Przegląd barier i kurtyn świetlnych do systemów bezpieczeństwa

Obok elementów mechanicznych, takich jak zagrody, bramy, zamki, przełączniki mechaniczne itp., oraz różnego rodzaju czujników (indukcyjne, elektromagnetyczne, maty naciskowe itp.), w systemach bezpieczeństwa najczęściej stosowane są elementy optoelektroniczne – kurtyny i bariery świetlne, skanery laserowe, kamery, fotowyłączniki itp. Nazwy „bariera świetlna” i „kurtyna świetlna” nie są jednoznacznie stosowane i często używane są zamiennie. Oba elementy zbudowane są bowiem podobnie – składają się z nadajnika emitującego w kierunku odbiornika równoległe promienie świetlne (wiązki promieniowania podczerwonego).

Bariery i kurtyny świetlne

Zarówno kurtyny, jak i bariery mają stanowić ochronę przed wtargnięciem człowieka w strefę niebezpieczną. Jeżeli człowiek (lub jakiś inny obiekt) przetnie nawet jedną wiązkę, wysyłany jest sygnał do układu sterowania maszyny. Kurtyna świetlna też stanowi barierę ochronną. Te optoelektroniczne urządzenia zabezpieczające powinny być zbudowane w taki sposób, aby na ich pracę nie miały wpływu zakłócenia elektryczne lub inne źródła światła. Szczegółowe wymagania dla barier i kurtyn świetlnych określa norma EN 61496-2.

Przyjęło się, że bariery świetlne emitują kilka promieni świetlnych, podczas gdy kurtyny świetlne – kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt. Bariery świetlne zwykle są stosowane do nadzorowania niebezpiecznych dla człowieka stref w pobliżu maszyn. Ich użycie ma na celu ostrzeżenie o wejściu w strefę niebezpieczną i wyłączenie maszyny. Do wykrycia sylwetki człowieka często wystarczają dwa równoległe promienie świetlne. Z kolei kurtyny świetlne stosowane są najczęściej do nadzorowania strefy bezpośrednio przy maszynie i mają na celu wykrywanie przekroczenia kontrolowanej strefy nawet w niewielkim obszarze, np. detekcji dłoni, a nawet palca operatora.

Budowa i parametry barier świetlnych

Jak już zostało wspomniane wcześniej, bariery składają się z dwóch głównych elementów: nadajnika i odbiornika. Nadajnik wysyła równoległe wiązki promieniowania podczerwonego; wiązki te są modulowane określoną częstotliwością. Odbiornik przyjmuje tylko wiązki o parametrach wiązek wysłanych z nadajnika – jest to warunek konieczny, aby inne źródła światła nie zakłócały działania bariery. Oczywiście wymagana jest dokładna współliniowość ustawienia nadajnika i odbiornika.

Dostępne na rynku bariery różnią się zestawem realizowanych funkcji i parametrami technicznymi. Poniżej opisana została lista istotnych cech, jakie należy wziąć pod uwagę podczas wyboru bariery.

Blanking – funkcja umożliwiająca wyłączenie żądanych wiązek promieni. Często jest to niezbędne, jeżeli fragmenty maszyny (lub innych urządzeń), stałe lub ruchome, mają znajdować się w strefie wykrywania kurtyny.

Czas reakcji – okres, jaki upływa od chwili przerwania promienia (wiązki promieni), do chwili zatrzymania maszyny; zwykle wynosi on około 2 ms.

Klasa bezpieczeństwa – typ 4: elementy bezpieczeństwa bliskiego zasięgu, gdzie wymagany jest najwyższy poziom bezpieczeństwa; typ 2: elementy o mniejszych wymaganiach, gdzie częstość narażenia na zagrożenie jest niska.

Liczba promieni – bariery i kurtyny są oferowane w wykonaniach jednowiązkowych lub wielowiązkowych. Bariery jednowiązkowe (z pojedynczym promieniem) stosowane są do wykrywania obiektów o dużych gabarytach i zwykle umieszczane są dalej od maszyny. Natomiast kurtyny wielowiązkowe umożliwiają wykrywanie małych obiektów albo obiektów o różnej wielkości.

Multiscanning – funkcja ta umożliwia dokonanie wielokrotnego odczytu w jednostce czasu. Jest wykorzystywana przy pracy kurtyn w bardzo trudnych warunkach otoczenia, w szczególności wtedy, gdy trzeba wyeliminować wpływ zewnętrznych źródeł promieniowania świetlnego.

Muting – funkcja pozwalająca na przejście zdefiniowanego obiektu przez strefę ochronną bez uruchomienia alarmu. Wykrywane są kolejne położenia i kierunek ruchu określonego obiektu (głównie jego wymiary) od chwili jego pojawienia się w strefie ochronnej, aż do chwili opuszczenia tej strefy. Zwykle do tego celu stosowane są czujniki obecności. Najczęściej tę funkcję wykorzystuje się w systemach produkcyjnych z przenośnikami taśmowymi. Używane są też polskie nazwy tej funkcji: przesłanianie, wyciszanie, zawieszenie działania.

Praca cykliczna – funkcja umożliwiająca włączanie kurtyny tylko na określony czas. W praktyce kurtyna powinna chronić strefę niebezpieczną tylko podczas pracy maszyny. Jeżeli maszyna wykonuje np. jakieś operacje cyklicznie, a między cyklami w strefie niebezpiecznej musi pojawić się człowiek, to funkcja ta pozwala zaprogramować odpowiednie działanie kurtyny.

Rozdzielczość – odległość między promieniami świetlnymi w barierach i kurtynach wielowiązkowych; najczęściej odległość ta wynosi 14 mm.

Strefa ochronna – naruszenie strefy ochronnej (przerwanie wiązki promieni) przez obiekt powoduje natychmiastowe zatrzymanie maszyny (patrz: czas reakcji).

Strefa ostrzegawcza – funkcja umożliwiająca ostrzeganie operatora, że przekroczył zdefiniowaną strefę; nie powoduje to zatrzymania maszyny. Jest to bardzo przydatna funkcja, gdyż często zdarza się, że operator przez nieuwagę na krótko zakłóci pracę kurtyny świetlnej.

Zakres temperatury pracy – typowy zakres temperatury wynosi od 0 °C do 55 °C. Kurtyny świetlne niektórych producentów mogą pracować w temperaturach ujemnych, np. –5 °C (Grein) lub –10 °C (Panasonic, Schmersal).

Zasięg pola – maksymalna odległość między nadajnikiem a odbiornikiem kurtyny świetlnej. Typowe wykonania kurtyn mają zasięg 7 m, ale niektórzy producenci oferują kurtyny o zasięgu do 15 m (np. Grein).

Zasilanie – typowe napięcie zasilania kurtyn świetlnych wynosi 24 V DC. Niektórzy producenci (np. Grein) dostarczają również wykonania kurtyn zasilanych napięciem 230 V AC lub 110 V AC.

Podsumowanie

Oferta optoelektronicznych barier i kurtyn ochronnych na polskim rynku jest bardzo bogata. Dla różnych zastosowań można wybierać wiele opcjonalnych rozwiązań, nie tylko w ramach oferty różnych firm, ale także jednego producenta. Niektórzy dostawcy umożliwiają użytkownikowi dokonanie automatycznego wyboru typu kurtyny świetlnej, po wprowadzeniu pożądanych parametrów instalacji.

Kurtyny świetlne są sensorami, których zadaniem jest stwierdzenie naruszenia chronionej przestrzeni przez człowieka lub produkty (albo elementy urządzeń). Są one wyposażane w różnorodne funkcje, umożliwiające inteligentne działanie w zmieniającym się środowisku.

Najczęściej bariery i kurtyny wchodzą w skład całego systemu bezpieczeństwa maszyny i urządzeń produkcyjnych – ich kategoria bezpieczeństwa (typu 2 lub typu 4) powinna być zgodna z wymaganiami określonymi w odpowiednich normach.

Bariery i kurtyny ochronne są chętnie stosowane, ponieważ w odróżnieniu od elementów mechanicznych są urządzeniami uniwersalnymi i można je zastosować w systemach bezpieczeństwa maszyn w różnych przypadkach.

Ogromna różnorodność dostępnych na rynku optoelektronicznych barier i kurtyn ochronnych przekłada się także na duże zróżnicowanie cen tych urządzeń, różniących się nie tylko wymiarami i parametrami technicznymi, ale także wielofunkcyjnym oprogramowaniem – ceny wahają się od około 2 tys. PLN do nawet 20 tys. PLN.

dr inż. Jan Barczyk - PAR

Zestawienie tabelaryczne podstawowych parametrow przykładowych kurtyn świetlnych oraz charakterystykę kurtyn poszczególnych producentów i dystrybutorów - firm Balluff, Grein, Leuze, OEM, Panasonic, Pilz, Schmersal, Sels, SICK oraz TURCK można znaleźć w numerze PAR 1/2014. Zapraszamy do lektury!