Von Dr. Stefan Mohr

Sicherheits-Laserscanner sind berührungslos arbeitende optische Flächenscanner, die ähnlich einem Radar permanent das komplette Arbeitsfeld in einem Winkelbereich von 190° und einem Radius von mehreren Metern zweidimensional abtasten. Innerhalb dieses Arbeitsbereiches lassen sich unabhängige Schutz- und Warnfelder programmieren, die während des Betriebs über Steuersignale umschaltbar sind. In die Schutzfelder eindringende Personen werden erkannt und ein Abschaltbefehl an das Fahrzeug wird generiert.

Durch das zweidimensionale Scannen ergibt sich ein Rundum-Blick in die Umgebung. Dabei werden die Entfernungsinformationen nur bis zur Schutzfeldgrenze beziehungsweise bis maximal zur Warnfeldgrenze ausgewertet, um eine Verletzung dieser Grenzen festzustellen. Vereinzelt gibt es Anwendungen, die die Messtechnik nutzen, um den Ort des Schutzfeld-Eingriffes exakt zu bestimmen. Allerdings müssen hierfür sehr viele Daten verarbeitet werden – was bislang in der Regel Aufgabe beispielsweise der Maschinen- oder Fahrzeugsteuerung war. Ein neuer Ansatz ist, diese Weiterverarbeitung der Daten wie die Berechnung der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit im Laserscanner selbst ablaufen zu lassen, wie es beispielsweise beim „Rotoscan RS4-4M“ von Leuze electronic realisiert wurde. Durch die Integration neuer Funktionen kann der Scanner mehrere Aufgaben gleichzeitig übernehmen: „MotionMonitoring“ und Positionsbestimmung durch Abstandsmessung.

Intelligente Funktionsintegration

Das M in der Produktbezeichnung steht für Motion beziehungsweise Bewegung und verdeutlicht, dass dieser Sicherheits-Laserscanner sich vor allem für mobile Anwendungen wie die Absicherung von Flurförderfahrzeugen eignet.

Bei der Absicherung der Fahrbewegung von Verschiebewagen soll der Scanner überwachen, ob sich der Verschiebewagen so verhält, wie es die Wagen-Steuerung vorgibt: Wird der Befehl „langsam vorwärts“ erteilt, soll der Wagen auch so fahren und nicht – weder durch Software- noch durch Hardware-Fehler – schnell rückwärts. Der Sicherheits-Laserscanner hat die Aufgabe, den Bewegungsablauf des Fahrzeugs zu überwachen und die Fahrzeugbewegung bei Abweichungen und Fehlern zu stoppen.

Das vereinfachte Prinzip der Funktion „MotionMonitoring“ sieht folgendermaßen aus: Jeder Verschiebewagen wird über eine Speicherprogrammierbare Steuerung bewegt, die einem Antrieb Fahrtrichtung und Geschwindigkeit vorgibt. Diese Vorgaben erhält auch der Sicherheits-Laserscanner in Form einer Schutzfeldauswahl. Fahrtrichtung und Geschwindigkeit des Bewegungsprozesses werden bei der Konfiguration ebenfalls im Laserscanner abgelegt.

Während des laufenden Betriebes überwacht der Scanner die Bewegungen des Verschiebewagens, indem er die im Parameterspeicher abgelegten Werte mit der momentanen realen Bewegung, der aktuellen Geschwindigkeit und Fahrtrichtung vergleicht. Bei einer Übereinstimmung arbeitet das Gesamtsystem ohne Fehler. Wird jedoch die Geschwindigkeit überschritten oder stimmt die Fahrtrichtung nicht mit den Vorgaben überein, stoppt der Sicherheits-Laserscanner den Verschiebewagen und signalisiert einen Fehler.

Ein Verschiebewagen mit montiertem Sicherheits-Laserscanner zur Fahrwegabsicherung

Die Herausforderung bei der Entwicklung des Scanners bestand darin, die aktuelle Geschwindigkeit und Fahrtrichtung ohne zusätzliche externe Sensorik zu bestimmen. Hierzu nutzt der Scanner seine intern schon vorhandenen Messdaten.

Befindet sich eine Wand oder ein gerades Maschinenteil in Fahrtrichtung des Verschiebewagens, dient dies als Referenzfläche. Gegen sie kann der Scanner die Geschwindigkeit auf ±50 mm/s und seine Position auf ±20 mm genau bestimmen. Dies wird durch die ortsauflösende Auswertung einer breiten Messkeule in Kombination mit einer Objekt-Erkennung und einem adaptiven Filterverfahren störungsfrei erreicht. Hierdurch kann zum Beispiel eine Person den Fahrweg des Verschiebewagens kreuzen, ohne die gemessene Distanz- und Geschwindigkeitsmessung zu stören oder auch nur zu beeinflussen – eine Funktion, die einstrahlige Entfernungsmesssysteme nicht leisten können.

Sicherheits-SPS ist überflüssig

Bei bodennaher Montage kann der Sicherheits-Laserscanner sowohl die Aufgabe des Personenschutzes und der Fahrwegsicherung als auch der Positionierung des Verschiebewagens übernehmen. Insgesamt werden beim MotionMonitoring maximal sechs Geschwindigkeitswerte sowie die Sonderfunktionen Schleich- und Rückwärtsfahrt oder Weiterfahrsperre überwacht. Hierzu sind keine zusätzlichen Inkrementalgeber nötig, da die gesamte Funktionalität durch den Sicherheits-Laserscanner und die SPS übernommen wird. Auch eine separate Sicherheits-SPS ist nicht notwendig; durch den sicheren Vergleich der von der SPS geschwindigkeitsabhängig gesteuerten Schutzfeldauswahl an den Scanner-Eingängen mit den eigenen, im Scanner ermittelten Ist-Geschwindigkeiten wird der Absicherungsbereich entsprechend der Fahrtrichtung und der Fahrgeschwindigkeit automatisch immer richtig überwacht.

Wird während der Fahrt des Verschiebewagens ein vorgegebener Geschwindigkeitswert überschritten, schaltet das Schutzfeld automatisch auf das nächste um, das heißt, es stellt sich ein dem Anhalteweg des Fahrzeugs entsprechendes, erweitertes, Schutzfeld ein und die Sicherheit ist umgehend wieder gewährleistet. Mit Hilfe der Konfigurations- und Diagnose-Software RS4soft wird das Verhalten des Sicherheits-Laserscanners protokolliert und so eine Korrektur der Einstellungen erleichtert.

Grundsätzlich muss der Anwender bei der Software nur die Basisparameter des Verschiebewagens festlegen. Alles Weitere übernimmt das Programm durch die integrierte Bremsweg-Interpolation und automatische Schutz- und Warnfelddefinition. Für die kontinuierliche Bestimmung der Fahrzeugposition werden vom Sicherheits-Laserscanner selektive Abstandsmessungen in definierten Referenzebenen des Messfeldes ausgeführt. Mit diesem Verfahren sind exakte Positionsbestimmungen möglich, so dass sich ein Verschiebewagen exakt vor einem Transportband zur Übergabe des Förderguts stoppen lässt.

Autor: Dr. Stefan Mohr ist Produktmanager für Sicherheits-Laserscanner bei Leuze lumiflex in Fürstenfeldbruck.