セーフティレーザースキャナで人と機械を守る方法

セーフティレーザースキャナは、産業施設や物流施設の安全に貢献します。機械と人との危険な相互作用から人を守り、人による意図しない干渉から機械を守ることができます。

セーフティレーザースキャナの効果を最大限に引き出すには、いくつかの要素が必要です。1つ目は、レーザースキャナが最適なソリューションなのか、それともライトカーテンのような別の技術がアプリケーションに適しているのかを判断することです。

スキャナが最良の選択であることが決まったら、次のような重要な決断をしなければなりません。

• 最適な安全保護フィールドとフィールドセットの選択
• 国際標準化機構(ISO)13855のような規格を使用し、人の接近に関するセーフガードを位置づける
• 正しい複数のサンプリング値の選択
• 最適な機能セットを持つスキャナの選択

この記事ではまず、スキャナを選ぶタイミングとライトカーテンを選ぶタイミングに影響する要因について説明します。その後、スキャナを使用する際の重要な選択基準を示し、IDEC、Omron、SICK、Banner Engineeringの代表的なセーフティレーザースキャナについて紹介します。

スキャナまたはカーテンの選択

まず考慮しなければならないのは、どのような物理的空間を保護するかということです。スキャナもライトカーテンも、人を危害から守り、機械を干渉から守ることができます。スキャナとライトカーテンの保護機能には重なる部分もありますが、一般的に以下のような異なる用途に適しています。

ポイントオブオペレーション保護、これは作業が行われる機械のアクティブエリアを指します。ライトカーテンは最適な場所に設置でき、指、手、足/脚を検知する分解能を設定でき、必要な保護レベルを提供できるため、この用途に適しています。スキャナは通常、応答時間が長いため、危険からの最短距離を長くとる必要があり、一般的にポイントオブオペレーション保護には使用されません。

ペリメータ保護、これは機械の複数の側面を保護します。ポイントオブオペレーション保護と同様、ライトカーテンは周辺保護のコンパクトなソリューションに適しています。もし人が周辺を横切れば、停止信号が送られ、機械は停止します。ライトカーテンもスキャナも周辺保護に使用できますが、セーフティライトカーテンは周辺保護に、スキャナはエリア保護に使用されることが多いです。

アクセスコントロールおよびエリア保護、これは特定のアプリケーションのニーズに応じて、ライトカーテンまたはスキャナを使用して実行できます。ライトカーテンは、侵入口がひとつしかない場合に適しています。たとえば、各光ビームを個別に監視、評価することで、ライトカーテンは「背の高い」人と、閾値を横切るパレットのような「背の低い」材料キャリアを区別し、それに応じて応答を修正することができます。

スキャナは275°の範囲を監視するように設定でき、ユーザーが定義した二次元の保護区域を作ることができます（図1）。また、人と保護された機械との距離に応じて複数の保護区域を設定し、適宜減速または停止させることもできます。

図1：このようなセーフティレーザースキャナは、275°の範囲を監視して2次元の保護区域を作り、その区域（赤線）に予期せぬ人や物体が入るとアラームを発することができます。（画像提供：Banner Engineering）

自律移動ロボット（AMR）や無人搬送車（AGV）のようなモバイルシステムは、複数のスキャナを使用することで恩恵を受けることができます。これらのスキャナはバッテリ駆動が可能で、協調して動作するように設置され、同時に車両周辺の数十の安全地帯を監視することができます。車両の速度、位置、予想される方向転換に応じて、さまざまな区域をアクティブ化できます。スキャナからのデータを車輪のエンコーダやその他のセンサ入力で補うことで、AMRナビゲーションをサポートすることができます。

安全性のレベルについて

保護する物理的空間が決まったら、次に考慮すべきは必要な安全性のレベルです。ライトカーテンとセーフティレーザースキャナでは、アプリケーションの利点が異なるだけでなく、さまざまな国際規格で定義された安全レベルも異なります。たとえば、ISO13849-1では、安全な制御機能の信頼性を、PLeを最高レベルとして、「a」から「e」までのパフォーマンスレベル（PL）を用いて定義しています。

セーフティレーザースキャナはPLdの基準を満たし、安全が最優先される用途に適しています。PLd格付けは、危険な故障が100万時間から1,000万時間（連続運転に基づくと141年から1,141年）ごとに発生する可能性があるシステムに与えられます。ライトカーテンはPLcからPLeまで、より幅広いオプションが用意されています。

IEC62061機械の安全性：電気、電子、プログラム可能電子制御システムの機能安全も重要な規格です。これは、ライトカーテンやセーフティレーザースキャナのような安全制御機能のリスク評価と低減戦略に基づいています。これには、機能要件仕様と安全度水準（SIL）要件が含まれます。

機能要件の例としては、動作頻度、応答時間、動作モード、デューティサイクル、動作環境、故障応答機能などがあります。その結果、SILは1から4までのスケールで測定されます（図2）。

図2：セーフティレーザースキャナはPLdとSIL3の基準を満たしており、安全性が重視される用途に適しています。（画像提供：SICK）

ISO13855は、人の接近に対してスキャナをどのように配置するかを定義しています。たとえば、スキャナが300mmの高さに取り付けられている場合、人間の脚を検出するには70mmの解像度で十分です。取り付け高さが低い場合、推奨される最小分解能は50mmです。

スキャナ仕様

セーフティレーザスキャナが、アプリケーションの要件を満たし、必要な安全レベルをサポートできると判断されたら、次は仕様を検討します。重要なスキャナの仕様の例を以下に示します。

スキャン角度。スキャン角度は190°、270°、275°など数種類用意されています。スキャン角度とその構造は、必要なエリアを監視するためにスキャナがどのようにシステムに取り付けられるかを決定します。

保護区域。セーフティレーザースキャナには、1次保護区域と1つ以上の警告区域を含む複数の保護区域があります。警告区域内の静止物体を無視する自動設定にスキャンデータを使用できるものもあります（図3）。場合によっては、セーフティレーザースキャナは複数の区域を順次または同時にスキャンすることができます。たとえば、1台のスキャナで最大70組の固有の安全区域をサポートできます。AMRでは、この機能により、スキャナは周囲の状況や移動速度に基づいてスキャンエリアを調整することができます。

図3：自動設定にスキャンデータを使用し、警告区域内の静止物体を識別するスキャナを使用することで、試運転を迅速化できます。（画像提供：IDEC）

保護フィールド範囲。これは、保護フィールドがスキャナから拡張できる最大距離です。標準的な値の範囲は3から10mです。必要な保護フィールド範囲は、地域の規制とスキャナの応答時間と分解能に依存します。

分解能。mm単位で測定され、スキャナが正確に検出できる対象物の最小サイズを決定します。標準的な値の範囲は30mmから200mmです。

応答時間。検出時間とも呼ばれ、スキャナが物体の接近をどれだけ早く認識できるかを測定します。標準的な値の範囲は60から500msです。

サンプリング。対象物をスキャナで認識するために、何回連続してスキャンする必要があるかを示します。デフォルトでは、通常少なくとも2回のサンプリングスキャンが必要です。しかし、スキャナによって、また状況によっては、対象物を認識するために10回以上の連続したサンプリングスキャンを必要とすることもあります。

デュアル保護区域

セーフティレーザースキャナには、さまざまな用途のニーズに対応するさまざまな機能と特徴があります。たとえば、IDECのSE2Lセーフティレーザスキャナには、マスター/スレーブ機能とデュアル保護区域があります。マスター/スレーブ機能により、1台のスキャナで最大3台のスキャナと通信することができます。セーフティコントローラはマスターと通信するだけでよく、マスターが命令を中継してスレーブスキャナに伝えるため、システム設計が大幅に簡素化され、低コストのコントローラを使用できるようになります。モデルSE2L-H05LPは、2から20mの長いケーブルを使用して設置することができ、柔軟性をさらに高めています。

これらのスキャナのスキャンサイクル時間は30msで、スキャンエリアに32のパターンを持つことができます。デュアルゾーン機能を使用すれば、1台のSE2Lユニットで隣接する2つの区域を独立して同時にスキャンできるため、2台目のスキャナが不要になり、システム設計が簡素化されます。

バッテリ駆動の安全性を実現する低消費電力

AGVやAMRの走行時間を延長することは、重要な検討事項になります。このようなアプリケーションでは、Omronの小型（104.5mm）セーフティレーザスキャナOS32C-SP1-4Mを使用すると便利です。消費電力は最大5W（スタンバイモードでは3.75W）で、安全区域と警告区域の組み合わせが70組用意されており、複雑な環境での使用に適しています（図4）。その他の特長は次の通りです。

• 最小分解能は30、40、50、70mmに設定できます。
• セーフティゾーンは解像度によって以下のように異なります。
  • 1.75m（分解能30mm）
  • 2.5m（分解能40mm）
  • 3.0m（分解能50mm）
  • 4.0m（分解能70mm）
• 警告区域半径最大15m
• 応答時間は80msから680msまで設定可能。
• ゾーン切り替え時間は20msから320msまで設定可能

図4：この低消費電力セーフティレーザースキャナは、70組の安全区域と警告区域の組み合わせをサポートしており、複雑な環境や動的な環境で動作するAMRに適しています。（画像提供：Omron）

サンプリングと解像度を選択できるトリプルフィールド

SICKのS300 Mini規格セーフティレーザースキャナは、検出分解能とサンプリングレベルを選択できます。たとえば、モデルS32B-2011BAは、30mm、40mm、50mm、70mmの分解能をサポートしています。複数のサンプリングと解像度を各フィールドで個別に定義でき、同時の保護フィールドも含まれます（図5）。これらのスキャナは、自由に設定可能な最大48のフィールドと、切り替え可能な16のフィールドセットをサポートしています。トリプルフィールド機能により、保護フィールドと2つの警告フィールドを同時に操作できます。

図5：S300 Mini規格セーフティレーザースキャナは、スキャンフィールドごとに複数のサンプリングレベルと異なる解像度を実装できます。（画像提供：SICK）

セーフティPLCの必要性を排除

Banner EngineeringのSX5セーフティレーザースキャナは、信号を監視して応答し、自動的にセーフガード機能を一時停止して、停止コマンドを生成することなく対象物が安全区域を通過できるようにするミューティング機能を内蔵しています。ミューティング機能により、安全区域全体を一時停止（トータルミューティング）することも、安全区域の一部だけを停止（パーシャルダイナミックミューティング）することもできます。

SX5-ME70のようなSX5マスターユニットは、SX5-Rのようなリモートユニットを最大3台まで制御できます。スキャナはインクリメンタルエンコーダ入力を読み取り、車速に応じて安全区域を変更することもできます。これらの機能により、セーフティPLCのような制御ハードウェアを追加する必要がなくなります。

まとめ

セーフティレーザスキャナは、適切に指定、設定、統合されれば、入退室管理、エリア保護、AGVやAMRを含む移動システムなどのアプリケーションで人や機械を保護するのに適しています。PLdおよびSIL3の要件を満たし、安全性が重要視される用途に適しています。これらのスキャナは、さまざまなアプリケーションのニーズに対応するため、さまざまな機能と特徴を組み合わせてご利用いただけます。