小型セーフティレーザースキャナによる保護と生産性の向上

複雑化するインダストリ4.0の工場とロジスティクスの自動化には、安全性と生産性を同時に向上させるシステム設計への新しいアプローチが求められています。

インダストリ4.0事業の柔軟な性質は、危険な作業の場所や範囲が時々変わることを意味し、安全システムは迅速に適応しなければなりません。再構成可能でプログラマブル、かつフレキシブルな安全システムが求められています。

危険区域に近づく作業員に、近づく前に警告を発する警告区域を設定できることは、大きなプラスになります。これにより、作業員が誤って危険区域に立ち入ったり、安全装置を作動させたり、機械を停止させてしまうのを防ぎます。さらに、稼働時間と生産性が向上します。

この記事では、まずセーフティマットとセーフティレーザースキャナの国際規格の概要を説明し、次にセーフティマットとセーフティレーザースキャナの用途の考慮事項に関する比較検討を行い、接触式と非接触式の操作、警告エリアの保護、調整の可否などの要因について説明します。

最後に、SICKの小型セーフティレーザースキャナの事例を紹介し、いくつかのアプリケーションの要件をどのように満たしているか、また、スキャナが破損した場合に簡単に交換できる方法など、設置や設定のオプションについて説明します。

主な安全性能規格には、国際電気標準会議（IEC）61508の「電気/電子/プログラマブル電子安全関連システム（E/E/PE、またはE/E/PES）の機能安全」、国際標準化機構（ISO）13849の「機械の安全性-制御システムの安全関連部品」、およびIEC 61496の「機械の安全性-感電保護装置」などがあります。

セーフティマットとセーフティレーザースキャナは、これらの規格のさまざまな部分を満たしています。たとえば、IEC 61508は一連の安全度水準（SIL）を定義しています。セーフティレーザースキャナはSIL 2要件に適合しています。セーフティマットの一部は適合していますが、すべて適合しているわけではありません。セーフティマットの中には、SIL 2よりも1段階低いSIL 1の要件しか満たしていないものもあります。

SIL 1安全装置は、基本的な機械警備、重要でないプロセス、単純なアラームなど、故障の影響が深刻でない低リスクのアプリケーションでの使用を目的としています。SIL 2の安全装置は、重傷事故や重大な環境破壊を引き起こす可能性のあるリスクを軽減するように設計されていますが、必ずしも大惨事になるとは限りません。

SILと同様の概念を用いて、ISO13849は性能レベル（PL）を定義しています。セーフティマットは通常PLcの認証を受けますが、セーフティレーザースキャナはより厳しいPLdの認証を受ける必要があります。セーフティマットの設置によっては、PLdの性能要件も満たすことができます。

認証を得るためには、セーフティレーザースキャナはSIL 2、PLd、IEC 61496-3（特に拡散反射に反応する能動型光電子保護装置（AOPDDR、レーザースキャナ）をカバー）を満たさなければなりません。セーフティマットやセーフティレーザースキャナに対するさまざまな安全認証の意味は重要ですが、それは保護と生産性を向上させるためのスタートに過ぎません。

その他の考慮事項

適切な仕様のセーフティマットとセーフティレーザースキャナは、いずれもIECとISOの安全要件を満たすことができます。インダストリ4.0のファクトリオートメーションおよびロジスティクスオートメーションの用途では、さらに考慮すべきことがあります。

セーフティマットは、機械式スイッチのマトリックスです。人がマットを踏むなどの重さで1つ以上のスイッチが閉じると、マットのコントローラに信号が送られ、保護されるシステムの動作が停止します。

ただし、安全マットの機械的な性質は、心配の種になります。まず、マットが動作するには、マットの上を歩く人と直接接触する必要があります。次に、マットは摩耗し、（時には文字通り）破れます。重い道具や鋭利な道具をマットの上に落とし、マットを傷つけることがあります（図1）。あるいは、フォークリフトがマットの上を通り、破損する可能性もあります。腐食性物質の流出などの環境要因もマットを傷める可能性があります。

図1：セーフティマットの操作には物理的な接触が必要であり、事故や環境上の危険によって安全性が損なわれる可能性があります。（画像提供：SICK）

調整機能

安全マットは本質的に固定設置であり、調整はできません。特定の設置条件に合わせて、さまざまなサイズとマットの構成があります。これは、プロセス要求の変更に応じて再構成される可能性があるインダストリ4.0の工場や物流業務において課題となる可能性があります。

セーフティマットベースのシステムに変更を加えるには、新しいマットの入手が必要となり、運用開始までの切り替えに必要な時間を延長することになります。これは、機械の稼働率と全体的な生産性に悪影響を及ぼす可能性があります。

影響を最小限に抑える方法のひとつは、さまざまなサイズの交換用セーフティマットを常備しておくことです。そうすることで、マットの切り替えや破損したマットの交換を迅速に行うことができます。しかし、それには費用がかかります。また、すべてのマットがすべてのコントローラに対応しているわけではないため、さまざまなセーフティマットコントローラを常備しておく必要が生じる場合もあります。

これらの問題は、セーフティレーザースキャナを使用することで解決できます。セーフティレーザースキャナは、機械的なスイッチではなく、さまざまな用途に合わせて調整可能な電子機器です。

セーフティレーザースキャナは、赤外線（IR）レーザーを使用して周囲を2次元的にスキャンする非接触技術です。短いパルスの赤外線を発光します。光のパルスが物体に当たると、その光がスキャナによって反射されます。物体までの距離は、光が発光された瞬間から反射光が戻ってくるまでの時間間隔に基づいて、高い精度で測定することができます。

障害物までの距離を測定できる能力により、セーフティレーザースキャナは、物体の近さに基づいて一連の警告および保護フィールドを設定することができます。セーフティレーザースキャナの中には、数十ものフィールドを定義できるものもあります。これは、自律走行ロボットのナビゲーションなどの用途に使用できます。

SICKのS300 Miniスタンダードセーフティレーザースキャナは、保護フィールドと2つの警告フィールドという3つの定義フィールドを同時にアクティブにする必要がある安全用途向けに最適化されています。102×116×105ミリメートル（幅×高さ×奥行き）という小型なサイズは、ロボット作業セルや無人搬送車（AGV）などの用途に最適です（図2）。

図2：S30 Miniスタンダードセーフティレーザースキャナとソーダ缶のサイズ比較。（画像提供：SICK）

S300 Miniスタンダードスキャナは、270°の広範囲をカバーするスキャン角度と、手、脚、身体の検出に適した分解能を選択できます。これらのスキャナは、最大8mまでの警告範囲に対応しており、最大保護範囲は以下のような3種類用意されています。

• 3メートル、モデル1058000
• 2メートル、モデル1050932
• 3メートル、モデル1056430

動的な環境

レイアウトや作業条件が変更されたり、AGVが移動したりする動的な環境では、設定可能なセーフティレーザースキャナが有効です。検出ゾーンは、変化する保護ニーズに合わせて必要に応じて変更することができます。

複数の警告フィールドを設定できることは、特に人が近づきすぎて機械が停止するのを防ぐのに役立ちます。警告信号装置には、最初の警告フィールドが侵害された場合は単純な点滅ライト、2番目の警告フィールドに侵入した場合は警告サイレンまたはホーンが含まれます。保護フィールドの大きさの計算には特定のルールがあります。

安全距離の計算

ISO規格13855「機械の安全性-人体の接近に対する安全装置の位置づけ」には、人が機械に接近したときに機械を停止させるために必要な最小安全距離を計算するためのガイドラインが含まれています。ISO 13855は、セーフティレーザースキャナ、セーフティライトカーテン、感圧装置、セーフティマット、セーフティフロアなど、いくつかの種類の安全装置に適用されます。

これは、セーフティレーザースキャナの防護フィールドのサイズを計算する際に役立ちます（図3）。防護最小距離Sの一般的な計算式は、S = (K × (TM + TS)) + ZG + ZR + CRO です。ここで、各記号の意味を下記に示します。

• K = 接近速度（1,600mm/s、ISO 13855で定義）
• TM = 機械またはシステムの停止時間
• TS = セーフティレーザスキャナと下流にあるコントローラの応答時間
• ZG = 一般的な安全割増分 = 100 mm
• ZR = 反射に起因する測定誤差の割増分
• CRO = 手を伸ばすことによる侵入防止の割増分

図3：ISO 13855ガイドラインは、S300 Miniスタンダードのようなセーフティレーザースキャナの防護フィールド（赤）のサイズを計算するために使用できます。（画像提供：SICK）

無人搬送車（AGV）

無人搬送車（AGV）は、インダストリ4.0の工場、倉庫、配送センターにおいて、人の手を介さずに物品を迅速かつ効率的に移動させます。一部のAGVでは、障害物を検知するためにスイッチングストリップやバンパーが使用されています。そのため、AGVの走行速度が制限されたり、ストリップやバンパーが損傷を受けたりして、交換が必要となり、AGVが一定期間使用できなくなる可能性があります。

安全性、柔軟性、最大可用性を維持するために、AGVはスイッチングストリップやバンパーを主要な安全装置として置き換えることができ、障害物を検知して安全に停止するためのレーザーセーフティスキャナを使用することができます。S300 Miniは小型であるため、最小のAGVでも容易に搭載できます（図4）。

図4：S300 Miniスタンダードセーフティレーザースキャナは小型サイズのため、小型AGVへの搭載が可能です。（画像提供：SICK）

セーフティレーザースキャナを2台使用することで、保護エリアを拡大することができます。スキャナをAGVのフロントコーナーに取り付ければ、保護エリアは車両のフロントと両サイドに広がります。仮に、スキャナを車両の前部と後部に対角線上に対向させて取り付けたとします。その場合、保護エリアはAGVの全側面を取り囲むことになり、両方向への安全な移動が可能になります。

設定、設置およびメンテナンス

SICKの設定および診断ソフトウェア（CDS）を使用して、PCまたはラップトップを使用して保護フィールドや警告フィールドを定義できます。このソフトウェアには、アプリケーションの設計と実装のための直感的なインターフェースが含まれています。またこのソフトウェアは、迅速な試運転や効率的なトラブルシューティングのために、すべての設定と診断データを計算して保存します。設定と診断は、試運転中またはメンテナンス中に実行できます。

SICKでは、S300 Miniセーフティレーザースキャナを取り付けるための取り付けキットも提供しています。キット1a、モデル2034324 は、光学系の保護カバーのない基本的な取付けブラケットで、キット1b、モデル2034325 には光学系の保護具が含まれています（図5）。さらに、キット2、モデル2039302およびキット3 モデル2039303を含む補助取り付けブラケットを追加することで、スキャナを2つの平面に配置することができます。最大調整角度は両面で±11°です。

図5：取り付けキット1bには光学系カバー保護が含まれています。（画像提供：SICK）

取り付けキットは、損傷したスキャナヘッドの迅速な交換にも対応しています。交換用スキャナヘッドは、機械に固定されたシステムプラグに取り付けます。交換用ヘッドはシステムプラグから設定データを即座にダウンロードし、プログラムされた安全タスクを実行します。プラグアンドプレイで、機械のダウンタイムを最小限に抑えます。

まとめ

S300 Miniスタンダードセーフティレーザースキャナは、インダストリ4.0の工場、倉庫、配送センターにおいて、セーフティマットに代わる堅牢な選択肢を提供し、安全性と生産性を同時に向上させます。IEC 61508、ISO 13849、IEC 61496の安全規格に適合し、固定設備やAGVのような移動プラットフォームに適しています。最後に、S300 Miniスタンダードセーフティレーザースキャナは、柔軟で迅速な設定、設置、メンテナンスをサポートします。