소형 안전 레이저 스캐너로 보호 및 생산성을 극대화하는 방법

인더스트리 4.0 공장 및 물류 자동화의 복잡성이 증가함에 따라, 안전과 생산성 모두를 동시에 극대화하는 새로운 시스템 설계 방식이 요구되고 있습니다.

인더스트리 4.0은 유연하게 운영되므로, 위험한 작업의 배치 및 범위가 수시로 변경될 수 있고 그에 따라 안전 시스템도 빠르게 조정되어야 합니다. 재구성 및 프로그래밍이 가능하며 유연한 안전 시스템이 필요합니다.

위험 구역에 접근하는 경고 영역을 설정하여 작업자가 너무 근접할 경우 경고할 수 있는 기능은 큰 도움이 될 수 있습니다. 이는 작업자가 실수로 위험 구역에 진입하거나 안전 장치를 벗겨 급시동시키거나 기계를 끄는 것을 방지하며 이를 통해 가동 시간과 생산성을 향상할 수 있습니다.

이 기사에서는 안전 매트와 안전 레이저 스캐너에 대한 국제 표준에 대한 간략한 검토로 시작하여, 안전 매트와 안전 레이저 스캐너의 응용 제품 고려 사항을 비교하고, 접촉식 대 비접촉식 작동, 경고 필드 보호, 조정 가능성 등의 요소를 살펴봅니다.

마지막으로 SICK의 소형 안전 레이저 스캐너의 예 및 스캐너가 손상되었을 때 쉽게 교체하는 방법을 포함한 설치 및 구성 옵션과 함께, 여러 응용 제품의 요구 사항을 충족하는 방법을 제시하며 마무리합니다.

주요 안전 성능 표준으로는 국제 전자기술 위원회(IEC) 61508, '전기/전자/프로그래밍 가능한 전자 장치 안전 관련 시스템(E/E/PE 또는 E/E/PES)의 기능 안전성', 국제표준화기구(ISO) 13849, '기계류의 안전성 - 제어시스템의 안전관련부품' 및 IEC 61496, '기계류의 안전성 - 전기감응 방호장치' 등을 들 수 있습니다.

안전 매트와 안전 레이저 스캐너는 이러한 표준의 다양한 요소를 충족합니다. 예를 들어 IEC 61508은 일련의 안전 무결성 수준(SIL)을 정의합니다. 안전 레이저 스캐너는 SIL 2 요구 사항을 충족합니다. 모든 안전 매트는 아니지만 일부 안전 매트도 마찬가지입니다. 일부 안전 매트는 SIL 2보다 훨씬 덜 엄격한 SIL 1의 요구 사항만을 충족합니다.

SIL 1 안전 장치는 기본적인 기계 보호, 중요도가 낮은 프로세스, 간단한 경보와 같이 고장 시 결과가 심각하지 않은 저위험 응용 제품에 사용하기 위한 것입니다. SIL 2 안전 장치는 심각한 부상이나 중대한 환경적 피해를 초래할 수 있지만 반드시 치명적인 사건으로 이어지지는 않는 위험을 완화하도록 설계되었습니다.

ISO 13849는 SIL과 유사한 개념을 사용하여 성능 수준(PL)을 정의합니다. 안전 매트는 통상적으로 PLc 인증을 받을 수 있지만, 안전 레이저 스캐너는 더 엄격한 PLd 인증을 통과해야 합니다. 일부 안전 매트 설치는 PLd 성능 요구 사항을 충족할 수도 있습니다.

인증을 받으려면, 안전 레이저 스캐너는 특히 난반사에 대응하는 능동형 광전자 보호 장치(AOPDDR 또는 레이저 스캐너)를 대상으로 하는 SIL 2, PLd 및 IEC 61496-3을 충족해야 합니다. 안전 매트와 안전 레이저 스캐너에 대한 다양한 안전 인증이 시사하는 바는 중요하지만, 이는 보호와 생산성을 극대화하기 위한 노력의 출발점에 불과합니다.

추가 고려 사항

사양이 적절하게 지정된 안전 매트와 안전 레이저 스캐너는 IEC 및 ISO 안전 요구 사항을 모두 충족할 수 있습니다. 하지만 그보다, 인더스트리 4.0 공장 및 물류 자동화 응용 제품에는 고려해야 할 사항이 더 많습니다.

안전 매트는 기계식 스위치로 구성된 매트릭스입니다. 사람이 매트를 밟는 것과 같은 무게로 인해 하나 이상의 스위치가 닫히는 경우, 매트 컨트롤러에 신호가 전송되어 보호 시스템의 작동이 중지됩니다.

안전 매트의 기계적 특성은 우려할 만한 원인이 될 수 있습니다. 첫째, 매트가 작동하려면 매트 위를 걷는 사람과 직접 접촉해야 합니다. 둘째, 매트가 마모되고, 때로는 말 그대로 찢어질 수도 있습니다. 사람들이 매트 위에 무겁거나 날카로운 도구를 떨어뜨려 매트가 손상될 수 있습니다(그림 1). 또는 지게차가 매트를 가로질러 주행하여 매트가 손상될 수도 있습니다. 부식성 물질의 유출과 같은 환경적 요인도 매트를 훼손할 수 있습니다.

그림 1: 안전 매트 작동에는 신체적 접촉이 필요하며 사고 및 환경적 위험에 의해 훼손될 수 있습니다. (이미지 출처: SICK)

조정 가능성

안전 매트는 본질적으로 고정 설치물이며 조정이 불가능합니다. 특정 설치 요구 사항에 따라 다양한 크기 및 매트 구성이 있습니다. 이는 공정 수요 변화에 따라 재구성이 필요한 인더스트리 4.0 공장 및 물류 운영에서 문제가 될 수 있습니다.

안전 매트 기반 시스템이 변경되려면 새로운 매트를 구입해야 할 수도 있으며, 그럴 경우 변경된 시스템이 운영되기까지 시간이 연장될 수 있습니다. 이는 기계 가용성과 전반적인 생산성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

충격을 최소화하는 한 가지 방법은 다양한 크기의 교체용 안전 매트를 구비해 두는 것입니다. 이를 통해 손상된 매트를 빠르게 교체할 수는 있으나, 비용이 많이 드는 옵션이기도 합니다. 또한 모든 매트가 모든 컨트롤러와 호환되는 것은 아니므로, 다양한 안전 매트 컨트롤러를 준비해 두어야 할 수도 있습니다.

이러한 문제는 안전 레이저 스캐너를 사용하여 해결할 수 있습니다. 안전 레이저 스캐너는 기계식 스위치를 기반으로 하지 않으며, 다양한 응용 제품 요구에 맞게 조정할 수 있는 전자 장치입니다.

안전 레이저 스캐너는 적외선(IR) 레이저를 사용하여 주위 환경을 2차원으로 스캔하는 비접촉식 기술로, 짧은 펄스의 적외선 빛을 방출합니다. 빛의 펄스가 물체에 부딪히면 스캐너에 반사됩니다. 물체까지의 거리는 빛이 전송되는 순간과 반사된 빛이 돌아오는 시간 사이의 시간 간격을 기준으로, 높은 정확도로 측정할 수 있습니다.

안전 레이저 스캐너는 장애물까지의 거리를 파악하는 기능을 통해 물체의 근접성에 따라 일련의 경고 및 보호 필드를 설정할 수 있습니다. 일부 안전 레이저 스캐너에는 수십 개의 정의된 필드가 존재할 수 있습니다. 이는 자율 이동 로봇의 내비게이션과 같은 응용 제품에 유용할 수 있습니다.

S300 Mini Standard 안전 레이저 스캐너는 보호 필드와 경고 필드 두 개를 동시에 활성화해야 하는 안전 응용 제품에 최적화되어 있습니다. 102 x 116 x 105밀리미터(mm)(폭 x 높이 x 깊이)의 컴팩트한 크기로 로봇 작업 셀 및 자동 운반 차량(AGV)과 같은 응용 제품에 적합합니다(그림 2).

그림 2: S30 Mini Standard 안전 레이저 스캐너와 탄산음료 캔의 크기 비교. (이미지 출처: SICK)

S300 Mini Standard 스캐너는 270도의 스캔 각도로 넓은 영역을 커버할 수 있으며 손, 다리 또는 신체 감지를 위해 해상도를 선택할 수 있습니다. 이 스캐너는 최대 8m의 경고 필드 범위를 지원하며 최대 3개의 보호 필드 범위로 제공됩니다.

• 1미터, 모델 1058000
• 2미터, 모델 1050932
• 3미터, 모델 1056430

역동적인 환경

레이아웃 또는 운영 조건이 변경되거나 AGV가 이동하는 동적 환경에서는 구성 가능한 안전 레이저 스캐너의 이점을 누릴 수 있습니다. 변화하는 보호 요구 사항에 맞게 필요에 따라 감지 영역을 수정할 수 있습니다.

여러 경고 필드를 설정하면, 사람들이 기계에 너무 가까이 접근하여 기계가 종료되는 것을 방지하는 데 특히 유용할 수 있습니다. 경고 신호 장치에는 첫 번째 경고 필드를 위반한 경우 단순 점멸등, 두 번째 경고 필드를 위반한 경우 경고 사이렌 또는 경적 등이 포함될 수 있습니다. 보호 필드의 크기 계산을 위한 특정한 규칙이 있습니다.

안전 거리 계산

ISO 표준 13855, '기계류의 안전성 - 신체 일부의 접근 속도에 따른 보호 장치 위치 설정'에는 사람이 기계에 접근할 때 기계를 정지시키는 데 필요한 최소 안전 거리 계산에 대한 지침이 포함되어 있습니다. ISO 13855는 안전 레이저 스캐너, 안전 라이트 커튼, 압력 감지 장치, 안전 매트 및 플로어 등을 포함한 여러 유형의 안전 장치에 적용됩니다.

이는 안전 레이저 스캐너의 안전 필드 크기를 계산할 때 유용하게 사용할 수 있습니다(그림 3). 안전거리 S를 계산하는 일반적인 공식은 S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO이며 각 항목의 의미는 다음과 같습니다.

• K = 접근 속도(1,600mm/s, ISO 13855에 정의됨)
• TM = 기계 또는 시스템의 가동 중지 시간
• TS = 안전 레이저 스캐너 및 다운스트림 컨트롤러의 응답 시간
• ZG = 일반 보완 = 100mm
• ZR = 반사 관련 측정 오류 대비 보정값
• CRO = 초과 도달을 방지하기 위한 보정값

그림 3: ISO 13855 지침을 사용하여 S300 Mini Standard와 같은 안전 레이저 스캐너의 안전 필드 크기(빨간색)를 계산할 수 있습니다. (이미지 출처: SICK)

자동화 무인 운반차

무인 운반차(AGV)는 인더스트리 4.0 공장, 창고, 물류 센터에서 사람의 개입 없이 빠르고 효율적으로 물품을 운반합니다. 일부 AGV에서는 스위칭 스트립이나 범퍼가 장애물을 감지하는 데 사용됩니다. 그런데 이로 인해 AGV의 이동 속도가 제한될 수 있고, 스트립이나 범퍼가 물리적으로 손상되어 교체가 필요하여 일정 기간 동안 AGV의 작동이 중단될 수 있습니다.

안전성, 유연성, 가용성을 극대화하기 위해 AGV는 스위칭 스트립과 범퍼를 주요 안전 장치로 대체할 수 있으며, 장애물을 감지하고 안전하게 정지할 수 있는 레이저 안전 스캐너 등이 이에 포함될 수 있습니다. S300 Mini는 크기가 작아 가장 작은 AGV에도 쉽게 통합할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: S300 Mini Standard 안전 레이저 스캐너는 크기가 작아 소형 AGV에 장착할 수 있습니다. (이미지 출처: SICK)

두 대의 안전 레이저 스캐너를 사용하면 보호 영역을 확장할 수 있습니다. 스캐너들이 AGV의 전면 모서리에 장착된 경우 보호 영역이 차량의 전면과 양 측면으로 확장됩니다. 스캐너들이 차량의 전면과 후면에 대각선으로 서로 마주보도록 장착되어 있다고 가정해 보겠습니다. 그러한 경우 보호 영역이 AGV의 모든 측면을 둘러싸고 있어 양방향으로 안전하게 이동할 수 있습니다.

구성, 설치 및 유지 보수

SICK의 구성 및 진단 소프트웨어(CDS)를 사용하여 PC 또는 랩톱을 사용하여 보호 및 경고 필드를 정의할 수 있습니다. 이 소프트웨어에는 응용 제품 설계 및 구현을 위한 직관적인 인터페이스가 포함되어 있습니다. 또한 이 소프트웨어는 빠른 시운전 및/또는 효율적인 문제 해결을 위해 모든 구성 및 진단 데이터를 계산하고 저장합니다. 커미셔닝 또는 유지 보수 중에 구성 및 진단을 구현할 수 있습니다.

또한 SICK는 S300 Mini 안전 레이저 스캐너를 물리적으로 부착할 수 있는 실장 키트도 제공합니다. 키트 1a, 모델 2034324는 광학 보호 커버가 없는 기본 실장 브래킷이며, 키트 1b, 모델 2034325는 광학 보호가 포함된 제품입니다(그림 5). 또한 키트 2, 모델 2039302 및 키트 3, 모델 2039303을 포함한 추가 실장 브래킷을 추가하여 스캐너를 두 평면에 정렬할 수 있습니다. 최대 조정 각도는 두 평면 모두에서 ±11°입니다.

그림 5: SICK 실장 키트 1b에는 광학 커버 보호 기능이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: SICK)

또한 이 실장 키트는 손상된 스캐너 헤드를 빠르게 교체할 수 있도록 지원합니다. 교체용 스캐너 헤드는 기계에 영구적으로 실장되는 시스템 플러그에 부착됩니다. 교체용 헤드는 시스템 플러그에서 구성 데이터를 즉시 다운로드하고 프로그래밍된 안전 작업을 수행하므로, 재프로그래밍하거나 구성 데이터를 수동으로 다운로드할 필요가 없습니다. 플러그 앤 플레이 프로세스로 시스템 다운타임이 최소화됩니다.

요약

S300 Mini Standard 안전 레이저 스캐너는 안전과 생산성을 동시에 극대화하는 인더스트리 4.0 공장, 창고 및 물류 센터의 안전 매트를 대체할 수 있는 강력한 대안입니다. IEC 61508, ISO 13849 및 IEC 61496 안전 표준을 충족하며, 고정 설치 및 AGV와 같은 이동식 플랫폼에 적합합니다. 마지막으로, S300 Mini Standard 안전 레이저 스캐너는 유연하고 신속한 구성, 설치 및 유지 보수를 지원합니다.