Les Scrutateurs Laser De Sécurité

Le 01/02/2013 à 13:30  

L'essentiel

L'offre en scrutateurs laser est relativement restreinte mais il existe de très nettes différences d'un modèle à l'autre, et d'un fournisseur à l'autre.

Parmi les principaux critères à prendre en compte, la portée, la résolution, le temps de réponse ou encore le nombre de champs de surveillance paramétrables jouent un rôle important.

Le raccordement aux bus de terrain, des fonctions spécifiques aux applications mobiles, et des outils logiciels facilitant la programmation, peuvent aussi faire la différence.

En matière de sécurité industrielle, il existe deux grands types de solutions: les dispositifs de protection mécaniques ou à contact (grillages, commandes bimanuelles, tapis sensibles, etc.) et les systèmes immatériels basés sur un principe optique. Les scrutateurs laser appartiennent à cette deuxième catégorie. Tout comme les barrières de sécurité, ils assurent la protection des opérateurs travaillant à proximité de zones dangereuses, sans entraver lepro-cédé de production.

Le principal intérêt des scrutateurs réside dans leur très grande flexibilité. Ces dispositifs sont en effet basés sur le balayage, par un faisceau laser, d'une zone librement programmable. Leur principe de fonctionnement est comparable à celui d'un radar. Le scrutateur émet des impulsions laser àin-tervalle régulier. Celles-ci sont réfléchies par un miroir tournant (intégré au dispositif) afin de balayer un secteur circulaire défini par un certain angle d'ouverture. Ce système est sensible aux réflexions diffuses. Dès qu'une personne ou un objet entre dans le champ de détection du scrutateur, une partie de la lumière émise est réfléchie vers le récepteur. A l'aide du principe du temps de vol (autrement dit en mesurant le temps mis par le faisceau laser pour effectuer un aller/retour entre l'émetteur et l'objet), le système calcule la distance à laquelle se trouve l'objet détecté, et la compare à la zone de sécurité préalablement définie par l'utilisateur. Suivant les cas, il peut alors déclencher une alarme sonore, un voyant lumineux, ou commander l'arrêt de la machine.

Les scrutateurs laser de sécurité s'intègrent facilement aux processus de production. La plupart du temps, ils sont montés de manière à réaliser un balayage horizontal. Ils assurent ainsi une détection de présence dans les zones à risque, comme si l'on créait un “plancher immatériel”. On les utilise habituellement dans deux situations : les applications stationnaires (pour protéger la zone entourant une machine dangereuse, par exemple), ou les applications mobiles. Dans ce cas, les scrutateurs sont montés sur des véhicules autoguidés (AGV), afin de sécuriser leur déplacement. Lorsqu'une personne ou un objet se trouve dans le champ de détection de l'AGV, ils commandent de manière quasi instantanée le ralentissement ou l'arrêt complet du véhicule.

Les principaux critères

Leuze electronic

Ces applications horizontales sont les plus fréquemment rencontrées. Cependant, on peut également employer les scrutateurs laser en position verticale. Installés sur un portique ou devant un poste de travail, ils ne réalisent plus une détection de présence, mais une détection d'accès. Dans ce cas, le type d'application est similaire à celui d'une barrière immatérielle (si ce n'est que l'émetteur et le récepteur sont logés dans le même boîtier).

Les scrutateurs laser de sécurité s'intègrent facilement à un équipement de production ou de convoyage. Leur principal atout réside dans la possibilité de surveiller de larges zones au contour librement défini. Ces dispositifs sont souvent privilégiés dans les applications de surveillance horizontale.

Sick

Pour choisir un scrutateur laser adapté à ses besoins, il faut d'abord définir le type d'applications (détection de présence, d'accès, anti-collision), savoir ce que l'on souhaite détecter, et connaître l'étendue du champ à protéger. En fonction notamment du niveau de risque, les normes relatives à la sécurité des machines fournissent des formules permettant de calculer la distance de sécurité nécessaire. Le premier critère à considérer est donc l'étendue du champ de surveillance offert par le scrutateur. En réalité, celui-ci se compose de deux zones distinctes : un champ dit d'alarme (ou d'alerte), et un champ de sécurité (ou de protection). Lorsque le scrutateur détecte une intrusion dans le champ d'alarme, il envoie simplement un signal à un avertisseur sonore ou lumineux, pour alerter l'opérateur qu'il se trouve à proximité de la zone dangereuse. En revanche, dès que l'intrusion est détectée dans le champ de sécurité, le scrutateur déclenche l'arrêt de la machine ou du véhicule à travers ses sorties de sécurité (OSSD). Pour faire le bon choix, il faut donc considérer les rayons de ces deux champs (qui sont tous deux compris dans la portée du scrutateur laser).

Les applications mobiles sur les véhicules autoguidés (à gauche) et la surveillance horizontale visant à protéger l'accès à une zone dangereuse (à droite) sont les principales applications des scrutateurs laser de sécurité.

Leuze electronic

Autre critère imposé par l'application, la résolution. Autrement dit, la taille du plus petit objet détectable par le dispositif de sécurité. Là aussi ce sont les normes qui définissent la résolution nécessaire suivant ce que l'on souhaite détecter (doigt, mains, corps). Si les scrutateurs offraient à leurs débuts une résolution minimale de 70mm, une grande majorité d'entre eux descendent désormais jusqu'à 30mm. Ils assurent donc une détection de mains. En revanche, seules les barrières immatérielles autorisent une détection de doigts grâce à une résolution de 14mm… C'est en partie pour cette raison que l'on privilégie souvent les barrières aux scrutateurs dans les applications verticales visant à protéger des postes de travail.

Scrutateur, tapis ou barrière ?

Les barrières immatérielles de sécurité constituent l'une des solutions les plus couramment employées pour protéger l'accès à une zone dangereuse ou à un poste de travail. Contrairement au cas des scrutateurs laser (dont le marché, initialement détenu par un seul fabricant, s'est ouvert depuis peu) les barrières existent depuis de nombreuses années, et se caractérisent par une offre extrêmement large. Elles constituent une solution efficace, robuste et relativement peu coûteuse. Grâce à une résolution plus élevée que celle des scrutateurs (jusqu'à 14mm), elles autorisent une détection de doigt, alors que les scrutateurs se limitent à la détection de mains. De plus, leur temps de réponse, de l'ordre de 10 ou 15ms, est beaucoup plus rapide que celui d'un scrutateur laser. Cependant, les scrutateurs offrent d'autres atouts. L'émetteur et le récepteur, tout d'abord, sont intégrés dans le même boîtier. Il n'y a donc qu'un seul élément à monter.

De plus, ils permettent de définir librement une large zone de surveillance de contour quelconque. «Aucune autre solution ne dispose d'une telle flexibilité et d'une telle évolutivité dans le temps » , indique Frédéric Bégou (Leuze electronic). Enfin les barrières se limitent le plus souvent à des applications de détection d'accès. «Deux barrières installées à l'entrée d'une zone dangereuse signalent l'intrusion d'une personne,mais une fois qu'elle est entrée,rien ne dit si elle est sortie ou pas », poursuit le responsable produit. En pratique, les scrutateurs laser sont privilégiés dans les applications horizontales (détection de présence), et les barrières immatérielles dans la surveillance verticale (détection d'accès et protection des postes de travail). En terme de coût, les barrières sont généralement plus économiques que les scrutateurs (qui coûtent de l'ordre de 3000 euros), mais l'investissement total dépend de l'application: s'il faut protéger une large zone en chaînant plusieurs barrières, le scrutateur devient rapidement avantageux. En réalité, les deux solutions ne sont pas vraiment concurrentes, mais complémentaires. Dans certains cas, le barrage immatériel assure une détection d'accès, et le scrutateur, installé à l'intérieur de la zone dangereuse, peut empêcher le démarrage ou le redémarrage de la machine tant qu'une personne se trouve dans le périmètre défini… Le vrai concurrent du scrutateur laser est plutôt le tapis de sécurité.

Il convient en effet à la détection d'accès et de présence, y compris sur des zones relativement larges (auquel cas la solution devient relativement coûteuse). De plus, le tapis n'est pas sensible aux poussières ou particules en suspension dans l'air qui perturbent le fonctionnement du scrutateur laser. Pour l'adapter aux dimensions de la zone de surveillance, il suffit de le découper suivant la forme souhaitée. Néanmoins, on ne délimite la plupart du temps que des figures géométriques simples, et non des contours de forme quelconque. De plus, «le tapis doit être mis en œuvre sur un sol plan, et il faut prendre un certain nombre de précautions pour ne pas l'abîmer », ajoute Didier Novat (Sick). Le passage répété de chariots de manutention, la chute de copeaux, d'huile, etc. conduisent à une usure prématurée des pavés sensibles. «En termes de maintenance, de stockage et de convoyage,la solution est plus contraignante qu'un scrutateur laser », souligne Olivier Jacquot (Omron).

Enfin, si le besoin évolue, il faut bien souvent changer le tapis… Ceci dit, une complémentarité est là encore possible.

«Certaines applications utilisent un scrutateur laser pour surveiller une zone dangereuse,et des tapis de sécurité en complément,pour protéger les zones mortes que le faisceau laser n'atteint pas », indique Claude Naït (Rockwell Automation). Pour toutes les applications embarquées, en revanche, seul le scrutateur laser peut convenir.

Sur tous les modèles du marché, la résolution est configurable. Le choix est alors guidé par les normes, et par le type d'applications. «Avec un champ de protection horizontal, une résolution de 70 mm est suffisante, car elle permet de détecter les jambes d'une personne.En revanche,avec un champ vertical, on a plus souvent besoin d'une résolution de 30 mm », indique Didier Novat, responsable produit Sécurité chez Sick. Précisons toutefois que le critère de résolution est lié à deux autres facteurs. Il influe tout d'abord sur la portée du scrutateur laser. Sur le modèle SD3 de Panasonic, par exemple, la résolution de 30mm est atteinte sur un champ de sécurité allant jusqu'à 1,6 mètre de rayon. Avec une résolution de 150 mm, le rayon du champ de sécurité s'élève à 4 mètres.Autre critère, le temps de réponse du scrutateur. En effet, « plus on augmente la résolution, plus le temps de réponse est long », ajoute Claude Naït, support avant-vente dans les produits de sécurité chez Rockwell Automation.

Contrairement aux barrières immatérielles, les scrutateurs laser intègrent l'émetteur et le récepteur dans le même boîtier. Il n'y a donc qu'un seul élément à monter. Celui-ci se distingue par sa robustesse et sa compacité.

Panasonic

Tous les scrutateurs laser du marché permettent de définir des champs de sécurité et d'alarme de contour quelconque. La programmation, qui s'effectue à l'aide d'un logiciel spécifique fourni avec le produit, consiste à “dessiner” les différents champs en fonction des besoins de son application. En revanche, les modèles se différencient par le nombre de champs indépendants que l'on peut configurer: d'une paire de champs sur les versions les plus simples, jusqu'à quatre ou huit paires pour les produits les plus courants… Sur d'autres modèles, il est possible d'aller encore plus loin. Le scrutateur OS32C d'Omron, par exemple, permet de définir jusqu'à 70 jeux de champs comprenant chacun un champ de sécurité et deux champs d'alarme. « Cela signifie que l'on dispose de 70 combinaisons, souligne Olivier Jacquot, responsable marketing produits Détection et Sécurité chez Omron. Pour chacune d'entre elles, il est possible de définir une résolution,et différentes zones de forme librement définie ». Cette particularité, cependant, « est surtout utile dans les applications embarquées », reconnaît-il. Sur un AGV, par exemple, il est souvent nécessaire de définir un programme pour la marche avant, un autre pour la marche arrière, et un ou plusieurs programmes pour le stationnement en entrepôt. On peut aussi utiliser plusieurs scénarios en fonction de la vitesse du véhicule, ou modifier l'azimut du champ lorsque la trajectoire suit un virage… Dans les applications stationnaires, en revanche, il n'est pas forcément nécessaire de disposer d'un trop grand nombre de combinaisons. «Au-delà de quatre paires de champ, cela reste assez anecdotique, confirme Frédéric Bégou, responsable produit chez Leuze electronic. Mais on trouve couramment des applications qui en utilisent deux ou trois». Grâce à cette flexibilité, l'industriel peut répondre à des besoins spécifiques. Dans le cas d'une protection horizontale, par exemple, il définit plusieurs scénarios d'alerte pour autoriser ou interdire l'accès d'un opérateur à la zone dangereuse en fonction des différentes phases de la production. Dans les applications verticales, il dispose de plusieurs champs pour autoriser par exemple la sortie d'une pièce de la machine.

Dans les applications stationnaires, les scrutateurs peuvent être montés de manière verticale (a et b), ou bien de manière horizontale (c et d). Suivant les cas, ils réalisent un contrôle d'accès, ou détectent la présence d'un objet ou d'une personne à l'intérieur d'une zone définie. Leur emploi est parfois complémentaire à celui des barrières immatérielles (c).

Photos : Omron

L'étendue de la zone couverte par le scrutateur est aussi définie par un autre critère: l'angle de balayage du faisceau laser. La plupart des modèles présents sur le marché disposent d'un angle de détection de 190°. D'autres balayent une zone allant jusqu'à 270°. « Ce critère est important,en particulier pour les applications mobiles. Grâce à un angle de balayage de 270°, il est possible de protéger plusieurs côtés d'un AGV avec un seul scrutateur », indique Didier Novat.

Ce balayage s'effectue pendant une certaine durée qui détermine le temps de réponse du scrutateur laser.La norme prévoit que l'appareil réalise au moins deux balayages avant de déclencher le signal d'alerte ou l'arrêt de la machine. Cela signifie que l'objet doit être détecté deux fois consécutives pour que les sorties de sécurité soient activées. La durée correspondant à ces deux balayages est appelée “temps de réponse de base”. Idéalement, celui-ci sera le plus court possible.Cependant, il peut être utile de configurer le scrutateur de manière à réaliser plus de deux balayages. « Les ambiances très poussiéreuses ou la présence de copeaux,par exemple,peuvent conduire le scrutateur laser à déclencher un arrêt machine.Afin de pallier ce problème, il est important de pouvoir régler le nombre de balayages. Si le scrutateur doit réaliser une dizaine de balayages avant de déclencher la sécurité, cela réduit la probabilité que des particules environnantes perturbent son fonctionnement », explique Olivier Jacquot. D'un temps de réponse de base avoisinant les 80 millisecondes sur la plupart des modèles, on peut ainsi passer à plus de 600 millisecondes en réalisant plusieurs balayages.Toutefois « l'idéal est de réaliser deux balayages, afin de ne pas dégrader le temps de réponse du scrutateur, nuance Didier Novat. On n'utilise un grand nombre de balayages que lorsqu'on ne peut pas faire autrement ».

Comme dans tout dispositif destiné à être intégré au plus près de la production, il faut aussi considérer la robustesse du scrutateur. La grande majorité des modèles présents sur le marché offrent un indice de protection IP65, et sont utilisables dans une plage de température adaptée à la plupart des situations habituellement rencontrées dans l'industrie. Seule exception, le modèle S3000 Cold Store de Sick, qui se présente dans un boîtier IP67 et que l'on peut utiliser jusqu'à - 30°C (pour les applications en entrepôt réfrigéré, par exemple).

L'offre en scrutateurs laser

L'offre en scrutateurs laser

La légèreté et la compacité du boîtier peuvent aussi constituer un critère de choix, en particulier dans les espaces réduits ou les applications mobiles. Il y a cependant une limite: si l'application nécessite de distances de sécurité importantes (comme c'est le cas sur un AGV circulant à grande vitesse), le scrutateur sera forcément plus gros. Les modèles de très grande compacité se limitent quant à eux à des rayons de sécurité plus faibles.

Enfin, la consommation électrique du scrutateur doit aussi être prise en considération, en particulier pour les cas où l'appareil est monté sur un AGV. Un modèle de faible consommation permettra en effet de réduire la charge de la batterie et d'accroître l'autonomie du véhicule.

Des “détails” qui changent tout

Certains se distinguent par leur portée ou leur angle de balayage. D'offrent par des fonctions originales. Chez Omron (photo du haut), une couronne de Led aide à repérer plus facilement l'élément qui a entraîné l'arrêt de sécurité.

Sick Omron

Les scrutateurs laser sont l'unique solution convenant aux applications mobiles (photo de gauche).

Sick

La prise en compte de ces différents critères permet d'y voir plus clair dans le choix du scrutateur laser le plus adapté à ses besoins. Mais d'autres fonctions offrent une réelle valeur ajoutée à certains modèles. Dans les applications mobiles, il est utile par exemple d'adapter la taille de la zone de surveillance à la vitesse d'un véhicule autoguidé. On conçoit en effet que plus la vitesse de l'AGV est élevée,plus la distance de sécurité doit être importante. Sur certains modèles, c'est par une information tout-ou-rien que le système commute si nécessaire d'un champ à l'autre. Sur d'autres, la modification s'effectue en dynamique. Chez Sick par exemple, certains scrutateurs laser disposent ainsi d'entrées pour les codeurs incrémentaux. Celles-ci autorisent un asservissement de la taille des champs en fonction de la vitesse de l'AGV .

Autre élément important, les interfaces de communication du scrutateur laser. Certains modèles peuvent en effet communiquer avec des bus de terrain. La connexion s'effectue directement ou à travers des passerelles. C'est le cas par exemple chez Leuze electronic. « Nous sommes l'un des seuls fournisseurs à proposer des scrutateurs laser dotés d'une interface intégrée vers le bus de sécurité Profisafe. Cette solution a un avenir prometteur. En France, les applications sont encore peu nombreuses, mais en Allemagne, les industriels sont de plus en plus équipés », souligne Frédéric Bégou. Chez Omron, le modèle OS32C offre quant à lui une interface Ethernet. Il est possible de raccorder plusieurs scrutateurs sur ce réseau, et de l'utiliser par exemple pour contrôler leur état de fonctionnement ou connaître la cause d'un arrêt d'urgence. Chez Sick, certains modèles sont également compatibles avec des bus de terrain de sécurité. Le fabricant propose en outre de connecter les scrutateurs en réseau via une interface de communication propriétaire appelée EFI. L'intérêt consiste notamment à réaliser des économies de câblage, réduire les temps d'installation, ou encore paramétrer plusieurs scrutateurs à partir d'un seul poste…

Au niveau du logiciel associé au scrutateur, tous les fabricants prônent la convivialité et la simplicité d'utilisation de leur solution. Mais certaines fonctions peuvent là aussi faire la différence. L'utilisateur définit ainsi plus ou moins facilement les différentes zones de surveillance lors de la programmation du scrutateur. Dans certains cas, il est possible de laisser le logiciel proposer lui-même le champ de protection ou d'alarme. Pour cela, le scrutateur balaye plusieurs fois la zone qui l'entoure et calcule les contours visibles à l'aide des réflexions détectées. Les données recueillies sont utilisées par le logiciel pour déterminer un contour, et proposer les dimensions et la forme de la zone de surveillance… Enfin certains outils assurent également la récupération des données de mesure obtenues avec le scrutateur (angles, distances) pour faciliter la navigation des véhicules autoguidés.

Trois champs pour les applications mobiles

Si la grande majorité des scrutateurs disposent de paires de champs comportant chacune une zone de sécurité et une zone d'alarme, il y a cependant quelques exceptions. Certains modèles offrent en effet un triple champ de surveillance (constitué d'un champ de sécurité et de deux champs d'alarme). Ils sont destinés en particulier aux applications mobiles. Grâce à cette particularité, l'utilisateur peut en effet paramétrer le scrutateur pour qu'un signal soit déclenché lors d'une intrusion dans le premier champ d'alarme d'un AGV, puis pour commander le ralentissement du véhicule lors d'une intrusion dans le deuxième champ d'alarme. Cette surface de ralentissement constitue une sorte de zone tampon. Elle réduit les probabilités que le chariot de manutention stoppe trop souvent sa course. «Lorsqu'un AGV s'arrête en position de sécurité, il faut bien souvent compter sur l'intervention d'un opérateur pour réarmer le système. Ce dernier n'est pas toujours disponible à ce moment-là, et il ne travaille pas forcément à proximité du lieu où l'AGV s'est arrêté », explique Didier Novat.

Autre particularité que tous les fournisseurs ne proposent pas, des Led qui indiquent la direction suivant laquelle le scrutateur laser a détecté une anomalie. « Lorsqu'un arrêt de sécurité a été déclenché, l'utilisateur se demande parfois d'où vient le problème. Sur toute la zone balayée par le scrutateur, il peut être difficile de repérer l'anomalie », explique Olivier Jacquot. Pour guider l'industriel, Omron a installé sur le scrutateur OS32C une “couronne” de Led dédiées à cette application. Lorsque le scrutateur détecte un objet dans la zone de surveillance, la Led qui correspond à la direction dans laquelle se trouve cet objet s'allume. L'utilisateur comprend alors plus rapidement ce qui a déclenché le signal ou l'arrêt de sécurité.

Enfin pour remplacer facilement un scrutateur laser sans qu'il soit nécessaire de reprendre toute la programmation, il peut être utile de disposer d'une mémoire séparée. Dans certains cas, les paramètres de configuration sont sauvegardés dans le bloc de raccordement de l'appareil. En cas de problème, l'échange et la remise en route du nouveau scrutateur sont quasi-immédiats.

Les tendances du marché

Le marché des scrutateurs laser de sécurité a plusieurs particularités. L'offre, tout d'abord, est relativement limitée. Bien que ces produits soient couramment employés dans l'industrie, les fabricants sont peu nombreux. Pour Didier Novat (Sick), l'une des raisons à cela réside dans le fait que «la technologie utilisée par les scrutateurs laser est relativement complexe et onéreuse à développer » .Deplus le marché a longtemps été le pré carré du fabricant allemand, qui détenait les brevets. Mais la donne change peu à peu. Si Sick et Leuze electronic dominent le marché, ils sont désormais rejoints par d'autres fabricants d'instrumentation ou d'automatismes. Et le mouvement n'est pas près de s'arrêter.

«Ces systèmes offrent une telle souplesse d'emploi qu'ils connaissent un très gros succès !Dans les années qui viennent,le marché va exploser » ,prévoit Olivier Jacquot (Omron). Ce mouvement de fond se confirme par les nombreuses avancées technologiques que connaissent les scrutateurs laser. Parmi les tendances incontournables, la connexion aux bus de terrain. Les deux principaux fabricants proposent déjà des scrutateurs communiquant notamment sur AS-i ou Profinet, et d'autres s'apprêtent à suivre le mouvement. Chez Omron, par exemple, le prochain modèle (attendu d'ici la fin du 1 er trimestre) sera également doté de cette fonctionnalité.

Les scrutateurs laser se logent aussi dans des boîtiers de plus en plus compacts et robustes. Les fabricants cherchent notamment à développer des produits de moins en moins sensibles aux poussières, brouillards ou particules en suspension, afin de pallier le principal point faible de la technologie. On trouve ainsi des fonctions spécifiques permettant par exemple d'ignorer les défauts présents à moins de six centimètres du scrutateur.

Que nous réserve le futur? Selon Didier Novat, le défi des années à venir sera l'emploi des scrutateurs dans les applications en extérieur (malgré la neige, la pluie ou encore le brouillard). «Il y a des besoins dans ce domaine qui ne sont actuellement pas couverts », souligne-t-il. La limite cependant semble davantage d'ordre normatif que technologique. «Il n'existe pas encore de norme pour évaluer ce type de produits », poursuit Didier Novat. L'autre tendance du futur sera peut-être aussi le déploiement des applications de sécurité en 3D, à l'aide de caméras de vision. Quelques produits ont déjà émergé sur ce nouveau marché, mais ils restent encore rares. Grâce à la vision, il est possible de traiter des applications qui sont davantage liées à la reconnaissance de formes qu'à la détection de présence ou d'accès. En revanche, les portées sont plus faibles, et la vision ne résout pas les problèmes de zone d'ombre… Les deux technologies devraient ainsi offrir une certaine complémentarité.

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