Utilisation de barrières immatérielles pour améliorer la sécurité et mesurer des objets

La technologie des barrières immatérielles de sécurité est polyvalente. Bien qu'elles soient souvent associées à des applications de sécurité, les barrières immatérielles trouvent une multitude d'utilisations, notamment la protection des machines et l'établissement de zones protégées ; la manutention de matériaux pour détecter la présence d'objets ou mesurer la taille des objets qui passent ; le positionnement ou l'alignement correct des objets pour les applications de conditionnement et de tri ; ainsi que la détection d'intrusion et le contrôle d'accès à des zones réglementées.

Pour obtenir une comparaison des barrières immatérielles et des scanners laser de sécurité, ainsi qu'un examen des applications des scanners, se reporter à la première partie de cette série, « Comment les scanners laser de sécurité peuvent protéger les utilisateurs et les machines ».

Cet article commence par examiner les principales spécifications et normes de performances relatives aux barrières immatérielles, présente des exemples d'application de la façon dont les barrières immatérielles sont utilisées dans les systèmes de sécurité et de contrôle d'accès, et explique le fonctionnement des barrières immatérielles de mesure. Il présente également des barrières immatérielles exemplaires de Panasonic, d'IDEC, d'Omron et de Banner Engineering.

Normes et types de barrières immatérielles de sécurité

Quatre types de performances de sécurité sont définis dans la norme CEI (Commission électrotechnique internationale) 61496, Sécurité des machines – Équipements de protection électrosensibles (ESPE). Les types concernés sont les suivants : 2, 3 et 4. Le type 1 n'est pas défini pour les applications de barrières immatérielles de sécurité.

La norme CEI 61496 ajoute un nouveau groupe d'exigences aux définitions des niveaux d'intégrité de sécurité (SIL) de la norme CEI 61508 et de l'Organisation internationale de normalisation (ISO) 13849, qui définit les niveaux de performances (PL).

Les niveaux SIL sont classés de 1 à 3, SIL 3 étant le niveau le plus élevé, tandis que les niveaux de performances PL varient de « a » à « e », le niveau PLe étant le plus exigeant. Selon les classifications de la norme CEI 61496, les barrières immatérielles relèvent généralement des types 2 et 4, bien que certaines soient classées comme dispositifs de type 3. Les scanners laser de sécurité répondent aux exigences du type 3. Parmi les facteurs importants dans la classification des types, on peut mentionner les points suivants :

Les dispositifs de type 2 doivent répondre aux normes SIL 1 et PLc. Ils sont destinés à être utilisés dans des applications à faible risque où des défaillances peuvent entraîner des blessures telles que des chocs ou des contusions, des chutes, des coupures sans gravité et des écorchures, ou un coincement mais pas un écrasement. La norme CEI 61496 exige que le dispositif effectue un autocontrôle au démarrage et de façon régulière pendant le fonctionnement. Ces dispositifs sont dépourvus des circuits redondants d'autocontrôle automatique des barrières immatérielles de type 4. L'angle d'ouverture efficace (EAA) qui définit le champ de vision doit être inférieur ou égal à ±5 degrés. Cela peut entraîner des erreurs et des interférences optiques.

Les équipements de protection électrosensibles (ESPE) de type 3, à l'instar des scanners laser de sécurité et de quelques barrières immatérielles, doivent être conformes aux normes SIL 2 et PLd et sont « conçus pour ne pas présenter de danger à la suite d'une défaillance unique, mais peuvent présenter un danger à la suite d'une accumulation de défaillances ». Ces dispositifs sont également soumis à des exigences plus strictes en matière de compatibilité électromagnétique (CEM) que les dispositifs de type 2. Les dispositifs de type 3 conviennent aux applications où la sécurité est une préoccupation importante.

Les barrières immatérielles de type 4 sont conçues pour les applications où la sécurité est primordiale. Elles doivent répondre aux normes les plus élevées, à savoir PLe et SIL 3. Elles sont conçues « pour ne pas présenter de danger en raison d'une défaillance unique ou d'une accumulation de défaillances ». Elles présentent un angle d'ouverture efficace (EAA) plus petit de ±2,5 degrés, ce qui les rend moins sensibles aux interférences optiques et leur permet de reconnaître plus facilement les objets. Elles doivent répondre aux exigences les plus strictes en matière de compatibilité électromagnétique.

Les barrières immatérielles de type 2 coûtent jusqu'à 30 % de moins que les barrières immatérielles de type 4 en raison de leurs composants optiques moins onéreux et de leurs circuits de détection de pannes plus simples. Les barrières immatérielles de type 4 sont disponibles dans un plus grand nombre de résolutions, notamment 14 mm pour l'identification des doigts, 30 mm pour les mains, 50 mm pour les jambes et 90 mm pour la présence d'un corps. En revanche, les barrières immatérielles de type 2 sont généralement limitées à des résolutions plus élevées (Figure 1).

Figure 1 : Les barrières immatérielles de type 4 sont généralement disponibles avec des résolutions minimales inférieures à celles des unités de type 2. (Source de l'image : IDEC)

Outre la détection d'objets de différentes tailles, les faisceaux d'une barrière immatérielle peuvent être contrôlés individuellement afin d'offrir des fonctions plus avancées telles que l'inhibition, le masquage et la mesure de la taille et du nombre d'objets.

Inhibition et masquage des barrières immatérielles

L'inhibition (muting) et le masquage (blanking) d'une barrière immatérielle consistent à désactiver tout ou partie de la barrière immatérielle dans des circonstances spécifiques. L'inhibition est un processus automatique qui suspend tout ou partie de la protection offerte par une barrière immatérielle et se produit généralement pendant une phase non dangereuse du cycle de la machine. Cela peut permettre aux matériaux de pénétrer dans une zone de travail sans pour autant arrêter les activités dangereuses. Une fois que le matériau a pénétré dans la zone de travail, la fonctionnalité de protection complète de la barrière immatérielle est rétablie.

Les applications types de l'inhibition sont les suivantes :

• Permettre l'entrée/sortie de palettes sur une machine de palettisation entre deux opérations
• Permettre aux matériaux de circuler entre les zones dans un processus de fabrication automatisé tout en protégeant le personnel lorsque les machines sont actives

Figure 2 : L'utilisation de la fonction d'inhibition d'une barrière immatérielle permet de laisser passer des objets de taille spécifique sans interrompre le fonctionnement de la machine (à gauche), mais détecte d'autres objets comme une main ou des doigts (à droite) et arrête la machine. (Source de l'image : Panasonic)

Le masquage consiste à désactiver une partie de la barrière immatérielle sans pour autant empêcher la machine d'être protégée. Cela peut également permettre aux personnes d'accéder de manière limitée à une zone pendant une période sans risque. Les applications types du masquage sont les suivantes :

• Intervenir pour charger ou décharger un poste de travail robotisé pendant une période sans risque
• Accéder à une poinçonneuse hydraulique pendant le cycle ascendant

Barrière immatérielle de type 2

Les barrières immatérielles série SG2 de type 2 d'IDEC sont disponibles en modèles de protection des mains et de détection de présence. Par exemple, le modèle SG2-90-030-OO-X est conçu pour la détection de présence avec une hauteur de contrôle de 300 mm et une résolution de 90 mm. Il comprend une fonction de test/redémarrage et un système d'alignement intégré pour accélérer le déploiement. Les supports de montage rotatifs accélèrent encore davantage l'installation et l'alignement des unités d'émission et de réception, même dans les applications utilisant des miroirs ou fonctionnant sur des distances pouvant atteindre 19 m.

Inhibition et masquage dans des environnements difficiles

Les applications de barrières immatérielles de sécurité dans les entrepôts frigorifiques avec des températures pouvant descendre jusqu'à -30°C, les processus de travail des métaux comme les machines d'estampage qui nécessitent une protection IP67G contre la pénétration d'huile et d'autres opérations dans des environnements difficiles, poussiéreux et sales comme la fabrication automobile et les machines-outils peuvent tirer parti de la série F3SG-SR d'Omron. Ces barrières immatérielles de type 4 incluent des fonctions d'inhibition ainsi que des fonctions de masquage fixes et flottantes.

Les barrières immatérielles F3SG-SR présentent des hauteurs de protection de 160 mm à 2480 mm. Lorsque la détection de mains ou d'autres objets de 25 mm de diamètre est nécessaire, les concepteurs de systèmes de sécurité peuvent se tourner vers le modèle F3SG-4SRA0280-25-F qui prend en charge des longueurs flexibles par incréments de 40 mm jusqu'à 1000 mm en utilisant 27 faisceaux pour une hauteur de protection de 280 mm (Figure 3).

Figure 3 : Cette barrière immatérielle prend en charge des longueurs flexibles par incréments de 40 mm avec une hauteur de protection de 280 mm. (Source de l'image : Omron)

Résistance à la torsion, à la déformation et aux chocs

Lorsqu'une barrière immatérielle est utilisée dans des endroits où elle pourrait être soumise à des chocs et à des torsions, les concepteurs de systèmes peuvent se tourner vers les barrières immatérielles de type 4 de la série SF4D de Panasonic. Le modèle SF4D-H32-0, d'une longueur de 630 mm, bénéficie d'un indice de protection IP67, d'une résolution de 25 mm pour la protection des mains et de fonctions d'inhibition et de masquage intégrées.

L'un des éléments clés de la robustesse de ces barrières immatérielles réside dans la refonte de l'unité interne qui a permis d'optimiser la robustesse et la rigidité du boîtier. L'unité interne occupe moins de 40 % du volume des modèles précédents, ce qui permet d'augmenter considérablement l'épaisseur du boîtier (Figure 4). Même si l'unité interne est plus compacte, le rendement optique a été accru et le temps de réponse OFF des sorties de contrôle est inférieur ou égal à 10 ms, ou inférieur ou égal à 18 ms lorsqu'elles sont connectées en série ou en parallèle.

Figure 4 : L'unité intérieure plus compacte prend en charge un rendement optique plus élevé tout en permettant un boîtier beaucoup plus épais. (Source de l'image : Panasonic)

Effectuer des mesures à l'aide de barrières immatérielles

Les barrières immatérielles conçues pour mesurer des objets proposent généralement trois modes : balayage rectiligne, balayage sur un seul bord et balayage sur deux bords. Les principales spécifications comprennent la taille minimale de détection des objets (MODS) et la résolution des bords (ER).

Le balayage rectiligne est généralement le mode par défaut et les faisceaux sont balayés séquentiellement depuis l'extrémité de l'affichage jusqu'à l'extrémité opposée de la matrice. Lorsque le premier faisceau non bloqué est rencontré, la mesure est effectuée. Les sensibilités typiques pour un balayage rectiligne en mode faible contraste correspondent à une valeur MODS de 5 mm et à une valeur ER de 5 mm. Si le mode scanner à gain excédentaire élevé est utilisé, la valeur MODS est de 10 mm et la valeur ER de 5 mm. Le balayage sur un seul ou sur deux bords permet d'obtenir une valeur MODS de 10 mm et une valeur ER de 2,5 mm.

Le balayage sur un seul bord commence par le blocage du premier faisceau (le plus bas), ce qui indique la présence d'un objet. La barrière vérifie ensuite le faisceau central. Le scanner examine le quart de faisceau inférieur pour vérifier si le faisceau central est débloqué. Le scanner examine le quart de faisceau supérieur pour vérifier si le faisceau central est bloqué.

Une fois qu'il a été déterminé si les quarts de faisceaux supérieur ou inférieur sont bloqués ou débloqués, le nombre de faisceaux est divisé par deux jusqu'à ce que le bord supérieur de l'objet soit trouvé.

Dans les cas où le premier faisceau n'est pas nécessairement bloqué, le balayage sur deux bords peut être utilisé et commence par la sélection de la taille du pas, généralement 1, 2, 4, 8, 16 ou 32, selon l'application. Cela commence par l'activation du faisceau 1 par la barrière. Si ce faisceau est bloqué, le premier bord a été identifié. S'il n'est pas bloqué, la barrière active le faisceau suivant, qui est déterminé par la taille du pas. Par exemple, si la taille du pas est de 4, le faisceau 5 est activé.

Si le faisceau activé est débloqué, la barrière continue le processus pas-à-pas jusqu'à ce qu'un faisceau bloqué soit trouvé. À ce stade, une recherche binaire est effectuée pour revenir au début afin d'identifier le premier faisceau bloqué et le bord correspondant est identifié. Le processus recommence, cette fois en utilisant le bord identifié comme point de référence et le processus pas-à-pas pour identifier un faisceau non bloqué, puis en revenant en arrière pour trouver le faisceau ayant le numéro le plus élevé qui est bloqué, afin d'identifier le deuxième bord.

Figure 5 : Exemple de séquences de faisceaux dans un balayage sur deux bords. (Source de l'image : Banner Engineering)

Barrières immatérielles pour effectuer des mesures

Les rideaux lumineux de mesure A-GAGE EZ-ARRAY de Banner Engineering sont conçus pour des applications telles que le dimensionnement et le profilage de produits en temps réel, le guidage des bords et du centre, la détection de trous, le comptage de pièces, etc. Les émetteurs et les récepteurs mesurent entre 150 et 2400 mm de longueur (Figure 6). Par exemple, le modèle EA5E600Q mesure 600 mm de long et possède 120 faisceaux. Ces barrières immatérielles prennent en charge des systèmes précis de surveillance et d'inspection des processus à haute vitesse, d'analyse de profils et de guidage des bandes. Les fonctionnalités supplémentaires incluent :

• De nombreuses options de balayage :
  • 16 modes d'analyse par balayage (mesure)
  • Trois méthodes de balayage
  • Effacement du faisceau sélectionnable
• Commutateur DIP à six positions pour le réglage du mode de balayage, du mode de mesure et de la pente analogique, ainsi que pour le réglage discret pour une mesure complémentaire ou le fonctionnement de l'alarme.

Figure 6 : La famille de barrières immatérielles de mesure A-GAGE EZ-ARRAY est disponible dans des longueurs de 150 mm à 2400 mm. (Source de l'image : Banner Engineering)

Conclusion

Les barrières immatérielles jouent un rôle bien plus important que celui d'empêcher l'accès aux zones dangereuses et sensibles, en protégeant à la fois les personnes et les machines. Elles permettent un accès contrôlé à l'aide de fonctions d'inhibition et de masquage pour accroître la productivité. Les barrières immatérielles peuvent également prendre en charge des techniques de mesure sans contact qui mesurent rapidement et efficacement les dimensions multiples des objets.