Laserscanner für die Sicherheit von Automated Guided Vehicles

von Seb Strutt, Senior Product Manager und Safety Specialist bei SICK (UK)

 

Ein Sicherheits-Laserscanner ist ein bewährtes und universell einsetzbares Tool für Maschinensicherheit. Seine Vielseitigkeit und das überzeugende Preis-Leistungs-Verhältnis eröffneten ungeahnte Möglichkeiten zum besseren Schutz des Personals an Maschinen. Er bildet den Grundstein, ohne den weitere Fortschritte in der Automatisierung in zahlreichen Industriebereichen, darunter Automotive, Stahl- und Metallverarbeitung, sowie Fördertechnik nicht hätten stattfinden können.

 

Hochentwickelte Laserscanner, wie die von SICK, bieten Kollisionsschutz für vollautomatische Transportfahrzeuge, sogenannte Automated Guided Vehicles (AGV).  Sämtliche Fortschritte im sicheren Gebrauch fahrerloser Transportfahrzeuge basieren auf kompakteren Sicherheits-Laserscannern, wie zum Beispiel Scanner der Produktreihe SICK S3000, die die sichere und kontaktlose Erkennung von Personen entlang der Wege von Fahrzeugen in komplexen Bahnen und Fertigungslayouts möglich machten.

 

Wir konnten beobachten, wie diese Technologie unseren Kunden geholfen hat, ihre Fertigungseffizienz mit Hilfe von vollautomatischen Fahrzeugen erheblich zu steigern, während Standzeit und Wartungsaufwand verringert wurden.

 

Kein Kontakt erforderlich

 

Vor der Einführung laserbasierter Technologie erfolgte die Erkennung von Hindernissen physisch durch die Verformung von Kontaktpuffern, die wiederum einen entsprechenden mechanischen Schalter auslösten. Demzufolge wurde die Fahrtgeschwindigkeit letztlich von der Kraft begrenzt, die für das Auslösen des Aufprallerkennungssystems erforderlich ist, zugleich jedoch keinerlei Schaden verursachen soll. 

 

Ausgestattet mit einem kompakten Sicherheits-Laserscanner kann sich das AGV unmittelbar schneller fortbewegen, da das Kollisionsschutzsystem mögliche Hindernisse bereits aus einiger Entfernung und somit vor dem Zusammenstoß erkennen kann. In der Folge können AGVs ihre Performance  erhöhen und die Sicherheit dennoch zu jeder Zeit gewährleisten.

 

Erkennung bei voller Fahrt

 

Das Prinzip von Sicherheits-Laserscannern sieht vor, die Umgebung fächerförmig abzusuchen und die jeweiligen Entfernungen mit Hilfe des Time-of-Flight-Verfahrens zu messen. Bei Erkennung eines Gegenstands innerhalb des zuvor eingestellten Gefahrenbereichs schaltet ein Sicherheits-Laserscanner die Ausgangsschalteinrichtung aus und bringt das Fahrzeug zum Stehen. 

 

Laserscanner an mobilen Fahrzeugen bilden das eingestellte Feld normalerweise mit drei verschiedene Zonen ab - zwei zur Warnung und eine für Notfälle:

• äußere Zone, bei Eintreten einer Person ertönt ein Warnsignal,
• mittlere Zone, hier kann das Fahrzeug seine Fahrt verlangsamen 
• innere Zone, nur bei Betreten dieser Zone wird ein Nothalt ausgelöst 

 

Die Folge: Der Bedarf, das Fahrzeug zur Erkennung eines Objekts anzuhalten und die Fertigungseffizienz zu beeinträchtigen, wird auf ein Minimum gesenkt.

 

Komplexer Schutz für komplexe Systeme

 

Die Folge der Weiterführung von Entwicklungsarbeiten sind größere Erfassungsbereiche für Sicherheitsfelder von bis zu 7 Metern.  Ein Garant für hohe Leistung und Flexibilität für komplexe Fahrzeugwege sind die zahlreichen Felder mit bis zu 64 Zonen, mit denen die AGVs abbiegen und ihre Richtung ändern können, ohne von ihrem Kurs abzukommen.

 

Integrierte Geschwindigkeitsmessung

Durch die Ausstattung von Laserscannern mit weiteren Sensortechnologien können weitere Vorteile erzielt werden. Wird das Fahrzeug zum Beispiel mit Encodern ausgestattet (beispielsweise dem SICK ATM60/90), können Laserscanner anhand der Eingangssignale der Encoder die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs auf sichere Weise messen. 

 

Basierend auf diesen Messungen wird das Erfassungsfeld automatisch angepasst, und dank der besser kontrollierbaren Verzögerung der Fahrzeuge kann von scharfen Bremsvorgängen verursachter Verschleiß verringert werden.  Darüber hinaus konnte dank der technischen Entwicklungen der Platz- und Energiebedarf gesenkt und die Anwendung in wesentlich kleineren Fahrzeugen ermöglicht werden. Besonders wichtig kann die Minimierung der Fahrzeuggröße für Kunden sein, die ihre Arbeitsgangbreite reduzieren möchten. Eingesetzt werden diese Fahrzeuge in Krankenhäusern, Fertigungsanlagen und Lagerhallen.

 

Ebenso weiterentwickelt wurde die Funktionalität der Scanner, sodass selbst auf kleinen AGVs zwischen zwei und fünf Laserscannern angebracht sein können, um den erforderlichen Schutz zu bieten. In der Folge nahm auch die Komplexität des Steuersystems von AGVs zu.

 

Das Ziel: Sicherer Betrieb

 

Zum Erhalt des für die grundlegenden Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen dieser Art von Anlagen erforderlichen Sicherheits-Integritätslevels (SIL) wird ein erhebliches Maß an Fachwissen benötigt, um alle notwendigen Steuersignale sowie den Laserscanner selbst einzubinden. Für eine sicherheitsrelevante Brems- und Stop-Funktion in Fahrtrichtung, sollte das Performance-Level der Stop-Funktion bei Kategorie 3, PLd. liegen.

 

Die jüngsten Entwicklungen der Technologie konzentrierten sich vor allen Dingen auf die Integration komplexer Sensoren und sicherheitsrelevanter Steuerungen zur Senkung der Kosten, die sonst durch die komplexe Verkabelung von Encodern, Schaltsignalen und Sicherheitssignalen zu und von jedem Gerät anfallen.

 

Kabel und Kosten einsparen

 

Ein Beispiel: Sick entwickelte ein Paket, das die Leistung einer über einen 2-Draht-Bus (genannt EFi, Enhanced Function interface) mit 4 Laserscannern verbundenen Sicherheitssteuereinheit(SICK Flexi Soft) verwendet, um den Verkabelungsaufwand in Anwendungen mit mehreren Scannern zu reduzieren.

 

Dieses Konzept räumt den Bedarf an 10 oder mehr Kabeln für jeden Scanner aus. Stattdessen wird ein zweidrahtiges Kabel zur Steuerung aller Aspekte des Scanners über sichere Protokolle gemäß PLd eingesetzt.

 

Durch die zentrale Anbindung der Feldschaltung sowie der Steuer- und Statussignale an die lokale Flexi Soft Steuerung kann die sicherheitsrelevante Funktion der Flexi Soft Steuerung mühelos mit der Geschwindigkeits- und Richtungssteuerung der AGV verknüpft werden, um somit Eingriffe in gefährlichen Situationen zu ermöglichen.

 

Sicherheit von Fahrzeugen, Bühnen und ähnlichen Systemen

 

Mit einer zentralen Hochleistungs-Steuereinheit können Diagnosefunktionen zur Überwachung des Systems sowie zur Überprüfung sämtlicher Vorfälle eingerichtet werden. Neben AGVs kann dieses Konzept auch Schiebebühnen und ähnliche Systeme, sowie komplexe Anwendungen mit Zugangskontrollsystemen mit Feldschaltung bedienen. Bestehende (retrofit) und neue Anlagen können von dieser Technologie profitieren.

 

In Zukunft wird die Technologie der Laserscanner noch weitere Entwicklungen in Sachen Kompaktheit und Systemintegration erleben, mit denen AGVs immer mehr Einzug in den Alltag erhalten werden – nicht nur in Fabrikanlagen und Lagerhallen, sondern auch in Krankenhäusern, Flughäfen, großen Bürogebäuden und vielem mehr.