セーフティライトカーテンは、世界中の工場関係者の安全を守るために活用されています。しかし、約70年前に開発された技術であるにもかかわらず、その能力を十分に活用できていない場面も多いのではないでしょうか。 そこで、ライトカーテンが機械の安全性、工場管理、生産性向上にどのような貢献ができるのか、機能や特徴、利点などを本記事にまとめています。
ライトカーテンはあまりに一般的であるため、単純なオン／オフ装置、つまりフェールセーフで防護柵の代用品と見なされがちです。しかし、ライトカーテンは多機能に進化しており、生産性に貢献し、工場のローカルエリアネットワークと統合して工場全体の自動化をサポートすることができます。
1951年、SICKの創設者であるエルヴィン・ジックはミュンヘンで開催された見本市にライトカーテンの最初の木製モデルを出品しました。
その後、オートコリメータの原理に基づいたライトカーテンが特許登録され、今日の技術開発の始まりとなる技術的なブレイクスルーとみなされました。
それ以来、ハードウェアとソフトウェアの開発は、セーフティライトカーテンの多様性と用途を一変させました。
すべてのメーカーがさまざまなサイズ、形状、解像度などを含む独自の製品を提供しているため、セーフティライトカーテンの既製の「メニュー」というものは実際には存在しません。しかし、安全アプリケーションのすべての出発点は、セーフティライトカーテンです。
常に防御したい危険とそれに対応する空間の理解が重要です。これに基づいて、ライト カーテンの物理的特性に関して考慮すべきさまざまな属性があります。現在、EN ISO 13855 は、セーフティ ライトカーテンの位置決めに関する統一規格であり、これらの物理的属性のどれを採用するかを決定するのに役立ちます。このセクションでは、考慮すべき主な仕様について考えてみます。
範囲は送信者と受信者の間の最大距離です。アクティブ/パッシブユニットの場合、アクティブ部分とパッシブ部分の間の距離もスキャン範囲と呼ばれます。製品は、固定範囲、選択可能な範囲 (低/高など)、または自動調整範囲 (起動時に、送信側と受信側の間の距離に基づいて調整されます) のいずれかで利用できます。正しい範囲を選択すると、セーフティ ライト ビーム システムが用途に最適であることが保証されます。たとえば、高出力で長距離のデバイスを短距離で使用する場合、近くの表面からの反射により設置が安全でなくなる可能性があります。一方で、ハイビームが必要な広いエリアを保護するには、長距離デバイスが必要になる場合があります。
セーフティライトビームシステムの高さは、危険物へのアクセスに基づいて選択する必要があります。たとえば、ライトカーテンが点保護を目的としている場合、ライト カーテンは開口部全体をカバーする必要があります。ただし、安全製品がアクセス保護を目的としている場合は、必要なビームの数と、床からの高さに手を伸ばす可能性を加えた高さに基づいて、異なる高さを使用できます。
ライトカーテンの解像度も、ハザードに対する取り付け位置に影響を与える可能性があります。 「指の保護」と「手の保護」という用語は、それぞれ 14 mm と 30 mm の解像度を指すことがよくあります。ただし、ライトカーテンやマルチビームシステムは、異なる解像度やビーム間隔 (例: 20 mm、40 mm、200 mm など) を持つこともあります。解像度が高いほど、セーフティライトカーテンの検出能力が向上するため、デバイスを危険物の近くに取り付けることができます (つまり、14 mm ライトカーテンは 30 mm ライトカーテンよりも近くに取り付けることができます)。 EN ISO 13855 には、取り付け距離と解像度に関するさまざまな計算が多数含まれており、大きな影響を与える可能性がありますが、基本的な式は図 2 です。
この規格は、接近方向、到達可能性などの追加事項もカバーしています。より長い距離とアクセス保護の場合、通常は 400 mm のビーム分離で十分ですが、人がライトカーテンや安全装置の後ろにいる間にマシンがリセットされる可能性がある場合、存在検知のための追加装置が必要になる可能性があります。これらの点を考慮して、基本安全規格 EN ISO 12100 に従った徹底的なリスク評価を実行する必要があります。通常、高解像度のライトカーテンは低解像度のものより高価ですが、低解像度に切り替えると、セーフティライトカーテンと危険物との間 の距離を長くする必要があり、これは工場現場では非現実的か不可能な可能性があります。
アプリケーション用の安全装置を選択する場合、機能安全規格 EN ISO 13849 または IEC 62061 を使用して、制御システム (SRP/CS) の安全関連部品を設計できます。安全機能の定義（セーフティライトカーテンを使用した停止の開始など）に続いて、関連するSRP/CSがリスクに基づいて達成すべきパフォーマンス・レベル（PL）または安全完全性レベル（SIL）を決定することが重要です。ここでは機能安全については詳しく説明しませんが、電気感応性保護装置の場合、IEC 61496 に準拠したセーフティライトビームシステムは、安全機能が達成できる PL/SIL に直接関係します。次の図は、その関係を反映したものです (図 3)。
したがって、たとえば動力プレスを保護するために PLe/SIL3 が必要な場合は、タイプ 4 のデバイスが必要になります。
配線を節約し、アクセス保護アプリケーションのコストを抑えるために、アクティブ/パッシブシステムを使用できます。アクティブ/パッシブシステムは 2 つのデバイスで構成されます。一方のデバイスには発光素子と受光素子の両方が含まれ、もう一方のデバイスには、たとえばビームを偏向させて受光器に戻すために使用されるミラーが含まれています（図4）。
ミラーは光ビームの強度を低下させるため、アクティブ/パッシブシステムは通常、送信/受信システムよりも距離が短くなります。
ライトカーテンの最も単純な機能は、光ビームが遮られて出力がオフになり、関連する危険な動作の停止を知らせることです。事故が発生しておらず、エリアが安全な場合は、リセットを実行できます。この停止/開始スタイルの安全な操作は、工場のフローと生産性に混乱をもたらす可能性があるため、ライト カーテンは過去半世紀にわたって進化し、内部リセット、外部デバイス監視 (EDM)、ビームコーディング、ミューティング、ブランキングなどの複数の機能を実行してきました。
設定できる 2 つの主なインターロックモードは自動化されています。ビームがフリーの場合、出力安全スイッチング デバイス (OSSD) が High になります。手動 の場合、ビームがフリーになってからリセット ボタンが押されると、OSSD がHighになります。自動再始動が使用できるのは、ライトカーテンの後ろに立つことが不可能で検知されない場合に限られます（例：腕だけでアクセスできる小型プレス機） (図 5)。 さらに要件が適用される場合もあります。
故障検出を実装すると、安全機能の安全性能のレベルを高めることができます。 SRP/CS のパフォーマンス レベルの計算に使用される規格 EN ISO 13849 では、この機能を測定する診断カバレッジ (DC) という用語が説明されています。これは、危険な障害がどれだけ検出されたかを示す尺度です。これらの規格にリストされ、業界で広く使用されている 1 つの方法は、99% の診断範囲を持ち (危険な障害の 99% を検出できる)、外部機器監視 (EDM)と呼ばれています。
この監視機能は、安全装置が機械一次制御要素 (MPCE)、コンタクタ、リレーなど、制御対象の外部装置の状態をアクティブに監視する手段です。通常、外部機器には独自の診断機能がないため、これが必要になります。外部機器で危険な状態が検出された場合、安全機器がロックアウトされる可能性があります。これは、内部で物理的にリンクされている外部機器の相補チャネルを監視することによって実行されます。安全装置の出力が High になった場合、システムが安全な状態であれば、最終スイッチング デバイスから返される EDM 信号は Low になる必要があります。そうでない場合は、故障があります。セーフティリレーへの実装例およびセーフティライトカーテンへの直接実装例については、図6を参照してください。
アプリケーションによっては、検出ゾーンの障害物を知らせることなく、特定の物体がライト カーテン フィールドを通って突き出ることを許可することが望ましい場合があります。
たとえば、重いワークを機械に供給するために必要なサポートテーブルやラックを使用する場合、ブランキング機能を適用してライトカーテンの検出能力を変更すれば、ワークフローを中断することがありません。ブランキングは固定またはフローティングのいずれかで、オブジェクトの位置を可変にすることができます。図 7 を参照してください。
セーフティライトビームシステムの多くの用途では、安全装置は人の存在に反応しながら物体の通過を許可できなければなりません。これは、ある生産エリアから別の生産エリアに商品が移動する搬送ラインや、スタッフが自動スタッキングおよび棚付けエリアから除外される自動倉庫作業において特に重要です。
センサを使用すると、人の存在を検出しながら、物体 (車体など) を識別し、その形状や大きさに基づいて危険ゾーンへの進入を許可できます。これは自動であり、ミューティングと呼ばれます。図 8 に示すように、ミューティングの最も一般的な 2 つの方法は、クロスビームミューティングと 4 センサミューティングです。
ただし、フォトセルの使用、接地誘導ループ、セーフティレーザースキャナの使用、部分ミューティング (部分ブランキング) など、ミューティングにはさまざまな方法があります。技術仕様 IEC/TS 62046 は、人体検知用保護装置の適用に役立ちます。ただし、ミューティングはバイパスと同じではないことを理解することが重要です。ミューティングは自動化されますが、バイパスはオペレーターによって選択されるモードであり、手動です。
ミューティングに関連するもう 1 つの用語は「オーバーライド」です。これは、ミューティング条件にエラーが発生した後にミューティングを手動でトリガーすることです。これは、たとえばパレットがセーフティライトカーテンに挟まれてコンベアが停止し、パレットを取り除くために一時的にコンベアに電力が必要な場合など、システムを正常にするために必要です。
個々のビームに対して複雑なアルゴリズムを実行できるセーフティ ライト カーテンがいくつかあります。これは、ビームが遮られているかどうかだけでなく、どのビームがどの順序で遮られているかも検出できることを意味します。
ライトカーテンは、パターン、物体、および方向を安全に検出でき、安全性を維持しながら、既知のパターンがライトカーテンの検出ゾーンに出入りすることを許可します。さらに追加のセンサや制御は必要ありません。この強力な機能により、可用性がトップレベルに向上し、安全性が向上すると同時に、材料の通過が可能になります。 C4000 Fusion はそのようなデバイスの一例です。図 9 を参照してください。
マルチビームシステムは赤外線スペクトルの同様の光周波数で動作するため、複数のセーフティライトカーテンを近接して使用すると、システム間で干渉が発生する可能性があり、危険な状況を引き起こす可能性があります。これを克服するために、一部のセーフティライトカーテンは、受信機が特定の送信機からのビームを区別し、近くにある別のデバイスの影響を受けないようビーム コーディングを提供しています。ただし、ビームコーディングが有効になっている場合、セーフティライトカーテンの応答時間や範囲に影響を与える可能性があり、取り付け距離に影響を与える可能性があるため考慮する必要があります。
ここまで、セーフティライトカーテンについて解説しました。
現在の安全装置の設置は生産ニーズに極めて適合しており、セーフティライトビームシステムが効率を犠牲にするのではなく、安全性と生産性を確実に支援する幅広い手動および自動アクションを可能にしています。ただし、セーフティライトカーテンでどのような特徴や機能が利用できるのか、またアプリケーションで実際にそれらが必要かどうかを知ることが重要です。
下記の当社該当製品のリンク等を是非ご参考にされてください。
Product Specialist Machinery Safety SICK (UK) Ltd.
Martin Kidman gained his Ph.D. at the University of Liverpool in 2010 and has been involved in Industrial Automation since 2006 working for various manufacturers of sensors. He has been at SICK UK Ltd. since 2013 as a product specialist for machinery safety providing services, support and consultancy for industrial safety applications. He is also a certified Functional Safety Engineer (TUV Rheinland, #13017/16).
