Robuste Sensorik plus Auswerteeinheit

Sicher auf der x-Achse

Mit steigendem Automatisierungsgrad in Produktion und Logistik wächst die Zahl der Anwendungen, in denen eine sichere Absolutposition benötigt wird. Die dafür vorgeschriebene Redundanz mündet oft in hochkomplexer Technik, deren Integration und Betrieb großen Aufwand erfordern. Die Sensoren SafePXV und WCS von Pepperl+Fuchs bieten hier in der Kombination mit der neuen Auswerteeinheit PUS einfachere Lösungen. Mit diesen Geräten lassen sich SIL3 und PLe mit geringem Integrationsaufwand erreichen.
 Zuverlässige Signalgebung auch bei 
widrigen Bedingungen: Der WCS-Sensor umfasst die robuste Codeschiene und schirmt die Erfassung von 
Außeneinwirkung ab.
Zuverlässige Signalgebung auch bei
widrigen Bedingungen: Der WCS-Sensor umfasst die robuste Codeschiene und schirmt die Erfassung von Außeneinwirkung ab. – Bild: Pepperl+Fuchs SE

Wo sich Menschen und Maschinen im selben Arbeitsbereich bewegen, schreibt die Maschinenrichtlinie (EU-Richtlinie 2006/42/EG) umfassende Schutzmaßnahmen vor. Weltweit gelten ähnliche Vorgaben, um Personen im Umfeld autonom agierender Maschinen zu schützen und zugleich Sachschäden zu verhindern. Die sichere Absolutpositionierung bei linear- oder schienengeführten Systemen gehört daher in vielen Anwendungen zu den grundlegenden Voraussetzungen.

Zur sicheren Positionsüberwachung werden redundante Systeme benötigt, die einen Abgleich zwischen unterschiedlichen Sensoren und Technologien vornehmen. Herkömmliche Systeme sind häufig komplex und kostspielig. Die Kombination aus der Auswerteeinheit Safe Evaluation Unit PUS mit einem Positioniersystem des Typs SafePXV oder WCS reduziert die Komplexität und den Integrationsaufwand durch vorgefertigte Konzepte.

 Sichere Auswerteeinheit PUS-F161-B in der PXV-Version
Sichere Auswerteeinheit PUS-F161-B in der PXV-VersionBild: Pepperl+Fuchs SE

Sicherheit mit nur einem Sensor

Das berührungslose Absolutpositioniersystem SafePXV nach SIL3/PLe ist mit einer millimetergenauer Positionierung über Strecken bis zu 10km für lineargeführte, hochdynamische Applikationen wie Elektrohängebahnen, Schub-Skidanlagen oder Regalbediengeräte ausgelegt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Technologien kommt es mit nur einem kameragestützten Sensor aus, da es über mehrstufige intrinsische Redundanz verfügt. Das reduziert den Bedarf an Hardware ebenso wie den Aufwand für die Systemintegration.

Die Kamera ist auf bedruckte, robuste Metallcodeleisten oder ein Kunststoffband mit dreifarbigen DataMatrix-Codes gerichtet, welches mit seiner selbstklebenden Rückseite leicht zu verlegen ist. Für gute Erkennbarkeit sind die Codes mit einer Abmessung von 15x15mm überdurchschnittlich groß formatiert. Die Kamera ist mit je einem roten und einem blauer LED-Ring ausgestattet, die in einem sicherheitsbewerteten Ablauf getrennt blitzen. So erfasst der Sensor immer nur einen Teil der farbigen DataMatrix-Codes – im blauen Licht sie die roten und schwarzen, im roten Licht die blauen und schwarzen Felder.

Diese optischen Signale werden von einem sicheren Algorithmus miteinander abgeglichen, was einer unabhängigen Plausibilitätsprüfung entspricht. Stimmt die Auswertung der erhobenen Bildinformation nicht mit der erfassten Position überein, wird eine Fehlfunktion gemeldet und die Sicherheitsschaltung ausgelöst. Da die beiden LED-Ringe direkt durch die sichere Auswerteeinheit angesteuert werden, wird automatisch auch die korrekte Funktion der Kamera-Software überprüft. Für die Bestimmung der Position auf der x-Achse genügt ein einziger DataMatrix-Code. Die Positionsdaten können selbst bei kompromittierten Bandabschnitten auf 0,2mm genau ausgegeben werden. Die Positionsbestimmung ist mit diesen Vorkehrungen bereits durch Mehrfachredundanz abgesichert. Das Codeband bietet laut Anbieter die größte auf dem Markt verfügbare Streckenlänge.

Robustes Outdoor-System

Das Messprinzip des Weg-Codier-Systems WCS hat Pepperl+Fuchs für eine zuverlässige Absolutpositionierung im Außenbereich auf Streckenlängen bis 314,5m entwickelt. Die 70mm breite, hochkant stehende Codeschiene aus Kunststoff oder Metall ist mit Aussparungen versehen. Sie kann an Steigungen sowie in Kurven platziert werden. Unterbrechungen sind genauso möglich, wie Weichen.

Im U-förmigen Lesekopf fällt das Licht einer leistungsstarken LED-Reihe auf der Innenseite durch die Ausstanzungen auf den gegenüberliegenden photoelektrischen Sensor. So wird ein rund 10cm langer Abschnitt des Schienen-Codes nach dem Prinzip der Lichtschranke unter Ausschluss jeder Fremdlichteinwirkung erfasst. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von bis zu 12,5m/s ermittelt der Lesekopf aufgrund der gestanzten Codes in Echtzeit alle 0,8mm einen neuen absoluten Positionswert. Rauch, Staub, extreme Temperaturen und Witterungseinflüsse beeinträchtigen die Erkennung nicht.

Die Standardausführung ist in einem Gehäuse aus robustem Kunststoff untergebracht. Für den Einsatz unter besonders rauen Bedingungen bietet sich die Produktvariante WCS Outdoor mit ihrem zusätzlichen transluzenten Schutzgehäuse an. Das entspricht der Schutzklasse IP69, ist hermetisch dicht gegen Staub sowie Feuchtigkeit abgeschlossen und verträgt Salzwasser, aggressive Stoffe sowie Hochdruckreinigung. In der sicheren Ausführung sind zwei Leseköpfe hintereinander angebracht. Einer ist für die Vorwärts-, der andere für die Rückwärtsbewegung parametriert, sodass eine getrennte, redundante Signalgebung gewährleistet ist.

Redundante Auswertung

Die redundanten Positions- und Geschwindigkeitssignale von SafePXV und WCS werden von der sicheren Auswerteeinheit PUS-F161-B zweikanalig verarbeitet und bewertet. Sie steht in zwei auf diese Sensoren abgestimmten Varianten zur Verfügung. In beiden Versionen bildet das Gerät den sicheren Positionswert aus und evaluiert ihn. Daraus lässt sich ein sicherer Geschwindigkeitswert ableiten und ebenfalls evaluieren.

Außerdem kann die Einheit Diagnosedaten des angeschlossenen Sensors verarbeiten und auf der Feldbusebene zur Verfügung stellen. Sie verfügt über zwei separate Kanäle und gleicht deren Werte ab. Diese Struktur erfüllt die Vorgaben der Kategorie 4 nach EN ISO 13849-1. Der Abgleich dient zugleich der Selbstdiagnose des Systems. Bei der Kombination mit dem SafePXV genügt ein Stecker für die Verbindung zu beiden Kanälen.

Die Auswerteeinheit fungiert als Gateway zum Feldbus. Bei der Kombination mit dem WCS werden die sicheren Daten durch eine Profinet/Profisafe-Schnittstelle an die sichere Steuerung übermittelt. Für den Einsatz mit dem SafePXV ist eine Ethercat/FSoE-Schnittstelle vorgesehen. Beide kombinierten Applikationen sind nach IEC61508 für SIL3 und nach EN13849 für PLe zertifiziert. Sie ermöglichen dank Vorzertifizierung und Vorkonfiguration eine schnelle und einfache Inbetriebnahme.

Vom Regalshuttle bis zum Hafenkran

Die Kombination der sicheren Auswerteeinheit mit den sicheren Positioniersystemen ermöglicht eine sichere Absolutpositionierung in den allermeisten lineargeführten Anwendungen. Das SafePXV-System ist in erster Linie für intra- und produktionslogistische Aufgaben gedacht. Es kann zum Beispiel zur Positionierung von Regal-Shuttles verwendet werden. Mit der sicheren Positionierung können dort in einzelnen Gängen Wartungsarbeiten oder andere Eingriffe durch menschliches Personal vorgenommen werden, ohne dass die ganze Anlage abgeschaltet werden muss.

Eine typische Anwendung für das hochrobuste WCS ist der große Portalkran, der im Hafen Container bewegt. Das System arbeitet selbst bei extremen Witterungsverhältnissen zuverlässig und ist gegen die unvermeidlichen mechanischen Einwirkungen in einer solchen Umgebung resistent. Die sichere Positionierung erlaubt eine hochgradige Automatisierung von einzelnen Arbeitsschritten und bildet die Grundlage für die zuverlässige Absicherung der komplexen Interaktionen.

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