Gefahrenbereiche sichern

Smart Process Gating: Muting neu erfunden

Das auf signalgebende Sensoren verzichtende Muting-Verfahren „Smart Process Gating“ basiert auf den Sicherheits-Lichtvorhängen der Baureihe MLC von Leuze electronic und ist in der Variante MLC 530 SPG integriert.

© Leuze

In Handling- und Montageanlagen befinden sich oft Gefahrenbereiche, die gegen unbefugten Zutritt gesichert werden müssen. Gleichzeitig soll jedoch ein Materialtransport in den Gefahrenbreich hinein und aus diesem Bereich heraus erfolgen. Beispiele für solche Anlagen finden sich  in der Intralogistik, der Automobil- und der Verpackungsindustrie. In der Praxis werden diese Anforderungen durch optoelektronische Schutzeinrichtungen gelöst, die an den Ein- und Ausschleuse-Stationen installiert sind. Diese Schutzeinrichtungen müssen so ausgelegt sein, dass sie die Annäherung des Transportguts an das Schutzfeld erkennen und dann das Schutzfeld temporär überbrücken. Damit wird eine störungsfreie Durchfahrt des Transportguts gewährleistet. Das Schutzfeld darf jedoch nur bei Annäherung des Transportguts überbrückt werden – der Zugang für Personen muss verhindert werden.

Prozessgesteuerte Zugangssicherung mit „Smart Process Gating“ (SPG). © Leuze

Bislang waren für die Erkennung des Transportguts – und damit auch zur Unterscheidung von Personen – zusätzliche Sensoren erforderlich. Diese werden auch als Muting-Sensoren bezeichnet. Das Smart-Process-Gating-Verfahren (SPG) erfüllt die genannten Anforderungen, ohneden Einsatz zusätzlicher Sensoren.

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SPG erlaubt eine sehr kompakte Systemanordnung bei Materialschleusen. © Leuze

Das Funktionsprinzip
Das SPG-Verfahren basiert auf Typ-4-Sicherheits-Lichtvorhängen der Baureihe MLC 500 von Leuze. Es ist in der Variante MLC 530 SPG realisiert. Im Grundprinzip nutzt das SPG-Verfahren zwei Steuersignale: Das erste Signal (CS = Control Signal) wird von der Anlagensteuerung (SPS) bereitgestellt. Der Zeitpunkt für die Erzeugung des Schaltsignals CS muss so eingestellt sein, dass sich das Transportgut näher als 200 Millimeter vor dem Schutzfeld befindet. Dies ist notwendig, um das Durschlüpfen von Personen auszuschließen.

Das zweite Signal (PFI = Protective Field Interruption) wird bei der Schutzfeldunterbrechung durch das Transportgut vom Sicherheits-Lichtvorhang selbst erzeugt. Damit startet auch die Überbrückung (Gating) des Schutzfelds. Das Gating endet entweder nach einer festen Zeit (t), nachdem das Transportgut das Schutzfeld wieder verlassen hat oder durch aktives Rücksetzen des Schaltsignals CS.

Das Funktionsprinzip im Überblick. © Leuze

Signalverlauf im Detail
Nachdem die Anlagensteuerung das Schaltsignal an den Sicherheits-Lichtvorhang gesendet hat, muss die Einfahrt des Transportguts in das Schutzfeld innerhalb von vier Sekunden (t1) erfolgen. Bei der Einfahrt erzeugt der Sicherheits-Lichtvorhang das zweite Signal (PFI) und startet damit die Überbrückung des Schutzfeldes. In der Grundeinstellung muss die Durchfahrt des Transportguts innerhalb von zehn Minuten erfolgen, ansonsten geht der Empfänger des Sicherheits-Lichtvorhangs in den Verriegelungszustand. Alternativ kann bei Bedarf eine Timeout-Verlängerung bis zu 100 Stunden aktiviert werden, um Stillstände während eines Schichtwechsels oder über ein Wochenende ohne Verriegelung der Abläufe zuzulassen.

Beim Ausfahren des Transportgutes aus dem Schutzfeld setzt der Sicherheits-Lichtvorhang das von ihm erzeugte Signal (PFI) zurück, sobald das Transportgut das Schutzfeld verlässt. In Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart wird das Schutzfeld dann entweder nach ein oder zwei Sekunden (t2) vom Sicherheits-Lichtvorhang automatisch wieder eingeschaltet oder das Gating wird durch die Steuerung beendet. Die Zugangssicherung ist nun wieder aktiv.

Anwendungsoptimierte Betriebsarten
Zur Anpassung an unterschiedliche Anwendungsbereiche arbeitet das SPG-Verfahren in drei Betriebsarten. Diese sind im Sicherheits-Lichtvorhang MLC 530 SPG implementiert.

Sicherheits-Lichtvorhänge MLC SPG 530 © Leuze

Die Betriebsart „Standard“ kommt vor allem bei Anwendungen in der Intralogisik zum Einsatz. Die integrierte Filterzeit von einer Sekunde erlaubt, dass während der Durchfahrt des Transportguts die Lichtstrahlen des Lichtvorhangs für ein Zeitfenster von bis zu einer Sekunde freie Sicht haben dürfen, das heißt, nicht durch das Transportgut unterbrochen werden. Damit sind auch Lücken im Transportgut zulässig, wie sie zum Beispiel bei der Beladung einer Palette entstehen können, ohne dass der Gating-Prozess beendet wird.

Nachdem das Transportgut das Schutzfeld verlassen hat, wird die Schutzfunktion bei Verwendung des automatischen Gating-Endes nach einer Sekunde wieder aktiviert. Auch beim Ausfahren des Tranportguts aus dem Schutzfeld muss sichergestellt werden, dass zwischen Transportgut und Schutzfeld keine Lücke entsteht, die größer als 200 Millimeter ist, um ein Eindringen von Personen zu verhindern. Für den Fall, dass sich das Transportgut innerhalb der Wieder-Aktivierungszeit von einer Sekunde mehr als 200 Millimeter vom Schutzfeld fort bewegt, kann das Gating mit der Fuktion „Beenden durch Steuerung“ vorzeitig beendet werden. Dies geschieht durch Zurücksetzen des CS-Sginals. Innerhalb von 0,1 Sekunde wird dann das Gating beendet und die Schutzfunktion wieder aktiviert.

Die Betriebsart „Standard“ kann, je nach gefordertem Performancelevel mit einer Standard- oder mit einer Sicherheits-SPS betrieben werden. Die Timeout-Verlängerung auf 100 Stunden wird unterstützt.

Die Betriebsarten „Qualifizierter Stopp“ und „Partielles Gating“ sind für geringe Fördergeschwindigkeiten optimiert, wie sie beispielsweise im Automotive-Umfeld auftreten. Bei geringen Geschwindigkeiten ist es möglich, dass der Förderprozess innerhalb kürzester Zeit zum Stillstand kommt. Da das SPG-Verfahren erfordert, dass spätestens vier Sekunden nach Aktivierung durch das Schaltsignal (CS) das Schutzfeld unterbrochen wird, verfügen diese Betriebsarten über die Zusatz-Funktion „Qualifizierter Stopp/Neustart“. Diese erlaubt, eine eingeleitete SPG­Sequenz innerhalb der vier Sekunden gezielt zu unterbrechen (qualifizierter Stopp) und anschließend neu zu starten. So kann auch bei einem ungeplanten Stopp der Prozess ohne Störung weiter betrieben werden.

Beispiel für den Einsatz der Betriebsarten „Qualifizierter Stopp“ und „Partielles Gating“ in der Automobilindustrie. © Leuze

In diesen Betriebsarten werden zwei Schaltsignale von der SPS mit antivalenten Signalflanken eingesetzt. Das SPS-Schaltsignal (CS) und das Timer-Halt-Signal (TH), welche die Gating-Sequenz einleiten und auch den qualifizierten Stopp und Neustart steuern. Das TH-Signal muss innerhalb von 0,5 Sekunden mit dem CS wechseln. Diese Betriebsarten erfordern eine Sicherheits-SPS. Die Timeout-Verlängerung auf 100 Stunden wird unterstützt.

Anforderungen an eine sichere Lösung
Die Integration einer SPG-Anwendung in eine Anlage ist sicherheitstechnisch als Systemlösung zu betrachten. Diese entsteht im Zusammenspiel von Sicherheits-Lichtvorhang, Anlagensteuerung und gegebenenfalls mechanischen Elementen. Hierzu benötigt der Anlagenbauer Erfahrung im Safety-Design, da er zum Beispiel die Gating-Sequenz in der SPS programmiert und die Sicherheits-Systemlösung selbst erstellt. Er trägt damit die Verantwortung für die Umsetzung des Gesamtsystems. Daher ist des wichtig, bei einer SPG-Installation die sicherheitstechnisch notwendigen Anforderungen zu berücksichtigen. Diese sind in der entsprechenden Betriebsanleitung beschrieben.

Eine wichtige Anforderung ist die Kenntnis der aktuellen Position des Transportgutes durch die Anlagensteuerung (SPS). Die SPS benötigt die Information, wann das Schutzfeld vom Transportgut erreicht beziehungsweise verlassen wird, um die nötigen Schaltsignale zum richtigen Zeitpunkt an den Sicherheits-Lichtvorhang zu senden. Dies ist notwendig, da das Schutzfeld innerhalb von vier Sekunden nach Anliegen des SPS-Schaltsignals unterbrochen werden muss. Zudem ist zwischen Transportgut und Lichtvorhang der maximale Abstand von 200 Millimeter beim Start der Gating-Sequenz (Einfahren) und bei Beenden des Gatings (Ausfahren) einzuhalten.

Bei der Erzeugung der Schaltsignale durch die Steuerung ist zu beachten, dass diese nicht unmittelbar durch Personen ausgelöst werden können, also nicht einfach manipulierbar sind. Besondere Anforderungen an die Art der Informationsgewinnung sind nicht gegeben. Die Information kann beispielsweise aus bekannten Abläufen oder zusätzlichen Signalquellen gewonnen werden.

Vor allem in Ausfahr-Anwendungen ist die Kenntnis über die Position oft einfach ableitbar. Bei-spiele sind Ausfahrstationen an Querförderern, das Ausfahren aus Bearbeitungszentren sowie das Ausfahren bei der Verwendung von aktiven Transportbändern.

Synchronisationsstrahlen und Schutzfeldlänge
Sender und Empfänger des Sicherheits-Lichtvorhangs müssen synchron bleiben, um ein gültiges Schutzfeld-Signal zu erhalten. Zur Synchronisation werden der oberste oder unterste Lichtstrahl des Sicherheits-Lichtvorhangs verwendet – das heißt sie arbeiten als Synchronisationsstrahlen. Diese Strahlen dürfen während einer aktiven Schutzfeldüberbrückung maximal für eine Dauer von 60 Sekunden gleichzeitig unterbrochen sein, damit die Gating-Funktion sicherheitstechnisch gewährleistet bleibt. Bei typischen Intralogistik-Anwendungen ist die Gating-Funktion nur für wenige Sekunden aktiv – die Zeit, die das Transportgut für das Passieren des Lichtvorhangs benötigt. Da diese Zeit deutlich unter dem zulässigen Wert von 60 Sekunden liegt, ergeben sich durch die Synchronisationsstrahlen keine besonderen Anforderungen an die Dimensionierung der Schutzfeldlänge.

Anordnung des Lichtvorhangs, falls Gatingzeiten > 60 s benötigt werden. © Leuze

Für den Fall, dass das Transportgut länger als 60 Sekunden für das Passieren des Lichtvorhangs benötigt oder die maximal zulässigen Time-out-Werte von zehn Minuten beziehungsweise 100 Stunden ausgenutzt werden sollen, ist darauf zu achten, dass mindestens ein Synchronisationsstrahl immer frei bleibt. Dies kann auf zwei Arten realisiert werden:

Der oberste Strahl dient als Synchronisationsstrahl. Die Höhe des Lichtvorhangs wird so gewählt, dass der Synchronisationsstrahl immer oberhalb der höchsten Stelle des Transportgutes verläuft. Der unterste Strahl dient als Synchronisationsstrahl. Das Schutzfeld ist so angeordnet, dass der Synchronisationsstrahl zum Beispiel unterhalb einer Förderstrecke verläuft. Die Strahlen des Sicherheitslichtvorhangs werden dabei zum Teil von der Förderstrecke unter-brochen. Dieser Bereich kann mit der Funktion „feste Strahlausblendung mit 1 Strahl Toleranz“ ausgeblendet werden.

Normen und Spezifikationen
Die Spezifikation der Sicherheits-Lichtvorhänge MLC 530 SPG ist entsprechend den sicherheitsrelevanten, internationalen Normen ausgelegt. Die Daten des Sensors selbst sind Typ 4 (IEC/EN 61496), Performance Level PL e/ Kategorie 4 (EN ISO 13849-1) und SIL 3 (IEC 61508). Die Sensoren und die zugehörige Dokumentation zur Integration der Lösung sind von unabhängiger Stelle zertifiziert. Alle für den Einsatz zu beachtenden Aspekte sind in der Betriebsanleitung beschrieben. Jörg Packeiser/as

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