안전 레이저 스캐너로 작업자와 기계를 보호하는 방법

안전 레이저 스캐너는 산업 및 물류 시설의 안전에 기여할 수 있습니다. 안전하지 않은 기계 조작 환경으로부터 작업자를 보호하고, 작업자의 의도치 않은 간섭으로부터 기계를 보호할 수 있습니다.

안전 레이저 스캐너의 효과를 극대화하는 데 필요한 몇 가지 요소가 있습니다. 먼저 현재 응용 분야에 레이저 스캐너가 최적의 솔루션인지, 아니면 광 커튼 등 더 적합한 다른 기술이 있는지 파악해야 합니다.

스캐너가 최선의 선택이라고 판단되면 다음을 비롯한 중요한 결정을 내려야 합니다.

• 최적의 안전 보호 필드 및 필드 세트 선택
• 국제표준화기구(ISO) 13855 같은 표준을 활용하여 작업자의 접근과 관련된 안전 장치 배치
• 올바른 다중 샘플링 값 선택
• 최적의 기능 세트를 갖춘 스캐너 선택

이 기사에서는 먼저 스캐너와 광 커튼을 선택할 때 영향을 미치는 요소를 검토합니다. 그런 다음 스캐너의 사용에 중요한 선택 기준을 제시하고 IDEC, Omron, SICK 및 Banner Engineering의 대표적인 안전 레이저 스캐너 제품을 살펴봅니다.

스캐너 또는 커튼 선택

가장 먼저 고려해야 할 사항 중 하나는 보호할 물리적 공간이 무엇인지에 대한 것입니다. 스캐너와 광 커튼은 모두 작업자를 위험으로부터 보호하고 기계를 간섭으로부터 보호할 수 있습니다. 스캐너와 광 커튼의 보호 기능은 일부분 겹치기도 하지만 일반적으로는 다음과 같이 서로 다른 응용 분야에 적합합니다.

작업 지점 보호란 작업이 수행되는 기계의 활성 영역을 의미합니다. 광 커튼은 최적의 위치에 배치할 수 있고 손가락, 손 또는 발/다리를 감지하여 필요한 수준의 보호 기능을 제공하도록 분해능을 설정할 수 있으므로 이 응용 분야에 적합합니다. 스캐너는 일반적으로 응답 시간이 길기 때문에 위험 요소와의 최소 간격이 더 길어야 하며 일반적으로 작동 지점 보호에는 사용되지 않습니다.

경계 보호는 기계를 여러 방향에서 보호합니다. 작동 지점 보호와 마찬가지로 광 커튼은 경계 보호를 위한 콤팩트한 솔루션을 제공하는 데 적합합니다. 작업자가 경계를 넘으면 정지 신호가 전송되고 기계가 멈춥니다. 광 커튼과 스캐너 모두 경계 보호에 사용될 수 있지만, 광전자식 안전 커튼은 경계 보호에, 스캐너는 영역 보호에 더 자주 사용됩니다.

액세스 제어 및 영역 보호는 응용 분야별 요구 사항에 따라 광 커튼 또는 스캐너로 구현할 수 있습니다. 광 커튼은 진입점이 하나인 경우에 적합합니다. 예를 들어 각 광선을 개별적으로 모니터링하고 평가하여 광 커튼이 문턱을 넘어가는 팔레트처럼 '키가 큰' 작업자와 '높이가 낮은' 자재 캐리어를 구분하고 그에 따라 반응을 수정할 수 있습니다.

스캐너는 275° 영역을 모니터링하도록 설정하여 사용자 정의 2차원 보호 구역을 생성할 수 있습니다(그림 1). 또한 작업자와 보호 대상 기계 사이의 거리에 따라 여러 보호 구역을 설정하고 적절하게 속도를 줄이거나 정지할 수 있습니다.

그림 1: 이러한 안전 레이저 스캐너는 275° 영역을 모니터링하여 2차원 보호 구역을 생성하고 예상치 못한 작업자나 물체가 해당 영역(빨간색 선) 내에 진입하면 경보를 전송할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

자율 모바일 로봇(AMR) 및 자율주행 차량(AGV) 같은 모바일 시스템은 여러 스캐너를 사용하는 편이 유용할 수 있습니다. 이러한 스캐너는 배터리로 구동되며 협업 방식으로 작동하여 차량 주변에 있는 안전 구역 수십 개를 동시에 모니터링하도록 설치할 수 있습니다. 차량 속도, 위치, 예상되는 방향 변경에 따라 다양한 구역을 활성화할 수 있습니다. 바퀴의 인코더 및 기타 센서 입력으로 스캐너의 데이터를 보완하여 AMR 항법을 지원할 수 있습니다.

안전 수준이란?

보호할 물리적 공간을 정의했으면 이제 필요한 안전 수준을 고려해야 합니다. 광 커튼과 안전 레이저 스캐너는 응용 분야에 따른 이점도 서로 다를 뿐만 아니라, 다양한 국제 표준에서 정의하는 여러 수준의 안정성을 지원합니다. 예를 들어 ISO 13849-1에서는 안전 제어 기능의 신뢰성을 'a' ~ 'e' 성능 수준(PL)을 사용하여 정의하며, PLe가 가장 높은 수준을 나타냅니다.

안전 레이저 스캐너는 PLd 기준을 충족하며 안전이 최우선 순위인 응용 분야에 사용하기에 적합합니다. PLd 등급은 100만 시간 ~ 1,000만 시간(연속 작동 기준 141년 ~ 1,141년)마다 위험한 고장이 발생할 확률이 있는 시스템에 부여됩니다. 광 커튼은 PLc ~ PLe까지 다양한 옵션으로 제공됩니다.

IEC 62061, 기계 안전: 전기, 전자 및 프로그래밍 가능 전자 제어 시스템의 기능 안전은 또 다른 중요한 표준입니다. 이는 광 커튼 및 안전 레이저 스캐너와 같은 안전 제어 기능에 대한 위험 평가 및 감소 전략을 기반으로 합니다. 여기에는 기능 요구 사항 사양과 안전 무결성 수준(SIL) 요구 사항이 포함됩니다.

기능 요구 사항의 예로는 작동 빈도, 응답 시간, 작동 모드, 듀티 사이클, 작동 환경, 장애 대응 기능 등이 있습니다. 결과 SIL은 1 ~ 4 척도로 측정됩니다(그림 2).

그림 2: 안전 레이저 스캐너는 PLd 및 SIL3 기준을 충족하며 안전이 중요한 응용 분야에 사용하기에 적합합니다. (이미지 출처: SICK)

ISO 13855는 작업자의 접근 방식과 관련하여 스캐너를 배치하는 방법을 정의합니다. 예를 들어 스캐너가 300mm 높이에 실장되는 경우 70mm 분해능이면 작업자의 다리를 감지할 수 있습니다. 실장 높이가 낮은 경우 권장 최소 분해능은 50mm입니다.

스캐너 사양

안전 레이저 스캐너가 응용 분야 요구 사항을 충족하고 필요한 수준의 안전을 지원할 수 있다고 생각되면 이제 사양을 고려할 차례입니다. 다음은 중요한 스캐너 사양의 예입니다.

스캔 각도. 190°, 270°, 275° 등 여러 스캔 각도를 사용할 수 있습니다. 스캔 각도와 구조에 따라 스캐너가 필요한 영역을 모니터링하기 위해 시스템에 실장되는 방식이 결정됩니다.

보호 구역. 안전 레이저 스캐너는 기본 보호 구역과 하나 이상의 경고 구역을 포함한 여러 보호 구역을 가집니다. 일부 스캐너에서는 스캔한 데이터를 경고 구역에 있는 정지된 물체를 무시하도록 자동 구성에 사용할 수 있습니다(그림 3). 경우에 따라 안전 레이저 스캐너는 여러 구역을 순차적으로 또는 동시에 스캔할 수 있습니다. 예를 들어 하나의 스캐너로 최대 70개의 고유한 안전 구역 세트를 지원할 수 있습니다. AMR에서 이 기능을 사용하면 스캐너에서 주변 환경과 이동 속도에 따라 스캔 영역을 조정할 수 있습니다.

그림 3: 스캔 데이터를 자동 구성에 사용하여 경고 영역의 정지된 물체를 식별하는 스캐너를 사용하면 커미셔닝 속도를 높일 수 있습니다. (이미지 출처: IDEC)

보호 필드 범위. 보호 영역이 스캐너로부터 확장될 수 있는 최대 거리입니다. 이 값의 범위는 보통 3m ~ 10m입니다. 필요한 보호 필드 범위는 현지 규정과 스캐너의 응답 시간 및 분해능에 따라 다릅니다.

분해능. 이 값은 mm 단위로 측정되며 스캐너가 정확하게 감지할 수 있는 물체의 최소 크기를 결정합니다. 이 값의 범위는 보통 30mm ~ 200mm입니다.

응답 시간. 이 값은 감지 시간이라고도 하며, 스캐너가 물체의 접근을 얼마나 빨리 인식할 수 있는지를 측정합니다. 이 값의 범위는 보통 60ms ~ 500ms입니다.

샘플링. 스캐너가 물체를 인식하기 위해 연속으로 스캔해야 하는 횟수를 나타냅니다. 기본적으로 최소 두 번의 샘플링 스캔이 필요합니다. 하지만 일부 스캐너와 일부 상황에서는 물체를 인식하기 위해 10회 이상의 연속적인 샘플링 스캔이 필요할 수도 있습니다.

이중 보호 구역

안전 레이저 스캐너에는 다양한 응용 분야의 요구를 충족하는 다양한 특징 및 기능이 있습니다. 예를 들어 IDEC의 SE2L 안전 레이저 스캐너에는 마스터/슬레이브 기능과 이중 보호 구역이 포함되어 있습니다. 마스터/슬레이브 기능을 사용하면 한 대의 스캐너가 최대 세 대의 다른 스캐너와 통신할 수 있습니다. 안전 컨트롤러는 오직 슬레이브 스캐너에 명령을 전달하는 마스터와 통신하면 되므로 시스템 설계가 크게 간소화되고 컨트롤러 비용이 절감될 수 있습니다. SE2L-H05LP 모델은 2m ~ 20m 길이의 케이블을 사용하여 설치할 수 있으므로 유연성이 더욱 향상되었습니다.

이 스캐너의 스캔 주기 시간은 30ms이며 스캔 영역에 32개의 패턴을 포함할 수 있습니다. 이중 영역 기능을 사용하면 하나의 SE2L 장치로 인접한 두 구역을 동시에 독립적으로 스캔할 수 있으므로 두 번째 스캐너가 필요 없고 시스템 설계가 간소화됩니다.

배터리 작동 안전을 위한 저전력

AGV와 AMR의 실행 시간을 연장하는 것이 중요한 고려 사항일 수 있습니다. 이러한 응용 분야에는 Omron의 콤팩트(104.5mm) OS32C-SP1-4M 안전 레이저 스캐너가 권장됩니다. 최대 5W(대기 모드에서 3.75W)를 소비하며 70개의 안전 구역 및 경고 구역 조합을 사용할 수 있으므로 복잡한 환경에 적합합니다(그림 4). 그 외에 다음과 같은 특징이 있습니다.

• 최소 분해능을 30mm, 40mm, 50mm 또는 70mm로 설정할 수 있습니다.
• 안전 구역은 분해능에 따라 다릅니다.
  • 1.75m(30mm 분해능)
  • 2.5m(40mm 분해능)
  • 3.0m(50mm 분해능)
  • 4.0m(70mm 분해능)
• 경고 구역 최대 반경 15m
• 응답 시간을 80ms ~ 최대 680ms까지 구성할 수 있습니다.
• 영역 전환 시간을 20ms ~ 320ms까지 설정할 수 있습니다.

그림 4: 이 저전력 안전 레이저 스캐너는 70개의 안전 구역 및 경고 구역 조합을 지원하므로 복잡하거나 동적인 환경에서 작동하는 AMR에 적합합니다. (이미지 출처: Omron)

샘플링 및 분해능을 선택할 수 있는 3중 필드

SICK의 S300 Mini Standard 안전 레이저 스캐너는 감지 분해능과 샘플링 수준을 선택할 수 있습니다. 예를 들어 S32B-2011BA 모델은 30mm, 40mm, 50mm, 70mm 분해능 지름을 지원합니다. 동시 보호 필드를 포함하여 각 필드에 대해 여러 샘플링 및 분해능을 개별적으로 정의할 수 있습니다(그림 5). 이 스캐너는 최대 48개의 자유롭게 구성 가능한 필드와 16개의 전환 가능한 필드 세트를 지원합니다. 3중 필드 기능을 사용하면 보호 필드와 경고 필드 두 개를 동시에 사용할 수 있습니다.

그림 5: S300 Mini Standard 안전 레이저 스캐너는 각 스캔 필드에 대해 여러 샘플링 수준과 다양한 분해능을 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: SICK)

안전 PLC가 필요하지 않음

Banner Engineering의 SX5 안전 레이저 스캐너는 신호를 모니터링하고 응답할 수 있는 통합 음소거 기능을 갖추고 있어 정지 명령을 생성하지 않고 물체가 안전 구역을 통과할 수 있도록 안전 보호 기능을 자동으로 일시 중단합니다. 음소거 기능을 사용하면 전체 안전 구역(전체 음소거)을 일시 중지하거나 안전 구역의 일부분(부분 동적 음소거)만 일시 중단할 수 있습니다.

SX5-ME70과 같은 SX5 마스터 장치는 SX5-R과 같은 최대 3대의 원격 장치를 제어할 수 있으며, 스캐너는 증분식 인코더 입력을 판독하여 차량의 속도에 따라 안전 구역을 수정할 수도 있습니다. 이러한 기능을 사용하면 안전 PLC와 같은 추가 제어 하드웨어가 필요하지 않습니다.

결론

안전 레이저 스캐너는 적절하게 지정, 구성 및 통합하면 액세스 제어, 구역 보호 같은 응용 분야와 AGV 및 AMR을 포함한 모바일 시스템에서 작업자와 기계를 보호하는 데 매우 적합합니다. 또한 PLd 및 SIL3 요구 사항을 충족하며 안전이 중요한 응용 분야에 사용하기에 적합합니다. 이러한 스캐너는 다양한 응용 분야의 요구 사항에 맞게 다양한 특징과 기능을 조합하여 사용할 수 있습니다.