Utilizzo delle barriere fotoelettriche per migliorare la sicurezza e misurare gli oggetti

Le barriere fotoelettriche sono una tecnologia versatile. Sebbene siano spesso associate ad applicazioni di sicurezza, hanno molte destinazioni d'uso, tra cui la protezione delle macchine e la creazione di zone protette, la movimentazione dei materiali per rilevare la presenza di oggetti o misurare le dimensioni degli oggetti in transito, la garanzia del corretto posizionamento o allineamento degli oggetti per applicazioni di imballaggio e smistamento, il rilevamento delle intrusioni e il controllo degli accessi in aree riservate.

Per un confronto tra barriere fotoelettriche e scanner laser di sicurezza, insieme a una rassegna delle applicazioni dello scanner, fare riferimento alla prima parte di questa serie, "Gli scanner laser di sicurezza possono proteggere persone e macchine".

Questo articolo inizia con un'analisi delle specifiche e degli standard prestazionali delle barriere fotoelettriche, presenta esempi applicativi di utilizzo delle barriere fotoelettriche nei sistemi di sicurezza e di controllo degli accessi e illustra il funzionamento delle barriere fotoelettriche di misurazione. Nel corso della trattazione, saranno presentate barriere fotoelettriche esemplari di Panasonic, IDEC, Omron e Banner Engineering.

Standard e tipi di barriere fotoelettriche di sicurezza

La Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) 61496, Sicurezza dei macchinari - Dispositivi di protezione elettrosensibili (ESPE), definisce quattro tipi di prestazioni di sicurezza. I tipi rilevanti sono 2, 3 e 4. Il tipo 1 non è definito per le applicazioni delle barriere fotoelettriche di sicurezza.

La norma IEC 61496 aggiunge un ulteriore livello di requisiti alle definizioni dei livelli di integrità della sicurezza (SIL) della norma IEC 61508 e dell'Organizzazione Normativa Internazionale (ISO) 13849, che definisce i livelli di prestazione (PL).

I SIL sono classificati da 1 a 3, dove SIL 3 rappresenta il livello più alto, e i PL sono classificati da "a" a "e", dove PLe è il più rigoroso. In base alle classificazioni della norma IEC 61496, le barriere fotoelettriche rientrano in genere nei tipi 2 e 4, anche se alcune sono classificate come dispositivi di tipo 3. Gli scanner laser di sicurezza soddisfano i requisiti di tipo 3. Alcuni fattori importanti nelle classificazioni dei tipi includono:

I dispositivi di tipo 2 devono soddisfare i requisiti SIL 1 e PLc. Sono destinati all'uso in applicazioni a basso rischio in cui i difetti possono provocare lesioni come urti o contusioni, piccoli tagli e abrasioni o intrappolamento ma non schiacciamento. La norma IEC 61496 prevede che il dispositivo esegua un autocontrollo all'avvio e periodicamente durante il funzionamento. Questi dispositivi non presentano circuiti ridondanti di autocontrollo automatico delle barriere fotoelettriche di tipo 4. L'angolo di apertura effettivo (EAA) che definisce il campo visivo deve essere di ±5 gradi al massimo. Ciò può comportare la possibilità di interferenze ottiche ed errori.

Gli ESPE di tipo 3, come gli scanner laser di sicurezza e alcune barriere fotoelettriche, devono soddisfare i requisiti SIL 2 e PLd e sono "progettati in modo da non causare un pericolo a causa di un singolo guasto, ma possono causare un pericolo a causa di un accumulo di guasti". Questi dispositivi sono inoltre soggetti a requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) più severi rispetto ai dispositivi di tipo 2. I dispositivi di tipo 3 sono adatti per le applicazioni in cui la sicurezza è una preoccupazione importante.

Le barriere fotoelettriche di tipo 4 sono progettate appositamente per applicazioni in cui la sicurezza è un aspetto fondamentale. Devono soddisfare gli standard più elevati, PLe e SIL 3. Sono progettate "in modo da non costituire un pericolo a causa di un singolo guasto o di un accumulo di guasti". Hanno un EAA più piccolo di ±2,5 gradi, che le rende meno suscettibili alle interferenze ottiche e in grado di riconoscere più facilmente gli oggetti. Devono soddisfare i requisiti EMC più severi.

Le barriere fotoelettriche di tipo 2 hanno un costo fino al 30% inferiore rispetto a quelle di tipo 4, grazie a un'ottica meno costosa e a un circuito di rilevamento dei guasti più semplice. Le barriere fotoelettriche di tipo 4 sono disponibili in una gamma più ampia di risoluzioni, tra cui 14 mm per l'identificazione delle dita, 30 mm per le mani, 50 mm per le gambe e 90 mm per la presenza di un corpo. Le barriere fotoelettriche di tipo 2, invece, sono generalmente limitate a risoluzioni maggiori (Figura 1).

Figura 1: Le barriere fotoelettriche di tipo 4 sono tipicamente disponibili con risoluzioni minime inferiori rispetto alle unità di tipo 2. (Immagine per gentile concessione di IDEC)

Oltre a rilevare oggetti di dimensioni diverse, i fasci di una barriera fotoelettrica possono essere controllati singolarmente per fornire funzioni più avanzate come il silenziamento, l'esclusione e la misurazione delle dimensioni e del numero di oggetti.

Barriere fotoelettriche di silenziamento ed esclusione

Il silenziamento e l'esclusione di una barriera fotoelettrica si riferiscono allo spegnimento di tutta o parte della barriera fotoelettrica in determinate circostanze. Il silenziamento è un processo automatico che sospende tutta o parte della protezione di una barriera fotoelettrica e si verifica in genere durante una parte non pericolosa del ciclo della macchina. Può consentire l'ingresso di materiali in un'area di lavoro senza interrompere alcuna attività pericolosa. Una volta che il materiale è entrato nell'area di lavoro, viene ripristinata la piena funzionalità protettiva della barriera fotoelettrica.

Le applicazioni tipiche per il silenziamento includono:

• Consentire l'ingresso/uscita dei pallet su una macchina di pallettizzazione tra un'operazione e l'altra
• Consentire lo spostamento del materiale tra le aree di un processo di produzione automatizzato, proteggendo il personale quando le macchine sono attive

Figura 2: Utilizzando il silenziamento, una barriera fotoelettrica consente il passaggio di oggetti di dimensioni specifiche senza interrompere il funzionamento della macchina (a sinistra), ma rileva altri oggetti come una mano o le dita (a destra) e arresta la macchina. (Immagine per gentile concessione di Panasonic)

L'esclusione consiste nello spegnere una parte della barriera fotoelettrica senza interrompere la protezione della macchina. Può anche consentire un accesso limitato a un'area durante un periodo sicuro. Le applicazioni tipiche dell'esclusione comprendono:

• Raggiungere una postazione di lavoro robotica per caricarla o scaricarla durante un periodo sicuro
• Accedere ad una punzonatrice idraulica durante il ciclo ascendente

Barriera fotoelettrica di tipo 2

Le barriere fotoelettriche di tipo 2 della serie SG2 di IDEC sono disponibili nei modelli con protezione della mano e della presenza. Ad esempio, il modello SG2-90-030-OO-X è progettato per il rilevamento della presenza con un'altezza di controllo di 300 mm e una risoluzione di 90 mm. Include una funzione di test/riavvio e un sistema di allineamento integrato per velocizzare le installazioni. Le staffe di montaggio rotanti velocizzano ulteriormente l'installazione e l'allineamento delle unità emittenti e riceventi, anche in applicazioni che utilizzano specchi o che operano a distanze fino a 19 m.

Silenziamento ed esclusione in ambienti difficili

Le applicazioni delle barriere fotoelettriche di sicurezza nei magazzini frigoriferi con temperature fino a -30 °C, i processi di lavorazione dei metalli come le macchine per lo stampaggio che necessitano di una protezione IP67G contro le infiltrazioni d'olio e altre operazioni in ambienti difficili, polverosi e sporchi come la produzione automobilistica e le macchine utensili, possono optare per la serie F3SG-SR di Omron. Queste barriere fotoelettriche di tipo 4 includono funzioni di silenziamento e di esclusione in modalità fissa e flottante.

Le barriere fotoelettriche F3SG-SR hanno altezze di protezione da 160 mm a 2.480 mm. Quando è necessario rilevare mani o altri oggetti di 25 mm di diametro, i progettisti di sistemi di sicurezza possono rivolgersi al modello F3SG-4SRA0280-25-F che supporta lunghezze flessibili con incrementi di 40 mm fino a 1.000 mm utilizzando 27 fasci con un'altezza di protezione di 280 mm (Figura 3).

Figura 3: Questa barriera fotoelettrica supporta lunghezze flessibili con incrementi di 40 mm e un'altezza di protezione di 280 mm. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Resiste alla torsione, alla deformazione e agli urti

Quando una barriera fotoelettrica è destinata ad ambienti in cui potrebbe essere soggetta a urti e torsioni, i progettisti di sistemi possono rivolgersi alle barriere fotoelettriche di tipo 4 della serie SF4D di Panasonic. Il modello SF4D-H32-0, lungo 630 mm, ha un grado di protezione IP67, una risoluzione di 25 mm per la protezione delle mani e funzioni integrate di esclusione e silenziamento.

La robustezza di queste barriere fotoelettriche è dovuta all'unità interna riprogettata, che ha permesso di ottimizzare l'involucro in termini di robustezza e rigidità. L'unità interna occupa meno del 40% del volume dei modelli precedenti, per un sostanziale aumento dello spessore dell'involucro (Figura 4). Anche se l'unità interna è più piccola, il rendimento ottico è stato incrementato e il tempo di risposta OFF delle uscite di controllo è di 10 ms al massimo, o di 18 ms al massimo nel collegamento in serie o in parallelo.

Figura 4: L'unità interna più compatta supporta un rendimento ottico più elevato, in un alloggiamento molto più spesso. (Immagine per gentile concessione di Panasonic)

Misurare con le barriere fotoelettriche

Le barriere fotoelettriche progettate per la misurazione di oggetti hanno in genere tre modalità: scansione rettilinea, scansione su singolo bordo e scansione su doppio bordo. Le specifiche chiave includono la dimensione minima di rilevamento degli oggetti (MODS) e la risoluzione dei bordi (ER).

La scansione rettilinea è solitamente la modalità predefinita e i fasci vengono scansionati in sequenza dall'estremità del display all'estremità opposta dell'array. Quando si incontra il primo fascio non bloccato, viene determinata la misurazione. Le sensibilità tipiche per la scansione rettilinea con modalità a basso contrasto sono un MODS di 5 mm e un ER di 5 mm. Se si utilizza la modalità scanner ad alto guadagno di eccesso, il MODS è 10 mm e l'ER è 5 mm. La scansione a singolo e doppio bordo può fornire un MODS di 10 mm e un ER di 2,5 mm.

La scansione a bordo singolo inizia con il blocco del primo fascio (più basso), che indica la presenza di un oggetto. La barriera controlla quindi il fascio centrale. Lo scanner osserva il quarto di fascio inferiore per verificare se il fascio centrale è libero. Lo scanner osserva il quarto di fascio superiore per vedere se il fascio centrale è bloccato.

Una volta stabilito se i quarti di fascio superiori o inferiori sono bloccati o liberi, la divisione a metà del numero di fasci continua fino a trovare il bordo superiore dell'oggetto.

In circostanze in cui il primo fascio non è necessariamente bloccato, è possibile utilizzare il doppio bordo, che inizia con la selezione della dimensione del passo, di solito 1, 2, 4, 8, 16 o 32, a seconda dell'applicazione. Inizia con l'attivazione del fascio 1 da parte della barriera. Se il fascio è bloccato, è stato identificato il primo bordo. Se non è bloccato, la barriera attiva il fascio successivo, determinato dalla dimensione del passo. Ad esempio, se la dimensione del passo è 4, viene attivato il fascio 5.

Se il fascio attivato è libero, la barriera continua l'avanzamento dei passi fino a quando non trova un fascio bloccato. A questo punto, per identificare il primo fascio bloccato si utilizza una ricerca binaria a ritroso verso l'inizio e si identifica il bordo corrispondente. Il processo viene ripetuto, questa volta utilizzando il bordo identificato come punto di riferimento e il processo di avanzamento a passi per identificare un fascio libero, quindi tornando indietro per trovare il fascio bloccato con il numero più alto, che identifica il secondo bordo.

Figura 5: Esempio di sequenze di fasci in una scansione a doppio bordo. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Barriere fotoelettriche per la misurazione

Le barriere di misurazione A-GAGE EZ-ARRAY di Banner Engineering sono progettate per applicazioni come il dimensionamento e la profilatura dei prodotti in tempo reale, l'orientamento dei bordi e del centro, il rilevamento dei fori, il conteggio dei pezzi e così via. Gli emettitori e i ricevitori hanno una lunghezza compresa tra 150 e 2400 mm (Figura 6). Ad esempio, il modello EA5E600Q è lungo 600 mm con 120 fasci. Queste barriere fotoelettriche supportano sistemi precisi di monitoraggio e ispezione dei processi ad alta velocità, di profilatura e di guida del nastro. Le altre caratteristiche includono:

• Numerose opzioni di scansione:
  • 16 modalità di analisi della scansione (misurazione)
  • 3 metodi di scansione
  • Esclusione del fascio selezionabile
• Interruttore DIP a sei posizioni per l'impostazione della modalità di scansione, della modalità di misurazione, della pendenza analogica e per l'impostazione del discreto per la misurazione complementare o il funzionamento degli allarmi

Figura 6: La famiglia di barriere fotoelettriche di misurazione A-GAGE EZ-ARRAY è disponibile in lunghezze da 150 mm a 2400 mm. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Conclusione

Le barriere fotoelettriche possono fare molto di più che impedire l'accesso ad aree pericolose e sensibili, proteggendo sia le persone che le macchine. Possono supportare l'accesso controllato utilizzando funzioni di esclusione e silenziamento per aumentare la produttività. Le barriere fotoelettriche possono anche supportare tecniche di misurazione senza contatto che misurano in modo rapido ed efficiente varie dimensioni degli oggetti.