Auswahl und Integration mehrdimensionaler Sicherheitssysteme zum Schutz von Personen vor Cobots

Sicherheit ist beim Einsatz von kollaborierenden Robotern (Cobots), autonomen mobilen Robotern (AMRs) und autonomen fahrerlosen Transportsystemen (AGVs) in Fabriken und Logistikanlagen von entscheidender Bedeutung. Sie ist auch komplex und vielschichtig.

Maschinenbewegungen müssen gemäß den Normen der Internationalen Organisation für Normung (ISO) 13849, der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) 62061 und der IEC 61800-5-2 überwacht und gesteuert werden, die Sicherheitsanforderungen und Leitlinien für die Grundsätze für den Entwurf und die Integration von sicherheitsbezogenen Teilen von Steuerungssystemen (SRP/CS) enthalten.

Die Gewährleistung des sicheren Betriebs von Cobots, AMRs, AGVs und ähnlichen Geräten erfordert häufig die Einrichtung einer mehrschichtigen Sicherheitsumhüllung mit mehreren Bereichen, von der anfänglichen Erkennung und Warnung vor sich nähernden Objekten bis hin zur Erkennung, wenn ein Objekt eine Gefahrenzone durchbricht und die Maschine anhält.

Ein modulares Sicherheitssteuerungssystem kann eine weitere Ebene der Analyse und des Schutzes hinzufügen. Eine effiziente und schnelle Fehleranalyse kann bei der Behandlung von Schutzfeldunterbrechungen und unerwarteten Auslösungen eines Scanners von großer Bedeutung sein. Dazu kann ein zweiter Sensor erforderlich sein, der das Schutzfeld des primären Sensors überwacht.

Dieser Artikel beginnt mit einer kurzen Auffrischung der Anforderungen von ISO 13849, IEC 62061 und IEC 61800-5-2 und einem Überblick über die Grundlagen der zweidimensionalen (2D) LiDAR-Sicherheitslaserscanner (LiDAR: Light Detection and Ranging). Anschließend wird näher erläutert, wie mehrschichtige Sicherheitsumgebungen implementiert werden können, um Menschen vor Cobots, AMRs, AGVs und ähnlichen Geräten zu schützen.

Dazu gehören ein Überblick über den Einsatz und die Integration von 2D-LiDAR-Sensoren und ein Blick auf die Vorteile der Kombination dieser Sensoren mit einer modularen programmierbaren Sicherheitssteuerung, um eine zusätzliche Sicherheitsdimension zu schaffen, sowie der Einsatz einer Ereigniskamera zur Fehleranalyse bei unerwarteten Unterbrechungen von Schutzfeldern. Beispielhafte Komponenten von SICK werden beschrieben.

IEC 61508 ist die Grundlagennorm für „Funktionale Sicherheit elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer sicherheitsbezogener Systeme (E/E/PE oder E/E/PES)“ und gilt für alle Branchen. Darüber hinaus gibt es branchen- und anwendungsspezifische Unterabschnitte und Varianten.

IEC 62061, „Sicherheit von Maschinen: Funktionale Sicherheit elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Regelsysteme“, ist die maschinenspezifische Variante der IEC 61508. IEC 61800-5-2, „Geschwindigkeitsvariable elektrische Antriebe - Teil 5-2: Sicherheitsanforderungen - Funktional“, ist ebenfalls mit IEC 61508 verwandt und ist eine Norm für die Konstruktion und Entwicklung von geschwindigkeitsvariablen Antriebssystemen.

Die ISO 13849 wurde unabhängig entwickelt und nicht von der IEC 61508 abgeleitet. Beide befassen sich mit der funktionalen Sicherheit. Die IEC 61800-5-2 verwendet Sicherheitsintegritätsstufen (SIL), um Sicherheitsanforderungen zu definieren, während die ISO 13849 den erforderlichen Leistungsgrad (PL_r) definiert.

ISO 13849 und IEC 61508 basieren auf dem Konzept der Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls pro Stunde (PFH_d). Bei der Analyse der funktionalen Sicherheit nach ISO 13849 werden drei Faktoren berücksichtigt: die Schwere einer möglichen Verletzung, die Häufigkeit oder Exposition gegenüber einer Gefahr und das Potenzial zur Begrenzung der Gefahr und zur Vermeidung von Schäden (Abbildung 1):

• Schwere der Verletzung
  • S1: Leichte (normalerweise reversible) Verletzung
  • S2: Schwerwiegend (normalerweise irreversibel oder Tod)
• Häufigkeit und/oder Exposition gegenüber der Gefahr
  • F1: Selten bis wenig häufig und/oder kurze Expositionszeit
  • F2: Häufig bis kontinuierlich und/oder lange Expositionszeit
• Möglichkeit der Gefahrenvermeidung oder Schadensbegrenzung
  • P1: Unter bestimmten Bedingungen möglich
  • P2: Kaum möglich

Abbildung 1: Ableitung der PL_r-Stufen in ISO 13849 und der entsprechenden SILs in IEC 62061. Beide Normen beruhen auf dem Konzept des gefährlichen Ausfalls pro Stunde (PFH_d). (Bildquelle: SICK)

Wie funktioniert LiDAR?

Für den Einsatz von 2D-LiDAR-Sicherheitssensoren in Personenschutzanwendungen ist eine Zertifizierung nach PL_b gemäß ISO 13849 erforderlich. Die 2D-LiDAR-Sensorfamilie TiM umfasst Modelle, die diese Anforderung erfüllen. 2D-LiDAR-Sensoren scannen ihre Umgebung mit Hilfe der optischen ToF-Technologie (Time-of-Flight, Laufzeitmessung). ToF wird realisiert, indem Laserpulse über einen rotierenden Spiegel gesendet und das reflektierte Licht erfasst wird. Je länger es dauert, bis das reflektierte Licht wieder am Sensor ankommt, desto weiter ist das Objekt entfernt.

Die Zeitmessung in Kombination mit der Stärke des zurückgesendeten Signals ermöglicht es dem Sensor, die Position mehrerer Objekte millimetergenau zu berechnen. Das resultierende Bild der Umgebung wird bis zu 15 Mal pro Sekunde aktualisiert (Abbildung 2). Sie können Echtzeitnavigation, Orientierung, Steuerung und Sicherheitsfunktionen unterstützen.

Abbildung 2: 2D-LiDAR-Sensoren der Familie TiM verwenden einen rotierenden Spiegel und Laserpulse, um ein Bild der Umgebung zu erstellen, das bis zu 15 Mal pro Sekunde aktualisiert werden kann. (Bildquelle: SICK)

2D-LiDAR-Sensoren der Familie TiM erkennen Objekte in definierten Bereichen (Feldern), die überwacht werden sollen. Je nach Modell bieten sie eine Abtastreichweite von bis zu 25 m und einen Arbeitsbereich von bis zu 270°.

Die reflektierten Impulsdaten des Lasers werden mit der HDDM- (hochauflösende Distanzmessung) oder HDDM+-Technologie verarbeitet. HDDM erreicht eine sehr hohe Messgenauigkeit bei kurzen Abständen und eignet sich für die Feinpositionierung bei Anwendungen wie dem Andocken. HDDM+ verarbeitet Kantenreflexionen besonders gut und eignet sich daher am besten für Ortungs- und Anti-Kollisions-Anwendungen in dynamischen Umgebungen.

In beiden Fällen ermöglicht die patentierte HDDM/HDDM+-Mehrpulstechnologie den 2D-LiDAR-Sensoren der TiM-Familie, den gesamten Scanbereich lückenlos zu erfassen, was eine gleichbleibende Messgenauigkeit gewährleistet, und sie können mit unterschiedlichen Oberflächen und Remissionsfaktoren umgehen.

Die Typen TiM1xx, TiM3xx und TiM7xx erkennen, ob sich Objekte in einem vordefinierten Feld befinden. Sechzehn Feldsätze mit jeweils drei vorkonfigurierten Feldern ermöglichen eine schnelle Anpassung während des Betriebs (Abbildung 3). Es können individuelle Feldgeometrien festgelegt werden oder Referenzkonturfelder für die statische Konturüberwachung definiert werden. Digitale Filter, maskierte Bereiche und Reaktionszeiten können ebenfalls definiert werden, um die Leistung auch bei starkem Regen, Schnee oder Staub zu maximieren.

Abbildung 3: Feldsätze in 2D-LiDAR-Sensoren der TiM-Familie bestehen aus drei vorkonfigurierten Feldern. (Bildquelle: SICK)

Es stehen Modelle zur Verfügung, die Feldbewertungsdaten oder Feldbewertungs- und Messdaten liefern. Sensoren zur Feldauswertung stellen nur das Vorhandensein eines Objekts fest, während Feldauswertungs- und Messdaten verwendet werden können, um ein genaues Bild einer gescannten Oberfläche zu erstellen.

Zusätzlich zu den Entfernungsdaten sind 2D-LiDAR-Sensoren der TiM-Familie erhältlich, die auch Winkeldaten und die Empfangssignalstärke (RSSI) liefern. Dieser erweiterte Datensatz kann insbesondere für die Kollisionsvermeidung und die Navigation von AMRs in sich verändernden Umgebungen nützlich sein.

Sicherheits-LiDARs, Hinzufügen der ersten Schutzschichten

Die 2D-LiDAR-Familie TiM verfügt über die sicherheitsrelevanten Varianten TiM361S (Feldauswertung) und TiM781S (Feldauswertung und Messdatenausgabe), die die Anforderungen von PL_b erfüllen und sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen eingesetzt werden können. Sie können zum Personenschutz bei der Zugangsüberwachung für industrielle Cobots und auf mobilen Plattformen wie AMRs und AGVs eingesetzt werden.

• Der Typ TIM361S-2134101 mit der Modellnummer 1090608 ist für den Einsatz in Innenräumen geeignet und verfügt über einen Erfassungsbereich von 0,05 bis 10 m und HDDM-Technologie.
• Der Typ TIM781S-2174104 mit der Modellnummer 1096363 ist mit einem Erfassungsbereich von 0,05 bis 25 m und der HDDM+-Technologie ebenfalls für den Innenbereich geeignet.

Einfache Integration

2D-LiDAR-Sensoren der TiM-Familie sind so konzipiert, dass sie die Integration vereinfachen. Mit einer Schutzart von bis zu IP67 können weder Staub noch Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringen. Sie sind sehr unempfindlich gegenüber hellem Umgebungslicht bis zu 80.000 lx. Die robuste Konstruktion erfüllt die Anforderungen an die Vibrationsfestigkeit gemäß IEC 60068-2-6 und die Stoßfestigkeit gemäß IEC 60068-2-27. Ihre Robustheit kann bei Bedarf durch die gedämpfte Befestigung von Schutzplatten erhöht werden.

Die kompakte Bauweise, das geringe Gewicht und der niedrige Stromverbrauch der 2D-LiDAR-Sensoren der TiM-Familie machen sie besonders geeignet für mobile Plattformen. Der Typ TIM361S-2134101 und der Typ TIM781S-2174104 wiegen beide nur 250 g, haben eine typische Leistungsaufnahme von 4 W und messen 60 mm Länge x 60 mm Breite x 86 mm Höhe.

Sicherheitscontroller fügen eine weitere Ebene hinzu

LiDAR-Laserscanner erkennen Gefahren und senden Warnungen, während eine modulare Sicherheitssteuerung eine weitere Sicherheitsebene zu einem Schutzsystem hinzufügen kann. So ist die Sicherheitssteuerung Flexi Soft ein modulares System, an das verschiedene Sensoren und Schaltelemente, darunter auch Laserscanner, angeschlossen werden können. Sie wurde gemäß IEC 61508 als SIL3 und gemäß ISO 13849 als PLe mit einem PFH_d von 1,07 x 10^-9 eingestuft.

Ein Basissystem besteht aus mindestens zwei Modulen (Abbildung 4):

1. Die CPU0, wie das Modell 1043783, ist die zentrale Logikeinheit, in der die Signale von Sensoren wie LiDAR analysiert und ausgewertet werden, wodurch die Sicherheitsanalyse von der zentralen Maschinensteuerung entlastet wird. Der Ausgang der CPU0 ist mit einer übergeordneten Maschinensteuerung, z. B. einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), verbunden, in der Sicherheitsfunktionen implementiert sind.
2. Für den Anschluss von Laserscannern an das System ist das I/O-Erweiterungsmodul XTIO, z. B. Modell 1044125, erforderlich. Für je zwei Laserscanner ist ein I/O-Erweiterungsmodul XTIO erforderlich, da jeder Laserscanner drei Schalteingänge verwendet. Der Controller kann bis zu 12 I/O-Module betreiben.

Abbildung 4: Das Sicherheitssteuerungssystem Flexi Soft besteht aus einem CPU-Modul (1) und einem oder mehreren I/O-Modulen (2). (Bildquelle: SICK)

Was ist passiert?

Ein wichtiges Element eines Sicherheitssystems kann die Fähigkeit sein, die Ursache von Fehlern zu analysieren und zu verstehen, um die Frage zu beantworten: „Was ist passiert, dass der Sicherheitslaserscanner ausgelöst hat?“ Die EventCam von SICK ist eine Ereigniskamera, die speziell für die Erkennung und Analyse von sporadischen Fehlern im industriellen Umfeld entwickelt wurde.

EventCam ist ein eigenständiges System mit Optik, Beleuchtung, Elektronik und Speicher und kann in mobile oder stationäre Systeme integriert werden. Das Gehäuse aus Aluminiumguss ist IP65-zertifiziert und kann in verschiedenen Positionen montiert werden. EventCam kann an ein Automatisierungssystem wie eine Sicherheitssteuerung oder direkt an einen Sensor angeschlossen werden.

Sobald ein Fehler gemeldet wurde, beginnt EventCam mit der Speicherung von Einzelbildern oder Videosequenzen. Der interne Ringspeicher kann bis zu 240 Sekunden vor und 100 Sekunden nach einem Ereignis speichern. Im HD-Modus (High-Definition) können bis zu 25 Sekunden vor und 15 Sekunden nach der Aufnahme aufgezeichnet werden. Die Rate der Videobilder pro Sekunde (fps) reicht von 13 bis 65, abhängig von der gewünschten Auflösung.

EventCam kann auch bei der Inbetriebnahme neuer Maschinen oder Prozesse nützlich sein. Es kann einen unüberwachten Testlauf wie einen mehrstündigen oder mehrtägigen Dauertest überwachen und Fehlerquellen schnell identifizieren. Mehrere EventCams können einen einzigen Prozess überwachen und liefern gleichzeitig visuelle Informationen aus verschiedenen Blickwinkeln für eine tiefere und gründlichere Analyse von Fehlern (Abbildung 5).

Abbildung 5: Mehrere EventCams können synchronisiert werden, um ein einzelnes Ereignis aus mehreren Blickwinkeln gleichzeitig aufzuzeichnen. (Bildquelle: SICK)

EventCam wird in zwei Varianten angeboten. Das Modell 1102028 hat einen Arbeitsbereich von 0,4 m bis 0,6 m und eignet sich für den Einsatz an stationären Cobots mit relativ kleinen Schutzräumen. Das Modell 1093139 hat einen Arbeitsbereich von 0,8 bis 6 m und eignet sich für größere Schutzräume, wie sie bei größeren Cobots, AMRs und AGVs auftreten.

Zusammenfassung

2D-LiDAR-Sensoren wie die TiM-Familie von SICK können die erste Verteidigungslinie in einem Sicherheitssystem für Cobots, AMRs, AGVs und ähnliche Maschinen bilden. Sie bieten eine Reihe von Schutzfeldern, um die Annäherung von Personen zu überwachen. Die Ergänzung durch einen Sicherheitscontroller kann die Erkennung von eindringenden Personen unterstützen und die Systemleistung verbessern. Schließlich können eine oder mehrere EventCams den primären 2D-LiDAR-Sensor überwachen, um die Ursache für sporadische Auslösungen zu ermitteln.