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.

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

© Pepperl+Fuchs

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.

Intelligent abgesichert

Störgrößen lassen sich mit der Teach-In-Funktion der Software ausblenden, was nicht zuletzt bei beengten Einbausituationen vorteilhaft ist, wo häufig Komponenten der Maschine in das Warn- oder Schutzfeld hineinragen. Andere Objekte, die in denselben Bereich geraten, werden trotzdem erfasst. Ein fest installiertes Objekt im Erfassungsbereich kann außerdem als Referenzobjekt zum Manipulationsschutz dienen. Safety-Protokolle für die Anlagendokumentation werden automatisch erstellt.

Die entkoppelte Auswerte-Einheit ist mit zwei parallel arbeitenden Mikrocontrollern ausgestattet, die sowohl die Sensorfunktion als auch gegenseitig sich selbst überwachen und regelmäßig Prüf- und Testroutinen durchführen. Auffällige Abweichungen bei den Sensoreinheiten oder zwischen den Controllern lösen automatisch die Sicherheitsschaltung aus.

Einfache Installation und Parametriermöglichkeiten der Komponenten des ‚USi-safety‘-Systems. Die Auswerte-Einheit ist entkoppelt und kann bis zu 3 m Kabellänge entfernt vom Sensor angebracht werden.

© Pepperl+Fuchs

An die Auswerte-Einheit lassen sich ein oder zwei Ultraschallwandler anschließen, jeweils durch zwei fehlersichere, voneinander unabhängige Kanäle. Jeder angeschlossene Wandler verfügt über einen Meldeausgang sowie sichere OSSD-Ausgänge nach Kategorie 3 PL d für die Signalausgabe an eine Sicherheitssteuerung. Die Voraussetzungen für ein sicheres Sensorsystem sind mit nur einer angeschlossenen Sensoreinheit erfüllt und damit eine zuverlässige Absicherung gegeben. Dabei können die Geräte-Parameter für die beiden Ultraschallwandler unterschiedlich festgelegt werden.

Einsatzmöglichkeiten

Das ‚USi-safety‘-System eignet sich für diverse Sicherheitsaufgaben. Es ist auch mit optischen Systemen kombinierbar, die zum Beispiel die Steuerung eines AGV übernehmen. Typische Einsatzbereiche sind:

Matthias Sollmann ist Global Product Manager in der Innovation Unit Ultrasonic Sensors bei Pepperl+Fuchs in Mannheim.

© Pepperl+Fuchs

• Zutrittsabsicherung bei Maschinen: Die flach-elliptischen Schallkeulen sichern den Zutritt zu einem Gefahrenbereich ab. Im Gegensatz Lichtgittern sind sie unempfindlich gegen Staub und Verschmutzung.
• Umfeld-Erkennung bei Robotern: Zutrittschutz für den Sicherheitsbereich
• Werkzeugabsicherung bei Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK): Beim Präsentieren eines Werkstücks in einer ergonomischen Position überwacht die Schallkeule des ‚USi‘-Systems den Eingriffbereich.
• Fahrwegkontrolle bei AGV: Bei fahrerlosen Flurförderzeugen dient ein ‚USi‘-System mit zwei Ultraschallwandlern als Personen- und Kollisionsschutz bei Vorwärts- und Rückwärtsfahrt.
• Fersenschutz für Hubfahrzeuge: Bei Mitgängerfahrzeugen wird die vorangehende Person geschützt, ohne den Transport zu verzögern.
• Lagerplatzkontrolle in der Logistik: Die Schallkeule übernimmt die Fach-belegt-Kontrolle.
• Abstandskontrolle und Kollisionsschutz bei Servicefahrzeugen auf Flughäfen: Die Ausleger der Fahrzeuge, wie zum Beispiel das mobile Gepäck-Förderband, wird in Langsamfahrt zur Endposition gelenkt; das Schutzfeld verhindert sicher die Kollision mit der Flugzeughaut.