다차원 안전 시스템을 선택 및 통합하여 코봇으로부터 작업자를 보호하는 방법

안전은 공장 및 물류 시설에 협동 로봇(코봇), 자율 이동 로봇(AMR), 자율 주행 차량(AGV)을 배치할 때 필수적입니다. 안전은 또한 복잡하고 다차원적입니다.

기계의 움직임은 제어 시스템의 안전 관련 부품(SRP/CS)의 설계 및 통합 원칙에 대한 안전 요구 사항 및 지침을 제공하는 국제 표준화 기구(ISO) 13849와 국제 전자기술 위원회(IEC) 62061 및 IEC 61800-5-2에 따라 모니터링 및 제어되어야 합니다.

코봇, AMR, AGV 및 이와 유사한 장비의 안전한 작동을 보장하려면 접근하는 개체를 처음 감지하고 경고하는 것부터 개체가 위험 구역을 침범하여 기계가 중단되는 시점을 식별하는 것까지 여러 필드를 가진 계층적 안전 엔벨로프를 구축해야 하는 경우가 종종 있습니다.

모듈식 안전 컨트롤러 시스템은 또 다른 분석 및 보호 계층을 추가할 수 있습니다. 효율적이고 빠른 결함 분석은 보호 필드 중단 및 예기치 않은 스캐너 트립을 다뤄야 할 때 중요한 고려 사항일 수 있습니다. 이를 위해서는 두 번째 센서를 통해 일차 센서의 보호 필드를 모니터링해야 할 수 있습니다.

이 기사에서는 ISO 13849, IEC 62061 및 IEC 61800-5-2의 요구 사항을 간략히 다시 살펴보고 2차원(2D) 광 감지 및 거리 측정(LiDAR) 안전 레이저 스캐너의 기본 사항을 검토하는 것으로 시작합니다. 그런 다음 코봇, AMR, AGV 및 이와 유사한 장비로부터 사람을 보호하기 위해 계층적 안전 엔벨로프를 구현하는 방법에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

여기에서는 2D LiDAR 센서의 사용 및 통합을 검토하고, 이러한 센서를 모듈식 프로그래밍 가능 안전 컨트롤러와 결합하여 추가적인 차원의 안전을 제공하는 이점을 살펴보며, 보호 필드의 예기치 않은 중단에 대한 고장 분석을 지원하기 위해 이벤트 카메라를 사용합니다. SICK의 장치가 예시로 포함됩니다.

IEC 61508은 '전기/전자/프로그래밍 가능 전자 안전 관련 시스템(E/E/PE 또는 E/E/PES)의 기능적 안전'에 대한 기본 표준이며 모든 산업에 적용됩니다. 또한 산업 및 응용 분야별 하위 섹션 및 변동 사항이 있습니다.

IEC 62061 '기계 안전: 전기, 전자 및 프로그래밍 가능 전자 제어 시스템의 기능 안전'은 IEC 61508에 대한 기계 관련 변형 버전입니다. IEC 61800-5-2 '조정 가능 속도 전력 구동 시스템 - Part 5-2: 안전 요구 사항 - 기능'은 IEC 61508과도 관련이 있으며 조정 가능 속도 구동 시스템의 설계 및 개발을 위한 표준입니다.

ISO 13849는 IEC 61508에서 파생된 버전이 아니라 독립적으로 개발되었습니다. 둘 모두 기능 안전과 관련이 있습니다. IEC 61800-5-2는 안전 무결성 수준(SIL)을 사용하여 안전 요구 사항을 정의하는 반면, ISO 13849는 필수 성능 수준(PL_r)을 정의합니다.

ISO 13849 및 IEC 61508은 시간당 위험 고장(PFH_d)의 확률 개념을 기반으로 합니다. ISO 13849 기능 안전 분석은 가능한 부상의 심각도, 위험에 대한 빈도 또는 노출, 위험을 제한하고 피해를 모면할 수 있는 가능성이라는 세 가지 요인을 고려합니다(그림 1):

• 부상의 심각도
  • S1: 경미(대개 복구 가능한 부상)
  • S2: 심각(대개 복구가 불가능하거나 사망)
• 위험에 대한 빈도 및/또는 노출
  • F1: 극히 드물거나 빈도가 낮음 및/또는 노출 시간이 짧음
  • F2: 빈도가 높거나 연속적임 및/또는 노출 시간이 김
• 위험 회피 또는 피해 모면의 가능성
  • P1: 특정 조건에서 가능
  • P2: 거의 가능하지 않음

그림 1: ISO 13849의 PL_r 등급 및 IEC 62061의 대응되는 SIL 도출. 두 표준 모두 시간당 위험 고장(PFH_d) 개념을 기반으로 합니다. (이미지 출처: SICK)

LiDAR의 작동 방식

개인용 보호 응용 제품에 2D LiDAR 안전 센서를 사용하려면 ISO 13849에 따른 PL_b 승인을 받아야 합니다. TiM 2D LiDAR 센서 제품군에는 이러한 요구 사항을 충족하는 모델이 포함되어 있습니다. 2D LiDAR 센서는 광학 비행 시간(ToF) 기술을 사용하여 주변 환경을 스캔합니다. ToF는 회전 미러를 사용하여 레이저 펄스를 보낸 후, 반사된 광을 감지하는 방식으로 구현됩니다. 반사된 광이 센서에 다시 도달하는 시간이 길수록 개체와의 거리가 먼 것입니다.

센서는 시간 측정값과 돌아온 신호의 강도를 결합함으로써 밀리미터의 정확도로 여러 개체의 위치를 계산할 수 있습니다. 결과로 제공되는 주변 환경 사진은 매초마다 최대 15회 업데이트됩니다(그림 2). 이는 실시간 내비게이션, 방향, 제어, 안전 기능을 지원할 수 있습니다.

그림 2: TiM 2D LiDAR 센서는 회전하는 미러와 레이저 펄스를 사용하여 주변 환경 사진을 생성할 수 있으며 이러한 사진은 매초마다 최대 15회 업데이트됩니다. (이미지 출처: SICK)

TiM 2D LiDAR 센서는 모니터링할 정의된 영역(필드)에서 개체를 탐지합니다. 모델에 따라, 최대 25m의 스캔 범위와 최대 270°의 작동 범위를 가집니다.

레이저에서 반환된 펄스 데이터는 고선명 거리 측정(HDDM) 또는 HDDM+ 기술을 사용하여 처리됩니다. HDDM은 단거리에서 매우 높은 측정 정확도를 달성하며 도킹과 같은 응용 분야에서의 정밀한 위치 지정에 적합합니다. HDDM+는 에지 반사 처리에 특히 뛰어나므로, 동적 환경에서의 위치 결정 및 충돌 방지 응용 제품에 가장 적합합니다.

두 경우 모두에서, TiM 2D LiDAR 센서는 특허받은 HDDM/HDDM+ 다중 펄스 기술을 통해 전체 스캔 범위를 공백 없이 감지하여 일관된 측정 정밀도를 보장하고 다양한 표면과 감쇄 계수를 처리할 수 있습니다.

TiM1xx, TiM3xx, TiM7xx 유형은 개체가 사전 정의된 필드에 있는지 여부를 감지합니다. 각각 3개의 사전 구성된 필드를 포함하는 16개의 필드 세트는 작동 중 빠른 적응을 지원합니다(그림 3). 개별적인 필드 형상을 지정하거나, 정적 윤곽 모니터링을 위해 참조 윤곽 필드를 정의할 수 있습니다. 또한 폭우, 눈 또는 먼지가 있는 상황에서도 성능을 극대화할 수 있도록 디지털 필터, 가려진 영역, 응답 시간을 정의할 수 있습니다.

그림 3: TiM 2D LiDAR 센서에 설정된 필드는 3개의 사전 구성된 필드로 구성되어 있습니다. (이미지 출처: SICK)

필드 평가 데이터 또는 필드 평가 및 측정 데이터를 제공하는 모델을 사용할 수 있습니다. 필드 평가 센서는 개체의 존재 여부만 확인하는 반면, 필드 평가 및 측정 데이터는 스캔한 표면에 대한 정확한 사진을 제공하는 데 사용할 수 있습니다.

거리 데이터 외에도 각도 데이터와 수신 신호 강도 표시기(RSSI) 출력을 제공하는 TiM 2D LiDAR 센서를 사용할 수도 있습니다. 이 확장된 데이터 세트는 변화하는 환경에서 AMR의 충돌 회피 및 내비게이션에 특히 유용할 수 있습니다.

최초의 보호층을 추가하는 안전 LiDAR

TiM 2D LiDAR 제품군에는 PL_b의 요구 사항을 충족하고 고정식 및 이동식 응용 제품 모두에 사용할 수 있는 안전 관련 변형 제품인 TiM361S(현장 평가) 및 TiM781S(현장 평가 및 측정 데이터 출력)가 있습니다. 이러한 제품은 산업용 코봇의 액세스 모니터링과 AMR 및 AGV와 같은 모바일 플랫폼에서 개인 보호를 위해 사용할 수 있습니다.

• 모델 번호 1090608, TIM361S-2134101 유형은 감지 범위가 0.05m ~ 10m이고 HDDM 기술을 사용하므로 실내 사용에 적합합니다.
• 모델 번호 1096363, TIM781S-2174104 유형도 감지 범위가 0.05m ~ 25m이고 HDDM+ 기술을 사용하므로 실내 사용에 적합합니다.

간소화된 통합

TiM 2D LiDAR 센서는 통합을 간소화하도록 설계되었습니다. IP67에 따른 밀폐 등급을 통해 먼지나 수분이 하우징에 유입될 수 없습니다. 이 센서는 최대 80,000lx의 밝은 주변 광을 매우 잘 견딥니다. 또한, 견고한 설계를 통해 IEC 60068-2-6의 내진동 요구 사항과 IEC 60068-2-27의 내충격 요구 사항을 충족합니다. 필요한 경우 보호 플레이트의 댐핑 실장을 사용하여 견고성을 강화할 수 있습니다.

TiM 2D LiDAR 센서의 콤팩트한 설계, 경량, 낮은 전력 소비는 모바일 플랫폼에 매우 적합합니다. TIM361S-2134101 유형과 TIM781S-2174104 유형은 모두 무게가 250g에 불과하고, 일반적인 전력 소비량은 4W이며, 길이 60mm x 너비 60mm x 높이 86mm의 크기입니다.

또 다른 보호층을 추가하는 안전 컨트롤러

LiDAR 레이저 스캐너는 위험을 감지하고 경고를 보내는 반면, 모듈식 안전 컨트롤러는 보호 시스템에 또 다른 안전막을 추가할 수 있습니다. 예를 들어, Flexi Soft 안전 컨트롤러는 레이저 스캐너를 비롯한 다양한 센서 및 스위칭 소자에 연결할 수 있는 모듈식 시스템입니다. 이 장치는 SIL3 등급(IEC 61508)과 1.07 x 10^-9의 PFH_d를 가진 PLe 등급(ISO 13849)으로 지정되었습니다.

최소 2개의 모듈로 구성된 기본 시스템(그림 4):

1. 모델 1043783과 같은 CPU0은 중앙 논리 장치로, LiDAR와 같은 센서의 신호를 분석 및 평가하여 중앙 기계 컨트롤러의 안전 분석 작업의 부담을 덜어줍니다. CPU0의 출력은 안전 기능이 구현되는 상위 수준의 기계 제어 장치(예: 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC))에 연결됩니다.
2. 레이저 스캐너를 시스템에 연결하려면 모델 1044125과 같은 XTIO I/O 확장 모듈이 필요합니다. 각 레이저 스캐너는 3개의 스위칭 입력을 사용하므로 2개의 레이저 스캐너마다 하나의 XTIO I/O 확장 모듈이 필요합니다. 컨트롤러는 최대 12개 I/O 모듈을 작동할 수 있습니다.

그림 4: Flexi Soft 안전 컨트롤러 시스템은 CPU 모듈(1)과 하나 이상의 I/O 모듈(2)로 구성됩니다. (이미지 출처: SICK)

작동 원리

안전 시스템에서 중요한 요소는 결함의 근본 원인을 분석하고 이해하는 기능으로, '안전 레이저 스캐너를 트리거하는 원인은 무엇인가?”라는 질문에 답할 수 있어야 합니다. SICK의 이벤트 카메라 EventCam은 산업 환경에서 산발적으로 발생하는 오류를 감지하고 분석하기 위해 특별히 설계되었습니다.

EventCam은 광학, 조명, 전자 장치 및 메모리를 갖춘 자체 충족형 장치로, 이동식 또는 고정식 시스템에 통합할 수 있습니다. 주조 알루미늄 하우징은 IP65 등급이며 다양한 위치에 실장할 수 있습니다. EventCam은 안전 컨트롤러와 같은 자동화 시스템에 연결하거나 센서에 직접 연결할 수 있습니다.

오류가 보고되면 EventCam은 단일 프레임 또는 비디오 시퀀스를 저장하기 시작합니다. 내부 링 메모리는 이벤트 발생 전 최대 240초, 이벤트 발생 후 최대 100초까지 저장할 수 있습니다. 고선명(HD) 모드에서는 이벤트 발생 전 최대 25초, 이벤트 발생후 최대 15초까지 기록할 수 있습니다. 필요한 해상도에 따라 초당 비디오 프레임(fps) 속도는 13 ~ 65 범위입니다.

EventCam은 새로운 기계나 프로세스를 시운전할 때도 유용할 수 있습니다. 여러 시간 또는 며칠에 걸친 연속 테스트와 같은 비감시 테스트 실행을 모니터링하고 오류 원인을 빠르게 식별할 수 있습니다. 여러 개의 EventCams을 통해 단일 프로세스를 모니터링하여 여러 각도에서 한 번에 시각적 정보를 제공함으로써 오류를 보다 심층적이고 철저하게 분석할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 여러 개의 EventCam을 동기화하여 여러 각도에서 동시에 단일 이벤트를 기록할 수 있습니다. (이미지 출처: SICK)

EventCam은 두 가지 변형으로 제공됩니다. 모델 1102028은 0.4m ~ 0.6m의 작동 범위를 제공하며 상대적으로 작은 보호 공간을 가진 고정식 코봇에 사용하기에 적합할 수 있습니다. 모델 1093139는 0.8m ~ 6m의 작동 범위를 제공하며 더 큰 보호 공간을 가진 대형 코봇, AMR, AGV에 사용할 수 있습니다.

요약

SICK의 TiM 제품군과 같은 2D LiDAR 센서는 코봇, AMR, AGV 및 이와 유사한 기계를 위한 안전 시스템의 첫 번째 방위선을 제공할 수 있습니다. 이러한 센서는 사람의 접근을 모니터링하기 위해 일련의 보호 필드를 제공합니다. 안전 컨트롤러를 추가하면 침입 분석을 지원하고 시스템 성능을 개선할 수 있습니다. 마지막으로, 하나 이상의 EventCam은 일차 2D LiDAR 센서를 모니터링하여 산발적인 트리핑의 근본 원인을 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.