Барьеры безопасности и световые завесы: защита персонала на прессах, штамповочных линиях и робото-ячейках

Световая завеса безопасности и фотоэлектрический барьер — это устройства с четко определенными техническими параметрами, от которых зависит, остановит ли система оборудование до того, как рука оператора достигнет рабочего инструмента, или уже после. Правильный выбор здесь в первую очередь инженерная задача: подобрать разрешение, высоту защитного поля, дистанцию срабатывания и логику выхода под конкретный станок и конкретный производственный процесс.

Выясним, в чем разница между барьером и световой завесой, какие параметры определяют выбор, и как они соотносятся с реальными задачами на прессах, штамповочных линиях и в робото-ячейках.

Барьер безопасности и световая завеса: в чем разница

Термины «барьер безопасности» и «световая завеса» часто используют как синонимы, но это не совсем точно.

• Фотоэлектрический барьер — это система из отдельных пар «излучатель-приемник», размещенных на нескольких оптических осях вдоль общего корпуса. Каждая ось — самостоятельный световой луч. Если хотя бы один луч перекрыт, система выдает сигнал останова. Барьеры применяют для обнаружения тела или руки человека: расстояние между осями (шаг) определяет минимальный размер объекта, который будет обнаружен.
• Световая завеса безопасности — устройство того же принципа действия, но с нормируемыми характеристиками под требования стандартов функциональной безопасности (IEC 61496, EN ISO 13849). Завесы имеют подтвержденный уровень безопасности (SIL или PL), самодиагностику и двойные независимые выходы — два канала OSSD (Output Signal Switching Device). При любом внутреннем отказе завеса переходит в безопасное состояние и выдает сигнал останова.

Для формальной защиты опасных зон производственного оборудования по требованиям технических регламентов применяют именно световые завесы безопасности. Фотоэлектрические барьеры общего назначения используют там, где задача — обнаружение присутствия человека или объекта без сертифицированных требований к уровню безопасности.

Ключевые параметры при выборе световой завесы

Прежде чем смотреть на конкретные модели, нужно определить несколько исходных данных.

Разрешение (шаг между осями)

Разрешение определяет минимальный размер объекта, который завеса гарантированно обнаружит. Это самый важный параметр при выборе.

Стандарт IEC 61496 различает несколько типов защиты по разрешению:

• Защита пальца — разрешение 14 мм. Для задач, где оператор вводит руку в опасную зону, например, при подаче заготовки в пресс.
• Защита кисти — разрешение около 30 мм.
• Защита тела — разрешение 40 мм и более. Для периметральной защиты и доступа в робото-ячейки.

Если разрешение завесы 40 мм, она не обнаружит палец, введенный между лучами. Это не недостаток, а просто она предназначена для другой задачи. Поэтому первый вопрос при выборе: что именно нужно обнаруживать и на каком уровне.

Высота защитного поля

Высота поля определяется числом оптических осей и шагом между ними. Для защиты рук при подаче на прессе достаточно 300–600 мм. Для защиты зоны доступа к роботу или станку полностью — 1200–1800 мм.

Если высота готовой завесы не совпадает с нужным размером, используют каскадное включение нескольких устройств или выбирают модель с подходящей длиной корпуса.

Дистанция срабатывания

Максимальное расстояние между излучателем и приемником от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Для компактных ячеек с роботом подойдет дистанция 0,5–3 м. Для крупных прессов или штамповочных линий — до 7–10 м.

Безопасное расстояние монтажа

Это не параметр самой завесы, а расчетная величина. Безопасное расстояние — это минимальное удаление от опасной зоны, на котором должна быть установлена завеса, чтобы оборудование успело остановиться раньше, чем рука достигнет инструмента. Оно зависит от времени реакции завесы, времени останова машины и скорости движения руки оператора (по стандарту — 2 м/с).

Чем меньше время реакции завесы, тем ближе к опасной зоне ее можно установить и тем меньше потери производительности при необходимом подходе оператора.

Применение на прессах и штамповочных линиях

Оператор подает заготовку в рабочую зону, после этого руки должны покинуть зону до начала хода ползуна.

Здесь световая завеса устанавливается поперек фронта загрузки. При перекрытии любого луча, выход OSSD переходит в безопасное состояние, пресс не запускается или останавливается, если цикл уже начат. Когда оператор убирает руки, завеса снимает сигнал, но пресс не запускается автоматически: для этого обычно требуется дополнительное подтверждение — нажатие педали или кнопки.

Для холодноштамповочных прессов с быстрым ходом ползуна критично минимальное время реакции завесы порядка 5–15 мс. Для гибочных прессов (листогибов, прессов-тормозов) часто применяют функцию бланкирования временного исключения части зоны из контроля, чтобы завеса не реагировала на движение заготовки при гибке.

Световой барьер для станка на штамповочной линии решает и смежные задачи: контроль зоны выгрузки готовых изделий, детектирование присутствия человека вдоль конвейера, ограждение зоны смены штампа.

Применение в робото-ячейках

Датчик безопасности для промышленного робота работает иначе, чем на прессе. Робот движется непрерывно, и его остановка при каждом входе оператора в зону недопустима с точки зрения производительности. Поэтому здесь применяют одну из двух стратегий.

• Периметральная защита — завеса или несколько барьеров ограждают периметр ячейки по всем входам. Вход оператора в любую точку периметра останавливает робота. Это простое решение для ячеек с нечастым обслуживанием.
• Зонирование — ячейка делится на зоны. В рабочей зоне робот работает на полной скорости. При входе оператора в периферийную зону робот снижает скорость. При входе в ближнюю зону — останавливается. Такой подход требует более сложной логики, но сохраняет производительность при регулярном обслуживании.

Для защиты зоны доступа к роботу или крупному обрабатывающему центру используют завесы с высотой поля от 1200 мм и разрешением 40 мм на уровне тела. Дополнительно закрывают нижнюю зону отдельными барьерами или физическими ограждениями.

Особое требование в робото-ячейках — устойчивость к взаимным помехам. Если в ячейке несколько завес или барьеров, их излучатели могут мешать друг другу. Серия BWC от Autonics использует перекрестное излучение — специальное кодирование лучей, которое исключает взаимные помехи при работе нескольких устройств рядом.

Как выбрать световую завесу

Выбор световой завесы под конкретное оборудование сводится к следующим шагам.

1. Шаг 1. Определите, что нужно обнаруживать: палец (14 мм), кисть (~30 мм) или тело (≥40 мм). Это сразу задает разрешение.
2. Шаг 2. Измерьте ширину зоны, которую нужно перекрыть. Это определяет минимальную высоту защитного поля.
3. Шаг 3. Измерьте расстояние между излучателем и приемником — это рабочая дистанция. Убедитесь, что выбранная модель перекрывает это расстояние с запасом.
4. Шаг 4. Рассчитайте безопасное расстояние монтажа по формуле из ISO 13855 с учетом времени реакции выбранной завесы и времени останова машины.
5. Шаг 5. Определите требуемый уровень безопасности (PL или SIL) согласно оценке рисков машины. Это задает требования к категории устройства.
6. Шаг 6. Проверьте совместимость выхода OSSD с системой управления машиной — напряжение, логика NPN/PNP.

Световая завеса.
SFL14-103

Серии барьеров и световых завес Autonics

Световые завесы безопасности серии SFL — устройства стандартного типа с разрешением 14 мм (защита пальца). Выпускаются с числом оптических осей от нескольких до более чем 100, что дает высоту защитного поля от единиц сантиметров до нескольких метров. Применяются на прессах, листогибах, штамповочных линиях везде, где нужна сертифицированная защита пальца.

Конкретные модели серии SFL:

• SFL14-15 — разрешение 14 мм (защита пальца), стандартный тип. Базовая модель для задач защиты рук на прессах и штамповочных линиях.
• SFL14-111 — разрешение 14 мм, увеличенное число осей. Для защиты зон с большой высотой поля.
• SFL14-103 — разрешение 14 мм, стандартный тип. Для задач с расширенным защитным полем.

Барьеры серии BW — фотоэлектрические барьеры общего назначения в алюминиевом корпусе, расстояние между излучателем и приемником до 7 м. Число осей от 4 до 48 — закрывают зоны от небольших ячеек до крупных линий. Выпускаются в исполнениях NPN и PNP.

Конкретные модели серии BW:

• BW20-08 — 8 оптических осей, NPN, алюминиевый корпус. Компактный барьер для небольших зон доступа.
• BW20-08P — 8 осей, PNP. Для систем управления с PNP-входами.
• BW20-12 — 12 осей, NPN. Увеличенная высота поля при том же шаге между осями.

Барьеры серии BWP —  фотоэлектрические барьеры в пластиковом корпусе, число осей 8–20. Подходят для задач, где алюминиевый корпус избыточен по стоимости, а условия эксплуатации допускают пластик.

Барьеры серии BWPK — компактные барьеры в пластиковом корпусе. Применяются в стесненных условиях монтажа, на небольших станках и вспомогательном оборудовании.

Барьеры серии BWC — барьеры с перекрестным излучением. Решают задачу взаимных помех при размещении нескольких барьеров в одной ячейке или на одной линии.

Часто задаваемые вопросы

Чем световая завеса безопасности отличается от обычного фотоэлектрического барьера на практике?

Главное отличие — наличие у световой завесы двухканального безопасного выхода OSSD и собственной самодиагностики. При любом внутреннем отказе (обрыв провода, сбой электроники) завеса автоматически переходит в безопасное состояние и выдает сигнал останова. Обычный барьер при отказе может зафиксироваться в состоянии «путь свободен» и оборудование не остановится. Для нормируемой защиты на прессах и роботах, где требуется определенный уровень PL или SIL, необходима именно завеса.

Как рассчитать, на каком расстоянии от опасной зоны устанавливать завесу?

Используется формула из ISO 13855: S = K × (t1 + t2), где S — безопасное расстояние, K — скорость движения части тела (для рук — 2000 мм/с), t1 — время реакции завесы (в секундах), t2 — время полного останова машины. К полученному результату добавляют поправку, зависящую от разрешения завесы. Чем быстрее останавливается машина и чем быстрее реагирует завеса, тем ближе к опасной зоне можно монтировать устройство.

Можно ли установить несколько барьеров рядом — например, с разных сторон ячейки?

Да, но стандартные барьеры могут создавать взаимные помехи: излучение одного барьера попадает на приемник другого и вызывает ложные срабатывания. Для таких задач используют серию BWC с перекрестным излучением, где каждая пара излучатель-приемник работает на своей частоте, устройства не мешают друг другу.

Нужна ли функция бланкирования и в каких случаях?

Бланкирование — это временное исключение части осей из контроля. Применяется там, где заготовка или изделие должны проходить через защитное поле, не вызывая останова машины, пока оператор не заходит в зону. Например, при гибке на листогибочном прессе заготовка поднимается и перекрывает часть поля, без бланкирования машина бы останавливалась при каждом подъеме листа. Бланкирование настраивается под конкретную форму заготовки и активируется только в штатных условиях работы.