Die perfekte Größe des Schutzfeldes für autonome industrielle Fahrzeuge

Die Experten von SICK werden häufig gebeten, Kunden bei der Auswahl eines Sicherheits-Laserscanners zu beraten, da die Auswahl sehr groß ist und jeder unterschiedliche technische Spezifikationen aufweist. Häufig kommt es vor, dass sie sich einfach den mit dem „größtmöglichen“ Schutzfeld wünschen. In diesem Artikel versuchen wir zu verdeutlichen, dass es bei mobilen Anwendungen nicht allein darauf ankommt.

Das maximale Schutzfeld, das ein Scanner bieten kann, ist ein wichtiges Merkmal, aber dieser Wert allein sollte nicht ausschlaggebend dafür sein, ob der Scanner für eine Anwendung in autonomen industriellen Fahrzeugen geeignet ist. Im Folgenden werde ich aufzeigen, wie die Ansprechzeiten Ihrer Sicherheitseinrichtungen und Ihres Steuerungssystems zusammen die Größe eines erforderlichen Schutzfeldes erheblich beeinflussen können und wie sich dies direkt auf Ihre Anwendungen auswirkt.

Ein wichtiger Punkt ist, dass bei der Anwendung autonomer Industriefahrzeuge viele Dinge berücksichtigt werden müssen, wie z. B. die Umgebung, das Bremssystem usw., und dass der Designer des Systems eine vollständige und umfassende Risikobeurteilung durchführen sollte. Alle Informationen in diesem Artikel dienen lediglich als Leitfaden und können nicht dazu verwendet werden, eine Aussage über etwaige Gefahren zu treffen, nicht erkannte Gefahren auszuschließen oder den Grad der Gefährdung im Zusammenhang mit solchen Gefahren in realen Anwendungen zu bestimmen. Dies würde in der Verantwortung des Konstrukteurs/Herstellers dieser Geräte liegen.

Die Geschichte des Sicherheits-Laserscanners

Seit der Einführung des „Optotrap“, dem ersten Flächenscanner der Kategorie 2, der 1976 von SICK auf den Markt gebracht wurde, spielt der Sicherheits-Laserscanner eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung automatisierter Systeme. Im Jahr 1994 kam dann der erste Sicherheits-Laserscanner der Kategorie 3 von SICK auf den Markt. Seitdem ermöglichen diese Geräte eine produktivere und effizientere Fertigung und trugen zur Steigerung der Arbeitssicherheit bei. Ein eindrucksvolles Beispiel ist der Markt für fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV), in denen Sicherheits-Laserscanner einfach durch den Austausch von Stoßleisten eine höhere Fahrgeschwindigkeit ermöglicht haben. Eine Stoßleiste ist ein Kontaktsensor, und damit ein AGV sicher anhalten kann, ohne Verletzungen zu verursachen, muss sich das Fahrzeug in einer ausreichend langsamen Geschwindigkeit bewegen, um rechtzeitig reagieren zu können. Sicherheits-Laserscanner erlaubten die sichere berührungslose Detektion von Personen und Hindernissen weit vor ihnen, wodurch wesentlich höhere Geschwindigkeiten möglich waren, siehe Abbildung 1.

Abbildung 1: Sicherheit bei AGV

Typ des Sicherheits-Laserscanners

Ein Sicherheits-Laserscanner ist ein Gerät des Typs 3, dessen Anforderungen in der harmonisierten Norm EN 61496-1 aufgeführt sind. Wenn eine Sicherheitsfunktion einen Sicherheits-Laserscanner vom Typ 3 nutzt, beträgt der maximal erreichbare Performance Level (PL) oder Sicherheits-Integritätslevel (SIL) PLd (EN ISO 13849) bzw. SIL2 (IEC 62061). Es gibt mit der IEC 61496-3 auch eine technische Spezifikation für Sicherheits-Laserscanner, die die besonderen Anforderungen an diffuse Reflexion nutzende aktive optoelektronische Schutzeinrichtungen (AOPDDR) abdeckt.

Sie werden sowohl in stationären als auch in mobilen Anwendungen eingesetzt und können eine Maschine oder ein Fahrzeug zum sicheren Abbremsen oder Anhalten veranlassen, sobald sie eine Person, einen Körperteil oder ein unerwartetes Hindernis innerhalb des Schutzfeldes erkennen.

Prinzip der Lichtlaufzeitmessung

Sicherheits-Laserscanner verwenden das Prinzip der Lichtlaufzeitmessung, bei dem ein Lichtpuls übertragen, reflektiert und dann detektiert wird. Der Abstand (d) zwischen Objekt und Scanner wird mithilfe der Rücklaufzeit des Strahls (ΔT) und der Lichtgeschwindigkeit (c = 3 x 10⁸ m/s) berechnet, siehe Bild 2.

Abbildung 2: Das Lichtlaufzeit-Prinzip

Ein Spiegel im Inneren des Scanners lässt diesen Strahl rotieren und ermöglicht Messungen um einen Radius in einer Ebene. Das bedeutet, dass der Scanner ein Profil der Umgebung erstellen kann und dass die Bedienungseinheiten verschiedene Felder für den Scanner konfigurieren können, mit denen jeweils Ausgänge für die Verwendung in Sicherheitsfunktionen ein- und ausgeschaltet werden können. Einige Scanner können auch in mehreren Sicherheitsfunktionen eingesetzt werden, da sie in der Lage sind, mehrere Felder gleichzeitig auszuwerten, siehe Abbildung 3.

Abbildung 3: Gleichzeitige Feldauswertung

Die gleichzeitige Feldauswertung ermöglicht die Lösung komplexer Anwendungen, die sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen haben, da die Anzahl der Schaltausgänge auf nur einen oder maximal zwei begrenzt war.

Typen von Feldern

Es gibt vier Feldtypen, die für einen Sicherheits-Laserscanner vorgesehen sind, siehe Abbildung 4.

Abbildung 4: Felder eines Sicherheits-Laserscanners

Zusätzlich kann eine Kombination dieser Felder zu einem „Feldsatz“ zusammengefügt werden, siehe Abbildung 5.

Abbildung 5: Feldsatz

Sicherheits-Laserscanner haben die Möglichkeit, viele Feldsätze zu speichern, von denen jeder auf der Grundlage mehrerer Eingangsbedingungen ausgewählt wird. Diese treten in folgenden Formen auf:

• Festverdrahtete Eingänge

• Software-Bits

• Geschwindigkeitsinformationen von Encodern

Jede Bedingung, die bestimmt, welches Feldsatz ausgewählt wird, wird als „Überwachungsfall“ bezeichnet, der das Feldsatz und die Eingangsbedingungen enthält und auch Informationen wie die „Mehrfachauswertung“ enthalten kann, auf die ich weiter unten eingehen werde.

An dieser Stelle muss erwähnt werden, dass das Umschalten zwischen den Überwachungsfällen die Ansprechzeit eines Systems verlängert, weshalb oftmals gern die gleichzeitige Feldauswertung (gleichzeitige Betrachtung mehrerer Schutzfelder in einem Feldsatz) zu verwenden, um die Ansprechzeit gering zu halten.

Mehrfachauswertung

Standardmäßig muss ein Sicherheits-Laserscanner ein Objekt zweimal hintereinander (zwei Umdrehungen) detektieren, um es sicher zu erkennen. In schwierigen Umgebungen und basierend auf der Detektionsstabilität des Scanners kann diese zu empfindlich sein und Probleme aufgrund von Schmutz, Staub, Schweißfunken oder Vibrationseinflüssen verursachen. Die Mehrfachauswertung kann die Anzahl erhöhen, wie oft ein Objekt erfasst werden muss, bevor ein Detektionssignal erzeugt wird, was die Verfügbarkeit eines Systems deutlich erhöhen kann. Wenn z. B. für ein Schutzfeld eine Mehrfachauswertung von 3 konfiguriert ist, die an Schaltausgänge geleitet werden, muss ein Objekt dreimal hintereinander im Schutzfeld detektiert werden, bevor die Ausgänge in AUS geschaltet werden.

Es gibt jedoch einen Kompromiss bei der Verwendung dieser Funktion, da die Gesamtansprechzeit für jeden zusätzlichen Scan erhöht wird, was bei AGV-Anwendungen negative Auswirkungen haben kann.

Fahrerlose Transportfahrzeuge

Bei der Integration von Encodern in ein autonomes Industriefahrzeug ist es möglich, die Geschwindigkeit zu messen, um eine sichere Bewegungssteuerung statt eines Notstopps zu implementieren. Mithilfe von Warnfeldern kann sichergestellt werden, dass Fahrzeuge je nach Abstand zu einer Person oder einem Objekt so verlangsamt bzw. beschleunigt werden, dass eine optimale Verfügbarkeit gewährleistet ist und dass das Schutzfeld nur selten hintertreten wird, das Fahrzeug also nicht zum Stillstand kommen muss. Das Fahrzeug hat jedoch stets schnell genug zu stoppen, damit Verletzungen vermieden werden.

Schutzfelder sollten vom Hersteller bestimmt werden. SICK bietet für seinen Sicherheits-Laserscanner microScan3 folgende Gleichung an:

As the value SL increases, the footprint of the industrial autonomous vehicle increases because the scanner needs to see further ahead because of its reaction time. It is advantageous to keep SL as small as possible so that:

• Industrial autonomous vehicles can work in closer proximity to each other

• They do not need large clearance space around them

• Objects and people are less likely to cause stoppages or slow downs of the vehicle

• The vehicles can move much faster with smaller fields and increase availability

This involves investigating each parameter in the control system to optimize the application, figure 6.

Figure 6: AGV's working closely together

Of all of the parameters listed above, usually the largest value in this chain, and the one that varies the most, is SA, which is the stopping distance of the vehicle. The stopping distance comprises the braking distance for the vehicle, the distance covered during the response time of the safety laser scanner and the response time of the safety control system.

The stopping time comprises the following parameters, see equation:

The braking distance can depend on a number of things such as the type of brakes used, the environment in which the industrial autonomous vehicle is used, the load, direction of travel, state of the wheels etc. and needs careful consideration. The distance covered by the vehicle during the response time of the controller can be improved by looking at the safety control, architecture and connection methods and the distance covered during the response time of the safety laser scanner is dependent on the scanner basic response time of the Scanner used plus how it is configured.

Distance covered during the response of the safety laser scanner

The distance covered during the response time of the safety laser scanner depends on:

• The basic response time of the safety laser scanner

• The maximum velocity of the vehicle

• The additional response time supplements due to multiple sampling settings, transmission times and case switching

This can be seen in the equation below:

It would be impossible to appraise every different environment, industrial autonomous vehicle system, safety controller, scanner and its connections and the value would need to be derived from test data. However, it can be seen that if the scanner has a fast response and the multiple sampling can be kept low then this has a direct influence on the total response time of the system directly affecting the size of the protective field required. In practice, this can equate to differences in the protective field of up to and above 10 M in some cases. What is also important is the transmission times to the control system are kept low. This can be improved in a number of ways such as hard wiring OSSD’s to inputs on safety controllers or using safe communication with "simultaneous field evaluation" to monitor multiple protective fields at the same time.

Conclusion: the perfect size of the protective field

The protective field needs to be suitable for the application but on mobile applications it is advantageous to keep it as small as possible due to the problem of false tripping and the vehicles footprint. Therefore, the response time of the scanner and the total system should be considered. Multiple scans can add to the scanner response time and it is important to know how much of a supplement is required every time an extra scan is added. The more robust and reliable the detection principle of a scanner is means that it is likely that fewer multiple scans will be required in tough environments. This allows vehicle to work at faster speeds, in closer proximity to surrounding contours increasing overall productivity and efficiency and reducing the footprint of installations. The control system that a scanner is connected to and how it is connected should also be considered and simultaneous field evaluation in complex applications or hard wiring in simple applications can improve response times. The maximum size protective field a safety laser scanner can facilitate is an important feature but for industrial autonomous vehicle applications it is more important to look at the total response time and detection robustness so that protective fields can be kept as small as possible whilst being as large as required.