Uso de cortinas ópticas para mejorar la seguridad y medir objetos

Las cortinas de luz son una tecnología versátil. Aunque a menudo se asocian con aplicaciones de seguridad, tienen multitud de usos, como la protección de máquinas y el establecimiento de zonas protegidas; la manipulación de materiales para detectar la presencia de objetos o medir el tamaño de los objetos que pasan; garantizar el posicionamiento o la alineación adecuados de objetos para aplicaciones de embalaje y clasificación; y la detección de intrusiones y el control de acceso a zonas restringidas.

Para una comparación de las cortinas de luz y los escáneres láser de seguridad, junto con un repaso de las aplicaciones de los escáneres, véase la parte 1 de esta serie, "Cómo pueden proteger las personas y las máquinas los escáneres láser de seguridad".

En este artículo se examinan en primer lugar las especificaciones y normas de rendimiento más importantes de las cortinas de luz, se presentan ejemplos de aplicación de las cortinas de luz en los sistemas de seguridad y control de acceso y se explica el funcionamiento de las cortinas de luz de medición. Por el camino, presenta cortinas de luz ejemplares de Panasonic, IDEC, Omron y Banner Engineering.

Normas y tipos de cortinas de luz de seguridad

La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) 61496, Seguridad de las máquinas - Equipos de protección electrosensibles (EPES), define cuatro tipos de prestaciones de seguridad. Los tipos correspondientes son 2, 3 y 4. El tipo 1 no está definido para aplicaciones de cortinas de luz de seguridad.

La norma IEC 61496 añade otro nivel de requisitos a las definiciones de los niveles de integridad de la seguridad (SIL) de la norma IEC 61508 y de la Organización Internacional de Normalización (ISO) 13849, que define los niveles de rendimiento (PL).

Los SIL se clasifican de 1 a 3, siendo SIL 3 el nivel más alto, y los PL se clasifican de "a" a "e", siendo PLe el más exigente. Según la clasificación de la norma IEC 61496, las cortinas de luz se clasifican generalmente en los tipos 2 y 4, aunque algunas se clasifican en el tipo 3. Los escáneres láser de seguridad cumplen los requisitos del tipo 3. Algunos factores importantes en las clasificaciones por tipos son:

Los dispositivos de tipo 2 deben cumplir los requisitos SIL 1 y PLc. Están pensados para su uso en aplicaciones de bajo riesgo en las que los fallos pueden provocar lesiones como golpes o magulladuras, derribos, cortes leves y abrasiones, o atrapamientos pero no aplastamientos. La norma IEC 61496 exige que el dispositivo realice una autocomprobación durante la puesta en marcha y periódicamente durante el funcionamiento. Estos dispositivos carecen de los circuitos redundantes de autocontrol automático de las cortinas de luz de tipo 4. El ángulo de apertura efectiva (AEA) que define el campo de visión debe ser de ±5 grados o inferior. Esto puede dar lugar a interferencias ópticas y errores.

Los ESPE de tipo 3, como los escáneres láser de seguridad y algunas cortinas de luz, deben cumplir los requisitos SIL 2 y PLd y están "diseñados para no suponer un peligro debido a un único fallo, pero pueden suponer un peligro debido a una acumulación de fallos." Estos dispositivos también tienen requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM) más estrictos que los de tipo 2. Los dispositivos de tipo 3 son adecuados para aplicaciones en las que la seguridad es una preocupación importante.

Las cortinas ópticas de tipo 4 están diseñadas para aplicaciones en las que la seguridad es un factor importante. Deben cumplir las normas más estrictas, PLe y SIL 3. Están diseñados "para no suponer un peligro debido a un único fallo o a una acumulación de fallos". Tienen un EAA menor, de ±2.5 grados, lo que les hace menos susceptibles a las interferencias ópticas y les permite reconocer objetos con mayor facilidad. Deben cumplir los requisitos CEM más estrictos.

Las cortinas de luz de tipo 2 son hasta un 30% más baratas que las de tipo 4 debido a su óptica menos costosa y a sus circuitos de detección de fallos más sencillos. Las cortinas de luz de tipo 4 están disponibles en una gama de resoluciones más amplia, que incluye 14 mm para identificar los dedos, 30 mm para las manos, 50 mm para las piernas y 90 mm para la presencia de un cuerpo. En cambio, las cortinas de luz de tipo 2 suelen limitarse a resoluciones mayores (figura 1).

Figura 1: Las cortinas de luz de tipo 4 suelen estar disponibles con resoluciones mínimas más pequeñas que las unidades de tipo 2. (Fuente de la imagen: IDEC)

Además de detectar objetos de distintos tamaños, los haces de una cortina de luz pueden controlarse individualmente para ofrecer funciones más avanzadas como el silenciado, la supresión y la medición del tamaño y el número de objetos.

Cortinas ópticas de muting y blanking

Silenciar y suprimir una cortina de luz significa apagar toda o parte de la cortina de luz en determinadas circunstancias. El muting es un proceso automático que suspende total o parcialmente la protección de una barrera inmaterial y suele producirse durante una parte no peligrosa del ciclo de la máquina. Puede permitir la entrada de materiales en una zona de trabajo sin detener ninguna actividad peligrosa. Una vez que el material ha entrado en la zona de trabajo, se reinicia toda la funcionalidad protectora de la barrera inmaterial.

Aplicaciones típicas del silenciamiento:

• Permitir la entrada/salida de palés en una paletizadora entre operaciones
• Permitir que el material se mueva entre zonas en un proceso de fabricación automatizado sin dejar de proteger al personal cuando las máquinas están activas.

Figura 2: Al silenciar una cortina de luz se permite el paso de objetos de tamaño específico sin interrumpir el funcionamiento de la máquina (izquierda), pero se detectan otros objetos, como una mano o los dedos (derecha), y se detiene la máquina. (Fuente de la imagen: Panasonic)

El blanking consiste en apagar una parte de la barrera inmaterial sin dejar de proteger la máquina. También puede permitir el acceso limitado de personas a una zona durante un periodo seguro. Aplicaciones típicas para el blanking incluyen:

• Introducir la mano para cargar o descargar una estación de trabajo robotizada durante un periodo de seguridad
• Acceso a una punzonadora hidráulica durante el ciclo ascendente

Cortina de luz de tipo 2

Las cortinas de luz tipo 2 de la serie SG2 de IDEC están disponibles en modelos de protección manual y de presencia. Por ejemplo, el modelo SG2-90-030-OO-X está diseñado para la detección de presencia con una altura de control de 300 mm y una resolución de 90 mm. Incluye una función de prueba/reinicio y un sistema de alineación integrado para acelerar las implantaciones. Los soportes de montaje giratorios agilizan aún más la instalación y la alineación de las unidades emisoras y receptoras con facilidad, incluso en aplicaciones que utilizan espejos u operan a distancias de hasta 19 m.

Silenciamiento (muting) y blanking en entornos difíciles

Las aplicaciones de cortinas de luz de seguridad en almacenes frigoríficos con temperaturas de hasta -30 °C, procesos de trabajo del metal como máquinas de estampación que necesitan protección IP67G contra la entrada de aceite, y otras operaciones en entornos duros, polvorientos y sucios como la fabricación de automóviles y máquinas herramienta, pueden recurrir a la serie F3SG-SR de Omron. Estas cortinas de luz de tipo 4 incluyen funciones de silenciamiento y blanking fijo y flotante.

Las cortinas de luz F3SG-SR tienen alturas de protección de 160 mm a 2.480 mm. Cuando se necesita la detección de manos u otros objetos de 25 mm de diámetro, los diseñadores de sistemas de seguridad pueden recurrir al F3SG-4SRA0280-25-F que admite longitudes flexibles en incrementos de 40 mm hasta 1,000 mm utilizando 27 haces en una altura de protección de 280 mm (Figura 3).

Figura 3: Esta cortina de luz admite longitudes flexibles en incrementos de 40 mm con una altura de protección de 280 mm. (Fuente de la imagen: Omron)

Resiste la torsión, la deformación y los impactos

Cuando una cortina de luz se utiliza en lugares donde puede estar sometida a impactos y torsiones, los diseñadores de sistemas pueden recurrir a las cortinas de luz de tipo 4 de la serie SF4D de Panasonic. El modelo SF4D-H32-0, de 630 mm de longitud, tiene un grado de protección IP67, una resolución de 25 mm para proteger las manos y funciones integradas de blanking y muting.

Una de las claves de la robustez de estas cortinas de luz es el rediseño de la unidad interna, que ha permitido optimizar la carcasa para que sea más robusta y rígida. La unidad interna ocupa menos del 40% del volumen de los modelos anteriores, lo que permite aumentar considerablemente el grosor de la carcasa (figura 4). Aunque la unidad interna es más pequeña, se ha aumentado la salida óptica y el tiempo de respuesta OFF de las salidas de control es de 10 ms o menos, o de 18 ms o menos cuando se conectan en serie o en paralelo.

Figura 4: La unidad interior más compacta admite un mayor rendimiento óptico al tiempo que permite un receptáculo significativamente más grueso. (Fuente de la imagen: Panasonic)

Medición con cortinas de luz

Las cortinas de luz diseñadas para medir objetos suelen tener tres modos: barrido recto, barrido de un solo borde y barrido de doble borde. Las especificaciones clave incluyen el tamaño mínimo de detección de objetos (MODS) y la resolución de bordes (ER).

La exploración recta suele ser el modo por defecto, y los haces se exploran secuencialmente desde el extremo de la pantalla hasta el extremo opuesto de la matriz. Cuando se encuentra el primer haz desbloqueado, se determina la medición. Las sensibilidades típicas para la exploración recta utilizando el modo de bajo contraste son una MODS de 5 mm y una ER de 5 mm. Si se utiliza el modo de escáner de alta ganancia, el MODS es de 10 mm y el ER es de 5 mm. El escaneado de uno y dos bordes puede proporcionar un MODS de 10 mm y una ER de 2,5 mm.

La exploración de un solo borde comienza con el bloqueo del primer haz (el más bajo), lo que indica la presencia de un objeto. La cortina comprueba entonces la viga central. El escáner mira el cuarto de haz inferior para ver si el haz central está desbloqueado. El escáner observa el cuarto de haz superior para ver si el haz central está bloqueado.

Una vez que se ha determinado si los cuartos superiores o inferiores están bloqueados o desbloqueados, se sigue dividiendo el número de haces por la mitad hasta encontrar el borde superior del objeto.

En circunstancias en las que el primer haz no esté necesariamente bloqueado, puede utilizarse el doble filo, que comienza con la selección del tamaño del paso, normalmente 1, 2, 4, 8, 16 ó 32, según la aplicación. Comienza con la cortina que activa el haz 1. Si ese haz está bloqueado, se ha identificado la primera arista. Si no está bloqueada, la cortina activa el haz siguiente, que viene determinado por el tamaño del paso. Por ejemplo, si el tamaño del paso es 4, se activa el haz 5.

Si el haz activado se desbloquea, la cortina continúa el proceso de paso hasta encontrar un haz bloqueado. En ese momento, se utiliza una búsqueda binaria hacia atrás, hacia el inicio, para identificar el primer haz bloqueado y se identifica el borde correspondiente. El proceso se repite, esta vez utilizando la arista identificada como punto de referencia y el proceso de paso a paso para identificar un rayo desbloqueado, luego se retrocede para encontrar el rayo de mayor número que está bloqueado, identificando la segunda arista.

Figura 5: Ejemplo de secuencias de haces en una exploración de doble filo. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Cortinas de luz para medir

Las pantallas ópticas de medición A-GAGE EZ-ARRAY de Banner Engineering están diseñadas para aplicaciones como el dimensionado y perfilado de productos en tiempo real, el guiado de bordes y centros, la detección de orificios, el recuento de piezas, etc. La longitud de los emisores y receptores oscila entre 150 y 2,400 mm (Figura 6). Por ejemplo, el modelo EA5E600Q tiene 600 mm de longitud y 120 haces. Estas cortinas ópticas son compatibles con sistemas precisos de supervisión e inspección de procesos de alta velocidad, perfilado y guiado de banda. Características adicionales:

• Numerosas opciones de escaneado:
  • 16 modos de análisis de barrido (medición)
  • Tres métodos de escaneado
  • Supresión de haz seleccionable
• Interruptor DIP de seis posiciones para ajustar el modo de exploración, el modo de medición, la pendiente analógica y ajustar el discreto para medición complementaria u operación de alarma.

Figura 6: La familia de cortinas ópticas de medición A-GAGE EZ-ARRAY está disponible en longitudes de 150 mm a 2400 mm. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Conclusión:

Las cortinas de luz pueden hacer mucho más que impedir el acceso a zonas peligrosas y sensibles, protegiendo tanto a las personas como a las máquinas. Permiten controlar el acceso mediante funciones de blanking y muting para aumentar la productividad. Las cortinas de luz también admiten técnicas de medición sin contacto que miden de forma rápida y eficaz múltiples dimensiones de los objetos.