Die grundlegenden Anforderungen für Mensch-Maschine-Situationen sind in der Maschinenrichtlinie definiert. Das Risiko einer Verletzung der interagierenden Person muss durch organisatorische und technische Vorkehrungen praktisch vollständig ausgeschlossen werden. Sensoren für die Erfassung dynamischer Situationen spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie liefern die Daten, auf deren Grundlage zum Beispiel selbstfahrende Flurförderzeuge (automated guided vehicles, AGV) gesteuert und Kollisionen vermieden werden können. Mit ihren physikalischen Besonderheiten ist die Ultraschallsensorik für Sicherheitsanwendungen ebenfalls gut geeignet.
Ultraschallwellen breiten sich auch dort aus, wo Licht- und Laserpulse verschluckt oder durch Reflektion gestört und verfälscht werden. Auch Staub, Dämpfe und Regen beeinflussen Ultraschallwellen nicht. Zudem genügt ihre Reichweite für die meisten Anwendungen. Sie lassen sich weder vom Material des Zielobjekts noch von Aussparungen oder unregelmäßigen Oberflächen und deren optischen Eigenschaften irritieren. Das signalerzeugende Echo gelangt zuverlässig zum Sensor.
Das liegt unter anderem daran, dass die von ihm emittierten Schallwellen sich in Form einer Keule ausbreiten und immer flächig auftreffen. Die auf Piezoelektrik beruhende Schallemission und -detektion bildet ebenfalls einen robusten physikalischen Vorgang. Verschmutzung und anhaftende Beläge können ihn nicht beeinträchtigen. Neben dem piezokeramischen Ultraschallwandler, der die Schallwellen erzeugt und das Echo erfasst, enthalten Ultraschallsensoren eine Ansteuer- und Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung, die bei herkömmlichen Geräten im selben Gehäuse angeordnet sind.

Elliptische Schallkeule sichert gesamten Raum in Fahrtrichtung ab

Im Ultraschallsensorsystem USi-safety von Pepperl+Fuchs hingegen sind sie getrennt, was eine kompakte Form der Sensorelemente ermöglicht: Die Wandler sind 27x21x13 Millimeter groß und lassen sich auch in kleinen Strukturen montieren. Die Auswerteeinheit kann bis zu drei Meter Kabellänge entfernt installiert werden. Das USi-System unterscheidet sich von herkömmlichen Ultraschallsensoren zusätzlich durch die besondere Form seiner Schallkeule. Während diese sonst radial symmetrisch ist und einen runden Querschnitt aufweist, ist sie hier seitlich gestaucht und in einer Querachse sehr breit ausgeprägt. Sie hat damit am Ort des Auftreffens eine elliptische Kontur, die in 1,5 Meter Abstand einen Bereich von 80x32 Zentimeter abdeckt. Die maximale Reichweite beträgt 2,5 Meter, die bei einem AGV zur Absicherung des gesamten Raums in Fahrtrichtung ausreicht. Die Reaktionszeit liegt bei 91 Millisekunden.
Die Ultraschallwandler des USi-safety-Systems erfüllen die Vorgaben der Schutzart IP69K und halten einer Hochdruckreinigung stand. Sie sind widerstandsfähig und für den Einsatz im Außenbereich geeignet. Mit einem optionalen Temperaturfühler lassen sich bei großen Temperaturschwankungen unvermeidliche Messabweichungen automatisch kompensieren.

Sichere, durchgängig zweikanalige Elektronik

Neben dem Detektionsprinzip für einen großen Erfassungsbereich beruht die Sicherheitsarchitektur des USi-safety-Systems auf einer durchgängig zweikanaligen Elektronik, die jedem Ultraschallwandler zwei fehlersichere Ausgänge zuweist. In der Auswerteeinheit befinden sich zwei Mikrocontroller, die neben der Sensorfunktion sich auch gegenseitig überwachen. Kommt es zu auffälligen Abweichungen an den Sensoreinheiten oder zwischen den Controllern, wird automatisch die Sicherheitsschaltung ausgelöst. Ebenfalls automatisch werden Prüf- und Testroutinen zur Selbstdiagnose durchgeführt. Jede Auswerteeinheit bietet Anschlüsse für zwei Ultraschallwandler. Diese sind voneinander unabhängig und können jeweils unterschiedlich parametriert werden. Die Voraussetzungen für ein sicheres Sensorsystem sind schon mit einem Wandler erfüllt. Jede angeschlossene Sensoreinheit besitzt einen eigenen Meldeausgang, dazu kommen sichere OSSD-Ausgänge nach Kategorie 3 PL d für die Signalausgabe an eine Sicherheitssteuerung.

Umfassende Parametriermöglichkeiten mit Windows

Die Bedienung der USi-Geräte ist auf Einfachheit ausgerichtet. Sie werden mit einer intuitiven Windows-Software parametriert. Hier lassen sich pro Ultraschallwandler zwei Schaltpunkte definieren, um zwischen Schutz- und Warnfeld zu unterscheiden, zum Beispiel für Langsamfahrt und Stopp. Genügt für die Anwendung ein Schutzfeld allein, legt man beide Punkte identisch fest. Die Parametrierung bestimmt auch die Auflösung. Sie erlaubt die Erfassung von sehr kleinen Objekten oder Körperteilen.  
Die Software erstellt automatisch Safety-Protokolle für die Anlagendokumentation und enthält die freigegebenen Parameter der Sicherheitsanwendung. Die Ausgangslogik sowie die Initialisierung periodischer Tests lassen sich an die spezifischen Anforderungen anpassen. Im Expertenmodus kann man auch physikalische Faktoren der Ultraschallsensorik wie die Empfindlichkeit, das Ausmaß der Echoverstärkung, Vorgaben für Mehrfach-Scan, Einschaltverzögerung, Nahfeld, Echoverbreitung und Hysterese konfigurieren.
Der Einsatz mehrerer USi-safety-Systeme in räumlicher Nähe ist möglich, da die Software Interferenzen zwischen ihren Ultraschallsignalen unterdrückt. Die Detektionsfähigkeit der Geräte wird davon nicht beeinträchtigt. Gegen Störgrößen im Erfassungsbereich gibt es ebenfalls wirksame Vorkehrungen: Ragt etwa ein Maschinenbauteil ins Detektionsfeld, lässt sich diese Störgröße mit der Teach-In-Funktion der Software einlernen und ausblenden. Andere Objekte im selben Bereich werden dennoch erkannt. Zudem lässt sich die eingelernte Störgröße zum Manipulationsschutz als Referenzobjekt nutzen.

USi-Safety in der Praxis

Lichtgitter werden häufig zur Zutrittsabsicherung an Maschinen verwendet, sind aber empfindlich gegen Staub und Verschmutzung. Wo letzteres nicht zu vermeiden ist, bieten die flach-elliptischen Schallkeulen des USi-safety-Systems eine Alternative. Sie sorgen zum Beispiel in der Holzverarbeitung für Sicherheit, ohne dass sie unnötige Abschaltungen auslösen.
Die kompakten Geräte finden fast überall Platz und sind deshalb für den Einbau in beengten Verhältnissen prädestiniert. Die Wandler passen ohne weiteres in einen Roboterarm oder in die Spitze des Gabelzinkens bei einem fahrerlosen Gabelstapler. Für solche Fahrzeuge bietet es sich an, ein System mit zwei Wandlern jeweils für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt zu nutzen. In der chemischen Industrie werden große AGV zum Transport von Tanks verwendet. Solche Fahrzeuge können von mehreren USi-safety-Systemen vor seitlicher Kollision geschützt werden. Dabei sind die Systeme auf den Fahrzeugflanken verteilt verbaut und überwachen die Seitenbereiche.

Autor
Matthias Sollmann, Global Product Manager

Bilder © Pepperl+Fuchs