Normes de sécurité pour les cellules de palettisation robotisées dans les usines de conditionnement : barrières immatérielles, clôtures et évaluation des risques

Résumé exécutif:Garantir la sécurité opérationnelle dans les usines de conditionnement automatisées nécessite une approche rigoureuse et multicouche du contrôle des risques. La mise en œuvre d'un robot ou d'un système cobot de palettisation industrielle exige le strict respect des normes mondiales, notamment ISO 12100, ISO10218-1/2, ISO/TS 15066 et ISO 13849-1. Une architecture de protection complète combine une clôture périmétrique physique verrouillée, des technologies de détection optique telles que des barrières immatérielles de sécurité et des scanners laser, et une logique de contrôle API de sécurité avancée. En mettant correctement en œuvre les évaluations des risques, en calculant les distances de sécurité et en configurant des fonctions intelligentes d'inhibition et de suppression, les installations de conditionnement peuvent maintenir un débit de ligne élevé tout en atteignant des environnements de travail sans danger et une conformité totale aux normes CE et OSHA.

Avant d'installer un palettiseur robotisé, les équipes d'ingénierie doivent procéder à une évaluation approfondie des risques conformément à la norme ISO 12100, qui régit la sécurité des machines à travers des principes généraux de conception, d'évaluation des risques et de réduction des risques. L'évaluation des risques est un processus itératif appliqué tout au long de la conception, de l'intégration et de la mise en service.

Identification des dangers :Identifier les risques mécaniques, électriques et opérationnels potentiels dans tous les modes de fonctionnement, y compris le fonctionnement automatique, l'apprentissage manuel, la maintenance et l'élimination des bourrages.

Estimation des risques :Évaluer la gravité des blessures potentielles, la fréquence ou la durée de l'exposition et la probabilité d'éviter les dommages.

Réduction des risques (méthode en trois-étapes) :Appliquer des mesures de conception intrinsèquement sûres pour éliminer les arêtes vives ou limiter la vitesse du robot, intégrer des mesures de protection telles que des clôtures physiques et des barrières immatérielles, et fournir des panneaux d'avertissement clairs et des protocoles de formation des opérateurs.

OIN 12100:Se concentre sur la méthodologie générale d’évaluation des risques et les principes de réduction des risques pour les machines, évalués au moyen d’une matrice d’estimation des risques.

OIN 10218-1/2:Définit les exigences de sécurité obligatoires et les critères de conception de cellules pour les robots industriels, les systèmes robotiques et l'intégration.

ISO/TS15066:Fournit des conseils spécifiques pour le fonctionnement collaboratif des robots et la limitation de la puissance et de la force en fonction de seuils de pression biomécaniques.

OIN 13849-1:Décrit les parties liées à la sécurité-de la conception et de la validation des systèmes de contrôle, en définissant des niveaux de performance tels que PLd ou PLe.

CEI 62061 :Régule la sécurité fonctionnelle des systèmes de contrôle liés à la sécurité électrique et électronique-pour les machines, définis par les niveaux d'intégrité de sécurité SIL2 ou SIL3.

La clôture de périmètre physique constitue la principale barrière dure empêchant l'entrée humaine non autorisée dans l'enveloppe de mouvement dangereux d'un bras de robot de palettisation industriel.

Règlements sur la hauteur minimale :Conformément à la norme ISO 13857, les barrières de protection rigides doivent se trouver à une hauteur minimale de 2 000 millimètres au-dessus du sol pour empêcher les opérateurs de pénétrer dans la zone dangereuse.

Garde au sol :Le cadre grillagé inférieur doit maintenir une garde au sol de 150 à 200 millimètres pour empêcher le personnel de ramper dessous tout en permettant un lavage et un nettoyage faciles du sol.

Taille d'ouverture du maillage :Les ouvertures en treillis doivent empêcher les doigts ou les mains d'atteindre les risques structurels. Un treillis métallique standard de 50 x 50 millimètres exige une distance de sécurité minimale de 200 millimètres de tout composant mécanique en mouvement.

En fonctionnement standard, la cellule robotisée est entièrement verrouillée. Lorsqu'un opérateur demande l'entrée via la console HMI, le système de contrôle initie une décélération de vitesse contrôlée. Une fois que le système déclenche un état d'arrêt sécurisé du couple et vérifie l'absence de mouvement, la clé piégée ou le verrouillage solénoïde libère la porte d'accès, permettant une entrée manuelle sécurisée dans la cellule.

Toutes les portes d'accès intégrées aux clôtures périmétriques physiques doivent être équipées d'interrupteurs de sécurité à double canal-avec interverrouillage. Les interrupteurs de sécurité à verrouillage solénoïde-maintiennent les portes d'accès verrouillées jusqu'à ce que le robot soit complètement arrêté. Les systèmes de verrouillage à clé piégée-exigent que les opérateurs retirent une clé de sécurité physique de la console du portail avant d'ouvrir la porte, et le fait de transporter cette clé dans la cellule empêche des tiers de fermer la porte et de redémarrer le mode automatique-pendant que le personnel est à l'intérieur.

Lorsque des barrières physiques restreignent les lignes de transport d'entrée ou de sortie des palettes, les dispositifs de détection de présence optique-fournissent un équipement de protection électrosensible actif-.

Les barrières immatérielles de sécurité projettent un ensemble de faisceaux infrarouges à travers les ouvertures d'accès. L'interruption d'un faisceau envoie un signal d'arrêt immédiat à l'automate de sécurité. La protection des doigts utilise une résolution de 14-millimètres et est installée à proximité de points de pincement dangereux comme les pinces-d'outillage en bout de-bras. La protection des mains utilise une résolution de 30 millimètres comme configuration standard autour des convoyeurs. Les grilles de détection de corps et de contrôle d'accès utilisent une configuration multifaisceau de résolution de 300 à 500 millimètres pour la protection des entrées périmétriques.

Les scanners laser de sécurité utilisent la réflexion laser du temps de -de-vol pour surveiller les zones de sol en 2D autour d'un système robot de palettisation. Ils permettent une commutation dynamique de zone. Lorsqu'un opérateur s'approche de la zone d'avertissement, le scanner déclenche une alarme sonore et signale au contrôleur du robot de ralentir jusqu'à une vitesse réduite en toute sécurité. Si l'opérateur se rapproche de la zone de protection intérieure, le scanner exécute un arrêt de sécurité immédiat de catégorie 0 ou de catégorie 1.

Placer une barrière immatérielle de sécurité trop près d'un bras de robot de palettisation industriel crée un risque grave pour la sécurité, car un opérateur pourrait atteindre la zone de mouvement dangereuse avant que le bras du robot ne s'arrête complètement.

La distance minimale de sécurité est calculée selon la norme ISO 13855 à l'aide d'une formule standardisée. La distance requise est égale à la vitesse d'approche humaine multipliée par le temps d'arrêt total du système, plus une distance de pénétration supplémentaire basée sur la résolution du capteur. La vitesse d'approche humaine est généralement fixée à 1 600 millimètres par seconde pour l'accès au corps ou à 2 000 millimètres par seconde pour les mouvements de la main. Le temps total d'arrêt du système combine les temps de réponse du capteur optique, le traitement logique de l'automate de sécurité et le mécanisme d'arrêt de l'actionneur du contrôleur du robot. La distance de pénétration supplémentaire représente la distance à laquelle une main ou une partie du corps peut traverser les faisceaux lumineux avant que la détection ne se produise.

Dans un scénario d'application pratique, si la vitesse d'approche humaine est de 1 600 millimètres par seconde, le temps de réponse total combiné à l'arrêt du système est de 0,35 seconde et la profondeur de pénétration autorisée pour une grille de détection de corps est de 850 millimètres, le calcul multiplie 1 600 par 0,35 pour donner 560 millimètres. L'ajout de la tolérance de pénétration de 850 millimètres entraîne une distance de sécurité minimale requise de 1 410 millimètres. Par conséquent, la barrière immatérielle doit être montée à au moins 1 410 millimètres de la ligne de danger de balayage du robot la plus proche.

Les lignes d'emballage automatisées doivent permettre aux piles de palettes finies ou aux palettes vides de passer à travers les ouvertures périmétriques sans déclencher de faux arrêts d'urgence, tout en détectant l'entrée humaine.

La mise en sourdine est une méthode de contournement temporel qui désactive temporairement la barrière immatérielle lors de l'entrée ou de la sortie du matériau à l'aide de la logique photo-. Le système s'appuie sur des capteurs photoélectriques à motif croisé (X-Muting) ou parallèles (L-Muting) pour reconnaître la forme et la vitesse spécifiques d'une palette sortante. Le principal avantage de l'inhibition est de permettre le transfert ininterrompu de charges complètes de palettes hors de la cellule, mais sa principale limitation est de nécessiter une séquence de synchronisation stricte pour empêcher un humain de suivre de près la palette.

Le masquage est une méthode de désactivation spatiale dans laquelle des faisceaux spécifiques de la barrière immatérielle sont désactivés là où des objets fixes traversent le champ optique. Le découpage fixe ignore en permanence les supports structurels fixes ou les cadres de lit à rouleaux. La suppression flottante ignore les objets en mouvement d'une taille définie tout en maintenant la protection du faisceau au-dessus et en dessous de l'objet. La principale limitation du masquage est que la résolution effective du capteur diminue, ce qui nécessite de recalculer les distances de sécurité minimales.

La connexion de dispositifs de sécurité à des automates standard non-de sécurité constitue une violation grave de la conformité. Les systèmes robotisés de palettisation modernes exigent des architectures de contrôle de sécurité fonctionnelle certifiées sousOIN 13849-1.

Le niveau de performance requis est déterminé en évaluant la gravité de la blessure, la fréquence d'exposition et la possibilité d'éviter un préjudice. En raison de charges utiles élevées allant de 20 à plus de 300 kilogrammes et de vitesses de mouvement élevées des bras, les cellules de palettisation robotisées imposent presque universellement le PLd ou le PLe sous les architectures de catégorie 3 ou de catégorie 4.

Dans une structure de contrôle de sécurité de catégorie 3 ou 4, les signaux d'entrée à double canal-des barrières immatérielles, des verrouillages de portail et des boutons d'arrêt d'urgence sont introduits directement dans un automate de sécurité ou un contrôleur de sécurité dédié. Le contrôleur de sécurité effectue une surveillance croisée-de sécurité et un traitement logique redondant. Il envoie ensuite des signaux de sortie à double canal-aux actionneurs de sécurité, tels que des contacteurs principaux doubles ou l'entrée Safe Torque Off du contrôleur du robot.

Arrêt sécurisé du couple (STO) :Coupe l'alimentation des moteurs du robot sans arrêter l'électronique du contrôleur, évitant ainsi les redémarrages mécaniques inattendus.

Arrêt opérationnel sécurisé (SOS) :Surveille les encodeurs d'articulation du robot pour garantir que le bras reste complètement stationnaire tout en conservant le couple de maintien complet du moteur.

En toute sécurité-Vitesse limitée (SLS) :Limite la vitesse maximale du point central de l'outil pendant le mode d'apprentissage ou les opérations manuelles à vitesse réduite-, généralement à 250 millimètres par seconde ou moins.

Choisir entre un robot palettiseur collaboratif et un bras industriel-à grande vitesse traditionnel modifie fondamentalement les exigences de sécurité de la cellule.

Mécanisme de sécurité primaire :Limitation de puissance et de force (PFL) via des capteurs de couple articulaires.

Objectif des normes :Régi principalement par les normes ISO/TS 15066 et ISO 10218-1.

Point de pincement et sécurité EOAT :Utilise des pinces-rembourrées souples et des-butées de limitation de force.

Vitesse de fonctionnement et empreinte :Limité à de faibles vitesses inférieures à 1,0 mètre par seconde en mode collaboratif, offrant une empreinte ultra-compacte qui nécessite souvent peu ou pas de protection.

Capacité de charge utile :varie généralement de 8 à 25 kilogrammes.

Mécanisme de sécurité primaire :Clôtures périmétriques à verrouillage physique et barrières immatérielles actives.

Objectif des normes :Régi par les normes ISO 10218-1/2 et ISO 13849-1.

Point de pincement et sécurité EOAT :Utilise des pinces mécaniques protégées avec une force de serrage élevée.

Vitesse de fonctionnement et empreinte :Fonctionne à des vitesses maximales illimitées supérieures à 2,5 mètres par seconde, ce qui nécessite une grande empreinte au sol pour l'enveloppe entièrement clôturée.

Capacité de charge utile :Varie de 50 kilogrammes à plus de 800 kilogrammes.

Un cobot est aussi sûr que ses outils et sa charge utile. Si un cobot tient un plateau ondulé-à bords tranchants ou une lourde palette en bois, un impact exposé peut toujours provoquer un traumatisme grave. Une évaluation complète des risques ISO 12100 reste obligatoire, même pour les cellules de cobots sans clôture.

Même avec du matériel de sécurité certifié, une mauvaise installation ou un mauvais alignement des capteurs entraîne des déclenchements de cellules et des temps d'arrêt indésirables.

Déclenchement intermittent de la barrière immatérielle :Souvent causé par les vibrations des convoyeurs à proximité provoquant des changements d’alignement optique. Pour résoudre ce problème, renforcez les poteaux de montage avec des-plaques anti-vibrations et réalignez-l'axe optique à l'aide d'outils laser.

Défaut d'inhibition lors de la sortie de la palette :Se produit lorsque les capteurs d'inhibition sont activés dans le désordre ou en raison de formes irrégulières de palettes. Résolvez ce problème en nettoyant les faces des lentilles photoélectriques et en recalibrant les angles de croisement des capteurs d'inhibition X- et les fenêtres de minuterie PLC.

Défauts de circuits croisés-de l'automate de sécurité :Indique un court-circuit entre les canaux d'entrée de sécurité à double canal-. Inspectez les borniers de câblage sur site pour détecter la présence de fils pincés et remplacez les câbles endommagés par des câbles à paire torsadée blindés-.

Le robot refuse le-démarrage automatique après la fermeture de la porte :Cela se produit généralement parce que le contrôleur de sécurité nécessite une réinitialisation manuelle avant de redémarrer la logique du mode auto-. Confirmez que l'opérateur a exécuté la séquence de boutons de réinitialisation manuelle depuis l'extérieur de la cellule et vérifiez l'état du solénoïde de verrouillage-sur l'IHM.

Faux arrêts du scanner laser dus à la poussière :Causé par l’accumulation de poussière sur les fenêtres des lentilles optiques déclenchant des seuils de distance. Essuyez les fenêtres du scanner à l'aide de lingettes antistatiques-et ajustez les tolérances du champ de contour du scanner dans le logiciel.

Avant de remettre une cellule de palettisation automatisée au personnel de production, les ingénieurs sécurité doivent compléter et signer une liste de contrôle de validation de sécurité fonctionnelle :

Test du circuit d'arrêt d'urgence :Appuyez individuellement sur chaque bouton d'arrêt d'urgence de l'IHM, du boîtier d'apprentissage et des poteaux de clôture pour confirmer une réponse immédiate d'arrêt sécurisé du couple.

Fonctionnalité de verrouillage de sécurité :Vérifiez que l'ouverture de toute porte physique de clôture arrête immédiatement le mouvement du robot et empêche le déverrouillage de la porte pendant le fonctionnement.

Vérification de la distance d'arrêt de la barrière immatérielle :Effectuez des tests d'intrusion physique à l'aide d'un-appareil de mesure du temps d'arrêt pour vérifier que la distance physique atteint ou dépasse le minimum ISO 13855 calculé.

Test d'échec de la logique d'inhibition :Coupez intentionnellement les faisceaux de la barrière immatérielle hors de la séquence d'inhibition appropriée pour confirmer que le système déclenche un arrêt de sécurité brutal.

Vérification de l'emplacement de réinitialisation manuelle :Assurez-vous que tous les boutons de réinitialisation manuelle de sécurité sont situés strictement à l’extérieur de l’enceinte dangereuse, avec une vue complète et dégagée de tout l’intérieur de la cellule.

Inspection de la signalisation et des avertissements visuels :Vérifiez que les étiquettes-haute tension, les panneaux d'avertissement de mouvement du robot et les balises d'état visuelles sont clairement visibles et entièrement fonctionnels.

Construire une cellule robotisée de palettisation industrielle-à haut rendement et entièrement conforme nécessite de trouver un équilibre entre l'efficacité opérationnelle et une stricte atténuation des risques.

Tout d'abord, effectuez une évaluation des risques ISO 12100 dès le début de la phase de conception technique afin d'éviter des refontes coûteuses des cellules-à un stade avancé. Deuxièmement, combinez une protection périmétrique physique avec des barrières immatérielles de sécurité certifiées de type 4 et des scrutateurs laser de sécurité pour sécuriser les points d'entrée et de sortie. Troisièmement, calculez toujours les distances de sécurité minimales conformément à la norme ISO 13855 pour garantir que les performances d'arrêt correspondent aux vitesses d'approche humaines. Enfin, implémentez des architectures de contrôle de sécurité à double canal PLd/PLe de catégorie 3 ou 4 via des automates de sécurité dédiés.

En établissant une architecture de sécurité robuste et multicouche-, les installations de conditionnement peuvent protéger le personnel, réussir les audits de conformité réglementaire sans délai et assurer une production ininterrompue à long terme-.