微型安全雷射掃描器如何發揮最大的防護力和生產力

工業 4.0 工廠和物流自動化的複雜性日益增加，因此需要新的系統設計作法，以便同時達到最大安全性與生產力。

工業 4.0 作業具有靈活的本質，意味著危險作業的位置和範圍可能偶爾會改變，因此安全系統必須迅速因應，而這需要可重新配置、可編程且靈活的安全系統。

若能建立警告區域，以便在工作人員接近危險區域之前就先行警示，這會是一個很大的優勢。如此就能避免工作人員意外進入危險區域、觸發安全裝置和關閉機器，進而增進運作時間和生產力。

本文首先會簡單回顧安全地墊和安全雷射掃描器的國際標準，然後會比較安全地墊和安全雷射掃描器的應用考量事項，包括探討接觸與非接觸式操作、警告區域保護和可調整性等多項考量因素。

最後會介紹 SICK 的微型安全雷射掃描器範例，說明其如何符合多種應用的要求，並瞭解其安裝和配置選項，包括掃描器受損時如何輕鬆更換。

主要的安全效能標準包括國際電工委員會 (IEC) 61508《電氣／電子／可編程電子安全相關系系統 (E/E/PE 或 E/E/PES) 功能性安全》、國際標準化組織 (ISO) 13849《機械安全 - 控制系統的安全相關零件》，以及 IEC 61496《機械安全 - 電敏保護設備》。

安全地墊和安全雷射掃描器符合這些標準的眾多規定。例如，IEC 61508 就制訂一系列安全完整性等級 (SIL)。安全雷射掃描器符合 SIL 2 要求。有些，但並非全部的安全地墊也同樣符合要求。有些安全地墊僅符合 SIL 1 的要求，比起 SIL 2 的嚴格程度還低一個數量級。

SIL 1 安全裝置預計搭配低風險應用使用，其若發生故障，後果也不至於嚴重，例如基本機器護擋、非危急製程和簡易警報。SIL 2 安全裝置的設計可減輕風險，以免導致嚴重受傷或重大環境破壞，但不一定就是災難性事件。

ISO 13849 採用類似 SIL 的概念來制訂效能等級 (PL)。安全地墊通常符合 PLc 認證資格，但安全雷射掃描器則必須符合更嚴格的 PLd 認證。有些安全地墊架設也可以符合 PLd 效能要求。

若要通過認證，安全雷射掃描器必須符合 SIL 2、PLd 和 IEC 61496-3，特別要涵蓋對漫反射有反應的主動式光電保護裝置(AOPDDR，或雷射掃描器)。安全地墊和安全雷射掃描器的各種安全認證有重大的影響，但若要達到最大防護與生產力，這也只是起點而已。

更多考量事項

正確挑選的安全地墊和安全雷射掃描器皆可符合 IEC 和 ISO 安全要求。但工作並未就此結束；在工業 4.0 工廠和物流自動化應用中，還有更多必須要考量。

安全地墊是一種機械開關的矩陣。當重物 (如人踩在地墊上) 關閉一個或多個開關時，就會向地墊控制器發送訊號，讓受保護的系統停止運作。

安全地墊的機械本質可能也會是隱憂之一。首先，地墊若要運作，就必須與穿越地墊的人直接接觸。其次，地墊會受到磨損，有時也真的會撕裂。人員可能會將重物和／或鋒利的工具掉落在地墊上，進而造成破壞 (圖 1)。堆高機也有可能會穿越地墊並造成破壞。腐蝕性材料溢出等環境因素也會破壞地墊。

圖 1：安全地墊的運作需要實體接觸，並且可能會受到事故和環境危害的影響。(圖片來源：SICK)

可調整性

安全地墊本質上屬於固定裝置，不可調整。針對特定的安裝要求，可提供不同的尺寸和地墊配置。這可能會對工業 4.0 工廠和物流營運帶來挑戰，因為隨著流程需求的變化，配置就必須再次調整。

若要對地墊式系統進行變更，可能就要採購新地墊，這會讓恢復運作前的過渡時間變得更長。這會對機器可用性和整體生產力產生負面影響。

有個方法可將影響降至最低，就是備妥各種尺寸的替換安全地墊。就可加快過渡時間和受損地墊的更換作業。但這個作法也較昂貴。此外還需備妥多種安全地墊控制器，因為並非所有安全地墊都與各種控制器相容。

這些問題都可以透過安全雷射掃描器來解決。安全雷射掃描器並非機械式開關，而是電子裝置，可針對多種應用需求進行調整。

安全雷射掃描器採用非接觸式技術，透過紅外線 (IR) 雷射對周圍環境進行二維掃描。會發出短脈衝的紅外線光。如果脈衝光擊中物體，就會反射到掃描器。根據透射時刻與反射光返回時間之間的時間間隔，就可以高精度判定與物體之間的距離。

若可判定與障礙物之間的距離，就能讓安全雷射掃描器依據物體的接近程度，劃定一系列警告和保護區域。有些安全雷射掃描器可以劃定幾十個定義區域。這對於自主移動機器人的導航功能等應用非常實用。

SICK 的 S300 Mini Standard 安全雷射掃描器，就針對需要同時啟動三個定義區域 (一個保護區和兩個警告區) 的安全應用進行最佳化。採用緊湊的尺寸 102 x 116 x 105 mm (寬 x 高 x 深)，因此適用於機器人工作單元和自動導引車 (AGV) 等應用 (圖 2)。

圖 2：S30 Mini Standard 安全雷射掃描器與汽水罐的尺寸比較。(圖片來源：SICK)

S300 Mini Standard 掃描器具有 270° 掃描角度，可覆蓋d廣大區域，並可針對手部、腿部或身體的偵測選擇對應的解析度。這些掃描器可支援高達 8 m 的警告區域距離，並提供三種最大保護區域距離：

• 1 公尺，型號 1058000
• 2 公尺，型號 1050932
• 3 公尺，型號 1056430

動態環境

若動態環境中的佈局或操作條件發生變化，或是 AGV 移動時，可配置的安全雷射掃描器就可派上用場。偵測區域可以依據需求進行修改，以配合不斷變化的防護需求。

設置多個警告區，特別有助於避免人員太靠近和關閉機器。警告號誌裝置可以含有一個簡易的閃光燈 (在闖入第一個警告區時作用)，以及一個警報器或喇叭 (闖入第二個警告區時作用)。計算防護區的大小有特定的規則。

安全距離計算

ISO 標準 13855《機械安全 - 在人體接近考量下的防護裝置定位》，就含有準則可用來計算必要的最小安全距離，以便在人員靠近時將機器停止。ISO 13855 適用於多種類型的安全裝置，包括安全雷射掃描器、安全光幕、壓敏裝置、安全地墊和地板等。

在計算安全雷射掃描器的安全區大小時，此標準非常有用 (圖 3)。計算安全距離 S 的常用公式：S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO，說明：

• K = 接近速度 (1,600 mm/s，如 ISO 13855 定義)
• TM = 機器或系統停止所需的時間
• TS = 安全雷射掃描器和下游控制器的反應時間
• ZG = 一般追加 = 100 mm
• ZR = 反射相關測量誤差的追加
• CRO = 避免接觸的追加

圖 3：ISO 13855 的準則可用於計算安全雷射掃描器 (如 S300 Mini Standard) 的安全區大小 (紅色)。(圖片來源：SICK)

自動導引車

自動導引車 (AGV) 可在工業 4.0 工廠、倉庫和配送中心內迅速有效地搬動物品，無需人工干預。有些 AGV 會使用切換條或或保險桿來偵測障礙物。這可能會限制 AGV 的行駛速度，並且切換條或保險桿可能會遭受實體破壞，因此需要更換而讓 AGV 暫停運作一段時間。

為了保持安全、靈活和最大可用性，AGV 可以淘汰切換條和保險桿作為主要安全裝置，並納入雷射安全掃描器來偵測障礙物並安全地停止。S300 Mini 的小尺寸有利於整合，即使是最小的 AGV 也適用 (圖 4)。

圖 4：S300 Mini Standard 安全雷射掃描器採用小型尺寸因此可安裝在小型 AGV 上。(圖片來源：SICK)

使用兩個安全雷射掃描器就可擴大保護區域。如果掃描器安裝在 AGV 的前方角落，受保護區域就可延伸到車輛的前方和兩側。假設掃描器以對角線方式安裝在車輛的前方和後方。在此情況下，保護區就可包圍 AGV 的所有側面，進而達到雙向安全移動。

配置、安裝和維護

SICK 的配置和診斷軟體 (CDS) 可透過 PC 或筆記型電腦來指定保護和警告區域。此軟體含有一個直覺的介面，可進行應用設計和實作。此軟體還可計算並儲存所有配置和診斷資料，以便快速試運轉和／或有效故障排除。配置和診斷可在試運轉或維護期間進行。

SICK 還提供用於實體連接 S300 Mini 安全雷射掃描器的安裝套件。套件 1a (型號 2034324) 屬於基本的安裝支架，沒有光學元件用的防護蓋；套件 1b (型號 2034325)，則含有光學元件保護 (圖 5)。此外，也可添購輔助安裝支架，包括套件 2 (型號 2039302) 和套件 3 (型號 2039303)，就可讓掃描器在兩個平面上對齊。兩個平面的最大調整角度均為 ±11°。

圖 5：安裝套件 1b 含有光學元件保護蓋。(圖片來源：SICK)

安裝套件還支援快速更換受損的掃描頭。更換的掃描頭連接到永久安裝在機器上的系統插頭上。更換頭會立即從系統插頭下載配置資料，並接收編程的安全任務，無需重新編程或手動下載配置資料。此流程隨插即用，因此可將機器的停機時間降至最低。

結論

S300 Mini Standard 安全雷射掃描器可在工業 4.0 工廠、倉庫和配送中心內提供完善的安全地墊替代方案，同時達到最大的安全性和生產力。符合 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 61496 安全標準，適用於固定式設備與 AGV 等移動平臺。最後，S300 Mini Standard 安全雷射掃描器更支援靈活快速的配置、安裝和維護。