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Ultrachall-Sicherheitssensor von Pepperl+Fuchs sichert Maschinen und Anlagen

Ultraschall sichert Maschinen und Anlagen
Sensorsystem von Pepperl+Fuchs für Anwendungen in Kategorie 3 PL d

Die Absicherung der Gefahrenbereiche von Maschinen und der Schutz interagierender Personen erfordern eine Sicherheitstechnik mit zuverlässigen Technologien. Ultraschallsensoren sind bauartbedingt äußerst robust und damit für solche Anwendungen geeignet. Das USi-Safety-System von Pepperl+Fuchs verbindet diesen Vorteil mit kompaktem Design und einer flexiblen Steuerung, die zahlreiche Optionen für die Parametrierung anbietet. Als einziges Ultraschallsystem auf dem Markt erfüllt es die Vorgaben der Norm EN ISO 13849 Kategorie 3 PL d.

Matthias Sollmann, Global Product Manager Ultraschallsensorik, Pepperl+Fuchs SE in Mannheim

Inhaltsverzeichnis
1. Schallkeule trifft immer
2. Kompakt und robust
3. Flexible Software
4. Typische Einsatzfelder des Ultrachall-Sicherheitssensors

In der Interaktion zwischen Mensch und Maschine hat die Sicherheit des Personals absoluten Vorrang. Die sichere Vermeidung von Kollisionen und unerwünschten Annäherungen schützt aber auch die Maschinen selbst, ebenso die Ausrüstung und die in Bearbeitung befindlichen Produkte. Sicherheitskonzepte müssen heute auf hochdynamische Situationen abgestimmt sein und benötigen Sensoren, die bei Robustheit und Intelligenz ein hohes Niveau erreichen.

Schallkeule trifft immer

Für die Überwachung größerer räumlicher Bereiche kommen vor allem Sensoren in Frage, die ihre Ausgabedaten aus Schall- oder Lichtsignalen ableiten. Lichtstrahlen werden zwar von Dämpfen, Staub und Niederschlägen verschluckt; die optischen Eigenschaften der Zielobjekte beeinflussen diese durch zu viel oder zu wenig Reflektion.

Von solchen Eigenschaften lassen sich Ultraschallsensoren naturgemäß nicht irritieren. Schallwellen werden von der Umgebungsatmosphäre praktisch nicht beeinträchtigt und erreichen ihr Ziel auch bei Nebel, Regen und starker Staubentwicklung. Der Ultraschallwandler, der den detektierenden Schall sowohl aussendet als auch das signalerzeugende Echo auffängt, erfüllt seine Funktion auch bei starker Verschmutzung und anhaftenden Belägen. Zudem breiten sich die Schallwellen mit der Kontur einer Keule aus und treffen immer flächig auf das Zielobjekt. So werden auch unregelmäßige Oberflächen zuverlässig erkannt.

Beim USi-System wurde die Schallkeule speziell für Sicherheitsanwendungen modifiziert. Statt der üblichen radial symmetrischen Form mit kreisförmigem Querschnitt ist sie hier seitlich gestaucht. Aus der in einer Querachse stark verbreiterten Form ergibt sich ein elliptischer Querschnitt, mit dem sie am Zielobjekt einen großen Bereich abdecken kann. Der Erfassungsbereich beträgt 80 x 32 cm in 1,5 m Abstand; die maximale Reichweite beträgt 2,5 m.

Kompakt und robust

Die Schallkeule wird von einem mit 27 x 21 x 13 mm kompakten Ultraschallwandler erzeugt. Mit diesen Außenmaßen lässt er sich selbst bei sehr beengten Verhältnissen leicht unterbringen, so etwa am Ende eines Roboterarms oder im Gabelzinken eines Staplers. Die Voraussetzung für diese Bauform wird durch die Trennung des Wandlers von der Auswerteeinheit geschaffen. Während diese bei herkömmlichen Ultraschallsensoren im selben Gehäuse untergebracht sind, können sie beim USi-System bis zu 3 m Kabellänge entfernt installiert werden.

Die Ultraschallwandler des USi-Systems sind sehr robust gestaltet und haben die Schutzart IP69K. Sie sind für den Einsatz im Außenbereich selbst bei rauen Wetterverhältnissen geeignet und tolerieren eine Hochdruckreinigung. Ein optionaler Temperaturfühler sorgt bei großen Temperaturschwankungen für die automatische Kompensation.

Flexible Software

Die Reaktionszeit des Sensorsystems liegt bei 91 ms. Für jeden Ultraschallwandler lassen sich zwei Schaltpunkte parametrieren. Unterschiedliche Schutzfelder können nach den Anforderungen der jeweiligen Anwendung definiert werden. So kann man etwa den Detektionsbereich in ein Schutz- und ein Warnfeld unterteilen und jeweils Langsamfahrt und Stopp auslösen.

In der Parametriersoftware des USi-Systems sind bereits Standardparameter für den Safety-Einsatz hinterlegt. Die Ausgangslogik lässt sich intuitiv einstellen; periodische Tests können initialisiert werden. Der Expertenmodus erlaubt beim Konfigurieren die Einstellung der physikalischen Faktoren der Ultraschalldetektion. Das bezieht sich zum Beispiel auf Echoverstärkung, Empfindlichkeit, Mehrfach-Scan, Einschaltverzögerung, Nahfeld, Echoverbreitung und Hysterese. Safety-Protokolle für die Anlagendokumentation werden automatisch erstellt.

Mithilfe der Teach-In-Funktion kann man Störgrößen ausblenden, wie zum Beispiel Maschinenteile, die in das Warn- oder Schutzfeld hineinragen. Auch hier bleibt die Detektion anderer Objekte unbeeinflusst. Ein im Erfassungsbereich fixiertes Objekt lässt sich als Referenz definieren und kann als Schutzvorkehrung gegen Manipulationsversuche dienen.

Flexible Safety-Vorkehrungen

Die Software sorgt auch dafür, dass mehrere USi-Systeme in unmittelbarer Nähe zueinander verwendet werden können. Sie unterdrückt Interferenzen zwischen den Ultraschallsignalen verschiedener Geräte. Das erlaubt zum Beispiel ihren Einsatz in einer Roboter-Reihe oder im Begegnungsverkehr mit mehreren AGV in derselben Halle. Die Erfassung von Hindernissen wird durch die Interferenzunterdrückung nicht beeinträchtigt.

Die entkoppelte Auswerteeinheit lässt sich mit einem oder zwei Ultraschallwandlern verbinden. Sie verfügt über zwei parallel arbeitende Mikrocontroller, die sowohl die Sensorfunktion überwachen als auch sich einander durch regelmäßige Prüf- und Testroutinen kontrollieren. Die Sicherheitsschaltung wird automatisch ausgelöst, sobald auffällige Abweichungen auftreten. Die Geräte-Parameter der beiden Ultraschallwandler können unabhängig voneinander eingestellt werden.

Die Wandler sind jeweils durch zwei fehlersichere, voneinander unabhängige Kanäle angeschlossen. Sie selbst verfügen über einen Meldeausgang sowie sichere OSSD-Ausgänge nach Kategorie 3 PL d für die Signalausgabe an eine Sicherheitssteuerung. Eine angeschlossene Sensoreinheit genügt, um die Bedingungen für ein sicheres Sensorsystem zu erfüllen, da die zuverlässige Absicherung bereits mit einem Kanal gegeben ist.

Typische Einsatzfelder des Ultrachall-Sicherheitssensors

Gefahrenbereichabsicherung: Ein USi-System kann als Zugangsschutz dienen und eine Sicherheitstür oder ein Lichtgitter ersetzten. Staub und umherfliegende Partikel, wie sie etwa in der Holz- und Möbelindustrie vorkommen, beeinträchtigen die Funktion nicht und führen nicht zu unnötigen Abschaltungen.

Roboter: Die kompakten Wandler können direkt am Roboterarm montiert werden und dort für sichere Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung beziehungsweise gezielte Leistungs- und Kraftbegren

Mensch-Maschine-Interaktion: Bei unmittelbarer Zusammenarbeit, etwa beim Präsentieren eines schweren Werkstücks in einer ergonomischen Position, überwacht die Schallkeule den Eingriffsbereich. Die automatische Positionierung ist möglich, während sich der Werker im Arbeitsbereich befindet. Erst die Verletzung des Schutzfeldes löst einen Stopp aus.

AGV: Bei einem fahrerlosen Flurförderzeug sichert ein USi-System gleichzeitig Vorwärts- und Rückwärtsfahrt gegen Kollision. An einem Mitgängerfahrzeug übernimmt es den Fersenschutz, bei großen AGV die Absicherung von seitlichen Bewegungen durch die Verwendung mehrerer Systeme an den Fahrzeugflanken.

Weitere Details zum System:

http://hier.pro/0Ssef

Kontakt:
Pepperl+Fuchs SE
Lilienthalstraße 200
68307 Mannheim
Tel: +49 621 776–0
Mail: info@de.pepperl-fuchs.com

www.pepperl-fuchs.com

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