Anlässlich unseres 100-jährigen Bestehens präsentieren wir – elektrotechnik AUTOMATISIERUNG – die Pioniere der industriellen Automation. In einer exklusiven Berichtserie zeigen wir deren Errungenschaften. Mit den Wegbereitern der Automation lassen wir Technologien und Entwicklungen Revue passieren, betrachten die Gegenwart und wagen einen Blick in die Zukunft!

Safety

Ein Sensor für sichere Absolutposition

| Autor / Redakteur: Armin Hornberger* / Ines Stotz

Das kameragestützte System mit nur einem Sensor Safe PXV erreicht mehr Sicherheit in der Applikation.
Das kameragestützte System mit nur einem Sensor Safe PXV erreicht mehr Sicherheit in der Applikation. (Bild: Pepperl+Fuchs)

Mit einem neuen 2D-Positioniersystem liefert jetzt ein einziger Sensor in Kombination mit einem mehrfarbigen Data-Matrix-Codeband die sicheren Daten, auch unter ungünstigen Bedingungen.

Seit Fords Tin Lizzie hat die Automatisierung riesige Fortschritte gemacht. Dennoch gibt es in der Autoindustrie und in vielen anderen Branchen an vielen Arbeitsplätzen nach wie vor ein enges Zusammenspiel von Mensch und Maschine. Die rohen Karossen fahren zur Bearbeitung und zum Aufbau auf Schubskids, Hängebahnen oder Skillets von Station zu Station oder werden bei Bedarf von Aufzügen und Kränen bewegt. Die präzise Steuerung mit sicheren Daten zur Absolutposition ist hier eine Angelegenheit von höchster Sicherheitsrelevanz. Die EU-Richtlinie 2006/42/EG stellt hohe Sicherheitsanforderungen, wo Mensch und Maschine zusammenarbeiten.

Um solche Daten zu erhalten, ist bisher in der Autoindustrie und vergleichbaren Umgebungen der Einsatz zweier nicht-sicherer optischer Sensoren und eines Codebandes üblich. Ein Funktionsbaustein bereitet die Daten auf, damit die spezifische SPSS daraus die Absolutposition berechnen kann. Ein solches System ist in der Regel einer Zertifizierungspflicht durch eine benannte Stelle wie dem TÜV unterworfen. Es kann aber nur SIL 2 bzw. PL d erreichen.

Redundanz mit Einzelgerät erreicht

Das Positionierungssystem PCV von Pepperl+Fuchs hat sich seit Jahren etwa in vielen Anwendungen in der Autoindustrie als zuverlässiger Lieferant von Positionsdaten bewährt. Es kann Absolutpositions-Daten mit nur einem Sensor ausgeben. Die Grundlage dafür ist ein schwarz-weißes Data-Matrix-Band, von dem ein einziger im Erfassungsbereich für die Aufgabe genügt. Da das Lesefenster mehrere Codes erfasst und diese auch dann erkennt, wenn sie teilweise kompromittiert sind, ist hier bereits ein hoher Grad an Zuverlässigkeit erreicht.

Auf Grundlage der PCV-Technologie entstand das PXV-System. Es besitzt ein deutlich größeres Lesefenster von 120 x 80 mm, zugleich wurde der Tiefenschärfebereich erweitert. Außerdem wurden die Codes größer. Bei unverändert hoher Auflösung messen sie hier 15 x 15 mm, was dem Vierfachen der PCV-Codes entspricht.

Obwohl auch dem PXV ein einziger Code für die Positionsbestimmung genügt, erfasst das große Lesefenster immer mehrere Codes gleichzeitig. Bereits damit ist die Positionsbestimmung mehrfach redundant abgesichert. Das PXV-System schafft dies als einziges auf dem Markt verfügbares System mit nur einer 2D-Kamera. Während Systeme mit zwei Kameras an einer Weiche abweichende Positionssignale erhalten und deshalb zusätzliche Mechanismen zur Absicherung der Daten benötigen, ist eine solche Irritation hier ausgeschlossen. Zudem toleriert das PXV auch stark beeinträchtigte Codes und Unterbrechungen des Codebandes bis zu einer Strecke von 75 mm. Die Position auf der X-, Y- und Z-Achse wird aus den Codes extrahiert. Deren große Varianz erlaubt es, Codebänder bis zu einer Länge von 100 km herzustellen.

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Farbe für zertifizierte Sicherheit

Bei der Entwicklung des Safe PXV wurde das bewährte System noch einmal überarbeitet, um die Grundlage für die Sicherheitszertifikate SIL 3 und PL e zu schaffen. Zunächst wurden dem schwarz-weißen Codeband des PXVs zwei Farben hinzugefügt, so dass sie jetzt zusätzlich rote und blaue Elemente enthalten. Schwarz entsteht aus der Überlagerung der beiden, weiß bleibt als kontrastierendes Element. Der 2D-Lesekopf unterscheidet die Farben mithilfe zweier LED-Ringe, die jeweils getrennt voneinander ebenfalls in den Farben Rot und Blau aufleuchten. Unter dem blauen Licht erkennt die Kamera nur die roten und schwarzen Felder, bei Rot sind es die blauen und schwarzen. Mit den Farben ist also eine weitere Redundanzebene hinzugekommen.

Die Firmware des Systems gleicht die optischen Signale mit einem sicheren Algorithmus direkt im Sensor ab. Somit ist die Information bereits überprüft, wenn sie durch die integrierte Profisafe-Schnittstelle mit dem entsprechenden Protokoll zur sicheren Steuerung gelangt. Ein zusätzlicher Funktionsbaustein ist daher nicht mehr nötig, um die Positionsdaten gemäß SIL 3 und PL e unmittelbar weiterzuverarbeiten. Auch die Datensicherheit ist dank der höheren Redundanz der farbigen Codes weiter optimiert.

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Kontinuierliche Funktionsprüfung eingebaut

Neben sicheren Positionsdaten für drei Achsen liefert das PXV weitere Betriebsdaten wie Warn- und Fehlermeldungssignale. Anders als beim Einsatz von zwei Sensoren im Master/Slave-Betrieb ist die Plausibilisierung der Daten in der SPSS überflüssig, denn jeder Code unterliegt einer direkten und unabhängigen Plausibilitätsprüfung.

Sollte eine Fehlfunktion wie etwa die Ausgabe eines falschen Positionsdatums auftreten, wird dies durch Farbabgleich sofort erkannt: Da die Kameraauswertung die mathematisch zufällig gewählte Beleuchtungsfarbe nicht kennt, vergleicht sie die Signale mit dem Erwartungswert. Stimmt die Blitzfolge mit der erfassten Position nicht überein, ist die Plausibilisierung nicht erfolgt. Die verschiedenfarbigen LED-Ringe werden direkt durch den Sicherheitsteil angesteuert. Dieser überprüft kontinuierlich die korrekte Funktion der Software in der Kamera.

Da die Hardware reduziert ist, sinken Verdrahtungs- und Montageaufwand sowie Gerätekosten. Zusätzliche Prüfgutachten werden nicht mehr benötigt, da Safe PXV bereits als sicheres System zertifiziert ist.

Anwendertreff Maschinensicherheit Die Maschinensicherheit ist ein wichtiges Thema: Die richtigen Normen müssen berücksichtigt und die Anforderungen der Maschinenrichtlinie müssen eingehalten werden. Der Anwendertreff Maschinensicherheit unterstützt Entwickler und Konstrukteure , die funktionale Sicherheit von Maschinen und Anlagen zu gewährleisten.
Mehr Infos: Anwendertreff Maschinensicherheit

Mehrwert durch mehr Parameter

Neben den sicheren Positionsdaten kann die SPSS aus den Sensor-Daten weitere Parameter ableiten und Mehrwert für Automatisierung und Asset Management generieren. So lassen sich zum Beispiel Geschwindigkeit oder Beschleunigung errechnen. Auch sichere Beschleunigung, sichere Geschwindigkeit oder sicherer Stopp können ermittelt werden. Auf Grundlage dieser Daten kann man die Maschinensteuerung feiner abstimmen sowie eine kontinuierliche Zustandsanalyse implementieren. Beliebig gewählte Event-Marker können als Steuersignale dienen, auch ohne zusätzlichen Trigger-Sensor lassen sich vorgegebene Events auslösen.

Einstellung und Parametrierung der Kamera sind einfach und intuitiv. Sie können am PC, mittels Codekarten vor dem Lesefenster, oder bei Feldbus-Installation direkt durch die Steuerung erfolgen. Für die Busanschaltung wird keine zusätzliche Box gebraucht, da Ein- und Ausgänge für die Schaltung bereits implementiert sind. Ohne bewegliche Teile im Lesekopf arbeiten die PXV-Geräte verschleißfrei. Sie sind robust und bieten bei geringem Wartungsaufwand praktisch durchgängige Verfügbarkeit. Die Versionen Standard und Safe sind kompatibel, Standard lässt sich mit geringem Aufwand zu Safe aufrüsten.

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* *Armin Hornberger, Leiter Produktmanagement IVC im Geschäftsbereich Fabrikautomation, Pepperl+Fuchs

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