Dreidimensional Steuern und Überwachen

SafetyEYE ist dabei weit mehr als ein Sensor es ist die Grundlage einer Technologie zur sicheren Detektierung von Objekten im dreidimensionalen Raum. Damit können wir wieder eine Innovation präsentieren, die Anwender darin unterstützt, ihre Produktivität zu erhöhen und Kosten zu senken, bringt Renate Pilz, geschäftsführende Gesellschafterin von Pilz, die Vorteile des sicheren Kamerasystems auf den Punkt.

Geeignet ist das sichere Kamerasystem für die unterschiedlichsten Branchen: von Bearbeitungszentren über die Reifen- und Verpackungsindustrie bis hin zu Hochregallagern und automatischen Parkhäusern.

Bisherige sicherheitstechnische Lösungen haben Grenzen

Am Beispiel einer Roboter-Arbeitsstation, die einen oder mehrere Roboter umfasst und durch Schutzzäune gesichert ist, wird es deutlich.

In der Regel sind zusätzliche Schutzeinrichtungen wie Lichtgitter und Laserscanner in Verbindung mit Bereichsendschaltern an den Robotern erforderlich. Sie erkennen, wenn Personen den Gefahrenbereich betreten oder sich darin aufhalten.

Die bisherigen sicherheitstechnischen Lösungen sind jedoch mit deutlichen Nachteilen verbunden.

Mit optoelektronischen Schutzeinrichtungen lassen sich keine Räume, sondern allenfalls Ebenen überwachen. Fehlt zudem eine freie Sichtverbindung, muss die Arbeitsstation zusätzlich mit Trittmatten abgesichert werden. Eine lückenlose Überwachung des Aktionsradius eines Roboters ist so entweder gar nicht oder nur mit großem technischen Aufwand machbar. Hinzu kommt, dass die üblichen Schutzeinrichtungen im Gefahrenfall einen sofortigen Stillstand des Roboters auslösen. Für den Neustart muss der Roboter exakt an dieselbe Position wie vor dem Stopp gefahren werden. Das kostet Zeit und wirkt sich auch auf nachfolgende Stationen einer Produktionslinie aus. Und ein dritter Aspekt: die große Anzahl unterschiedlicher Komponenten und deren komplexe Beschaltung macht die Absicherung einer Roboterarbeitstation nicht nur kostspielig, sondern beeinträchtigt auch ihre Verfügbarkeit.

Gemeinsames Know-how für eine innovative Lösung

Bei Pilz machte man sich deshalb Gedanken für ein neues Konzept zur Schutzraumüberwachung und entwickelte die Idee eines sicheren Kamerasystems. Aber auch bei DaimlerChrysler in Sindelfingen, in der Abteilung Verfahrensentwicklung, Automatisierungs- und Steuerungstechnik, wurde über neue Überwachungsstrategien nachgedacht. Die Überlegung war, Kameras so in Kombination einzusetzen, dass sich der zu überwachende Schutzraum dreidimensional abbilden lässt. Anhand von Algorithmen zur Bildverarbeitung ist es dann möglich, Objekte zu erkennen, die in den Gefahrenraum eindringen. Ausgangspunkt waren optische Assistenzsysteme, die im Labor für technische Bildverarbeitung des Ulmer Forschungszentrums von DaimlerChrysler entwickelt werden, um Autofahrer auf Gefahren aufmerksam zu machen. Auf diese Weise fanden zwei sich optimal ergänzende Kooperationspartner. Während DaimlerChrysler die geeigneten Algorithmen zur dreidimensionalen Bildauswertung beisteuerte, war es die Aufgabe von Pilz, die Algorithmen industrietauglich zu machen, das System zu entwickeln und auch zu fertigen.

Ein System für Steuern, Überwachen und Schützen

Das Gesamtsystem besteht aus drei Komponenten: der Sensoreinheit, einem Hochleistungsrechner sowie einer Sicherheitssteuerung. Die aus drei hoch dynamischen Kameras bestehende Sensoreinheit liefert die Bilddaten des zu überwachenden Raumes.

Ein Hochleistungsrechner als Auswerteeinheit empfängt über Lichtwellenleiter die Bilddaten der Kameras und berechnet anhand hochkomplexer und sichere Algorithmen ein räumliches Bild. Damit ist es möglich, Objekte räumlich wahrzunehmen und ihre Position exakt zu bestimmen. Diese Informationen werden dann mit den im System konfigurierten Schutzräumen überlagert, um festzustellen, ob bspw. eine Verletzung des Schutzraumes vorliegt. Die Ergebnisse der Bildverarbeitung gibt der Hochleistungsrechner an die Sicherheitssteuerung PSS, die mit ihren Ein- und Ausgängen als Schnittstelle zur Maschinensteuerung dient und den kompletten Betrieb von SafetyEYE steuert. Meldet die Auswerteeinheit eine Verletzung des Schutzraumes, werden die konfigurierbaren Ausgänge ausgeschaltet. Die Anbindung an die Peripherie kann auch über das sichere Bussystem SafetyBUS p und in Zukunft über das Ethernet SafetyNET p erfolgen. Mit Hilfe des Konfigurations-PCs und eines speziellen Softwarepakets lassen sich die Schutz- und Warnräume sowie alle weiteren für den Betrieb des sicheren Kamerasystems notwendigen Parameter einrichten.

Optimal angepasste Schutzkonzepte helfen einen Stillstand zu vermeiden

Eine mit SafetyEYE abgesicherte Roboter-Arbeitsstation beispielsweise wird völlig offen wirken. Einengende Absperrungen sind nicht mehr notwendig. Die Sensoreinheit sitzt über der Arbeitsstation und hat den gesamten Aktionsraum des Roboters im Blick. Manipulationen sind damit von vornherein ausgeschlossen. Erst der Blick auf den Monitor zeigt, dass hier Sicherheitstechnik am Werk ist. Die Bilder der Kameras überlagern farbige, halbtransparente Würfel und Quader - die dreidimensionalen Warn- und Schutzräume (siehe Grafik Funktionsaufbau). Innerhalb dieser Raumsegmente wird sich der Roboter während seines Arbeitsablaufs bewegen. Die Gefahrenbereiche sind in Form einer virtuellen Hüllkurve definiert, die Warn- und Schutzräume einschließt. Nur Objekte, die in diese Bereiche eintauchen, sind potenziell gefährdet.

Die Besonderheit bei SafetyEYE: eine Schutzraumverletzung führt nicht automatisch zum Not-Stopp. Denn übertritt ein Mitarbeiter den virtuellen Schutzraum an einer Stelle, die der Roboter erst nach mehreren Sekunden erreichen würde, sorgt die Steuerungstechnik dafür, dass der Roboter sich mit extrem reduzierter Geschwindigkeit weiter bewegt. Tritt der Mitarbeiter alarmiert durch ein Warnsignal wieder zurück, arbeitet der Roboter mit normaler Geschwindigkeit weiter. Nur wenn der Mitarbeiter den unmittelbaren Gefahrenbereich betritt, erfolgt ein Not-Stopp. Ein deutlicher Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Schutzeinrichtungen, die im Gefahrenfall immer einen sofortigen Stillstand auslösen. Mit SafetyEYE lassen sich Prozesse passgenau steuern und flexibel sichern.

Warn- und Schutzräume am PC konfigurieren

Schutz- und Warnräume lassen sich zu komplexen Raumordnungen zusammenfassen und sind dennoch einfach zu handhaben, da sie sich intuitiv und schnell am PC konfigurieren lassen. Sind für verschiedene Betriebsarten einer Maschine unterschiedliche Raumordnungen notwendig, können diese während des Arbeitszyklus der Maschine dynamisch über das sichere Bussystem SafetyBUS p oder die digitalen Eingänge der Sicherheitssteuerung PSS umgeschaltet werden. Anwender bleiben flexibel, denn einmal definierte Schutzräume lassen sich per Mausklick im SafetyEYE Konfigurator anpassen. Die Überwachung von Schutzräumen orientiert sich damit nicht mehr an den technischen Notwendigkeiten, sondern an den Anforderung der Prozessabläufe der Anwender, die sich so äußerst flexibel gestalten lassen (siehe Foto Funktionsweise).

Die Installation von SafetyEYE mit Konfiguration der Schutzräume erfordert nur wenige Stunden. Das Positionieren, Einrichten und Überprüfen von konventionellen Schutzeinrichtungen dagegen beansprucht mindestens einen Tag. Und der Einsatz von SafetyEYE ist zudem deutlich kostengünstiger. Eine integrierte Diagnosefunktion verkürzt Stillstandszeiten im Falle einer Schutzraumverletzung auf ein Minimum.

Ergonomische Zusammenarbeit von Mensch und Maschine

Im Vergleich zu herkömmlicher Sensorik bietet das sichere Kamerasystem deutlich mehr: Steuern, Schützen und Überwachen mit nur einem System. Auch Standardsteuerungsfunktionen kann SafetyEYE übernehmen. Darüber hinaus ist mit SafetyEYE auch die Überwachung von mehreren voneinander unabhängigen Schutzräumen möglich. Das senkt nicht nur Kosten, sondern reduziert die Komponenten auch auf ein Minimum. Weitere Einsparungen bei Material und Installation ergeben sich durch den direkten Anschluss an Bussysteme wie SafetyBUS p und zukünftig SafetyNET p.

SafetyEYE sichert Anlagen aus der Vogelperspektive, so dass Mensch und Maschine optimal zusammen arbeiten können. Mit dem sicheren Kamerasystem lassen sich Anforderungen aus den unterschiedlichsten Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus realisieren.

Wertobjekte und Gebäudezugang fest im Blick

Während Safety den Schutz der Umgebung vor einem Objekt beschreibt, geht es bei Security um den Schutz eines Objektes vor seiner Umgebung. Dazu zählen zum Beispiel die Zugangssicherung zu Gebäuden oder auch die Überwachung von Exponaten in Museen. SafetyEYE hat wertvolle Objekte lückenlos im Blick, da es im Gegensatz zu konventionellen Schutzeinrichtungen nicht jeweils nur eine Ebene überwacht. Die kamerabasierte Bildverarbeitung wird die optische Sensorik nicht nur im industriellen Bereich revolutionieren. Wir sind sicher, dass der Innovation SafetyEYE eine große Zukunft auch im Bereich Security bevorsteht, fasst Renate Pilz zusammen.