Zachowaj dystans! — umiejscowienie AOPD zgodnie z ISO 13855

Aktywne opto-elektroniczne urządzenie ochronne (Active opto-electronic protective device, AOPD), czyli po prostu kurtyna optyczna lub skaner, może być używane do ochrony człowieka przed niebezpiecznymi elementami maszyny, zgodnie ze zharmonizowaną z dyrektywą maszynową normą ISO 13855, czyli zgodnie z zasadniczymi wymaganiami bezpieczeństwa dla maszyn. W artykule omówiono sposoby określania wymaganej odległości AOPD od elementów niebezpiecznych, uwzględniając właściwości urządzenia (rozmiary, rozdzielczość) oraz kierunek zbliżania się człowieka (prostopadły lub równoległy do obszaru wykrywania).

co jest co

Dla potrzeb niniejszych rozważań AOPD jest tożsamy ze strefą wykrywania, tzn. figurą geometryczną (w przypadku kurtyn będzie to zawsze prostokąt lub kilka prostokątów) przeczesywaną promieniami świetlnymi, która ma tę właściwość, że wykrywa pojawienie się w niej dowolnego obiektu nie mniejszego niż tzw. próg wykrywania d. Skaner od kurtyny różni się tylko tym, że promienie rozchodzą się z centralnego punktu, zatem odległość między nimi będzie rosła liniowo wraz z odległością od skanera, natomiast w kurtynie promienie są równoległe. Pomijamy tutaj wszelkie inne różnice, mające skądinąd istotny wpływ na możliwość zastosowania urządzenia w konkretnym przypadku.

Kierunek zbliżania się człowieka może być równoległy lub prostopadły do strefy wykrywania. Może, oczywiście, być też pod dowolnym innym kątem, ale norma rozróżnia tylko te dwa przypadki. Jeśli kąt pomiędzy kierunkiem zbliżania się człowieka a płaszczyzną detekcji jest mniejszy niż 30°, dostęp należy traktować jako równoległy; w przeciwnym razie — jako prostopadły.

AOPD nie stanowi fizycznej bariery, jego działanie opiera się na wysłaniu do maszyny sygnału zatrzymania po wykryciu zbliżania się obiektu (w domyśle człowieka). Aby taka ochrona była skuteczna, wykrycie musi nastąpić na tyle daleko, by maszyna (tzn. jej niebezpieczne działania) zdążyła się zatrzymać.

Uniemożliwienie uruchomienia maszyny, dopóki w obszarze wykrywania znajduje się człowiek, zostanie omówione w odrębnym artykule.

podstawowe zależności

Znając prędkość zbliżania się człowieka K można określić odległość minimalną S, którą człowiek pokonuje w czasie nie krótszym niż całkowity dobieg systemu T:

S = K × T + C,

gdzie C jest odległością możliwego wnikania przed wykryciem (będzie omówiona w poszczególnych przypadkach).

NB. W nadchodzącym wydaniu normy ISO 13855, S będzie zwana odległością rozdzielającą (separating distance).

Przez dobieg T rozumie się całkowity czas od naruszenia AOPD (a nie od wysłania przez AOPD sygnału zatrzymania) do ustania ruchów niebezpiecznych, jest on więc sumą czasu reakcji urządzenia ochronnego t₁ oraz czasu zatrzymania maszyny t₂:

T = t₁ + t₂.

NB. W nadchodzącej wersji ISO 13855 powyższy wzór spuchł do postaci T = ti + tl + to + td + tr + tm + tf — ktoś bardzo chciał się wykazać znajomością tematu.

Dla prędkości K norma proponuje dwie wartości — 1,6 m/s lub 2 m/s, tę drugą tylko na krótkich dystansach (do 0,5 m). Nie są to wartości wyliczone lub uzyskane w wyniku pomiarów antropologicznych, lecz przyjęte kiedyś i trwające siłą przyzwyczajenia,^[1]Wartości prędkości zbliżania (prędkość chodzenia oraz ruchu kończyn górnych) podane w niniejszej Normie Międzynarodowej zostały przebadane w dłuższym czasie … Continue reading ponieważ jednak jest to norma zharmonizowana z dyrektywą maszynową, warto je stosować.

Jak wyznaczyć czas T? Na etapie projektowania można próbować go jakoś oszacować, biorąc pod uwagę właściwości systemu sterowania (t₁) oraz bezwładność maszyny i sprawność hamulców (t₂), ale miarodajny jest tylko pomiar rzeczywistej maszyny. Norma zaleca wykonanie co najmniej 10 pomiarów i wyliczenie na ich podstawie wartości:

Tₑ = E + 3 σ,

gdzie E to wartość oczekiwana (średnia) wartości zmierzonych (T₁, T₂, …, Tₙ), σ — średnie odchylenie standardowe. Statystycznie dla rozkładu normalnego 99,7% populacji ma wartość nie większą niż Tₑ.

Jeśli któraś z wartości zmierzonych jest większa niż Tₑ, należy do obliczeń wziąć wartość maksymalną, w przeciwnym razie — Tₑ:

T = max(Tₑ, T₁, T₂, …, Tₙ).

prostopadle przez

Podstawową konfiguracją kurtyny optycznej jest zastosowanie jej w miejsce osłony, tzn. w taki sposób, by obszar wykrywania wypełniał otwór. Zależnie od progu wykrywania AOPD, można (teoretycznie) wetknąć pomiędzy promienie świetlne palce lub nawet całe ramię, którego urządzenie nie wykryje.

próg wykrywania	głębokość nienadzorowanego wnikania
d ⩽ 14 mm	C = 0
14 < d ⩽ 40 mm	C = 8 × (d — 14)
d > 40 mm	C = 850 mm

NB. W nadchodzącej wersji ISO 13855, dla progu wykrywania w zakresie 20 < d ⩽ 55 mm, głębokość wnikania C = 3,4 × (d — 7).

Należałoby jeszcze dodać, że dla d > 70 mm nie mówimy o kurtynach, lecz o barierach optycznych. Dla barier odległość między wiązkami optycznymi musi być d ⩽ 400 mm, bo przy większych odległościach można (wg normy) przejść pomiędzy wiązkami całym ciałem.

W przypadku skanerów należy wziąć próg wykrywania w miejscu najbardziej oddalonym od skanera.

Mając wyliczone wartości T i C, przyjmujemy K = 2 m/s i podstawiamy wszystko do wzoru S = K × T + C. Jeśli S > 50 cm, można przyjąć K = 1,6 m/s, i wyliczyć mniejsze S, ale nie mniejsze niż 50 cm.

Niezależnie od wyników obliczeń, S nie może być mniejsze niż 10 cm.

prostopadle nad

Górna krawędź obszaru wykrywania AOPD musi znajdować się na wysokości b ⩾ 90 cm, by nie dało się go (zgodnie z normą) przekroczyć. Nadal będzie jednak możliwe sięganie ponad AOPD — tym mniej, im większa wysokość b. Norma określa tę zależność w formie tabeli, w której dla określonej wysokości środka ochronnego b oraz dla określonej wysokości a, na której znajduje się element niebezpieczny, podano odległości wnikania w kierunku poziomym C (dla niepoznaki nazwane tu Cro, od Reach Over).

Poniżej uwzględniono tylko wartości maksymalne dla danej wysokości AOPD, odpowiadające elementowi niebezpiecznemu znajdującemu się na tej samej wysokości co górna krawędź strefy wykrywania (tzn. a ≈ b).

b [mm]	max C [mm]
1000	1200
1200	1100
1300	900
1400	850
1600	750
1800	550
2000	400
2200	250
2400	100
2600	0

Dla wartości nie uwzględnionych w tabeli należy wybrać mniej korzystną z wartości sąsiednich. Jeśli np. b = 150 cm, należy przyjąć C = 85 cm.

Jeśli głębokość C wnikania przez strefę wykrywania AOPD jest inna niż odległość sięgania ponad nią, do obliczeń S należy wziąć większą z tych wartości.

równolegle (nad)

Wszystko jak poprzednio, ale C zależy od wysokości H strefy wykrywania nad podłogą:^[2]można spotkać się z dostępem prostopadłym, gdy kurtyna jest pozioma, np. chroniąc poziomy otwór w obudowie; trudno natomiast wyobrazić sobie dostęp równoległy, gdy AOPD … Continue reading

C = 1200 [mm] — 0,4 H,

przy czym H ⩽ 300 mm (lub H ⩽ 200 mm, jeśli do maszyny mogą mieć dostęp dzieci) w przeciwnym razie możliwy jest dostęp całym ciałem pod strefą wykrywania.

Dodatkowo, wysokość strefy wykrywania związana jest z progiem wykrywania AOPD:

H ⩾ 15 (d — 50 [mm]).

Wynika z tego zarazem, że d ⩽ H/15 + 50 mm, czyli d ⩽ 70 mm (bo H ⩽ 300). Stąd bierze się „zasięg” skanera — to odległość, w której d = 70 mm.

Trzeba też pamiętać, że strefa wykrywania musi mieć pewną minimalną szerokość, by nie dało się jej przekroczyć — analogicznie do minimalnej szerokości mat czułych na nacisk (7.1:2). Wymagana szerokość AOPD powinna być wyraźnie mniejsza niż maty, jeśli H > 0, ale norma tego nie uwzględnia, pozostaje więc wartość określona dla mat, tj. 75 cm.

ograniczenia

Z pewnością są osoby, które potrafią poruszać się szybciej niż 2 m/s, a wiele osób potrafi skoczyć wyżej niż 90 cm.^[3]rekord świata — 245 cm Normy zharmonizowane, w tym ISO 13855, nie określają wymagań dla bezpieczeństwa absolutnego, ale dla poziomu bezpieczeństwa wymaganego przez dyrektywę. Jeśli zamontujemy kurtynę zgodnie z normą, ale znajdzie się jakiś Chuck Norris, to on co prawda ulegnie wypadkowi, lecz my będziemy mogli w karcie wypadku wpisać ze spokojnym sumieniem „zginął zgodnie z przepisami”.^[4]jak mawiał p. Jan Przybylski, który wiele lat temu wprowadzał mnie w świat bhp

Norma nie określa wprost odległości wnikania pomiędzy promieniem optycznym a przeszkodą stałą (np. podłogą), ale sugeruje (6.3:10) wartości takie jak dla sięgania pomiędzy promieniami. Jest jednak jasne, że konstrukcja fizyczna daje możliwość wnikania na większą odległość, bo można się do niej przycisnąć. Lepiej (bezpieczniej) jest więc przyjąć odległości sięgania przez otwory, określone w ISO 13857. Będzie to z kolei przeszacowanie, ale przynajmniej pozostaniemy po bezpiecznej stronie.

I wreszcie, nie można stosować normy bezrefleksyjnie. W jakimś zakładzie eksperci zalecili zamontowanie kurtyny w odległości 12 m (dwunastu metrów!) od maszyny, bo tyle im wyszło ze wzoru.

Image by wayhomestudio on Freepik