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Sicher via Ultraschall

11. Oktober 2021, 18:00 Uhr   |  Matthias Sollmann

Sicher via Ultraschall
© Pepperl+Fuchs

Das ‚USi-safety‘-System eignet sich für diverse Sicherheitsaufgaben.

Ultraschallsensoren mit einer Sicherheitszertifizierung nach EN ISO 13849 Kategorie 3 PL d sind bis dato eher die Ausnahme denn die Regel. Dabei bringen sie einiges an Vorteilen etwa für die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter mit sich.

Für eine sichere Interaktion zwischen Menschen und Maschinen steht grundsätzlich die Einhaltung der Maschinenrichtlinie an erster Stelle – insbesondere, da es in Produktion und Logistik immer mehr Roboter und fahrerlose Transportsysteme (FTS beziehungsweise automated guided vehicles, AGV) gibt, die autonom agieren. Ergo sind für eine effizienzsteigernde Automatisierung Sicherheitskonzepte unverzichtbar, die mit komplexen, dynamisch-variablen Situationen zurechtkommen. Die Sensorik besetzt dabei eine Schlüsselrolle.

Ultraschallsensoren sind bauartbedingt sehr robust und vielfältig einsetzbar. Anders als etwa der Lichtstrahl eines optischen Sensors wird der Ultraschall-Impuls von der Umgebungsatmosphäre praktisch nicht beeinträchtigt. Schallwellen durchdringen Dämpfe, Staub und Niederschläge. Und da sie sich nicht linear-punktförmig, sondern mit der Kontur einer Keule ausbreiten, treffen sie immer flächig auf das Zielobjekt und erfassen auch unregelmäßige Oberflächen zuverlässig. Ein weiterer Pluspunkt: Die Schallemission der Ultraschallwandler funktioniert auch bei Verschmutzung und anhaftenden Belägen. Doch inwieweit erfüllen sie auch Sicherheits-Anforderungen?

Schallkeule modifiziert

Das ‚USi-safety‘-System von Pepperl+Fuchs beruht auf der bauartbedingten Robustheit der Ultraschallsensorik. Seine kleinen Sensoreinheiten lassen sich praktisch überall integrieren. Eine flexible Steuerung eröffnet ein breites Spektrum von Optionen für die Parametrierung. Und als sicheres Ultraschallsystem ist es gemäß der Norm EN ISO 13849 Kategorie 3 PL d zertifiziert.

Eine der Besonderheiten des Systems ist die Form der Schallkeule, die für Sicherheitsanwendungen modifiziert wurde. Durch ihre gestauchte, in einer Querachse stark verbreiterte Form mit einem elliptischen Querschnitt deckt sie am Ort des Auftreffens in 1,5 m Abstand eine Fläche von 80 auf 32 cm2 ab; die maximale Reichweite beträgt 2,5 m. In diesem breiten Bereich können die Sensoren auch sehr kleine Objekte oder Körperteile detektieren.

Pepperl, Zutrittsabsicherung
© Pepperl+Fuchs

Zutrittsabsicherung bei Maschinen: Die flach-elliptischen Schallkeulen sichern den Zutritt zu einem Gefahrenbereich ab.

Der Ultraschallwandler selbst, also die eigentliche Sensoreinheit des Systems, ist ebenfalls sehr klein. Mit seinen Maßen von 27 mm x 21 mm x 13 mm lässt er sich bei Bedarf im Gabelzinken eines Staplers oder am Ende eines Roboterarms installieren. Diese kompakte Größe ist möglich, weil sich die Auswerte-Einheit nicht wie sonst direkt am Wandler befindet, sondern entkoppelt ist und somit bis zu 3 m Kabellänge entfernt angebracht werden kann. Dieses Designmerkmal ermöglicht eine hohe Flexibilität bei der Installation.

Zudem verfügen die Ultraschallwandler über die Schutzart IP69K und sind damit besonders widerstandsfähig. Sie vertragen sowohl eine Hochdruckreinigung als auch den Einsatz unter rauen Wetterverhältnissen im Außenbereich. Dort übernimmt im Fall großer Temperaturschwankungen ein optionaler Temperaturfühler die automatische Kompensation.

Parametrierung per Software

Jeder Wandler verfügt über zwei parametrierbare Schaltpunkte. Wird nur ein Schutzfeld benötigt, werden sie identisch definiert. Durch differenzierte Festlegung lässt sich Detektionsbereich in Schutz- und Warnfeld unterteilen, zum Beispiel für Langsamfahrt und Stopp. Die Reaktionszeit des Systems liegt bei 91 ms.

Mit der Parametriersoftware von ‚USi-safety‘ können die Ausgangslogik intuitiv eingestellt und periodische Tests initialisiert werden. Standardparameter für den Safety-Einsatz sind bereits hinterlegt. Schutz- und Warnfelder lassen sich individuell an die jeweilige Anwendung anpassen. Beim Konfigurieren im Expertenmodus sind auch physikalische Faktoren der Ultraschallsensorik einbeziehbar, zum Beispiel Echoverstärkung, Empfindlichkeit, Mehrfach-Scan, Einschaltverzögerung, Nahfeld, Echoverbreitung und Hysterese.

Die Software unterdrückt Interferenzen zwischen den Ultraschallsignalen, wenn sich mehrere ‚USi‘-Systeme innerhalb der Reichweite der Schallwellen befinden. Dies erlaubt sowohl einen Begegnungsverkehr mit mehreren AGV in derselben Halle oder die Ausstattung mehrerer Maschinen im Nahbereich mit dem System. Die Detektionsfähigkeit bleibt uneingeschränkt erhalten.

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