Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Publireportage: Ausgabe 06/2019, 03.06.2019

SIL 3 mit nur einem Sensor – 2D-System «safePXV» für sichere Absolutpositionierung

Die EU-Richtlinie 2006/42/EG hat hohe Massstäbe für die Sicherheit bei der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine gesetzt. Um sie zu erfüllen, werden unter anderem zuverlässige Positionsdaten benötigt. Das 2D-Absolut-Positioniersystem safePXV von Pepperl+Fuchs liefert solche Daten mit einem einzigen Sensor und einem mehrfarbigen DataMatrix-Codeband. Mit seinem grossen Lesefenster behält es auch an Weichen und bei Sprüngen des Bands ausreichend viele Codes im Blick. Es ist das erste kamerabasierte System, das mit nur einem Sensor SIL 3 und PL e zur sicheren Absolut-Positionierung erreicht.

Sicherheitsrelevante Absolutpositionierung wird in unterschiedlichen Branchen, etwa der Autoindustrie, in der Lager- und Fördertechnik, im Maschinenbau, dem Tür-, Tor- und Aufzugsbau (TTA) sowie in Windrädern benötigt. Typische Anwendungen sind Elektrohängebahnen zum Transport von Karossen während der Montage, Regalbediengeräte, mobile Roboter, Krananlagen, Drehtische und Aufzüge.

Deutliche Vorteile mit 2D-Code gegenüber 1D-Verfahren
Die Positionierung auf einem 2D-Code bietet gegenüber 1D-Verfahren deutliche Vorteile. So lassen sich neben der X- auch die Y- und Z-Achse auswerten. Ausserdem kann eine grössere Datenmenge in den Codes hinterlegt werden. Die exponentiell höhere Varianz der Codes erlaubt es ausserdem, wesentlich längere Bänder herzustellen. Das DataMatrix-Band des PXV-Systems kann bis zu 100 000 m lang sein und erreicht damit die grösste auf dem Markt verfügbare Länge. Es ist selbstklebend und lässt sich sehr einfach verlegen. Die redundante Erfassung mehrerer Codes gewährleistet die Positionsbestimmung selbst bei völliger Zerstörung einzelner Codes: Das Codeband darf bis zu einer Strecke von 75 mm unterbrochen sein, ohne dass die Positionserfassung darunter leidet. So stellen auch breite Dehnungsfugen in Hallenböden kein Problem dar.

safePXF nutzt Farbe für erhöhte Redundanz
Die DataMatrix-Codes sind jeweils aus zwei Codes in Rot und Blau zusammengesetzt. Wo diese sich überlagern, ist der Code schwarz. Der 2-D-Lesekopf ist nun mit zwei LED-Ringen – ebenfalls in Rot und Blau – ausgestattet. Diese werden getrennt voneinander aktiviert und leuchten jeweils einen DataMatrix-Code für die Kamera aus. Sind die blauen LED aktiv, so werden nur die roten und schwarzen Felder erfasst, während die roten Leuchten nur die blauen und schwarzen Felder erkennen lassen. Die Firmware des Systems gleicht die optischen Signale mit einem sicheren Algorithmus direkt im Sensor ab und liefert die so überprüfte Information durch die Profinet-Profisafe-Schnittstelle an die sichere Steuerung. Auf diese Weise lassen sich die Positionsdaten gemäss SIL 3 und PL e unmittelbar und ohne zusätzlichen Funktionsbaustein weiterverarbeiten. Die höhere Redundanz der 2D-DataMatrix-Codes steigert zudem die Datensicherheit. Das safePXV-System stellt über die X-Position hinaus weitere Betriebsdaten – Positionsdaten auf der Y- und Z-Achse sowie Warn- und Fehlermeldungssignale – zur Verfügung. Der Sensor liefert bereits die „fertigen“ sicheren Daten, die in der SSPS nicht mehr plausibilisiert werden müssen. Das wäre zum Beispiel bei der Nutzung von zwei Sensoren im Master/Slave-Betrieb nötig. Daher entfallen mit dem safePXV auch weitere Verdrahtung, Montageaufwand und Gerätekosten. Dank der Zertifizierung des Systems entstehen auch keine Zusatzkosten für Prüfgutachten.

Selbstkontrolle und weitere Betriebsdaten
Tritt eine Fehlfunktion auf, wie etwa die Detektion oder Herausgabe eines falschen Positionsdatums, wird dies dank des Farbabgleichs sofort erkannt, denn jeder Code unterliegt einer direkten und unabhängigen Plausibilitätsprüfung. Die Kameraauswertung „weiss“ nicht, mit welcher Beleuchtungsfarbe gerade aufgenommen wird. Sie vergleicht lediglich die Signale mit dem Erwartungswert: Die mathematisch zufällige Blitzfolge muss mit der erfassten Position übereinstimmen. Die beiden LED-Ringe werden direkt durch den Sicherheitsteil angesteuert. Somit kann dieser stetig überprüfen, ob die Software in der Kamera noch korrekt funktioniert. In der SPS können die Daten aus dem PXV genutzt werden, um zum Beispiel Geschwindigkeit, Beschleunigung oder andere Parameter zu errechnen. Sie dienen damit als Betriebsdaten einer verfeinerten Maschinensteuerung oder einer kontinuierlichen Zustandsanalyse. Unter anderem können sichere Beschleunigung, sichere Geschwindigkeit oder sicherer Stopp ermittelt werden. Auch die Generierung von Steuersignalen durch Event-Marker ist möglich. Der safePXV kann definierte Events im Prozessverlauf direkt auslösen. Ein zusätzlicher Trigger-Sensor wird dafür nicht mehr benötigt. Der Anschluss erfolgt direkter mittels Profinet-Profisafe-Protokoll. Die Schnittstelle ist bereits im Sensorgehäuse integriert.

Einfache Handhabung
Die Kamera lässt sich mittels PC oder Codekarten vor dem Lesefenster einstellen und parametrieren. Bei einer Feldbus-Installation geschieht dies direkt durch die Steuerung. Die Parametrierung, zum Beispiel für eine Streckenumstellung oder den Wechsel zu einem anderen Medium, kann schnell und einfach durchgeführt werden. Für die Busanschaltung ist keine zusätzliche Box erforderlich. Die Ein- und Ausgänge für die Schaltung sind implementiert. Die PXV-Serie zeichnet sich durch grosse mechanische Robustheit aus. Sie besitzt im Lesekopf keine beweglichen Teile, arbeitet deshalb verschleissfrei und sichert durchgängige Verfügbarkeit.

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Der safePXV wurde in der Kategorie Electronic Technologies mit dem German Innovation Award 2018 ausgezeichnet. (Bild: Pepperl+Fuchs)