Fibre ottiche: le attività del CT86

Francesco Mirandola (Esperto CEI/CT 44 Membro IEC44/MT 61496-1-2, IEC44/MT 61496-3, IEC44/MT 62061, IEC44/MT 62046, IEC44/WG 10, IEC44/WG 14)

Gli ESPE (Electro-Sensitive Protective Equipment) sono dispositivi di protezione senza contatto che usano la variazione di una grandezza fisica come mezzo di rilevamento del corpo umano.

Le norme tecniche per gli ESPE – Un po’ di storia

Tutto ebbe inizio nel 1989 quando il CENELEC, facendo ordine nel settore, decise di preparare una norma sulle barriere fotoelettriche di sicurezza in sostituzione di regole nazionali diverse da Paese a Paese.

Affidò quindi al Comitato Tecnico 44 il compito di redigere una norma, denominata temporaneamente prEN 50100, che nelle intenzioni doveva diventare la nuova norma armonizzata europea per i dispositivi elettrosensibili di protezione ai sensi della Direttiva Macchine.

Successivamente, con l’accordo di Dresda, la prEN50100 venne inglobata nell’ambito dei lavori IEC assumendo un nuovo numero; alle due parti originali ne furono aggiunte poi altre due, una relativa ai laser-scanner, che erano appena apparsi sul mercato, e una relativa ai sensori a infrarossi passivi.

Ne scaturì la seguente struttura:

• IEC 61496 – Parte 1 – Requisiti Generali;
• IEC 61496 – Parte 2 – Requisiti particolari per dispositivi fotoelettrici attivi di protezione;
• IEC 61496 – Parte 3 – Requisiti particolari per dispositivi fotoelettrici attivi di protezione che rispondono alla riflessione diffusa;
• EN 61496 – Parte 4 – Requisiti particolari per dispositivi che usano radiazione infrarossa passiva (PIPD).

La Parte 4 fu poi sviluppata solo in CENELEC perché IEC decise di non supportarla ritenendo la tecnologia non ancora matura.

A fine lavori nel 1997 le Parti 1 e 2 furono sottoposte al voto IEC e contemporaneamente al voto parallelo CENELEC.

Il risultato della votazione fu alquanto contrastato, infatti la Parte 1 ricevette voto positivo sia in ambito IEC sia in ambito CENELEC, la Parte 2 invece ricevette voto positivo IEC mentre non passò il voto parallelo in ambito CENELEC.

La Parte 3 venne completata nel 2001, fu approvata IEC e CENELEC ma non venne mai pubblicata nella GUCE.

La Parte 4 venne sospesa nel 2000 poi ripresa nel 2002 con un altro numero (TS 50418) e infine definitivamente abbandonata per mancanza di esperti in grado di portare avanti i lavori.

Nel 2002 IEC, raccogliendo le istanze del Giappone e della Germania inserì poi altre due Parti relative a tecnologie di visione per le quali si intravedevano interessanti applicazioni soprattutto nel campo della robotica.

Da quel lontano 1997, col progredire dello sviluppo tecnologico, questi documenti hanno subito più revisioni fino al raggiungimento della stato presente:

• IEC 61496 – 1  Ed. 3: 2013 – Parte 1: Prescrizioni generali e prove
• IEC 61496 – 2  Ed. 3: 2013 – Parte 2: Requisiti particolari per equipaggiamento che utilizza dispositivi di protezione opto elettronici attivi (AOPD);
• IEC 61496-3 – Ed. 2: 2014 – Parte 3: Prescrizioni particolari per dispositivi di protezione opto-elettronici rispondenti alla riflessione diffusa (AOPDDR)
• IEC TS 61496-4-2 – Ed.1: 2008 – Parte 4-2: Prescrizioni particolari per dispositivi di protezione basati sulla visione (VBPDs) – requisiti addizionali quando vengono utilizzate tecniche con motivo di riferimento (VBPDPP);
• IEC TS 61496-4-3 – Ed.1: 2015 – Parte 4-3: Prescrizioni particolari per dispositivi di protezione basati sulla visione (VBPDs): requisiti addizionali quando vengono utilizzate tecniche stereo (VBPDST);
• IEC TS 62046 – Ed.2: 2008 – Applicazione ed integrazione dei dispositivi di protezione.

Va segnalato che in ambito CENELEC solo la Parte 1 è armonizzata ai sensi della Direttiva Macchine.

Tuttavia, proprio in questi giorni si sta valutando se togliere anche alla Parte 1 la presunzione di conformità alla Direttiva Macchine.

La ragione sta nel fatto che la EN 61496-1 non affronta la maggior parte dei problemi relativi al controllo dei guasti sistematici che sono invece considerati nelle successive Parti relative alle singole tecnologie di rilevamento.

In sostanza, si vuole evitare il pericolo che, per effetto dell’armonizzazione, la Parte 1 possa essere applicata da sola a tecnologie di rilevamento diverse da quelle trattate nelle Parti 2, 3, 4 (per esempio a ultrasuoni, microonde, infrarossi passivi) senza la dovuta considerazione agli aspetti sistematici.

Contemporaneamente, si cerca di costringere il costruttore che vorrà immettere sul mercato un ESPE a sottoporre il dispositivo a un Organismo Notificato dotato di risorse umane e strumentali adeguate affinché in modo indipendente ne verifichi la conformità ai RES espressi nella Direttiva Macchine.

IEC 61496 – Le quattro parti della norma

Parte 1

La Parte 1, recepita dall’Italia per la prima volta nel 1998, stabilisce requisiti generali di progetto e di prova comuni a tutti i dispositivi elettrosensibili (ESPE), a prescindere dalla tecnica di rilevamento utilizzata.

Sono definiti tre tipi di ESPE: Tipo 2, Tipo 3 e Tipo 4 (figura 1).

Figura 1 – I 3 tipi di ESPE.

I tre “Tipi” differiscono per la prestazione di sicurezza garantita in presenza di guasti e sono correlati con le categorie della ISO 13849-1, ma non hanno lo stesso significato perché qui per definire il grado di robustezza ai guasti (safety integrity) oltre agli aspetti legati all’architettura del sistema ed alle tipologie dei guasti dell’hardware e del software vengono presi in considerazione ulteriori parametri caratteristici delle tecnologie di rilevamento usate nei sensori e che riguardano principalmente l’immunità da interferenze luminose e  le caratteristiche costruttive dei sistemi ottici.

Le principali novità nell’edizione in vigore rispetto all’edizione precedente sono:

• l’aggiunta della Tabella 1 che sancisce il livello minimo di prestazione in termini di SIL e PL che deve essere garantito dal dispositivo in funzione del “Tipo”;
• l’inserimento di requisiti addizionali per gli ESPE dotati di uscite di sicurezza adatte per linee di comunicazione (Safety Bus).

Parte 2

Questa Parte stabilisce i requisiti di progetto e metodi di prova specifici per barriere fotoelettriche di sicurezza (AOPD) e considera solo due tipi di AOPD: Tipo 2 e Tipo 4.

Le barriere fotoelettriche di sicurezza presenti sul mercato sono costruttivamente molto simili fra loro. Il campo sensibile generato è sostanzialmente bidimensionale.

In pratica, consistono di una griglia di raggi paralleli uguali e equamente separati gli uni rispetto agli altri in modo che la distanza reciproca fra gli assi ottici determina la risoluzione del dispositivo; infatti il diametro minimo dell’oggetto rilevabile è pari alla somma della dimensione di un fascio ottico e dell’interasse fra due fasci consecutivi.

Figura 2: Un esempio di barriera fotoelettrica (AOPD).

Nell’esempio (figura 2):

• diametro della lente (Æ) = 6 mm
• interasse fra due lenti P = 8 mm
• risoluzione d = P+Æ = 8 mm + 6 mm = 14 mm

Criterio di rilevamento:

• l’uscita è abilitata solo se sul lato Ricevitore è continuamente presente, per ogni raggio, la radiazione luminosa generata dall’emettitore corrispondente;
• l’uscita viene disabilitata quando questa radiazione è assente.

Se la divergenza dei fasci ottici emessi ed il campo visivo dei ricevitori sono contenuti entro i limiti stabiliti dalla norma la risoluzione sarà uniforme in tutto il campo protetto e non dipenderà dall’orientamento o dal disallineamento delle due colonne.

I requisiti di progettazione e di test contenuti nella norma sono scritti in funzione di questa tipologia costruttiva.

È chiaro che così facendo la norma diviene estremamente prescrittiva, contravvenendo quindi ai principi ispiratori delle norme del nuovo approccio. La possibilità che in futuro si possano progettare AOPD che non usano ottiche convenzionali e che quindi non necessitano dei limiti di divergenza e di campo visivo prima elencati, deve essere presa in considerazione

Per questo motivo nell’edizione in vigore è lasciata al costruttore la possibilità di adottare altre soluzioni purché sia possibile dimostrare tramite simulazioni e prove che il dispositivo garantisce un livello di sicurezza e di affidabilità di funzionamento paragonabili a quelle della soluzione precedentemente descritta nei limiti delle condizioni ambientali specificate e per tutte le combinazioni di guasti elettrici, interferenze elettromagnetiche, interferenze luminose.

Parte 3

Questa Parte stabilisce i requisiti di progetto e metodi di prova per i laser scanner (AOPDDR – Active Opto-electronic Protective Device responsive to Diffuse Reflection).

L’AOPDDR misura la distanza fra sé e gli oggetti che rientrano nel suo campo di azione per mezzo di quella piccola frazione di energia emessa che viene re-diffusa in asse con la direzione di emissione.

Effettuata la misura, l’apparecchio deve valutare se l’oggetto si trova all’interno dell’area protetta precedentemente configurata (figura 3).

Figura 3 – Schema di funzionamento di un laser scanner (AOPDDR).

Principio di funzionamento

L’emettitore invia una radiazione luminosa con determinate caratteristiche (ad es. impulsata) ed informa il ricevitore; l’uscita del ricevitore viene abilitata solo se non riceve entro un intervallo di tempo definito un campione della stessa radiazione.

Gli AOPDDR, non avendo bisogno di un target cooperante per il loro funzionamento, trovano applicazione soprattutto dove l’area protetta è mobile come è il caso degli AGV, oppure dove è necessario variare la posizione e la dimensione dell’area protetta durante il processo produttivo.

Questa Parte considera solo ESPE di Tipo 3.

La decisione di limitare gli AOPDDR al Tipo 3 dipende fondamentalmente da tre considerazioni:

• da fattori legati alla precisione della misura di distanza: la misura di distanza infatti può essere influenzata da fattori probabilistici come l’accuratezza di misura e fattori non probabilistici come l’interferenza dello sfondo o la diversa riflettanza dei materiali;
• dalla tecnica di funzionamento a riflessione diffusa: la norma richiede un rilevamento sicuro anche di oggetti con riflettanza diffusa del 1,8%. Può capitare, anche se è molto improbabile, che una fortuita combinazione di eventi porti ad avere materiali con riflettanza inferiori. La norma non prende in considerazione questi casi;
• dal criterio usato per rilevare eventuali peggioramenti della capacità di rilevamento: la ripetitività del potere di rilevamento è uno dei tre punti fondamentali sui quali si basa la sicurezza di un ESPE (gli altri due sono il controllo del tempo massimo di risposta e la costanza della dimensione dell’area protetta). Occorre quindi monitorare continuamente che per effetto del deterioramento o dell’invecchiamento dei componenti non peggiori la capacità di rilevamento oltre i limiti stabiliti.

Queste verifiche possono essere eseguite solo per via indiretta utilizzando appositi target attraverso complessi calcoli che richiedono tempo. La norma richiede che il tempo massimo di rilevamento di questo tipo di guasti sia inferiore a 5 secondi.

Per paragone, a un AOPD di Tipo 4 è richiesto invece che la verifica della capacità di rilevamento avvenga entro il tempo di risposta che normalmente è di qualche decina di millisecondi.

Revisione della parte 3

In questo periodo la Parte 3 è in revisione; è stata infatti accolta una proposta avanzata dalla Germania di estendere la norma a AOPDDR di Tipo 2 e a AOPDDR con zona sensibile di tipo 3D.

Saranno elaborati perciò requisiti di sicurezza e corrispondenti metodi di test per laser scanner 3D e sistemi di visione 3D che usano la tecnica TOF (time of flight).

Questi nuovi AOPDDR 3D saranno in grado di rilevare non solo l’intrusione, ma anche la presenza umana nella zona di lavoro della macchina senza peraltro fermare il processo produttivo, pur garantendo la sicurezza degli operatori.

Parte 4 – Sottoparte 2

Come si è già accennato, questa parte nasce da una proposta del Giappone sullo sviluppo di sistemi di visione artificiale per applicazioni di sicurezza.

Nel 2000 la Japan Machinery Federation aveva condotto una ricerca finalizzata allo sviluppo di metodi di protezione del personale addetto alle operazioni di manutenzione e regolazione di macchine tramite l’uso di tecniche di analisi di immagine.

Le prove sul prototipo vennero eseguite in uno stabilimento della Toyota ed i risultati furono illustrati nella riunione plenaria del IEC/TC 44 nel 2001. La Specifica Tecnica prende appunto spunto dal risultato di queste ricerche.

Sostanzialmente, la tecnica usata è una tecnica di tipo passivo. La telecamera riprende l’immagine di un pattern che si trova alla estremità opposta della zona da controllare (es. sul pavimento). Il pattern ha caratteristiche uniche per colore, disegno, forma, difficili da trovare in un normale ambiente industriale. Gli oggetti presenti nel campo visivo della telecamera proiettano una silhouette 2D sul pattern che altera la regolarità del pattern stesso.

L’immagine corrente della telecamera viene poi confrontata con un’immagine del pattern che corrisponde ad una situazione sicura che è stata memorizzata nel sistema in fase di prima installazione (immagine di riferimento) oppure, in modo più complicato, viene ricercata nell’immagine corrente le caratteristiche di forma e di colore del pattern di riferimento (figura 4).

Figura 4 – Tecnica mediante immagine pattern.

Criterio di rilevamento

L’uscita viene abilitata solo se il pattern corrente visualizzato dalla telecamera è coincidente con il pattern di riferimento.

L’uscita viene disabilitata quando si rileva una discordanza fra i due pattern.

Questa Parte considera solo ESPE di Tipo 3.

Nel caso occorra controllare grandi volumi è possibile usare più telecamere con campo visivo parzialmente sovrapposto senza doverle sincronizzare fra loro perché il sistema non usa luce strutturata propria.

Resta comunque da verificare se questi pattern non creino una situazione di disagio per gli operatori obbligati a conviverci.

Parte 4 – Sottoparte 3

Questa parte stabilisce i requisiti di progetto e metodi di prova per tecniche di visione stereo.

La tecnica di visione stereo viene qui usata per dedurre le informazioni 3D di oggetti mediante la valutazione di due immagini prese da punti di vista diversi.

Due telecamere sono poste a una certa distanza l’una dall’altra in modo da avere campi visivi parzialmente sovrapposti (figura 5).

Area utile

Figura 5 – Tecnica di visione stereo.

In questo modo si ottengono due immagini leggermente differenti in cui lo stesso oggetto appare leggermente spostato.

Tramite calcoli di triangolazione è possibile usare questa differenza di posizione per ricavare la posizione spaziale dei punti corrispondenti nella scena e di conseguenza è possibile estrarre gli oggetti dallo sfondo. Il principio di funzionamento è analogo alla percezione visiva nell’uomo. Il cervello umano tuttavia, oltre a valutare la profondità della scena, fondendo insieme le due immagini è in grado di interpretare e riconoscere gli oggetti presenti.

Questa Specifica Tecnica disciplina solo la funzione di rilevamento di oggetti mediante stima della distanza; non affronta il problema del riconoscimento e classificazione di oggetti.

Per il calcolo della distanza si devono risolvere due problemi:

• trovare coppie di punti corrispondenti nell’immagine sinistra e destra (problema della corrispondenza);
• calcolare le coordinate 3D delle coppie di punti corrispondenti (problema della ricostruzione).

Dal punto di vista della capacità di rilevamento gli algoritmi di corrispondenza sono senz’altro quelli più critici. Infatti, a causa di problemi legati alle caratteristiche intrinseche delle telecamere e alle caratteristiche della scena:

• elementi corrispondenti possono non venire associati fra loro perché non presentano le stesse caratteristiche nelle due immagini;
• lo scarso contrasto fra oggetti e sfondo dovuto all’assenza di texture può portare ad associare due punti che non hanno corrispondenza reale.

La mancanza di contrasto è uno dei principali inconvenienti dei sistemi stereo e proprio per questo motivo la Specifica Tecnica si sofferma con particolare attenzione su questo tema.

I VBPD stereo possono essere usati sia per applicazioni statiche che per applicazioni mobili; possono anche essere combinati fra di loro per monitorare zone estese senza necessità di sincronizzazione poiché entro certe condizioni possono funzionare senza fare uso di illuminazione propria.

IEC 62046 – La futura norma di applicazione

Parallelamente allo sviluppo delle norme sugli ESPE sta faticosamente prendendo corpo la modifica di indirizzo della IEC TS 62046 da Specifica Tecnica a Norma Internazionale.

Si tratta in sostanza della norma che disciplina non tanto la costruzione di un dispositivo elettrosensibile, quanto il suo posizionamento e interfacciamento col macchinario a partire dalla scelta preliminare del dispositivo fino alla verifica finale delle prestazioni di sicurezza raggiunte.

Per ognuna delle tecnologie precedentemente elencate vengono definiti requisiti di installazione, distanze di sicurezza e modi di funzionamento più idonei per le applicazioni più comuni.

Per tener conto delle capacità sistematiche degli ESPE (influenze ambientali, influenze EMC, prestazioni ottiche, principio di rilevamento ecc.) sarà inserita una tabella (simile a quella pubblicata nella IEC 61496-1) che stabilisce una correlazione fra Tipi di ESPE e il SIL/PL raggiungibile dalla funzione di sicurezza.

Quando un ESPE è utilizzato nell’ambito di un sistema di controllo di sicurezza, il massimo PL o SIL che può raggiungere la funzione di sicurezza che include tale ESPE non può essere superiore ai valori indicati nella tabella 1.

Tabella 1 – Correlazione tra Tipi di ESPE e PL/SIL

Una parte consistente del documento è dedicata poi alla realizzazione della funzione di muting.

In questi ultimi anni, con l’aumentare della complessità delle lavorazioni e del grado di automazione questa funzione è sempre più usata; è chiaro quindi che, visto il grado di pericolosità che potrebbe derivare da un suo uso non appropriato, si sia deciso di fissarne le regole in modo dettagliato.

Nonostante la grande varietà di situazioni che necessitano della funzione di muting, sostanzialmente le applicazioni si possono ricondurre a due tipiche:

• per permettere l’accesso di persone all’interno dell’area pericolosa durante la parte non pericolosa del ciclo macchina. Un esempio tipico è l’attivazione della funzione di muting durante la parte finale della discesa del punzone nelle presse piegatrici;
• per permettere l’accesso del materiale ed impedire l’accesso della persona. L’esempio classico è quello del controllo dei varchi negli impianti di pallettizzazione e di movimentazione merci (figura 6).

Figura 6 – Applicazione per controllo dei varchi negli impianti di pallettizzazione e di movimentazione merci.

La norma si sofferma in particolare su quest’ultimo aspetto dedicando un annesso proprio ai requisiti dimensionali dei varchi e alle regole di posizionamento dei sensori affinché la discriminazione uomo-pallet venga fatta in modo corretto e sia così possibile mantenere la funzione di protezione complessiva del sistema pur bypassando la funzione di protezione dell’ESPE.

Molto importante anche il Capitolo 7 che fornisce in modo dettagliato requisiti, raccomandazioni e informazioni su tre aspetti spesso trascurati:

• verifiche finali;
• controlli periodici in funzione dell’applicazione;
• manutenzione regolare;
• adeguato addestramento degli operatori.

Si sottolinea il fatto che anche se la tecnologia può offrire un validissimo aiuto esiste sempre un rischio residuo che può essere mitigato solo attraverso il rispetto delle procedure e la costanza dei controlli.

Per finire, si segnala che è in fase di elaborazione una nuova Specifica Tecnica, la IEC TS 62998.

IEC TS 62998 – Sensori di sicurezza per la protezione delle persone.

In questi ultimi tempi, l’uso di nuove tecnologie, di service robot, di AGV e di macchine con aumentata interazione uomo-macchina hanno portato a un aumento della domanda di nuove funzioni dei sensori, ad esempio per la classificazione di oggetti o per il rilevamento della posizione reciproca di uomo e oggetti.

Per assolvere a queste nuove funzioni sono necessari combinazioni di sensori e tecnologie di sensori non ancora usate per applicazioni di sicurezza, per esempio sensori radar, sensori a ultrasuoni, dispositivi di visione eventualmente combinati fra di loro per creare un sistema di sensori per il quale non esistono norme simili a quelle degli ESPE.

I produttori di questi sensori o sistemi di sensori, vista la mancanza di norme dedicate utilizzano come linea guida per la loro progettazione, le norme generiche sulla sicurezza funzionale (IEC 61508, ISO 13849-1).

L’applicazione di queste norme generiche richiederebbe tuttavia, a integrazione, un’analisi specifica per valutare l’affidabilità della funzione di rilevamento in funzione delle tecnologie usate, delle influenze ambientali, delle tolleranze di rilevamento e delle interferenze reciproche fra sensori.

Ne consegue che la sola applicazione di queste norme generiche non impedisce che possano essere commessi errori di progettazione tali da invalidare la capacità di rilevamento nelle condizioni reali di funzionamento. Ciò può comportare un rischio intollerabile per le persone.

La IEC TS 62998 servirà proprio per colmare questo gap che esiste tra le norme degli ESPE che disciplinano il controllo dei guasti sistematici ma che sono limitate a ben definite tipologie di sensori e le norme generiche sulla sicurezza funzionale che possono essere applicate alle altre tecnologie di sensori ma che sono carenti per quanto riguarda l’aspetto del controllo dei guasti sistematici.