安全雷射掃描器如何保護人員和機器

安全雷射掃描器有助於提高工業和物流設施的安全性。這類掃描器既可以保護人員，確保他們能與機器安全互動；又可以保護機器，確保其不會受到人員的意外干擾。

若要讓安全雷射掃描器達到最高效益，需要考量幾個因素。首先需確定雷射掃描器為最佳解決方案，或者其他技術 (如光幕) 會更適合該應用。

一旦確認，就需要做出以下重要決策：

• 選擇最佳的安全保護視野和視野組合
• 使用國際標準化組織 (ISO) 13855 等標準，定位防護裝置相對於人員接近的位置
• 選擇正確的多次採樣值
• 選擇具有最佳功能組合的掃描器

本文先探討選擇掃描器或光幕的影響因素。接著介紹選擇掃描器時應考量的重要標準，並探討 IDEC、Omron、SICK、Banner Engineering 等公司具代表性的安全雷射掃描器。

掃描器還是光幕？

首先要考量的問題之一是：要保護哪些實體空間？掃描器和光幕都可以保護人員免於受傷，同時亦保護機器免受干擾。雖然掃描器和光幕的保護功能有部分重疊，但這些功能通常適用於不同的應用，例如：

操作點保護是指機器執行工作所在的啟用區域。光幕適合這種應用，因為可以將其放在最佳位置，並且可以將其解析度設定為偵測手指、手或腳／腿，提供所需的保護等級。由於掃描器的反應時間較長，且通常不用於操作點保護，因此離危險地點的最短距離往往也需要稍遠一些。

周邊保護，可保護機器的多個側面。除了操作點保護，光幕也一樣非常適合為周邊保護提供小型解決方案。如果有人跨越周邊，光幕會傳送停止訊號，機器隨即停止。雖然光幕和掃描器都可用於周邊保護，但安全光幕更常用於周邊保護，而掃描器則更常用於區域保護。

門禁控制和區域保護，可根據特定應用需求，實作光幕或掃描器。光幕適合用於單點進入的情況。例如，對每條光束進行獨立監控和評估，可讓光幕區別出「較高的」人和「較低的」物料載具 (例如在棧板跨過門檻時)，並對應修正其回應。

掃描器可設定為監控 275° 的區域，以建立使用者定義的二維保護區 (圖 1)。掃描器還可以根據人員和受保護機器間的距離，建立多個保護區，並在必要時，將機器減速或停止。

圖 1：此類安全雷射掃描器可以監控 275° 區域，建立一個二維保護區，並且只要有任何人員或物體意外進入該區域 (紅線)，就會傳送警報。(圖片來源：Banner Engineering)

自主移動機器人 (AMR) 和自動導引車 (AGV) 等移動系統，均可受益於多個掃描器的使用。這些掃描器可採用電池供電和安裝，以便進行協同工作，同時監控車輛周圍的數十個安全區域。然後，可以根據車輛速度、位置和預期的方向變化，啟動不同的區域。掃描器的資料可透過車輪上的編碼器和其他感測器輸入提供，支援 AMR 導航。

安全等級如何？

確定好受保護的實體空間後，下一個考量因素便是所需的安全等級。除了具備不同的應用優勢外，光幕和安全雷射掃描器還支援各種國際標準所定義的不同安全等級。例如，ISO 13849-1 使用效能等級 (PL) 來定義安全控制功能的可靠度，其測量範圍從「a」到「e」，PLe 則代表最高等級。

安全雷射掃描器符合 PLd 標準，適合在以安全為首要考量的應用中使用。若某個系統每 100 至 1,000 萬小時就有可能發生危險故障 (即 141 至 1,141 年的連續操作下)，則會被定為 PLd 等級。光幕則有更多選項可供選擇，從 PLc 到 PLe 都有。

IEC 62061，機器安全性：電氣、電子和可編程電子控制系統的功能安全性是另一項重要標準。這項標準的依據是光幕和安全雷射掃描器等安全控制功能的風險評估與降低策略。其中包括功能要求規格和安全完整性等級 (SIL) 要求。

功能性的要求例如操作頻率、反應時間、操作模式、工作週期、操作環境、故障反應功能等。所得 SIL 的測量範圍為 1 到 4 (圖 2)。

圖 2：安全雷射掃描器符合 PLd 與 SIL3 標準，適合在以安全為重要考量的應用中使用。(圖片來源：SICK)

ISO 13855 定義如何根據人員接近的程度來放置掃描器。例如，如果掃描器安裝在 300 mm 的高度，則 70 mm 的解析度足以偵測到人腿。在較低的安裝高度下，建議的最小解析度為 50 mm。

掃描器規格

一旦確定安全雷射掃描器能滿足應用要求，並能支援所需的安全等級，就需要考量規格。重要的掃描器規格範例包括：

掃描角度。有多種掃描角度可選，例如 190°、270°、275°。掃描角度及其結構決定如何將掃描器安裝到系統中，以監控所需的單一或多個區域。

保護區。安全雷射掃描器具有多個保護區，包括主要保護區和一個或多個警告區。有些掃描器可以使用掃描的資料進行自動設定，以忽略警告區內的靜止物體 (圖 3)。在某些情況下，安全雷射掃描器可以連續或同時掃描多個區域。例如，一台掃描器最多可支援 70 個獨特的安全區組合。在 AMR 上，掃描器可利用此功能，根據周圍環境和移動速度調整掃描區域。

圖 3：使用可掃描資料進行自動設定的掃描器，以識別警告區的靜止物體，即可加速調適。(圖片來源：IDEC)

保護視野範圍。掃描器可以在受保護區延伸的最大距離範圍。典型值介於 3 m 至 10 m。所需的保護視野範圍取決於當地法規，以及掃描器的反應時間和解析度。

解析度。解析度的測量單位為 mm，可以確定掃描器能準確偵測到的最小物體尺寸。典型值介於 30 mm 至 200 mm。

反應時間。此時間也稱為偵測時間，可測量掃描器能多快識別出有物體接近。典型值介於 60 ms 至 500 ms 之間。

採樣。指明掃描器必須連續掃描物體幾次才能提供識別。預設通常為至少需要兩次採樣掃描。但是，對於一些掃描器，在某些情況下，可能需要掃描十次以上才能識別物體。

雙重保護區

安全雷射掃描器具有各種特點和功能，可滿足不同的應用需求。例如，IDEC 的 SE2L 安全雷射掃描器包括主控／從屬功能和雙重保護區。藉助主控／從屬功能，一台掃描器最多可與其他三台掃描器進行通訊。這可以大幅簡化系統設計，並允許使用成本較低的控制器，因為安全控制器只需要與主控掃描器通訊，而主控掃描器則會將指令轉發到從屬掃描器。可以使用長度為 2 至 20 m 的纜線安裝 SE2L-H05LP 型號，以進一步增強靈活性。

這些掃描器的掃描週期時間為 30 ms，掃描區內可以包含 32 種樣式。使用雙區功能，單一 SE2L 單元可以同時獨立掃描兩個相鄰區域，而無須使用第二台掃描器以及簡化系統設計。

低功率，能確保電池供電安全性

延長 AGV 和 AMR 執行時間亦是一個重要的考量因素。這些應用可以受益於使用 Omron 的小型 (104.5 mm) OS32C-SP1-4M 安全雷射掃描器。本產品的最大功耗為 5 W (待機模式下為 3.75 W)，並提供 70 個安全區和警告區的組合，因此適合在複雜的環境中使用 (圖 4)。其他特點包括：

• 最小解析度可設定為 30、40、50 或 70 mm。
• 安全區會因解析度的不同而異：
  • 1.75 m (30 mm 解析度)
  • 2.5 m (40 mm 解析度)
  • 3.0 m (50 mm 解析度)
  • 4.0 m (70 mm 解析度)
• 警告區半徑不超過 15 m
• 反應時間可設定為 80 ms 與 680 ms 之間。
• 區域切換時間可設定為 20 ms 與 320 ms 之間

圖 4：這款低功率安全雷射掃描器可支援 70 個安全區和警告區的組合，因此適用於在複雜或動態環境中運作的 AMR。(圖片來源：Omron)

具備可選採樣和解析度的三重視野

SICK 的 S300 Mini Standard 安全雷射掃描器具備可選的偵測解析度及採樣等級。例如，型號 S32B-2011BA 可支援 30、40、50、70 mm 解析度直徑。可以為每個視野單獨定義多個採樣和解析度，包括同時出現的保護視野 (圖 5)。這些掃描器可以支援多達 48 個可自由設定的視野和 16 個可切換的視野組合。這種三重視野功能允許同時使用一個保護區和兩個警告區。

圖 5：S300 Mini Standard 安全雷射掃描器可以為每個掃描視野實作多個採樣等級和不同的解析度。(圖片來源：SICK)

無需安全性 PLC

Banner Engineering 的 SX5 安全雷射掃描器內建靜音功能，可以監控並回應訊號，並自動暫停防護功能，以允許物體通過安全區，而不會發出停止命令。靜音功能允許暫停整個安全區 (完全靜音) 或僅暫停一部分的安全區 (部分動態靜音)。

SX5 主控單元 (如 SX5-ME70) 最多可以控制三個遠端單元 (如 SX5-R)；此外，掃描器也可以讀取增量的編碼器輸入，以便根據車輛的速度修改安全區。這些功能可以免除對額外控制硬體 (如安全性 PLC) 的需求。

結論

若經過正確指定、設定和整合，安全雷射掃描器非常適合在門禁控制、區域保護等應用以及移動系統 (包括 AGV 和 AMR) 上為人員和機器提供保護。這類掃描器符合 PLd 與 SIL3 要求，適合在以安全為重要考量的應用中使用。這些掃描器具有各種特點和功能組合，可滿足各種應用需求。