Dual Check Safety

10/10/2010

Dual Check Safety (DCS) to wbudowany system bezpieczeństwa zgodny z europejskimi standardami. Dwa mikroprocesory, analizując realną pozycję i prędkość serwonapędów oraz porównując rzeczywiste dane z danymi zliczonymi, zapewniają bezpieczeństwo ludzi pracujących w pobliżu robota. Zastosowany DCS spełnia wymogi standardów bezpieczeństwa, nie obniżając przy tym wydajności pracy maszyny. Jego istotną zaletą jest to, iż do wyznaczania stref bezpiecznych nie wymaga współpracy z urządzeniami zewnętrznymi, takimi jak bariery, kurtyny, czujniki krańcowe czy systemy wizyjne. Dzięki temu zwiększa się bezpieczeństwo pracy, nie generując przy tym dodatkowych kosztów. Zgodnie z normą EN 954-1 w przypadku DCS następuje ocena ryzyka klasy 4 (najwyższe, porównywalne z klasyfikacją dotyczącą załadunku prasy ręcznej).

PODSTAWOWE FUNKCJE SUSTEMU DCS
W skład systemu DCS wchodzą dwie podstawowe funkcje – Emergency Stop Control, bazująca na podwójnym obwodzie przedstawionym na rys. 1, oraz T1 Mode Speed Check. Pierwsza z nich wyłącza zasilanie silników w zależności od warunków będących jej bezpośrednią przyczyną wywołania. Może nią być:

• wyłącznik bezpieczeństwa E-Stop na panelu operatora,
• wyłącznik bezpieczeństwa E-Stop na panelu Teach Pendant,
• zewnętrzny wyłącznik bezpieczeństwa,
• bariera bezpieczeństwa Fence,
• wyłącznik deadman (zabezpieczenie w razie porażenia prądem elektrycznym),
• wejście bezpieczeństwa SVOFF (z podwójnym obwodem bezpieczeństwa),
• wejście NTED działające równolegle z wyłącznikiem deadman,
• przełącznik trybu pracy.

Rys. 1 Schemat podwójnego obwodu bezpieczeństwa

ZAAWANSOWANE FUNKCJE SYSTEMU DCS

Position and Speed Check Function

Position and Speed Check Function sprawdza wcześniej zdefiniowaną bezpieczną prędkość i pozycję pracy robota. Do komponentów tego systemu należą:

• Joint Position Check Function – sprawdza, czy pozycja robota w układzie poruszania poszczególnymi osiami obrotów niezależnie (tzw. reprezentacji Joint przedstawionej na rys. 2), zdefiniowana indywidualnie dla każdej z osi robota znajduje się w lub poza zdefiniowaną strefą bezpiecznej pracy. W przypadku wykroczenia poza ustalony obszar robot zostaje zatrzymany. Funkcja może być aktywowana dla każdej z osi za pomocą sygnałów wejściowych safety OPSFTY1- 4. 
• Joint Speed Check Function – sprawdza, czy pozycja robota w układzie poruszania poszczególnymi osiami obrotów niezależnie (w reprezentacji Joint), zdefiniowana indywidualnie dla każdej z osi robota wykracza poza zdefiniowane granice. W przypadku przekroczenia dopuszczalnej wartości robot zostaje zatrzymany. Funkcja może być aktywowana dla każdej z osi za pomocą sygnałów wejściowych safety OPSFTY1- 4.
• Cartesian Position Check Function – kontroluje, czy pozycja centralnego punktu narzędzia (np. chwytaka) TCP znajduje się w lub poza zdefiniowaną strefą bezpiecznej pracy robota w przypadku poruszania się w prostoliniowym układzie współrzędnych o parach prostopadłych osi tzw. układzie kartezjańskim (rys. 3). W przypadku wykroczenia poza dopuszczalny obszar robot zostaje zatrzymany. Funkcja może być aktywowana dla każdej grupy ruchu za pomocą sygnałów wejściowych safety OPSFTY1- 4.

Rys. 2 Poruszanie poszczególnymi osiami robota - reprezentacja Joint	Rys. 3 Ilustracja kartezjańskiego układu współrzędnych

 

• Cartesian Speed Check Function – kontroluje, czy prędkość centralnego punktu narzędzia (np. chwytaka) TCP w układzie kartezjańskim wykracza poza zdefiniowane granice. W przypadku przekroczenia dopuszczalnej wartości robot zostaje zatrzymany. Funkcja może być aktywowana dla każdej grupy ruchu za pomocą sygnałów wejściowych safety OPSFTY1- 4. Sprawdzanie bezpiecznej pozycji robota wykorzystuje się w sytuacjach, gdy ruch robota musi być ograniczony ze względu na limity miejsca lub procesu, a zasięg robota jest większy niż aktualnie wymagany w procesie (co pozwala na uzyskanie znaczących oszczędności miejsca w hali produkcyjnej, elastyczność w konfiguracji systemu, redukcję kosztów sprzętu i wzrost niezawodności). Rysunek 4 prezentuje wyżej opisaną sytuację na przykładzie robota M-2000iA o zasięgu obejmującym powierzchnię 9x9=81m², w której oszczędność miejsca wynosi około 30m². Obszar o takiej powierzchni może być zagospodarowany i wykorzystany na linie lub drogę transportową.

 

Rys. 4 Oszczędność miejsca przy wykorzystaniu funkcji Position Check Function

 

Poza oszczędnością miejsca, wyznaczenie obszaru bezpiecznej pracy robota zapewnia również wysoki poziom bezpieczeństwa. Gdy w obszarze pracy robota znajduje się jakiekolwiek pole, gdzie niezbędna jest ingerencja człowieka (np. w celu załadunku detali lub zmiany narzędzia) istnieje możliwość zdefiniowania strefy bezpiecznej. Po sygnalizacji próby ingerencji do wnętrza tej strefy poprzez otwarcie bariery, system zabezpieczający aktywuje się i nie pozwala robotowi wejść w jej zakres. Gdyby nie rozwiązanie programowe, do realizacji tego zagadnienia zobrazowanego kolejno na rysunkach 5, 6 i 7, niezbędne byłoby użycie przeznaczonych do tego celu dodatkowych zewnętrznych urządzeń takich jak maty czy kurtyny.

Rys. 5 Układ stanowiska zrobotyzowanego	Rys. 6 Wejście robota w strefę bezpiecznej pracy bez próby ingerencji człowieka
	1 - Robot 2 - Kontroler 3 - Strefa bezpieczna 4 - Bariera 5 - Operator
Rys. 7 Zatrzymanie robota podczas próby wejścia w strefę bezpiecznej pracy przy próbie ingerencji człowieka

W podobny sposób działa funkcja sprawdzenia bezpiecznej prędkości, co zobrazowane zostało na rysunkach 8 i 9. Gdy operator znajduje się poza barierą, robot może pracować z pełną prędkością. Kiedy bariera zostaje otwarta, funkcja kontroli zostaje załączona. W sytuacji, w której rzeczywista wartość prędkości wykracza poza wcześniej zdefiniowaną, robot zostaje zatrzymany. Funkcja DCS Position and Speed Check może zostać zdefiniowana zarówno w układzie Joint, jak i kartezjańskim. Poprzez to czyni system jeszcze bardziej uniwersalnym.

Rys. 8 Ilustracja pracy robota z prędkością 100%	Rys. 9 Aktywacja kontroli zadanej wartości prędkości X robota
1 - Robot 2 - Kontroler 3 - Bariera 4 - Operator	Warunki: V<Xmm/s -> Kontynuacja pracy V>Xmm/s -> Przerwanie pracy V – prędkość rzeczywista robota X – prędkość zdefiniowana jako bezpieczna

Safe I/O Connect Function

Funkcja ta wykonuje operacje logiczne na wejściach/wyjściach bezpieczeństwa. Pozwala na sterowanie wyjściami płyty panelu operatora, sieci DeviceNet Safety lub Ethernet/IP Safety poprzez zmianę stanu poszczególnych parametrów funkcji Position and Speed Check. Safe I/O Connect pozwala na wykonanie do 64 takich operacji. Na rysunku 10 przedstawiono przykład jednej z możliwych operacji logicznych.

Rys. 10 Ilustracja operacji logicznych funkcji Safe I/O Connect

DeviceNet Safety Function

Funkcja ta pozwala na pracę robota, jako urządzenia Slave w zdefiniowanej sieci DeviceNet Safety oraz wymianę informacji dotyczących stanu sygnałów bezpieczeństwa z zewnętrznym urządzeniem systemu bezpieczeństwa pracującym w trybie Master.

EtherNet/IP Safety Function

Funkcja ta pozwala na pracę robota jako urządzenia Adapter w zdefiniowanej sieci EtherNet/ IP Safety oraz wymianę informacji dotyczących stanu sygnałów bezpieczeństwa z zewnętrznym urządzeniem systemu bezpieczeństwa pracującym trybie Scanner.

Podsumowanie

Nowe oprogramowanie DCS uzyskało certyfikat bezpieczeństwa TUV w klasie 3 lub 4. Pozwala na zaprojektowanie systemu zabezpieczającego, z wykorzystaniem samego robota do określonych funkcji bezpieczeństwa. Reasumując, poprzez zastąpienie tradycyjnych metod zabezpieczenia przestrzeni roboczej systemem DCS, użytkownicy robotów Fanuc mogą:

• zaoszczędzić przestrzeń roboczą w hali produkcyjnej,
• uzyskać efektywne wykorzystanie przestrzeni pracy robota,
• zminimalizować koszty zastosowanego sprzętu,
• zwiększyć niezawodność systemu,
• aktywować i dezaktywować strefy bezpieczeństwa ze źródeł zewnętrznych, takich jak sterowniki PLC.

Wysoki poziom bezpieczeństwa, elastyczność i zarazem oszczędność!