AGV und Roboter sicher steuern

Fahrerlose Transportfahrzeuge sind in der Intralogistik immer häufiger anzutreffen. Für einen sicheren Betrieb müssen sie zum Umfahren von Hindernissen und zur verzögerungsfreien Reaktion auf Gefahren­situationen fähig sein. Je nach Einsatzort gelten bei der Steuerung von Robotern ähnliche Anforderungen. Pepperl+Fuchs bietet mit der Serie USi-safety ein Sensorsystem, das zuverlässige Situationserfassung mit einem robusten Messprinzip und einer intrinsisch sicheren Elektronik kombiniert. Die Geräte entsprechen als einzige sichere Ultraschall­sensoren auf dem Markt den Anforderungen der Kategorie 3 PL d der Norm EN ISO 13849.

Mit dem zunehmenden Einsatz von fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF, englisch: automated guided vehicles, AGV) erreicht die Intralogistik neue Stufen der Effizienz. Zugleich nimmt die Verkehrsdichte autonomer Fahrzeuge an Produktions- und Lagerstandorten ständig zu. Damit steigt auch die Häufigkeit der Begegnungen zwischen Mensch und Maschine sowie zwischen Maschine und Maschine. Ähnliches gilt für den Einsatz von Robotern in vielen hochautomatisierten Prozessen. Nicht nur die dort arbeitenden Menschen müssen konsequent geschützt werden, auch Kollisionen ohne Personenbeteiligung müssen unbedingt verhindert werden. Wie der Kollisionsschutz zu organisieren ist, wird in der „Maschinenrichtlinie“ detailliert ausgeführt.

Ultraschallsensorik

Schallwellen weisen hier mehrere physikalisch bedingte Stärken auf. Sie sind die Grundlage für die prinzipielle Überlegenheit der Ultraschallsensorik gegenüber anderen, insbesondere optischen Messverfahren in bestimmten Einsatzbereichen. Licht wird durch äußere Störfaktoren wie Dampf, Staub, Nebel, Regen oder Schnee behindert. Eine unzureichende Reflektion oder die Ablenkung des Sensorstrahls stören die zuverlässige Erfassung ebenso wie transparente Oberflächen, unregelmäßige Konturen oder Aussparungen im Zielobjekt.

Schallwellen unterliegen solchen Einflüssen nicht. Der Schallimpuls eines Ultraschallsensors breitet sich keulenförmig aus, erreicht alle Objekte im Erfassungsbereich und wird von ihnen reflektiert. Die Ausbreitung der Schallwellen wird weder von den äußeren Bedingungen (Staub, Dämpfe, Niederschläge), noch von den optischen Eigenschaften der Objektoberflächen nennenswert beeinflusst. Verschmutzung und selbst anhaftende Beläge können die Sensorfunktion ebenfalls kaum beeinträchtigen. Die Schallkeule trifft immer flächig auf, daher werden auch unregelmäßige Konturen und Objekte mit Aussparungen zuverlässig erfasst.

Elliptisch und entkoppelt

Bei den Ultraschallwandlern des USi-Systems wurde die Form der Schallkeule für die typischen Anwendungsfälle in der AGV- und Robotersteuerung optimiert. Normalerweise ist die Form der Schallausbreitung radial symmetrisch, also im Querschnitt immer rund. Hier ist sie dagegen in einer Querachse sehr breit und in der anderen sehr schmal, also seitlich gestaucht, mit elliptischem Querschnitt. So deckt die Schallkeule am Ort des Auftreffens einen breiteren Bereich ab: 80 Zentimeter in 1,5 Meter Abstand. Die maximale Reichweite beträgt 2,5 Meter, sodass der gesamte Raum in Fahrtrichtung eines AGV zuverlässig überwacht wird.

Der Ultraschallwandler, der die Schall­impulse sendet und empfängt, ist nur 27 x 21 x 13 Millimeter groß. Er ist von der Auswerteeinheit entkoppelt, die bis zu 3 Meter Kabellänge entfernt montiert werden und von dort zwei Wandler bedienen kann. Die kompakte Form erlaubt die Platzierung der Wandler bei sehr beengten Verhältnissen, zum Beispiel im Gabelzinken eines Staplers, während die Elektronik im Chassis untergebracht wird.

Diese Auswerteelektronik ist durchgängig zweikanalig ausgelegt und weist jedem Ultraschallwandler zwei fehlersichere Ausgänge zu. Auch die Mikrocontroller in der Auswerteeinheit sind redundant ausgelegt und überwachen neben der Sensorfunktion gegenseitig sich selbst. Kommt es zu einer auffälligen Abweichung der Sensoreinheiten oder zwischen den Controllern, wird automatisch die Sicherheitsschaltung ausgelöst. Zusätzliche Sicherheit entsteht durch ebenfalls automatische Prüf- und Testroutinen. Zugleich sind die Ultraschallwandler mit der Schutzart IP69 besonders robust ausgelegt.

Interferenz ausgeschlossen

Bereits mit einem der beiden unabhängigen Sensorkanäle ist eine zuverlässige Absicherung möglich. Damit genügt einer von zwei möglichen Ultraschallwandlern, um die Anforderungen für ein sicheres Sensorsystem zu erfüllen. Je ein Meldeausgang steht pro Wandler zur Verfügung, zusammen mit sicheren, kurz- und querschlussüberwachten OSSD-Ausgängen für die Signalausgabe an eine Sicherheitssteuerung.

Da es bei FTF häufig Begegnungsverkehr gibt und mehrere Roboter nah beieinander arbeiten können, verhindert die USi-Software gegenseitige Störung durch Signale mehrerer Systeme, indem sie bei Begegnungen die Interferenzen unterdrückt. So können an einem Standort beliebig viele Flurförderzeuge oder Roboter mit USi-Sensoren ausgestattet werden.

Die Software kann auch Störgrößen ausblenden. Ein typisches Beispiel dafür sind Komponenten am Fahrzeug, die in die Schallkeule hineinragen. Die Erfassung anderer Objekte wird dadurch nicht beeinträchtigt. Zugleich kann eine solche Komponente als Referenzobjekt zur Manipulationssicherung herangezogen werden. Die Parametriersoftware erlaubt es, Schaltpunkte und Ausgangslogik intuitiv einzustellen und periodische Tests zu initialisieren. Safety- und ultraschallspezifische Parameter lassen sich ebenfalls festlegen. Safety-Protokolle für die Anlagendokumentation werden automatisch erstellt.

Anwendungsbeispiele

• Fahrerlose Gabelstapler – Diese Fahrzeuge müssen nicht nur in der Haupt-, sondern auch in den Nebenfahrtrichtungen abgesichert sein, insbesondere in Richtung der Gabel sowie in der seitlichen Zone. Die kompakten Sensoreinheiten können an beliebigen Stellen montiert sein, einschließlich einer Integration im Gabelzinken. Auf diese Weise ist das Detektionsfeld selbst bei einer beladenen Gabel nicht blockiert. Objekte und Personen im Gefahrenraum werden zuverlässig erkannt, das Absenken der Gabel bei Bedarf rechtzeitig gestoppt. Der Sensor im Gabelzinken kann zudem den angepeilten Lagerplatz in einem Hochregallager überprüfen. Beim Einsatz in geführten Hubwagen kann das USi-System die Rückraumüberwachung oder den Fersenschutz übernehmen.
• Spurgeführte FTF – Um einen zuverlässigen Kollisionsschutz ohne unnötige Unterbrechung der Transportfahrten zu gewährleisten, können USi-safety-Geräte optische Navigationssysteme ergänzen oder sogar ersetzen. Da die Sensoreinheiten sehr flexibel in die Anwendung integriert werden können, wird die zielgerichtete Abdeckung beliebiger Bereiche in der Umgebung des FTF möglich. Mit der Parametriersoftware lässt sich der Erfassungsbereich schnell und einfach anpassen. Zum Beispiel kann man den Meldeausgang für reduzierte Geschwindigkeit oder die Ausgabe eines Warnsignals einrichten.
• Tanktransport – Zum Rangieren von großen Tanks, etwa in der chemischen oder petrochemischen Industrie, werden große FTF eingesetzt. Bei einer Kurvenfahrt muss hier auch der seitliche Raum abgesichert sein. Das ist durch den Einsatz mehrerer USi-safety-Systeme möglich, die an den Flanken des Fahrzeugs montiert werden.