Safety Wie ein Ultraschallsensor vor Gefahren in jeder Umgebung schützt

Autor / Redakteur: Matthias Sollmann* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Wo Menschen und Maschinen zusammenarbeiten, hat die Sicherheit oberste Priorität. Die Maschine muss zuverlässig stoppen oder abschalten, sobald Personen einem kritischen Bereich nahekommen. Pepperl+Fuchs bietet dafür einen Ultraschallsensor, der bauartbedingte Robustheit mit intrinsisch sicherer Elektronik verbindet.

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Sicherheitstechnik schützt zwischen Mensch und Maschine vor gefahrbringenden Situationen, aber auch das Material daher im Begegnungsverkehr.
Sicherheitstechnik schützt zwischen Mensch und Maschine vor gefahrbringenden Situationen, aber auch das Material daher im Begegnungsverkehr.
(Bild: Pepperl+Fuchs)

Mit dem Automatisierungsgrad steigt die Zahl der Möglichkeiten, wie sich Mensch und Maschine in die Quere kommen können. Immer mehr autonome Einheiten wie Roboter oder fahrerlose Transportsysteme, kurz FTS (engl.: Automated Guided Vehicles, AGV) verrichten ihre Arbeit in Produktions- und Lagerhallen, in denen sich auch Personen bewegen.

Die Maschinenrichtlinie legt die Messlatte für den Schutz von Menschen in industriellen Umgebungen hoch: Gefahrbringende Situationen zwischen Mensch und Maschine müssen in jedem Fall abgesichert werden. Miteinander sollten die autonomen Maschinen ebenfalls nicht kollidieren. Die Sicherheitstechnik schützt daher im Begegnungsverkehr auch das Material. Sie muss absolut zuverlässig funktionieren, über lange Zeit und selbst unter rauen Bedingungen.

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Ultraschall lässt sich nicht irritieren

Unter den in Frage kommenden Messverfahren erweist sich die Ultraschallsensorik bauartbedingt als besonders robust. Das zeigt etwa der Vergleich mit optischen Sensoren, die im Kollisionsschutz ebenfalls Verwendung finden. Sie sind allerdings auf die ungehinderte Ausbreitung eines Lichtstrahls angewiesen. Wird dieser behindert, abgelenkt oder unzureichend reflektiert, ist die Erfassung beeinträchtigt. Durch äußere Störfaktoren wie Dampf, Staub, Nebel, Regen oder Schnee können optische Sensoren regelrecht „erblinden“. Eigenschaften des Zielobjekts wie unregelmäßige Konturen, Löcher und Aussparungen in den Oberflächen können dieses Messprinzip ebenfalls an seine Grenzen bringen.

Demgegenüber ist Ultraschall weitestgehend unempfindlich. Faktoren der Umgebungsatmosphäre, also Staub, Dämpfe oder Niederschläge stören die Schallwellen praktisch nicht in ihrer Ausbreitung.

Die Funktion der Sensoren wird von Verschmutzung oder anhaftenden Beläge kaum beeinträchtigt. Natürlich spielen die optischen Eigenschaften einer Oberfläche keine Rolle, und bei unregelmäßigen Konturen hilft eine bauartbedingte Eigenschaft: Die Schallwellen des Senors bilden eine sogenannte Schallkeule aus. Sie erfasst weit mehr als nur einen Punkt oder eine Scan-Linie, sondern trifft immer flächig auf. Löcher oder Aussparungen in der erfassten Oberfläche spielen daher keine Rolle.

Neuer Sicherheitssensor: Schallkeule breiter, Gerät kleiner

Normalerweise breiten sich diese Schallwellen tatsächlich in radial symmetrischer Form einer Keule aus. Beim Sicherheitssensor USi-Safety haben die Entwickler die Keule jedoch seitlich gestaucht: Sie ist in einer Achse sehr breit und in der anderen sehr schmal ausgeprägt. Diese Asymmetrie gibt ihrem Querschnitt am Ort des Auftreffens eine stark elliptische Form.

Der Sensor kann also einen sehr breiten Bereich abdecken, der in einem Abstand von 1,5 m eine Sicherheitszone von 80 cm Breite schafft. Die maximale Reichweite beträgt 2,5 m.

Mit diesem Erfassungsbereich können zum Beispiel AGV den gesamten Raum in ihrer Fahrtrichtung zuverlässig im Blick behalten. Zudem erlauben es die Einstellungsmöglichkeiten des Geräts, dass auch sehr kleine Objekte oder Körperteile erkannt werden.

Die eigentliche Sensoreinheit – der Ultraschallwandler – ist mit 27 x 21 x 13 mm sehr kompakt gestaltet. Die entkoppelte Auswerteeinheit kann sich bis zu 3 m Kabellänge entfernt befinden.

So lässt sich der Wandler zum Beispiel in den Gabelzinken eines Staplers integrieren. Auch beide Zinken können damit ausgestattet werden, denn die Auswerteeinheit bietet Anschlüsse für zwei Sensoren. Alternativ lassen sich Vorwärts- und Rückwärtsfahrt mit einer Einheit separat absichern. Die Ultraschallwandler verfügen über die Schutzart IP69K, mit der sie gegen Staub besonders unempfindlich sind und sogar eine Hochdruckreinigung tolerieren.

Pepperl+Fuchs erweitert mit dem personensicheren Ultraschallsensorsystem USi-safety sein Produktportfolio an Ultraschallsensoren für die Fabrikautomation. Als einziger sicherheitszertifizierter Ultraschallsensor auf dem Markt erfüllt das Gerät die Vorgaben der Kategorie 3 PL d nach EN ISO 13849. Das Safety-Portfolio umfasst unter anderem induktive Sicherheitssensoren, optische Sensoren und Lichtgitter, sichere Positioniersysteme, sicherheitsgerichtete AS-Interface-Komponenten sowie eine große Bandbreite explosionsgeschützter Interface-Bausteine umfasst.

Als einziger sicherheitszertifizierter Ultraschallsensor auf dem Markt erfüllt das Gerät die Vorgaben der Kategorie 3 PL d nach EN ISO 13849.

Matthias Sollmann, Global Product Manager, Pepperl+Fuchs

Fehlersichere Elektronik

Sowohl eine durchgängige Zweikanaligkeit als auch Prüf- und Testroutinen stellen die Sicherheit der Elektronik her. Diese weist jedem Ultraschallwandler gleich zwei fehlersicheren Ausgängen zu. In der Auswerteeinheit arbeiten zwei Mikrocontroller, die neben der Sensorfunktion auch sich selbst gegenseitig überwachen. Sie lösen die Sicherheitsschaltung aus, sobald sie auffällige Abweichungen der Sensoreinheiten oder zwischen den Controllern registrieren.

Die zuverlässige Absicherung ist über jeden der beiden unabhängigen Sensorkanäle möglich, womit die Anforderungen für ein sicheres Sensorsystem bereits mit einer Sensoreinheit erfüllt sind. Pro Sensoreinheit stehen ein Meldeausgang sowie sichere, kurz- und querschlussüberwachte OSSD-Ausgänge für die Signalausgabe an eine Sicherheitssteuerung zur Verfügung.

In derselben Produktions- oder Lagerhalle können beliebig viele USi-Systeme eingesetzt werden. Wenn sich zum Beispiel zwei damit ausgestattete Flurförderzeuge begegnen, werden die Interferenzen zwischen den Ultraschallsignalen durch eine spezielle Software unterdrückt. Sie erlaubt es auch, feste Störgrößen oder Referenzobjekte zur Manipulationssicherung auszublenden. Außerdem ermöglicht die Parametriersoftware die intuitive Einstellung von Schaltpunkten und Ausgangslogik, die Initialisierung periodischer Tests sowie Safety- und ultraschallspezifische Parameter. Safety-Protokolle für die Anlagendokumentation werden automatisch erstellt.

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USi-Safety
Auf einen Blick:

Pepperl+Fuchs bietet mit dem USi-Safety ein Ultraschallsensorsystem, das bauartbedingte Robustheit mit intrinsisch sicherer Elektronik verbindet. Das Konzept ermöglicht die sichere Steuerung von Maschinen und autonomen Fahrzeugen.

  • Zwei unabhängige Kanäle, die jeweils die ISO 13849 Kategorie 3 PL d erfüllen;
  • einsetzbar in rauer Umgebung und auch für Außenanwendungen geeignet;
  • stark elliptische Schallkeule für Bereichsüberwachung;
  • Sensoreinheiten benötigen nur wenig Installationsfläche;
  • Synchronisation mehrerer Geräte ohne physikalische Verbindung zur Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung zwischen z. B. mehreren AGV.

Anwendungsbeispiel: Maschinenabsicherung

Optoelektronische Lichtgitter neigen bei Staubentwicklung oder umherfliegenden Partikeln, wie sie etwa in der Holzindustrie häufig vorkommen, zur Fehlauslösung. Ein „Schallvorhang“, den das USi-Safety stattdessen ausbreitet, ist gegen Holzstaub und fliegende Partikel sowie anhaftende Verschmutzung unempfindlich. Die zuverlässige Absicherung ist ohne unnötige Unterbrechungen im Produktionsprozess gewährleistet. Per Teach-in lassen sich ins Messfeld hineinragende Maschinenteile einlernen und auch als Referenztarget zur Manipulationssicherung nutzen.

Anwendungsbeispiel: Multidirektionaler Kollisionsschutz

Neben der Hauptfahrrichtung sind bei fahrerlosen Gabelstaplern auch die Nebenfahrtrichtungen sicherheitsrelevant. USi-Safety-Sensoreinheiten können an beliebigen Stellen montiert werden und finden auch in den Gabelzinken Platz. Die Auswerteeinheit ist entkoppelt und kann im Chassis des Fahrzeugs integriert werden. Für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt genügt ein System.

Anwendungsbeispiel: Spurgeführte AGV

Die Bahnen spurgeführter AGV liegen häufig in Bereichen, in denen sich auch Personen bewegen. Hier sind oft optische Systeme für eine freie Navigation im Einsatz. Sie können durch ein USi-Safety-System ergänzt oder sogar ersetzt werden. Die Sensoreinheiten werden an den passenden Stellen an die AGV montiert. Der Erfassungsbereich lässt sich mit der Parametriersoftware einfach an die Gegebenheiten anpassen. Der Meldeausgang kann etwa für „reduzierte Geschwindigkeit“ oder „Warnsignal“ genutzt werden.

Buchtipp

Das Buch Industriesensorik beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

* Matthias Sollmann, Global Product Manager, Pepperl+Fuchs

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