/sec per il movimento più veloce del corpo umano.

Ad esempio, si supponga che una cella di lavoro abbia una barriera fotoelettrica in grado di rilevare oggetti di diametro fino a 40 mm. La distanza minima deve essere calcolata prima con K = 2.000 mm/sec. Se ne risulta una distanza inferiore a 100 mm (come definito dalla norma EN ISO 13855), questo valore inferiore deve essere ignorato - e si deve utilizzare un valore di 100 mm. Se il valore risultante supera i 500 mm (come definito dalla norma EN ISO 13855), la distanza deve essere calcolata nuovamente utilizzando K = 1.600 mm/sec (per prevenire lesioni al personale che procede in una zona pericolosa) e può essere utilizzata la nuova distanza inferiore - a condizione che non sia inferiore a 500 mm. Anche i valori delle altre capacità di rilevamento dei sensori sono riportati nella norma ISO 13855.

Quando si calcola la distanza minima da un robot, si deve considerare la portata massima del robot. Per questo, non si dovrebbe relegare al programma robotico l'azione di limitare il robot a un sottoinsieme del suo intero volume di lavoro. Tuttavia, gli interruttori di finecorsa possono essere utilizzati sugli assi del robot come parte di un sistema di interblocco che limita in modo sicuro la portata del robot.

Una barriera fotoelettrica è appropriata?

Durante la fase iniziale delle specifiche del sistema di sicurezza, è importante stabilire se una barriera fotoelettrica sia la scelta appropriata. Qui sono indispensabili le classificazioni delle norme della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) e delle norme ISO. Queste classificano gli standard di sicurezza come standard di sicurezza di base di tipo A, standard di sicurezza di tipo B a funzione generale e standard di sicurezza di tipo C specifici per le macchine.

La prima considerazione è se esiste una norma di tipo C per il funzionamento della macchina in questione - ed esattamente quale tipo di protezione richiede per quella particolare applicazione. Infatti, le norme di tipo C sono spesso specifiche sia per il tipo di macchina in uso che per l'industria - e possono essere definite da NFPA, BN, ANSI, RIA, o altri enti regolatori che hanno adottato negli anni il sistema EN ISO di classificazione delle norme secondo un sistema A-B-C. Se al funzionamento della macchina si applica una norma di tipo C, è necessario aderire alle linee guida di tale norma (comprese quelle relative alle barriere fotoelettriche). Questo perché le norme di tipo C quantificano chiaramente tutti i pericoli e le misure di attenuazione dei rischi necessarie per la funzione della macchina in questione - e sostituiscono l'uso di tutte le norme meno specifiche. Se non esiste una norma di tipo C applicabile alla funzione della macchina in questione e una barriera fotoelettrica sembra essere una buona opzione, si dovrebbe calcolare la distanza minima. Se la distanza minima è pratica, il progettista può continuare con la specifica di una barriera fotoelettrica. Tuttavia, se lo spazio è limitato o se una macchina impiega parecchio tempo a fermarsi, si dovrebbe considerare un'altra forma di protezione (ad esempio, una protezione fisica).

Tipi di barriere fotoelettriche

La norma IEC 61496, utilizzata a livello internazionale, classifica le barriere fotoelettriche come Tipo 2 o Tipo 4. Le barriere fotoelettriche di Tipo 2 hanno un costo inferiore con un'elettronica più lenta e meno affidabile. Se si verifica un guasto nei circuiti di sicurezza di una barriera fotoelettrica di Tipo 2, può intercorrere del tempo prima che il guasto venga rilevato, senza alcuna protezione. Al contrario, le barriere fotoelettriche di Tipo 4 utilizzano un controllo incrociato continuo automatizzato per individuare guasti ed errori. Se si verifica un errore, emette immediatamente un segnale di arresto, per questo la protezione di sicurezza è di tipo continuo.

Le barriere fotoelettriche per il controllo del punto di funzionamento (POC) sono progettate per l'installazione in prossimità di un pericolo, dove gli operatori interagiscono frequentemente con una macchina. Sono quindi progettate per il rilevamento di dita, mani e braccia. È comune l'uso di protezioni fisiche ai lati di una macchina e di una barriera fotoelettrica POC installata nella parte anteriore.

Le barriere fotoelettriche di controllo accessi perimetrali (PAC) creano un perimetro di sicurezza attorno a una macchina che non richiede agli operatori di avvicinarsi. Di solito offrono solo il rilevamento del corpo intero.

Per eseguire questa funzione si può utilizzare anche un controllo dell'accesso all'area (AAC). I PAC spesso utilizzano specchi per ridurre l'hardware della barriera fotoelettrica necessaria per creare un perimetro completo.

Norme internazionali relative all'installazione delle barriere fotoelettriche

Esistono diverse norme relative alla corretta installazione delle barriere fotoelettriche. Uno stabilimento che desideri installare una barriera fotoelettrica per un'applicazione critica per la sicurezza deve far riferimento direttamente a queste norme. La norma ISO 13857 si occupa di stabilire le distanze di sicurezza per evitare che gli arti delle persone raggiungano le zone a rischio. La distanza di sicurezza dipende da una stima del rischio. Ad esempio, una persona dovrebbe sempre essere lontana da un pericolo almeno di 700 mm o 500 mm se il rischio è basso. La norma ISO 12100 riguarda la determinazione della gravità e della probabilità di lesione. Un basso livello di lesione è reversibile, ad esempio lividi o unghie rotte, o una temperatura e durata di contatto che non raggiungono il valore di soglia dell'ustione. Le soglie di ustione sono indicate nella norma ISO 13732, e la norma ISO 14121 fornisce maggiori dettagli sulla stima del rischio.

Come descritto in precedenza, la norma ISO 13855 descrive il posizionamento delle protezioni considerando le velocità di avvicinamento delle diverse parti del corpo umano. Questo è generalmente più rilevante rispetto alla norma ISO 13857 per le barriere fotoelettriche, perché queste ultime non impediscono a una persona di entrare nella zona di pericolo, ma piuttosto di interrompere le operazioni pericolose. È quindi importante considerare la distanza che una persona potrebbe percorrere nel tempo tra la barriera fotoelettrica che invia il segnale di arresto e la macchina che si ferma effettivamente. Le prestazioni complessive del sistema di arresto e la massima velocità di avvicinamento umano possibile dettano la distanza minima di sicurezza della barriera fotoelettrica dal processo pericoloso.

La norma ISO 14119 riguarda la specifica e la progettazione di dispositivi di interblocco associati alle protezioni fisiche. Anche se non menziona esplicitamente le barriere fotoelettriche, molti dei principi sono rilevanti - come la progettazione per ridurre al minimo le possibilità di aggirare una protezione.

La norma ISO 14120 riguarda le specifiche e la progettazione delle protezioni fisiche stesse ed è quindi meno rilevante per le installazioni di barriere fotoelettriche. Tuttavia, le barriere fotoelettriche sono spesso abbinate a protezioni fisiche. Ad esempio, è possibile utilizzare protezioni fisiche per impedire l'accesso a una zona pericolosa dai lati e una barriera fotoelettrica nella parte anteriore. Potrebbe quindi essere necessario consultare anche la norma ISO 14120.

Conclusione

Le barriere fotoelettriche possono migliorare notevolmente la praticità delle macchine. Offrono una chiara visione del volume di lavoro della macchina e permettono agli operatori di raggiungere l'interno per rimuovere componenti o installare attrezzature senza l'inconveniente di aprire le protezioni.

Tuttavia, le barriere fotoelettriche non sempre offrono lo stesso livello di protezione - soprattutto contro proiettili di materiale espulsi dalle macchine.

È inoltre importante ricordare che, data la necessità di consentire l'arresto generale, le barriere fotoelettriche sono di solito montate più lontano dall'area di pericolo rispetto alle protezioni. Queste sono tutte considerazioni importanti per la scelta di una protezione adeguata.