Spécification et achat de barrières immatérielles

Les barrières immatérielles sont des dispositifs de sécurité qui isolent les axes des machines dangereuses afin d'éviter les blessures des opérateurs et des autres membres du personnel de l'usine qui travaillent avec la machine ou à proximité. Les barrières immatérielles emploient un émetteur en forme de barre qui génère des faisceaux lumineux photoélectriques devant être détectés par un récepteur (Figure 1). L'interruption de tout faisceau sert à signaler aux contrôleurs des machines qu'il y a eu un mouvement dans l'espace de travail et que les opérations dangereuses doivent soit cesser, soit ralentir à des vitesses qui ne présentent aucun risque pour l'opérateur humain. L'utilisation de barrières immatérielles de sécurité est en augmentation, car elles sont moins gênantes et bien plus configurables que les barrières physiques.

Figure 1 : Les barrières immatérielles actuelles confèrent une sécurité sans précédent aux machines. Beaucoup sont conçues pour simplifier le processus de remplacement des systèmes de sécurité basés sur des capteurs de zone. (Source de l'image : Design World)

Cet article donne un aperçu des considérations à prendre en compte lors de la spécification et de l'installation de barrières immatérielles. Comme il s'agit d'une activité stratégique pour la sécurité, toutes les normes nationales et internationales pertinentes doivent être consultées avant de commencer une installation. Il est conseillé de faire appel aux services d'un installateur professionnel habitué à travailler selon ces normes. Cet article doit être considéré comme une introduction et un guide de certaines des normes pertinentes, ainsi que comme une source de connaissances de base pour aider à discuter des exigences de conception avec un installateur professionnel de systèmes de sécurité.

Identifier les dangers et les risques

Avant de spécifier un système de sécurité, il est nécessaire de procéder à une évaluation complète des risques présentés par les machines dangereuses. Cela permettra d'établir les zones dangereuses des machines et les points d'entrée potentiels. Le niveau de risque que présente un danger constituera une partie importante de la spécification des garanties appropriées.

Capacité minimale de détection des capteurs

La capacité minimale de détection du capteur est la taille minimum de l'objet qui déclenchera la barrière immatérielle. Les différentes barrières immatérielles ont des faisceaux disposés à des intervalles différents. Si la distance entre les faisceaux est de 5 mm de diamètre, un doigt inséré n'importe où à travers la barrière immatérielle entraînera une commande d'arrêt. Cependant, une capacité de détection minimum de 150 mm permettrait au personnel de l'usine d'atteindre l'intérieur de la zone couverte avec un bras entier sans provoquer l'arrêt des machines. La taille de l'objet qu'une barrière immatérielle peut détecter déterminera la distance à laquelle il doit être positionné par rapport aux parties dangereuses de la machine.

Distance minimum

Contrairement à un dispositif de protection, les barrières immatérielles n'empêchent pas physiquement une personne d'atteindre une zone dangereuse. Au lieu de cela, la barrière immatérielle donne l'ordre d'arrêter une opération dangereuse ou de la ramener à une vitesse sûre. Cela signifie que la barrière immatérielle doit être placée suffisamment loin du danger pour donner aux machines le temps de s'arrêter avant que la personne ne l'atteigne (Figure 2). Cette distance dépend de trois paramètres : la performance globale d'arrêt du système, la distance d'intrusion et la vitesse d'approche.

Figure 2 : La spécification correcte d'une barrière immatérielle exige un calcul précis de la distance de sécurité entre la zone de détection de la barrière et la zone de machines dangereuses — et ensuite le maintien d'une distance égale ou supérieure à cette valeur. Des normes existent pour aider à définir de telles distances et, en fait, la norme EN ISO 13855 sur la distance de sécurité a été réduite pour tirer parti de barrières de plus en plus performantes tout en permettant des machines de production plus compactes. (Source de l'image : Panasonic Industrial Automation Sales)

La performance globale d'arrêt du système correspond au temps total entre le passage d'une personne devant la barrière immatérielle et l'arrêt effectif de la machine. Cela inclut le retard du système de commande électrique et les effets d'inertie qui déterminent la vitesse à laquelle les machines en mouvement peuvent s'arrêter. La performance globale d'arrêt du système est représentée par la variable T.

La distance d'intrusion est la distance à laquelle une petite partie du corps, comme un doigt ou une main, peut traverser la barrière immatérielle vers la zone de danger avant que la barrière immatérielle ne soit activée. Cela est d'autant plus important lorsque la capacité minimale de détection des capteurs est élevée, pouvant signifier que seul le corps d'une personne déclencherait l'ordre d'arrêt. Dans ce cas, une personne pourrait passer à travers la barrière immatérielle et son bras n'arrêterait pas la machine.

Selon la norme EN ISO 13855 sur la distance de sécurité — établie par l'Organisation internationale de normalisation et utilisée dans le monde entier — la distance minimale à la zone dangereuse S est calculée (en mm) à l'aide de l'équation :

Où K est une vitesse d'approche humaine maximale (bras ou corps) en mm/s, T est la performance d'arrêt globale en secondes, et C est la distance d'intrusion en mm. En ce qui concerne K, la norme EN ISO 13855 définit K sur 2000 mm/s pour le mouvement le plus rapide d'un bras humain et sur 1600 mm/s pour le mouvement le plus rapide d'un corps humain.

Par exemple, supposons qu'une cellule de travail dispose d'une barrière immatérielle capable de détecter des objets de 40 mm de diamètre. La distance minimale doit d'abord être calculée en utilisant K = 2000 mm/s. Si la distance obtenue est inférieure à 100 mm (comme défini par la norme EN ISO 13855), cette valeur inférieure doit être ignorée — et une valeur de 100 mm doit être utilisée. Si la valeur résultante dépasse 500 mm (comme défini par la norme EN ISO 13855), la distance doit être calculée à nouveau en utilisant K = 1600 mm/s (pour prévenir les blessures du personnel traversant une zone dangereuse) et la nouvelle distance inférieure peut être utilisée ; à condition qu'elle ne soit pas inférieure à 500 mm. Les valeurs pour les autres capacités de détection des capteurs sont également spécifiées dans la norme ISO 13855.

Lors du calcul de la distance minimale par rapport à un robot, il faut tenir compte de la portée maximale du robot. Il ne faut pas compter sur le programme du robot pour limiter le robot à un sous-ensemble de son volume de travail complet. Toutefois, des interrupteurs de fin de course peuvent être utilisés sur les axes du robot dans le cadre d'un système de verrouillage qui limite la portée du robot en toute sécurité.

Une barrière immatérielle est-elle appropriée ?

Lors de la phase initiale de spécification du système de sécurité, il est important de déterminer si une barrière immatérielle est appropriée. Dans ce domaine, les classifications des normes de la Commission électrotechnique internationale (CEI) et ISO sont indispensables. Ces normes de sécurité sont classées en trois catégories : les normes de sécurité de base de type A, les normes de sécurité à fonction générale de type B et les normes de sécurité spécifiques aux machines de type C.

La première question est de savoir s'il existe une norme de type C pour le fonctionnement de la machine en question, et quel type de protection exactement elle exige pour cette application particulière. En fait, les normes de type C sont souvent spécifiques à la fois au type de machine et à l'industrie — et peuvent être définies par les organismes de réglementation NFPA, BN, ANSI, RIA et autres qui ont adopté au fil des ans le système EN ISO de classification des normes selon un système A-B-C. Si une norme de type C s'applique au fonctionnement de la machine, les directives de cette norme (y compris celles relatives aux barrières immatérielles) doivent être suivies. En effet, les normes de type C quantifient clairement tous les dangers et les mesures d'atténuation des risques requises pour la fonction de la machine en question, et supplantent l'utilisation de toutes les normes moins spécifiques. Si aucune norme de type C ne s'applique à la fonction de la machine et qu'une barrière immatérielle semble être une bonne option, il convient de calculer la distance minimale. Si la distance minimale est pratique, l'ingénieur de conception peut alors poursuivre la spécification d'une barrière immatérielle. Cependant, si l'espace est limité ou si une machine met beaucoup de temps à s'arrêter, il faut alors envisager une autre forme de protection (comme un dispositif de protection physique).

Types de barrières immatérielles

La norme internationale CEI 61496 classe les barrières immatérielles comme étant de type 2 ou de type 4. Les barrières immatérielles de type 2 sont moins coûteuses, avec une électronique plus lente et moins fiable. Si une défaillance se produit dans les circuits de sécurité d'une barrière immatérielle de type 2, il peut s'écouler un certain temps avant que le défaut ne soit détecté, sans aucune protection. En revanche, les barrières immatérielles de type 4 utilisent un système de recoupement automatique continu pour détecter les défaillances et les erreurs. Si une erreur se produit, le système émet immédiatement un signal d'arrêt, garantissant une protection continue.

Les barrières immatérielles pour le contrôle des points d'opération (POC) sont conçues pour être installées à proximité d'un danger, là où les opérateurs interagissent fréquemment avec une machine. Elles sont donc conçues pour la détection des doigts, des mains et des bras. Il est courant qu'un dispositif de protection physique soit utilisé sur les côtés d'une machine et qu'une barrière immatérielle POC soit installée à l'avant.

Les barrières immatérielles de contrôle d'accès au périmètre (PAC) créent un périmètre de sécurité autour d'une machine qui ne requiert pas l'approche des opérateurs. Elles n'offrent généralement qu'une détection du corps entier.

Un contrôle d'accès de zone (AAC) peut également être utilisé pour remplir cette fonction. Les PAC utilisent souvent des miroirs pour réduire le matériel de barrière immatérielle requis pour créer un périmètre complet.

Normes internationales relatives à l'installation de barrières immatérielles

Il existe un certain nombre de normes relatives à l'installation correcte des barrières immatérielles. Si une usine installe une barrière immatérielle pour une application à sécurité critique, elle doit alors se référer directement à ces normes. La norme ISO 13857 concerne l'établissement de distances de sécurité pour empêcher les membres des personnes d'atteindre les zones dangereuses. La distance de sécurité dépend d'une estimation du risque. Par exemple, lorsqu'une personne tend le bras, elle ne doit pas pouvoir s'approcher à moins de 700 mm d'un danger, ou à moins de 500 mm s'il y a un faible risque de dommage. La norme ISO 12100 vise à établir la gravité et la probabilité d'un dommage. Un faible niveau de dommage inclut des dommages réversibles tels que des ecchymoses ou des ongles cassés, ou une température et une durée de contact qui n'atteignent pas une valeur seuil de brûlure. Les seuils de brûlure sont indiqués dans la norme ISO 13732, et la norme ISO 14121 donne plus de détails sur l'estimation des risques.

Comme détaillé ci-dessus, la norme ISO 13855 décrit le positionnement des dispositifs de protection en tenant compte des vitesses d'approche des différentes parties du corps humain. Cette norme est généralement plus pertinente que la norme ISO 13857 pour les barrières immatérielles, car les barrières immatérielles n'empêchent pas une personne de pénétrer dans la zone de danger, mais arrêtent plutôt les opérations dangereuses. Il est donc important de considérer la distance qu'une personne peut parcourir dans le temps qui s'écoule entre le moment où la barrière immatérielle envoie le signal d'arrêt et celui où la machine s'arrête effectivement. La performance globale d'arrêt du système et la vitesse d'approche humaine maximum possible dictent ensemble la distance minimale de sécurité de la barrière immatérielle par rapport au processus dangereux.

La norme ISO 14119 couvre la spécification et la conception des dispositifs de verrouillage associés aux dispositifs de protection physiques. Bien qu'elle ne mentionne pas explicitement les barrières immatérielles, de nombreux principes sont pertinents.

La norme ISO 14120 couvre la spécification et la conception des dispositifs de protection physiques eux-mêmes et est donc moins pertinente pour les installations de barrières immatérielles. Cependant, les barrières immatérielles sont souvent associées à des dispositifs de protection physiques. Par exemple, des dispositifs de protection physiques peuvent être utilisés pour empêcher l'accès à une zone de danger par les côtés, avec une barrière immatérielle à l'avant de la zone. Il peut donc être nécessaire de consulter également la norme ISO 14120.

Conclusion

Les barrières immatérielles peuvent améliorer considérablement le côté pratique de l'utilisation des machines. Elles offrent une vue claire du volume de travail de la machine et permettent aux opérateurs d'accéder à l'intérieur pour retirer des composants ou installer des équipements sans avoir à ouvrir les dispositifs de protection.

Cependant, les barrières immatérielles n'offrent pas toujours le même niveau de protection, notamment contre les projectiles éjectés lors du fonctionnement des machines.

Il est également important de se rappeler que pour permettre une performance d'arrêt globale, les barrières immatérielles sont généralement montées plus loin de la zone de danger que les dispositifs de protection. Tous ces éléments sont des considérations importantes lors de la sélection d'une mesure de protection appropriée.