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Sichere Positions- und Geschwindigkeits­erfassung für autonome Transporteinheiten

Skids und Shuttles in Position

26.11.2024
von Redaktion INDUSTRIELLE AUTOMATION
Um das Zusammenspiel von Mensch und Maschine sicher zu gestalten, werden zuverlässige Positionsdaten benötigt

Autonom fahrende geführte Einheiten erledigen viele Transportaufgaben in der Intralogistik und sind oft eng mit der Montage verzahnt. Um das Zusammenspiel von Mensch und Maschine sicher zu gestalten, werden zuverlässige Positionsdaten benötigt. Anstelle der üblichen und aufwendigen Mehrfachauslegung stellen wir Ihnen eine deutlich vereinfachte Lösung vor.

In der Produktions- und Lagerlogistik gehören lineargeführte Transportsysteme zur Standardausrüstung. So ist etwa die PKW-Montage – von wenigen Edelmanufakturen abgesehen – ohne Elektrohängebahnen zum Transport der Karossen kaum mehr vorstellbar. Mobile Roboter, Regalbediengeräte oder Krananlagen unter dem Hallendach übernehmen ähnliche Aufgaben der Materialzuführung und -behandlung. Sie alle sind in Bereichen im Einsatz, in denen auch Menschen arbeiten.

Für diese Anlagen schreibt die sogenannte Maschinenricht­linie (EU-Richtlinie 2006/42/EG) umfassende Schutzmaßnahmen vor. In anderen Regionen gelten vergleichbare Vorgaben, um Personen im Umfeld autonom agierender Maschinen zu schützen und zugleich Sachschäden zu verhindern. Die sichere Absolutpositionierung der mobilen Einheiten ist eine grundlegende Voraussetzung dafür. Technisch gesehen bedeutet „Sicherheit“ in der Regel „Redundanz“, also doppelte oder mehrfache Auslegung der verwendeten Vorrichtungen.

Intrinsische Redundanz statt ­Mehrfachauslegung

Beim safePXV wird die Mehrfachauslegung im Sensor gelöst, indem diese regulatorisch geforderte Redundanz als intrinsisches Merkmal des Systems umgesetzt wird. Die Basis dafür bildet ein DataMatrix-Band mit dreifarbigen Codes im Zusammenspiel mit einer Kamera, die mit je einem roten und blauen LED-Ring ausgestattet ist. Die beiden Leuchtringe blitzen getrennt in zufälliger Folge und einem sicherheitsbewerteten Ablauf. Die Kamera kann so immer nur einen Teil der farbigen DataMatrix-Codes erfassen – im blauen Licht erscheinen die roten und schwarzen, im roten Licht die blauen und schwarzen Felder.

Damit liegen die optischen Signale redundant vor. Die Kameraauswertung vergleicht die unabhängig aufgenommenen Codes mit dem Erwartungswert, ohne die jeweilige Beleuchtungsfarbe zu kennen. Ein sicherer Algorithmus der systeminternen Firmware gleicht die Daten miteinander ab und vollzieht damit auch die unabhängigen Plausibilitätsprüfung. Bei einer Diskrepanz zwischen der Bildinformation und der erfassten Position wird ­eine Fehlfunktion gemeldet und die Sicherheitsschaltung ausgelöst. Die beiden LED-Ringe werden direkt durch den Sicherheitsteil angesteuert, somit wird automatisch auch die korrekte Funktion der Kamera-Software überprüft.

Mit 15´15 mm Fläche sind die Codes überdurchschnittlich groß, was die Robustheit des Gesamtsystems zusätzlich steigert. Ein einziger Code im Sichtfeld reicht für die Positionsbestimmung auf der x-Achse aus. Da das 100 ´ 65 mm große Lesefenster immer mehrere Codes erfasst, können einzelne beschädigte Codes die Messung nicht beeinträchtigen. Das Codeband kann an Dehnungsfugen oder Weichen bis zu einer Länge von 60 mm sogar ganz unterbrochen sein. Individuell definierte Codes stehen für eine Gesamtstrecke von bis zu 10 km zur Verfügung.

Robuste Codes, großer ­Tiefenschärfebereich

Dass eine einzelne Kamera genügt spart nicht nur Hardware, sondern bietet auch im Hinblick auf die Positionsbestimmung einen Vorteil: Ein System mit zwei Kameras erhält an einer Weiche abweichende Positionssignale. Dieser Umstand erfordert zusätzliche Vorkehrungen zur Absicherung der Daten und erhöht den Integrationsaufwand. Beim Einsatz einer einzelnen Kamera entfällt diese Komplikation.

Die Kamera besitzt einen großen Tiefenschärfebereich und kann daher bis zu 50 mm Abstandstoleranz ausgleichen, zum Beispiel bei horizontalen Kurvenfahrten. Als zusätzliche Absicherung dient die Zusatzfunktion „Checker“, mit der der safePXV/PUS-Lesekopf die Anzahl der gelesenen Codes ausgibt und die Qualität der einzelnen Codes bewertet. Bei übermäßiger Abnutzung oder Verschmutzung des Codebandes kann durch vorbeugende Wartung rechtzeitig eingegriffen werden. Einstellung und Parametrierung des Lesekopfs sind nicht notwendig. Somit lässt er sich sehr schnell installieren und bei Bedarf einfach austauschen. Die eigentliche Parametrierung und Validierung erfolgt in der sicheren Auswerteeinheit PUS. Die PXV-Geräte arbeiten berührungslos und verschleißfrei, da der Lesekopf keine beweg­lichen Teile enthält. Sie sind mechanisch robust, und gewährleisten bei sehr geringem Wartungsaufwand höchste Verfügbarkeit.

Sichere Auswertung

Während der safePXV-Sensor eine intrinsisch redundante und damit sichere Signalgrundlage bereitstellt, übernimmt die neue
sichere Auswerteeinheit PUS-F161-B die sichere Auswertung der Daten. Sie verarbeitet und bewertet diese auf zwei unabhängigen Kanälen. Das Gerät berechnet und bewertet so den sicheren
Positionswert, aus dem es einen sicheren Geschwindigkeitswert ableiten kann. Zugleich verarbeitet es die Diagnosedaten des Sensors und fungiert bei der Übermittlung als Gateway zum Feldbus. Die Werte der beiden separaten Kanäle werden direkt im Gerät abgeglichen, womit eine Selbstüberwachung des Systems ge­geben ist und die Redundanz-Anforderungen der Kategorie 4 nach EN ISO 13849-1 erfüllt sind. Ein Stecker genügt für die Verbindung zu beiden Kanälen. Das System gibt sichere Positions- und Geschwindigkeitswerte aus und liefert damit die Grundlage für die Sicherheitsfunktionen Sichere Positionsüberwachung (SLP) sowie Sicher begrenzte Geschwindigkeit (SLS).

Sichere Positionierung in vielen ­Applikationen

Das safePXV/PUS-System ist in erster Linie für lineargeführte Applikationen wie Elektrohängebahnen (EHB), Schub-Skidanlagen oder Regalbediengeräte konzipiert. Neben der Absolutpositionierung kommt es dort auch auf die Einhaltung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit an, bei den Schub-Skids dürfen keine für Menschen riskante Lücken entstehen. Weitere Anwendungs­felder sind Krananlagen, mobile Roboter, Regalbediengeräte, Drehtische und Aufzüge. Beim Einsatz in Regalsystemen etwa kann das safePXV-System in Kombination mit der PUS-Auswerteeinheit unter anderem die Ausfallzeiten reduzieren helfen: Die sichere Positionierung der Shuttles erlaubt es, Wartungsarbeiten oder andere Eingriffe durch menschliches Personal in einzelnen Gängen durchzuführen, ohne die gesamte Anlage abschalten zu müssen.

Bild- und Textquelle: Pepperl+Fuchs

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