Absolutpositionierung nach SIL3/PLe mit nur einem Sensor
Neues Maß an Sicherheit
Das Positioniersystem safePGV und der safePXV ermöglichen erstmals die sichere Absolutpositionierung nach SIL3/PLe mit nur einem einzigen Sensor. Die Anwendungsmöglichkeiten und Chancen sind vielfältig - nicht zuletzt für den Bereich der Logistik.
Bild: Pepperl+Fuchs GmbHSchon 2011 kombinierte man bei dem Positioniersystem PCV (Position Coded Vision) erstmals eine 2D-Kamera als Lesekopf mit einem DataMatrix-Codeband zur Absolutpositionierung. Der Lesekopf extrahiert dabei die Informationen im DataMatrix-Code, identifiziert die aktuelle Position und berechnet anschließend die exakte Position in Relation zur Kameramitte. Dabei bietet das System höchste Datensicherheit, da immer mehrere Codes gleichzeitig gelesen werden. Ebenfalls auf Basis dieser Technologie folgte 2014 der PGV, eine Lösung zur Navigation von fahrerlosen Transportsystemen (FTS). Trotz der Weiterentwicklung der Geräte zeigte sich aber auch, dass es in der Praxis an zusätzlichen Safety-Lösungen für die Absolutpositionierung und sichere Navigation fehlte. Mit dem safePGV und dem safePXV hat Pepperl+Fuchs nun eine neue Generation von Positioniersystemen entwickelt, die erstmals Level SIL3/PLe erreichen - und das mit nur einem einzigen Sensor.
Zweifarbiges DataMatrix-Codeband
Was genau ist aber das bahnbrechend neue an dieser Entwicklung? Nun, zunächst einmal war sichere Absolutpositionierung nach SIL3/PLe für Anlagenbetreiber bislang kaum realisierbar, da sie mit erheblichem Aufwand und hohen Kosten verbunden war. So war es dafür erforderlich, redundante Systeme mit unterschiedlichen Sensoren bzw. unterschiedlicher Technologie aufzubauen. Darüber hinaus war eine Plausibilitätsprüfung der Daten in der sicheren Steuerung notwendig und die gesamte Entwicklung musste vom TÜV begleitet sowie abschließend abgenommen werden. All das leistet im Falle des safePGV und des safePXV ein einziges Positioniersystem mit nur einem Sensor. Basis der neuen Sicherheitstechnologie ist die Kombination aus einem 2D-Lesekopf und dem DataMatrix-Code. Allerdings kommt nun ein spezielles Band mit zwei sich überlagernden DataMatrix-Codes in rot und blau zum Einsatz. Der 2D-Lesekopf ist mit zwei unterschiedlich farbigen LED-Ringen - ebenfalls in rot und blau - ausgestattet. Durch die zweifarbigen Codes in Verbindung mit der zweifarbigen Beleuchtung entsteht eine einzigartige Sicherheitslösung. In jedem einzelnen Code befinden sich Positions- und Sicherheitsinformationen, die durch die LED-Beleuchtung in rot bzw. blau sichtbar gemacht werden und so von der Kamera auslesbar sind. Das eigentliche Gehirn dieser Positioniersysteme ist allerdings die Firmware. Durch sie werden die unterschiedlichen LED-Farben mit einem als sicher zu bewertenden Algorithmus angesteuert. Jeder Code wird dann unabhängig im Sicherheitsteil des Sensors direkt auf Plausibilität überprüft. Dabei muss die mathematisch zufällige Blitzfolge mit der tatsächlichen Position übereinstimmen. Da die Ansteuerung der unterschiedlichen LEDs über den Sicherheitsteil realisiert wird, weiß die Kameraauswertung nicht, mit welcher Beleuchtungsfarbe gerade aufgenommen wird. Sie gleicht daher lediglich den Erwartungswert mit den tatsächlich aufgenommenen Daten des Codes ab. Auf diese Weise wird stetig geprüft, ob die Software in der Kamera noch korrekt funktioniert. Die Firmware des Systems plausibilisiert also bereits im Sensor selbst alle Daten und gibt sie erst dann über Profisafe an die sichere Steuerung weiter. Daher kann die sichere X-Position ohne Prüfung weiterverarbeitet und zur Prozesssteuerung verwendet werden. Entstanden ist so ein System, das erstmals die Sicherheitsanforderungen nach SIL3/PLe erfüllt - und das mit nur einem Sensor.
Bild: Pepperl+Fuchs GmbHFünf Codes gleichzeitig erfassen
Zudem wurden die Lesefenster der Geräte deutlich vergrößert (120x80mm). Für die Praxis bedeutet das eine Weiterentwicklung, die gleich mehrfache Redundanz gewährleistet. So ist nicht nur jeder einzelne Code in puncto Daten bereits redundant in sich. Das große Fenster kann auch stets fünf DataMatrix-Codes gleichzeitig erfassen. Selbst bei stark verschmutzten oder beschädigten Codes ist daher eine optimale Funktionalität jederzeit sichergestellt. Das erweiterte Lesefenster hat darüber hinaus noch andere Vorteile: in Kombination mit dem großen Tiefenschärfebereich ermöglicht es eine optimale Lesbarkeit und damit höchste Toleranz bei der Streckenführung. Engste Kurvenradien, Steigungs- und Gefällstrecken sind so problemlos realisierbar - und das auf einer Entfernung von bis zu 100.000m. Dabei können die Codebänder bis zu 75mm unterbrochen sein, ohne die geringste Auswirkung auf die Performance. Entscheidend ist das insbesondere bei Anlagen mit langen Streckenverläufen. Hier können z.B. Dehnungsfugen in Gebäuden ohne Störung überbrückt werden.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Optimal geeignet ist der safePXV für die sichere Absolutpositionierung von Elektrohängebahnen (EHB), für Regalbediengeräte in der Lager- und Fördertechnik, Drehtische im Maschinenbau sowie für den Aufzugsbau und für Windräder im Bereich erneuerbarer Energien. Bei der Entwicklung des Systems war neben Sicherheit und Zuverlässigkeit auch die einfache Handhabung von großer Bedeutung. Das Codeband wird bereits in passender Länge geliefert und muss einfach aufgeklebt werden. Anschließend wird der Lesekopf lediglich grob darauf ausgerichtet und die weitere Parametrierung kann mittels Profinet-GSDML-Datei direkt über die Sicherheitssteuerung erfolgen. Der safePGV wurde optimiert für die Navigation von fahrerlosen Transportsystemen (FTS) in der Lager- und Fördertechnik, der Zuführung und der Produktion. Damit geht die Lösung weit über die reine Positionierung hinaus. Der Sensor liefert neben der sicheren X-Position auch alle Werte, die für eine zuverlässige Fahrzeugsteuerung erforderlich sind. So kann z.B. in der Automobilfertigung jederzeit ein Mindestabstand zwischen den Fahrzeugen sichergestellt und der Schutz aller daran beschäftigten Personen gewährleistet werden. Zusätzlich zu den sicheren Daten kann der Anlagenbetreiber flexibel auf Winkel sowie Y-Positionen zugreifen. Spurabweichungen können daher jederzeit problemlos korrigiert werden.
Hochregallager effizienter nutzen
Anwendungsmöglichkeiten für den safePXV und safePGV gibt es in vielen Bereichen. Wo in Hochregallagern Regalbediengeräte im Einsatz sind, könnte z.B. der safePXV zur Absolutpositionierung für Einsparungen sorgen. Beim Bau der Lager müssen bislang größere Sicherheitszonen mit Abfangvorrichtungen am Ende der Gänge eingeplant werden. So ist sichergestellt, dass die Geräte auch bei einer Fehlfunktion rechtzeitig stoppen. Der safePXV wird hier am Regalbediengerät verbaut und auf ein DataMatrix-Codeband ausgerichtet, das im Bereich der horizontalen Schiene am Boden verklebt ist. In der sicheren Steuerung wird dann eine Position mit entsprechendem Abstand zur Wand hinterlegt. Erreicht das Regalbediengerät diesen Punkt, wird die Geschwindigkeit des Gerätes gedrosselt um eine Kollision sicher auszuschließen. Zuverlässig fährt das Gerät daher bereits mit vermindertem Tempo an das letzte Regal heran und wird immer rechtzeitig gebremst. Auf die übliche Sicherheitszone kann verzichtet werden. Das Prinzip funktioniert identisch in vertikaler Richtung.
Sicherheit für Krananlagen
Auch im Bereich von Krananlagen kann man über den Einsatz des safePXV einen Sicherheitsbereich absolut zuverlässig definieren, in dem dann die Güter gefahrlos abgesenkt werden. Bei Brückenkranen in großen Hallen etwa müssen dafür die seitlichen Fahrschienen mit der neuen Safety-Technologie ausgestattet werden. Über das DataMatrix-Codeband können die Sensoren dann zuverlässig ihre genaue Position an die sichere Steuerung melden. Da beide Seiten der Krananlage mit dem safePXV ausgestattet sind, kann auch der Gleichlauf sicher gewährleistet werden. Um die genau Position des Ladegutes innerhalb der Krananlage und eine sichere Absolutpositionierung zu gewährleisten, werden zudem die Laufkatze und die Achse, auf der sie sich bewegt, mit Sensor bzw. dem DataMatrix-Codeband versehen.
Zweifarbiges DataMatrix-Codeband
Was genau ist aber das bahnbrechend neue an dieser Entwicklung? Nun, zunächst einmal war sichere Absolutpositionierung nach SIL3/PLe für Anlagenbetreiber bislang kaum realisierbar, da sie mit erheblichem Aufwand und hohen Kosten verbunden war. So war es dafür erforderlich, redundante Systeme mit unterschiedlichen Sensoren bzw. unterschiedlicher Technologie aufzubauen. Darüber hinaus war eine Plausibilitätsprüfung der Daten in der sicheren Steuerung notwendig und die gesamte Entwicklung musste vom TÜV begleitet sowie abschließend abgenommen werden. All das leistet im Falle des safePGV und des safePXV ein einziges Positioniersystem mit nur einem Sensor. Basis der neuen Sicherheitstechnologie ist die Kombination aus einem 2D-Lesekopf und dem DataMatrix-Code. Allerdings kommt nun ein spezielles Band mit zwei sich überlagernden DataMatrix-Codes in rot und blau zum Einsatz. Der 2D-Lesekopf ist mit zwei unterschiedlich farbigen LED-Ringen - ebenfalls in rot und blau - ausgestattet. Durch die zweifarbigen Codes in Verbindung mit der zweifarbigen Beleuchtung entsteht eine einzigartige Sicherheitslösung. In jedem einzelnen Code befinden sich Positions- und Sicherheitsinformationen, die durch die LED-Beleuchtung in rot bzw. blau sichtbar gemacht werden und so von der Kamera auslesbar sind. Das eigentliche Gehirn dieser Positioniersysteme ist allerdings die Firmware. Durch sie werden die unterschiedlichen LED-Farben mit einem als sicher zu bewertenden Algorithmus angesteuert. Jeder Code wird dann unabhängig im Sicherheitsteil des Sensors direkt auf Plausibilität überprüft. Dabei muss die mathematisch zufällige Blitzfolge mit der tatsächlichen Position übereinstimmen. Da die Ansteuerung der unterschiedlichen LEDs über den Sicherheitsteil realisiert wird, weiß die Kameraauswertung nicht, mit welcher Beleuchtungsfarbe gerade aufgenommen wird. Sie gleicht daher lediglich den Erwartungswert mit den tatsächlich aufgenommenen Daten des Codes ab. Auf diese Weise wird stetig geprüft, ob die Software in der Kamera noch korrekt funktioniert. Die Firmware des Systems plausibilisiert also bereits im Sensor selbst alle Daten und gibt sie erst dann über Profisafe an die sichere Steuerung weiter. Daher kann die sichere X-Position ohne Prüfung weiterverarbeitet und zur Prozesssteuerung verwendet werden. Entstanden ist so ein System, das erstmals die Sicherheitsanforderungen nach SIL3/PLe erfüllt - und das mit nur einem Sensor.
Pepperl+Fuchs Vertrieb Deutschland GmbH
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 1+2 2018 - 08.02.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
