Pepperl+Fuchs: Ultraschall-Sensoren mit CAN-Schnittstelle

Durch eine Vielzahl zusätzlicher Funktionalitäten wird dem Nutzer darüber hinaus eine größtmögliche Flexibilität in der Anwendung geboten. So können störende Maschinenteile ausgeblendet werden, um konsistente Messwerte zu gewährleisten. Die Ultraschallsensoren der Serie UC-L2-CANopen können mit den unterschiedlichen Reichweiten-Varianten 500, 2000 und 4000 mm optimal für die Anforderungen in der Anwendung ausgewählt werden.

Ein maßgeschneidertes Safety-Konzept bestätigt hierbei die Eignung der Sensoren für sicherheitsrelevante Applikationen und erleichtert dem Anwender den entsprechenden Nachweis. Erforderlich hierbei ist eine diagnosefähige Steuerung, die in Kombination mit den Sensoren betrachtet und bewertet wird. So können an mobilen Arbeitsmaschinen, wie zum Beispiel Baggern, mit häufig eingeschränktem Sichtfeld, die Arbeitsräume sicher überwacht werden.

Einfache Integration, optimiert für Mobile Equipment

Mit seinem CANopen-Ausgang ermöglicht der Sensor eine problemlose Datenübertragung und Konfiguration. Eine spezielle Kommunikationsinfrastruktur ist integriert, wodurch kein zusätzliches Zubehör erforderlich wird und individuelle Verkabelungen entfallen. Dies erleichtert die Integration in bestehende Systeme.

Darüber hinaus zeichnet sich der Sensor durch eine hohe elektromagnetische Störfestigkeit aus. Er erfüllt die Richtlinien für den Bereich Mobile Equipment und kann daher auch in anspruchsvollen Umgebungen zuverlässig eingesetzt werden. Die E1-Zertifizierung, die für Europa relevant für den Einsatz in mobilen Fahrzeugen ist, bestätigt die Einhaltung der geltenden Standards. Sie kennzeichnet das Bauteil als geprüft genehmigt für den Einsatz in Kraftfahrzeugen und gültig für den europäischen Markt.

Äußerst langlebig, flexibel im Einsatz und widerstandsfähig

Der Sensor ist äußerst langlebig und widerstandsfähig. Mit einem erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C ist er für extreme Umgebungsbedingungen geeignet. Zudem verfügt er über eine hohe IP-Schutzklasse (IP 68), die ihn vor dem Eindringen von Staub, Schmutz und Feuchtigkeit schützt.

Ein weiterer Vorteil von Ultraschallsensoren besteht in der anpassbare Schallkeule, die für mehr Flexibilität sorgt. Die Schallkeule, die einen schmalen oder breiten Bereich abdeckt, kann ohne Reichweitenverlust angepasst werden. Dies ist besonders nützlich, wenn es störende Objekte gibt, die in den messenden oder zu überwachenden Bereich ragen.

Wo Ultraschalltechnologie punkten kann

Ultraschalltechnologie, die eine präzise und robuste Distanzmessung gewährleistet, ist von großer Bedeutung, wenn es darum geht, einen störungsfreien Betrieb und eine hohe Prozesssicherheit zu garantieren. Je nach Anwendungszielgebiet können dadurch Kollisionen vermieden und Prozesse automatisiert werden. Das gilt insbesondere für Situationen in denen andere Technologien an ihre Grenzen stoßen. So sind Ultraschall- im Gegensatz zu optoelektronischen Sensoren unempfindlich gegenüber verschiedenen Materialien, Oberflächenarten bzw. Farben und erlauben zuverlässige Messungen auch unter schwierigen Umweltbedingungen wie Schnee, Nebel, Regen oder Staub. Ein weiterer Vorteil besteht in der bereits genannten Schallkeule, die sich in alle Achsen im Raum ausbreitet, anstatt auf einen bestimmten Punkt oder eine bestimmte Linie beschränkt zu sein.

Störungsfreier Betrieb und hohe Prozesssicherheit

Die Ultraschall-Produktfamilie von Pepperl+Fuchs zeichnet sich zudem durch zwei weitere Besonderheiten aus. Eine dieser Besonderheiten ist Störzielunterdrückung. Oftmals können Störechos oder sogenanntes „Rauschen“ durch Maschinenteile die Messungen beeinflussen. Durch den Einsatz fortschrittlicher Auswertealgorithmen ist es möglich, diese Störechos effektiv zu unterdrücken, ohne die eigentliche Messung zu beeinflussen.

Ein weiterer Vorteil für einen störungsfreien Betrieb und eine hohe Prozesssicherheit ist die einfache Synchronisationsfunktion via CAN. Der Sensor verfügt über einen Synchronisationseingang, der dazu dient, gegenseitige Ultraschallstörungen mehrerer Sensoren zu unterdrücken, die als „Cross Talk“ bezeichnet werden. Neben der hier dargestellten einfachen Synchronisation via CAN gibt es zudem  weitere Synchronisationsmodi, wie beispielsweise der Common Mode oder eine externe Triggerung über CAN.

Möglichkeiten zur Bewertung des Diagnosedeckungsgrad bei CANopen für eine Safety Betrachtung

Die internationale Anwender- und Herstellervereinigung CAN in Automation (CiA), definiert verschiedene Kommunikationsprotokolle. Eines dieser Protokolle ist der Standard nach CiA 301. Gemäß diesem Kommunikationsprofil ist die ­UC-L2-CANopen Serie von Pepperl+Fuchs ausgelegt. Dieses Profil bringt einige standardisierte Funktionen mit, die zu einer Safety-Betrachtung und -Bewertung hinzugezogen werden können. Zu nennen sind hier der Heartbeat, das zyklische Versenden von Prozessdaten, azyklisches Abfragen von Parameter- oder Prozessdaten und die Notfallbenachrichtigung.

Über die Funktion des Heartbeats versendet das Gerät selbständig und zyklisch ein „Lebenszeichen-Telegramm“. Das Telegramm beinhaltet neben dem Nachrichten-Identifier (Rückschluss auf Node-ID) ebenfalls noch den Network Management-Zustand (NMT) wie Boot-up, Stopped, Pre-Operational oder Operational.

Das zyklische Versenden von Prozessdaten bietet eine weitere Möglichkeit der Safety-Betrachtung. Auslöser für das zyklische Versenden können hierbei folgende Treiber sein:

• SYNC-Telegramm
• Ereignis liegt vor (z. B. ein neues Messergebnis)
• Timerablauf
• eine Kombination dieser Ereignisse

Auch ein azyklisches Abfragen von Parameter- oder Prozessdaten bietet CANopen. Parameter- oder Prozesswerte werden von der Steuerung wiederholt abgefragt. Antwortet das Gerät innerhalb einer bestimmten Zeit nicht, oder nicht mit den erwarteten Daten, liegt ein Fehler vor.

Der sogenannten Notfallbenachrichtigung (Emergency Messages) wird eine hohe Priorität auf dem CANopen-Bus zugesprochen. Tritt ein Fehlerereignis im Gerät auf (z. B. überhöhte Temperatur, Spannung außerhalb des zulässigen Bereiches, etc.) wird eine Emergency Message verschickt.

Beispielanwendung einer Safety-Betrachtung im Bereich Mobile Equipment

Als Beispielanwendung, wie diese bereits von Pepperl+Fuchs umgesetzt wurde, kann die Applikation „Rückraumüberwachung“ in Hinblick auf eine Safety Betrachtung beschrieben werden. Bei mobilen Arbeitsmaschinen muss in vielen Fällen der Arbeitsbereich im Rückraum der Maschinen überwacht werden. Je nach Kundenanforderung werden die Maschinenbewegungen nur dann freigegeben, wenn sich keine Objekte oder gar Personen im Arbeitsbereich (Rückraum) befinden. Der Sensor kann hierbei einkanalig bis Kategorie 2 oder zweikanalig bis Kategorie 3 eingesetzt werden.

Gemäß den normativen Anforderungen müssen bei der Sicherheitsfunktion der sicheren Personenüberwachung im Arbeitsbereich bestimmte Kriterien erfüllt werden. Dazu gehören zunächst der geforderte Performance Level PLr (Performance Level required), der gemäß ISO 13849-1 mit PLc angegeben ist. Dies bedeutet, dass ein hoher Grad an Sicherheit gewährleistet sein muss.

Neben dem Performance Level werden auch bestimmte Anforderungen an die Hardware-Kategorie gestellt, die hinsichtlich der Einordnung nach Kategorie 2 oder 3 bestimmt wird. Dies bedeutet, dass die Eingabesysteme entsprechend sicherheitsgerichtet ausgeführt sein müssen. Für die logischen Komponenten, die mit Diagnosefunktion ausgestattet sind, wird ebenfalls eine Kategorie 2 oder 3 gefordert. Dies stellt sicher, dass die logischen Schaltungen über eine hohe Zuverlässigkeit verfügen.

Ein weiterer relevanter Aspekt ist der Diagnosedeckungsgrad des Sensors (DC = Diagnostic coverage), der in Kombination mit einer diagnosefähigen Steuerung mindestens 60 % betragen muss. Dies bedeutet, dass das System in der Lage ist, einen Großteil der internen Fehler zu erkennen, die zu einer gefährlichen Situation führen könnten. Durch eine effektive Diagnose können potenzielle Gefahren frühzeitig erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Der sicherere zu erreichende Zustand, ist der Stillstand der Maschine, sobald eine Person im Arbeitsbereich erkannt wird.

Für die Betrachtung des Arbeitsbereichs einer Maschine können prinzipiell zwei Anwendungsfälle betrachtet werden:

• Anwendungsfall 1 ist die sichere Überwachung des Arbeitsbereiches bis Performance Level c (PLc) / Kategorie 2 (Kat. 2 nach ISO 13849). Die Abschaltung erfolgt einkanalig und entspricht PLc / SIL 1.
• Bei Anwendungsfall 2 besteht der Sicherheitspfad aus der sicheren Überwachung des Arbeitsbereichs bis Performance Level d (PLd) / Kategorie 3 (Kat. 3 nach ISO 13849). Die Abschaltung selbst entspricht der Sicherheitsstufe PLd / SIL 2.