Wo Menschen und autonome Maschinen zusammenarbeiten, schreibt die EU-Richtlinie 2006/42/EG („Maschinenrichtlinie“) umfassende Schutzmaßnahmen und hohe Sicherheitsstandards vor. Um sie zu erfüllen, werden häufig redundante Systeme eingesetzt, die auf dem Abgleich zwischen unterschiedlichen Sensoren und Technologien beruhen. Solche Vorkehrungen sind jedoch komplex und kostspielig. Zudem werden zertifizierte Bausteine für die jeweiligen Steuersysteme für die notwendige Plausibilitätsprüfung der Daten in der sicheren Steuerung gefordert. Das Positioniersystem safePGV von Pepperl+Fuchs erfüllt die Anforderungen dagegen mit einem wesentlich einfacheren technischen Ansatz und ermöglicht deutliche Einsparungen bei Aufwand und Kosten.

Millimetergenaue Übergabe entscheidend

Ein typisches Beispiel aus der Autoindustrie: Das fahrerlose Transportsystem (FTS; oder Automated Guided Vehicle, AGV) transportiert Bleche zu einem Schweißroboter, der sie hochpräzise zu Karosseriebestandteilen fügt. Zunächst ist eine Sicherheitsmaßnahme zu beachten, denn das Tor der Sicherheitsbox darf nur zur Übergabe des Transportguts geöffnet werden, also erst, wenn das FTS sicher an der entsprechenden Station angekommen ist und seine korrekte Position verifiziert wurde.

Zugleich ist es an dieser Stelle entscheidend, dass der Roboter das Blech in x-, y- und Winkelposition exakt in der vorgegebenen Weise greift, da ein schräges Ab- oder Aufnehmen zu Bearbeitungsfehlern führen kann. Das safePGV-System erreicht die hier benötigte Positionsgenauigkeit mit einer fest im Boden montierten Codeleiste und einem einzelnen kameragestützten Sensor. Das ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber anderen optischen Systemen, die zwei Kameras verwenden. Neben dem Umfang der Hardware ist auch der Aufwand für die Integration deutlich geringer. Zudem wird die Positionsbestimmung einfacher und zuverlässiger, da beim safePGV nicht die Signale von zwei Kameras abgeglichen und zusammengeführt werden müssen.

Intrinsische Redundanzstufen

Die Codeleiste enthält dreifarbige DataMatrix-Codes, die mit 15 x 15 mm überdurchschnittlich groß dimensioniert und entsprechend gut zu erkennen sind. Auch das Lesefenster des Sensors verfügt mit 120 x 80 mm über großzügige Abmessungen. Ein einziger der Codes genügt bereits zur präzisen Positionsbestimmung auf der X-Achse. Der große Lesebereich der Kamera sorgt aber schon hier für Redundanz und erfasst immer mehrere Codes gleichzeitig. Selbst wenn diese auf einer Strecke von bis zu 75 mm beschädigt sind, werden die Positionsdaten auf 0,2 mm genau ausgegeben. Die Sensorkamera besitzt einen großen Schärfentiefebereich und kann am Fahrzeug mit bis zu 130 mm Abstand zur Codeleiste angebracht werden.

Um die Redundanz weiter zu steigern, sind die Codes mehrfarbig ausgeführt. Neben den schwarz-weißen Feldern enthalten sie auch rote und blaue. Der Sensor ist mit je einem roten und ein blauen LED-Ring ausgestattet. Diese Leuchteinheiten blitzen getrennt und in zufälliger Abfolge. Die Kamera kann pro Blitz daher nur einen Teil der farbigen Codes erkennen – die roten und schwarzen Felder im blauen Licht, die blauen und schwarzen bei Rot. Die LED-Ringe werden direkt vom Sicherheitsteil angesteuert.

Ein integrierter Sicherheitscontroller kennt die jeweilige Beleuchtungsfarbe und unterwirft die Signale einer Plausibilitätsprüfung. Er gleicht sie mithilfe eines sicheren Algorithmus mit dem Erwartungswert ab. Zugleich werden durch den Farbabgleich mögliche Fehlfunktionen wie die Ausgabe falscher Positionswerte sofort erkannt, während der Sicherheitsteil kontinuierlich die korrekte Funktion der Software kontrolliert. Die Informationen, die der Sensor durch seine integrierte Profinet Profisafe-Schnittstelle an die sichere Steuerung ausgibt, sind also bereits überprüft. Aus diesem Grund ist ein zusätzlicher Funktionsbaustein zur Weiterverarbeitung der Positionsdaten gemäß SIL 3 und PL e überflüssig. Die vom Lesekopf erfasste Code-Information liefert bereits die Grundlage für eine sichere Anmeldung.

Datenfluss nach Selbstkritik

Um die Positionsbestimmung zusätzlich abzusichern, verfügt das safePGV-System über eine „Checker“-Funktion. Bei diesem Verfahren benotet der Sensor die Qualität aller erkannten Codes und gibt ihre Anzahl aus. Lässt die Erkennbarkeit einzelner Codes oder Abschnitte aufgrund von Verschmutzung oder Beschädigung nach, wird dies frühzeitig erkannt. Die vorbeugende Instandhaltung durch Reinigung oder Austausch kann rechtzeitig und ohne ungeplanten Stillstand durchgeführt werden.

Um die Einrichtung und den Betrieb des Systems möglichst einfach zu halten, sind die Eigenschaften der Sensoren in der GSDML-Datei beschrieben. Sie hält zudem die Sensordaten für den Betrieb im Profinet-Netzwerk bereit und kann darüber hinaus für die differenzierte Parametrierung direkt über die Sicherheitssteuerung verwendet werden. Zugleich stehen hier auch differenzierte Diagnosedaten zur Verfügung, die frühzeitig Hinweise auf eventuelle Störungen geben und für die geplante Instandhaltung genutzt werden können. Die Busanschaltung ist ohne zusätzlichen Controller möglich.

Position und Navigation

Für die hochpräzise Positionierung und sichere Anmeldung an definierten Übergabestationen wird in der Regel eine geschlossene Codeleiste verwendet. Dabei handelt es sich um einen relativ kurzen Abschnitt des Codebands. Für die Robustheit und Langlebigkeit dieses Datenträgers sorgt hier die Ausführung aus Metall. Dafür werden die Codes mit einem optimierten Verfahren auf Aluminiumleisten aufgedruckt und durch anschließende Eloxierung der Aluminiumoberfläche zusätzlich geschützt. Die Metallleiste kann mit ihrer Selbstklebeschicht direkt auf den Boden geklebt bzw. in einer Überfahrschiene oder einer Versenkschiene in einer gefrästen Nut im Boden platziert werden.

Das safePGV-System ist aber nicht nur für die punktuelle Positionierung geeignet, sondern kann auch als Navigationssystem eingesetzt werden. Dafür stehen Codebänder aus hochstabilem Laminat zur Verfügung, die ebenfalls einfach auf dem Boden aufgeklebt werden können. Die Varianz der verfügbaren Codes erlaubt die Steuerung auf Strecken von bis zu 100.000 m. Die Laminatbänder können an Stellen mit besonders großer mechanischer Belastung – Kreuzungen, Tordurchfahrten oder Kurven, in denen die Fahrzeugräder das Band überfahren – mit den Metallleisten kombiniert werden.