小型安全激光扫描仪如何最大限度地提高保护能力和生产效率

随着工业 4.0 工厂和物流自动化的复杂性与日俱增，人们需要采用新的系统设计方法，同时最大限度地提升安全性和生产率。

工业 4.0 操作起来天然的灵活性意味着存在危险操作的位置和范围会偶尔发生变化，因此安全系统必须快速适应，需要可以重新配置、能够编程且足够灵活。

如果能够建立警告区域，在工人接近危险区域之前向他们发出警告，会是一大优势。它可以防止工人意外进入危险区域、触发安全装置和关闭机器，因此可以延长正常运行时间，提高生产率。

本文首先简要回顾了安全垫和安全激光扫描仪的国际标准，然后比较了安全垫和安全激光扫描仪的应用注意事项，并对接触式与非接触式操作、警告区域保护和可调节性等因素进行了分析。

最后介绍了 SICK 小型安全激光扫描仪实例，及其能够满足多种应用要求的原因，同时提及安装和配置选项，包括在扫描仪损坏时如何轻松更换等。

主要安全性能标准包括国际电工委员会 (IEC) 61508“电气/电子/可编程电子安全相关系统（E/E/PE 或 E/E/PES）的功能安全”、国际标准化组织 (ISO) 13849“机器安全 — 控制系统的安全相关部件”和 IEC 61496“机器安全 — 敏感防护设备”。

安全垫和安全激光扫描仪符合这些标准的各个部分要求。例如，IEC 61508 定义了一系列安全完整性等级 (SIL)。安全激光扫描仪符合 SIL 2 要求。一些安全垫也是如此，但不是所有安全垫都符合。有些安全垫只能满足 SIL 1 要求，比 SIL 2 要求要低一个数量级。

SIL 1 安全设备适用于低风险应用，故障后果并不严重，如基本机器防护、非关键流程和简单警报。SIL 2 安全设备旨在降低可能导致严重伤害或重大环境破坏的风险，但不一定是灾难性事件。

ISO 13849 采用与 SIL 类似的概念，定义了性能等级 (PL)。安全垫通常需要获得 PLc 认证，而安全激光扫描仪则必须获得更严格的 PLd 认证。某些安全垫也能满足 PLd 性能要求。

要获得认证，安全激光扫描仪必须符合 SIL 2、PLd 和 IEC 61496-3 要求，特别是针对漫反射有源光电保护装置（AOPDDR 或激光扫描仪）的要求。安全垫和安全激光扫描仪的各种安全认证意义重大，但它们只是最大限度地提高保护程度和生产效率的开始。

更多考虑

使用正确指定的安全垫和安全激光扫描仪都能满足 IEC 和 ISO 的安全要求。但这并不是故事的结束，在工业 4.0 工厂和物流自动化应用中还有更多需要考虑的问题。

安全垫是一个机械开关矩阵。当重物（如人踩在垫子上）关闭一个或多个开关时，就会向垫子控制器发送信号，从而停止受保护系统的运行。

安全垫的机械特性可能是一个需要关注的因素。首先，垫子必须与走过垫子的人直接接触才能起作用。其次，垫子会有磨损和（有时是真的）撕裂。人们可能会将沉重或锋利的工具弄掉在垫子上，从而损坏垫子（图 1）。或者叉车可能会驶过垫子，而造成垫子损坏。腐蚀性材料溢出等环境因素也会损坏垫子。

图 1：安全垫工作需要身体接触，可能会受到意外和环境危害的影响。（图片来源：SICK）

可调节性

安全垫本身是固定装置，不可调节。为满足特定的安装要求，需要有不同的尺寸和垫子配置。这可能会给工业 4.0 工厂和物流运营带来挑战，因为随着流程需求的变化，这些工厂和物流运营方式需要重新配置。

对基于安全垫的系统进行改动可能需要购置新的安全垫，从而拖延了所更换系统投入运行所需的时间。这会对机器的可用性和整体生产率造成负面影响。

将影响降到最低的方法之一是准备各种尺寸的替换安全垫。这可以加快更换和更换损坏垫子的速度，但这也很昂贵。由于并非所有安全垫都与所有控制器兼容，因此还需要准备各种安全垫控制器。

使用安全激光扫描仪可以解决这些问题。安全激光扫描仪并非基于机械开关，而是可根据各种应用需求进行调整的电子设备。

安全激光扫描仪是一种非接触式技术，使用红外 (IR) 激光对周围环境进行二维扫描。它们会发射短脉冲红外光。如果光脉冲碰到物体，就会反射到扫描仪上。根据从发射光线到反射光线返回之间的时间间隔，可以非常准确地确定物体的距离。

安全激光扫描仪能够确定与障碍物的距离，从而根据物体的距离远近提供一系列警告和保护区域。有些安全激光扫描仪可以有几十个定义区域。这对自主移动机器人的导航等应用非常有用。

SICK 的 S300 Mini Standard 安全激光扫描仪专为需要同时激活三个定义区域（一个保护区域和两个警告区域）的安全应用而优化。其尺寸为 102 x 116 x 105 mm（宽 x 高 x 深），结构紧凑，适合机器人工作单元和自动导引车 (AGV) 等应用（图 2）。

图 2：S30 Mini Standard 安全激光扫描仪与易拉罐的尺寸对比。（图片来源：SICK）

S300 Mini Standard 扫描仪的扫描角度为 270°，可覆盖大面积区域，分辨率可选，可用于手部、腿部或身体检测。这些扫描仪支持最大 8 米的警告区域范围，并有三种最大保护区域范围可供选择：

• 一米，型号 1058000
• 两米，型号 1050932
• 三米，型号 1056430

动态环境

在布局或工况不断变化或 AGV 随处移动的动态环境中，可配置的安全激光扫描仪非常有用。其检测区域可根据需要进行修改，能够适应不断变化的保护需求。

也可以设置多个警告区域以防止人们靠得太近而关闭机器。其警告信号装置可包括一个简单的闪光灯（如果第一个警告区域被突破）和一个警报器或喇叭（如果进入第二个警告区域）。计算保护区域的大小也有特定的规则可循。

安全距离计算

ISO 标准 13855“机器安全 – 与人体接近有关的防护装置的定位”规定了计算当人接近机器时停机所需最小安全距离的准则。ISO 13855 适用于多种类型的安全设备，包括安全激光扫描仪、安全光幕、压敏设备、安全垫和地板等。

这些准则可以用来计算安全激光扫描仪的安全区域大小（图 3）。安全距离 S 的常用计算公式为 S = (K × (TM + TS))+ ZG + ZR + CRO，其中：

• K = 接近速度（1,600 mm/s，在 ISO 13855 中定义）
• TM = 机器或系统的停止时间
• TS = 安全激光扫描仪和下游控制器的响应时间
• ZG = 一般补充 = 100 mm
• ZR = 与反射有关的测量误差补充
• CRO = 防止伸手的补充

图 3：ISO 13855 准则可用于计算 S300 Mini Standard 等安全激光扫描仪的安全区域（红色）大小。（图片来源：SICK）

自动导引车 (AGV)

在工业 4.0 工厂、仓库和配送中心，自动导引车 (AGV) 无需人工干预即可快速高效地移动物品。在一些 AGV 中，开关条或保险杠用于检测障碍物。这可能会限制 AGV 的行驶速度，而且开关条或保险杠可能会受到物理损坏，需要更换，从而使 AGV 暂时无法运行。

为了保持安全性、灵活性和最大的可用性，AGV 可以使用激光安全扫描仪取代作为主要安全装置的开关条和保险杠，来检测障碍物并安全停车。S300 Mini 体积小，便于集成，甚至可用于最小的 AGV（图 4）。

图 4：S300 Mini Standard 安全激光扫描仪体积小巧，可安装在小型 AGV 上。（图片来源：SICK）

使用两台安全激光扫描仪可以扩大保护区域。如果扫描仪安装在 AGV 的前角，则保护区域将延伸至车辆的前方和两侧。假设扫描仪安装在车头和车尾的对角线上。在这种情况下，保护区将环绕 AGV 的所有侧面，使其能够在两个方向上安全行驶。

配置、安装和维护

SICK 的配置和诊断软件 (CDS) 可用于通过 PC 或笔记本电脑来定义保护和警告区域。该软件具有一个用于应用设计和实现的直观界面。该软件还能计算并保存所有配置和诊断数据，以便快速调试或高效排除故障。配置和诊断可在调试或维护期间进行。

SICK 还提供用于挂载 S300 Mini 安全激光扫描仪的安装套件。套件 1a 型号为2034324，是不带光学器件保护罩的基本安装支架；套件 1b 型号为2034325，包括光学器件保护罩（图 5）。此外，还可添加补充安装支架，包括套件 2（型号2039302）和套件 3（型号2039303），可在两个平面上对齐扫描仪。两个平面的最大调整角度均为 ±11°。

图 5：安装套件 1b 包括光学保护罩。（图片来源：SICK）

该安装套件还支持快速更换损坏的扫描头。扫描仪替换头连接到永久安装在机器上的系统插头上。替换头会立即从系统插头下载配置数据，并执行已编程的安全任务，无需重新编程或手动下载配置数据。这是一个即插即用的过程，可最大限度地减少机器停机时间。

结语

S300 Mini Standard 安全激光扫描仪为工业 4.0 工厂、仓库和配送中心提供了一个强大的安全垫替代设备，同时最大限度地提高了安全性和生产率。它们符合 IEC 61508、ISO 13849 和 IEC 61496 安全标准，适用于固定装置和像 AGV 这样的移动平台。总之，S300 Mini Standard 安全激光扫描仪效果理想，配置、安装和维护非常灵活、快速。