Las cortinas fotoeléctricas de seguridad se utilizan en todo el mundo para proteger al personal de las plantas industriales. Y, aunque la tecnología es conocida desde hace casi 70 años, las muchas aplicaciones dadas a este dispositivo no han agotado aún todo su potencial de posibilidades. En este artículo intentaré dar un nuevo enfoque sobre la utilidad de las cortinas fotoeléctricas para la seguridad de las máquinas, para el control de la producción y para la productividad; incluyendo las funciones y características disponibles hoy día. Las cortinas fotoeléctricas están tan presentes en nuestra realidad diaria que resulta muy fácil pensar que son un dispositivo sencillo: no comete errores, se instala fácilmente y sustituye a las vallas convencionales sin que tengamos que preocuparnos de nada más. Pero con el transcurso del tiempo se ha ido desarrollando una gama de cortinas fotoeléctricas cada vez más amplia y versátil. Hoy día cumplen múltiples funciones y pueden contribuir decisivamente al aumento de productividad de su compañía. Se integran en las redes locales de la planta y mejoran la automatización interna.
¿Qué es exactamente una cortina fotoeléctrica de seguridad?
La historia de la cortina fotoeléctrica
En 1951, Erwin Sick presentó su primer modelo de cortina de luz, fabricado en madera, en la "Feria alemana de invenciones y novedades" celebrada en Múnich. Ese mismo año se registró la patente de la cortina de luz según el principio de autocolimación, todo un hito histórico con el que comenzó el desarrollo de la tecnología que hoy conocemos y que ha protegido a innumerables personas de morir o sufrir lesiones a causa de las máquinas. Desde entonces, el desarrollo del hardware y el software ha ido variando sustancialmente la variedad de modelos y el funcionamiento de las cortinas fotoeléctricas de seguridad. Si bien sus características esenciales siguen siendo las mismas, es posible que aún no hayan alcanzado todo su potencial.
Especificaciones de una cortina fotoeléctrica
Por desgracia no existe un surtido estándar de versiones en las cortinas fotoeléctricas de seguridad, pues todos los fabricantes cuentan con sus propias gamas de productos con distintos tamaños, formas, resoluciones, etc. Y no obstante, el punto de partida de cualquier cortina fotoeléctrica de seguridad es siempre el riesgo del que nos queremos proteger y el espacio donde se produce ese riesgo. Sobre esta base, existen distintos requisitos en cuanto a las propiedades físicas del dispositivo. En la actualidad es la norma EN ISO 13855 el estándar armonizado para el posicionamiento de las barreras fotoeléctricas de seguridad y ayuda a los usuarios a definir las propiedades físicas. En esta sección pretendo explicar las especificaciones más importantes a considerar, aunque hay otras como el grado de protección IP, el consumo de corriente o la indicación que no trataremos aquí.
Alcance
El alcance es la distancia máxima entre emisor y receptor. En las unidades activas/pasivas también se denomina alcance a la distancia entre la parte del sistema activa y la parte pasiva. Los equipos disponen de un alcance fijo, de un alcance regulable (p. ej., bajo/alto) o bien el alcance se ajusta automáticamente (durante el arranque se ajusta la sensibilidad basándose en la distancia entre emisor y receptor). La selección del alcance correcto garantiza que las barreras fotoeléctricas de seguridad sean las más adecuadas para cumplir con su cometido ya que, por ejemplo, los reflejos emitidos por superficies cercanas pueden perjudicar la seguridad del sistema si utilizamos un dispositivo de gran potencia y alto alcance para una distancia corta. En otras ocasiones puede ser necesario un dispositivo con alto alcance para proteger áreas más grandes.
Altura del campo de protección
La altura adecuada para una cortina fotoeléctrica de seguridad está en función del acceso al punto de peligro protegido. Si solo queremos cubrir los puntos de peligro puntualmente, la cortina fotoeléctrica deberá cubrir la abertura completa. Pero si lo usamos como dispositivo de seguridad para la protección de accesos, dependiendo del número de haces necesarios y de la altura desde el suelo, incluyendo posibles excesos de altura, quizá sea necesario utilizar diferentes alturas.
Resolución
Por otra parte, la resolución de una cortina fotoeléctrica puede tener repercusión en el lugar donde está instalada con respecto al punto de peligro. Los conceptos «detección de dedos» y «detección de manos» se emplean frecuentemente para hacer referencia a resoluciones de 14 o de 30 mm. No obstante, las cortinas fotoeléctricas y los sistemas de haces múltiples pueden también presentar diferentes resoluciones o distancias de haces (p. ej. 20 mm, 40 mm, 200 mm, etc). Cuanta mayor sea la resolución, mejor será la capacidad de detección de una cortina fotoeléctrica de seguridad y más cerca se podrá montar del punto de peligro: por ejemplo, una cortina de 14 mm puede montarse más cerca que una de 30 mm. La norma EN ISO 13855 incluye muchos procedimientos de cálculo distintos para las distancias de fijación. La resolución juega aquí un importante papel, si bien la ecuación básica se muestra en la figura 2:
La norma incluye otras cosas, por ejemplo la dirección de aproximación, posibles excesos de tamaño, etc. Para distancias y protecciones de acceso mayores suele ser suficiente con una distancia de haces de 400 mm, aunque pueden hacer falta dispositivos adicionales para la detección de presencia si hay que reiniciar la máquina porque hay una persona detrás de la cortina fotoeléctrica de seguridad o de la barrera fotoeléctrica multihaz. Para tener en cuenta estos puntos es necesario realizar una evaluación de riesgos minuciosa según la norma armonizada EN ISO 12100. Por lo general, las cortinas fotoeléctricas de mayor resolución suelen ser más caras, pero usar una resolución reducida significa que la distancia entre la cortina y la fuente de peligro debe aumentarse, lo cual en una nave industrial no resulta muy beneficioso o bien puede resultar imposible.
Tipo
A la hora de seleccionar un dispositivo de seguridad para un rango de usos puede consultarse la norma armonizada EN ISO 13849 o la IEC 62061 para el diseño de los componentes relacionados con la seguridad del sistema de control (SRP/CS). Después de definir cuál es la función de seguridad deseada (por ejemplo, provocar una parada del sistema desde una cortina fotoeléctrica de seguridad), es importante definir el nivel de rendimiento (PL) o el nivel de integridad de seguridad (SIL) del SRP/CS correspondiente que debemos conseguir de cara a los posibles riesgos. No entraré aquí en detalles sobre seguridad funcional, pero sí recodaré que, según la norma IEC 61496, en los dispositivos de protección sin contacto el producto de seguridad empleado está en relación directa con los valores de PL/SIL que la función de seguridad debe alcanzar. La siguiente figura 3 muestra esta relación.
Si, por lo tanto, se requiere Ple/SIL3, por ejemplo para proteger una prensa de fuerza, se necesita un dispositivo de tipo 4.
Sistemas activos/pasivos
Para reducir el cableado y mantener unos costes bajos en la protección de accesos pueden emplearse sistemas activos/pasivos. Un sistema activo/pasivo se compone de dos partes. En una se encuentran los elementos de emisión y de recepción, mientras que en la otra hay, por ejemplo, espejos para devolver los haces de luz a los receptores, como se muestra en la figura 4. Puesto que la intensidad de un haz de luz disminuye como consecuencia de los espejos, los sistemas activos/pasivos necesitan distancias mucho más cortas que los sistemas de emisor/receptor.
Funciones de las cortinas fotoeléctricas de seguridad
La función más sencilla de una cortina fotoeléctrica consiste en cortar los haces de luz de forma que las funciones de salida se desconecten y, de esta forma, se paren los movimientos peligrosos. Si no ha ocurrido nada más y el área de detección es segura, puede realizarse un reinicio. Este tipo de procedimiento de inicio/parada puede afectar negativamente al desarrollo de la producción y a la productividad. Por eso, en el transcurso del último medio siglo las barreras fotoeléctricas han experimentado un desarrollo y se les ha dotado de nuevas funciones, como el bloqueo de rearme interno, el control de contactores (EDM), la codificación de haces, el muting, el cegado o el reconocimiento de patrones.
Bloqueo de rearme
Los dos modos de bloqueo ajustables más importantes son el manual y el automatizado. En el segundo caso, las OSSD (Output signal switching device, dispositivos de desconexión seguros) están en estado ON si los haces no se interrumpen. En el modo manual, las OSSD están en estado ON si los haces no se interrumpen y se pulsa una tecla de restablecimiento. Hay que tener en cuenta que el rearranque automático solo puede realizarse en casos especiales, es decir, cuando no es posible ser detectado por la cortina estando de pie y detrás de ella (p. ej., con una prensa pequeña de acceso solo con los brazos), véase la figura 5. Pueden existir otros requisitos.
El reinicio manual puede realizarse o bien desde un relé de seguridad externo, o desde un control lógico programable de seguridad, o bien internamente si el sistema de barreras fotoeléctricas dispone de esta función.
Control de contactores (EDM)
El nivel de protección de una función de seguridad puede incrementarse implementando una detección de errores. La norma armonizada EN ISO 13849, utilizada para el cálculo del nivel de rendimiento de un SRP/CS, utiliza el concepto de cobertura de diagnóstico para medir esta capacidad y como referencia de cuántos fallos peligrosos se detectan. Hay un método que se menciona en estas normas y que está muy extendido en el sector que se llama control de contactores (EDM, External Device Monitoring), el cual tiene una cobertura de diagnóstico del 99 % (es decir, puede detectar el 99 % de los fallos peligrosos). Esta función de supervisión es un recurso que sirve para que un dispositivo de seguridad supervise activamente el estado de los equipos externos que controla, tales como elementos de control primarios de la máquina (contactores o relés). Esto es necesario ya que los dispositivos externos por lo general no disponen de funciones de diagnóstico. Si se registra un estado no seguro en el equipo externo, el dispositivo de seguridad puede generar un bloqueo. Esto se realiza mediante la supervisión de los canales adicionales de los equipos externos, que están conectados físicamente de forma interna. Si las salidas de un dispositivo de seguridad pasan al estado HIGH, la señal EDM de retorno de los equipos de control debe pasar a LOW si el sistema se encuentra en un estado seguro. En caso contrario existe un error. En la figura 6 se muestran ejemplos para la implementación en un relé de seguridad y directamente en una cortina fotoeléctrica de seguridad.
Cegado
En algunas aplicaciones se recomienda que determinados objetos se metan un poco en el campo de protección sin que se señalice un bloqueo del área de detección. Si por ejemplo se utiliza una plataforma o un bastidor para cargar la máquina con piezas pesadas, puede emplearse la función de cegado para modificar la capacidad de detección de la cortina fotoeléctrica sin interrumpir el flujo de trabajo. Este cegado puede ser fijo o móvil, si se desea permitir una posición variable del objeto (véase figura 7).
Muting
En muchas aplicaciones de barreras fotoeléctricas de seguridad, el mecanismo de seguridad empleado debe ser capaz de dejar pasar objetos pero reaccionar a la presencia de personas. Esto es especialmente importante en tramos de transporte en los que las mercancías pasan de una zona de producción a otra, o en centros de almacenamiento automatizado en los que debe mantenerse al personal alejado de las zonas de apilado y colocación en estanterías automatizado.
Se pueden utilizar sensores para identificar un objeto (por ejemplo, la carrocería de un vehículo) y, en función de su forma y tamaño, permitirle el paso a la zona de peligro mientras se sigue controlando la presencia de personas. Esto proceso se ejecuta automáticamente y se denomina muting. Los dos métodos más comunes son el muting cruzado y el muting de cuatro sensores, tal como se muestra en la figura 8.
No obstante, existen otros muchos métodos de muting, incluyendo el uso de fotocélulas de detección sobre objeto, bucles de inducción en el suelo, el uso de escáneres láser de seguridad, muting parcial (o cegado parcial), etc. La especificación técnica 62046 puede ser útil para la detección de personas cuando se utilizan dispositivos de protección. No obstante, hay que precisar que no es lo mismo el muting que el bypass-muting: el primero es automatizado, mientras que el bypass es un modo seleccionado por el personal de mando en el que se toman además otras medidas de protección (como un mecanismo de autorización), es decir, métodos manuales.
Otro concepto usado en el contexto del muting es el "override", es decir, una activación manual del muting si han fallado las condiciones del muting automático. Esto es algo necesario, por ejemplo, si un palé se queda bloqueado en una cortina fotoeléctrica de seguridad y el sistema de transporte se para, sin embargo se necesita una alimentación de energía provisional para retirar el palé.
Detección de patrones
Existen también cortinas fotoeléctricas de seguridad que pueden ejecutar algoritmos complejos para haces de luz individuales. Estas no solo detectan si los haces se han bloqueado o no, sino también qué haces se han bloqueado y en qué orden.
Estas cortinas fotoeléctricas pueden detectar patrones, objetos y direcciones de forma fiable y garantizando así la seguridad, a la vez que los patrones conocidos pueden entrar y salir del campo de detección del dispositivo. Además, no se requieren sensores o controladores adicionales. Esta potente función puede aumentar notablemente la disponibilidad y la seguridad a la vez que permite el paso de materiales. La C4000 Fusion es un ejemplo de este tipo de dispositivo, como puede verse en la figura 9.
Codificación de haces
Debido a la similitud de las frecuencias ópticas en el espectro infrarrojo, si se utilizan varias cortinas fotoeléctricas de seguridad próximas unas a otras pueden producirse interferencias entre los sistemas, lo cual puede provocar situaciones peligrosas. Para evitarlo, algunas cortinas fotoeléctricas de seguridad disponen de una codificación de haces para que un receptor pueda diferenciar los haces de un determinado emisor y no los confunda con otro, de esta forma no se producen perturbaciones de dispositivos cercanos. El inconveniente es que una codificación de haces activa puede afectar al tiempo de reacción y el alcance de la cortina. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de definir la distancia de montaje.
Conclusión: ¿qué son las cortinas fotoeléctricas de seguridad y las barreras fotoeléctricas de seguridad multihaz?
Los dispositivos de seguridad de hoy en día están mucho más adaptados a los requisitos de la industria y pueden ejecutar una gran variedad de operaciones manuales y automatizadas para reforzar la seguridad y la productividad sin comprometer la eficiencia. No obstante, es importante saber qué características y funciones presenta una cortina fotoeléctrica de seguridad y si es necesaria para la aplicación deseada.
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Martin Kidman
Product Specialist Machinery Safety SICK (UK) Ltd.
Martin Kidman se doctoró en 2010 en la Universidad de Liverpool y lleva trabajando desde 2006 en el sector de la automatización industrial para distintos fabricantes de sensores. Desde 2013 trabaja en SICK UK Ltd. como especialista en seguridad de las máquinas para aplicaciones industriales. Además es ingeniero de seguridad funcional certificado por TÜV Rheinland, #13017/16.
