Verwendung von Lichtvorhängen zur Erhöhung der Sicherheit und zur Vermessung von Objekten

Lichtvorhänge sind eine vielseitige Technologie. Obwohl sie oft mit Sicherheitsanwendungen in Verbindung gebracht werden, gibt es eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, wie z. B. die Überwachung von Maschinen und die Einrichtung von Schutzzonen, den Materialtransport zur Erkennung der Anwesenheit von Objekten oder zur Messung der Größe vorbeilaufender Objekte, die Sicherstellung der korrekten Positionierung oder Ausrichtung von Objekten bei Verpackungs- und Sortieranwendungen sowie die Erkennung von Eindringlingen und die Zugangskontrolle für Sperrbereiche.

Einen Vergleich zwischen Lichtvorhängen und Sicherheitslaserscannern sowie einen Überblick über Scanneranwendungen finden Sie in Teil 1 dieser Serie: „Sicherheitslaserscanner bieten Schutz für Menschen und Maschinen“.

In diesem Artikel werden zunächst wichtige Spezifikationen und Leistungsnormen für Lichtvorhänge vorgestellt, dann Anwendungsbeispiele für den Einsatz von Lichtvorhängen in Sicherheits- und Zugangskontrollsystemen sowie die Funktionsweise messender Lichtvorhänge. Dabei werden beispielhaft Lichtvorhänge von Panasonic, IDEC, Omron und Banner Engineering vorgestellt.

Normen und Typen von Sicherheitslichtvorhängen

In der IEC 61496 (IEC: Internationale Elektrotechnische Kommission), Sicherheit von Maschinen - Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (ESPE), werden vier Arten von Sicherheitsleistungen definiert. Die relevanten Typen sind 2, 3 und 4. Typ 1 ist nicht für Sicherheitslichtvorhänge definiert.

Die IEC 61496 fügt eine weitere Anforderungsebene zu den Definitionen der Sicherheitsintegritätsstufen (SILs) in der IEC 61508 und der Internationalen Organisation für Normung (ISO) 13849 hinzu, die Leistungsstufen (PLs) definiert.

Die SILs sind von 1 bis 3 eingestuft, wobei SIL 3 die höchste Stufe ist, und die PLs sind von „a“ bis „e“ eingestuft, wobei PLe die höchste Stufe ist. Nach den Klassifizierungen der IEC 61496 fallen Lichtvorhänge im Allgemeinen unter die Typen 2 und 4, obwohl einige wenige als Geräte des Typs 3 eingestuft sind. Sicherheitslaserscanner erfüllen die Anforderungen des Typs 3. Einige wichtige Faktoren bei der Typenklassifizierung sind:

Geräte vom Typ 2 müssen SIL 1 und PLc erfüllen. Sie sind für Anwendungen mit geringerem Risiko vorgesehen, bei denen Fehler zu Verletzungen wie Stößen oder Quetschungen, Stößen, kleineren Schnitten und Abschürfungen oder zum Einklemmen, aber nicht zum Quetschen führen können. Gemäß IEC 61496 muss das Gerät bei der Inbetriebnahme und in regelmäßigen Abständen während des Betriebs eine Selbstprüfung durchführen. Diese Geräte verfügen nicht über die redundanten automatischen Selbstkontrollkreise der Lichtvorhänge vom Typ 4. Der effektive Öffnungswinkel (EAA), der das Sichtfeld definiert, muss ±5 Grad oder weniger betragen. Dadurch kann es zu optischen Störungen und Fehlern kommen.

ESPEs vom Typ 3, wie z. B. Sicherheitslaserscanner und einige Lichtvorhänge, müssen SIL 2 und PLd erfüllen und sind so konzipiert, dass sie „nicht durch einen einzelnen Fehler zu einer Gefahr werden, sondern nur durch eine Häufung von Fehlern zu einer Gefahr werden können“. Für diese Geräte gelten auch strengere Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) als für Geräte des Typs 2. Geräte des Typs 3 sind für Anwendungen geeignet, bei denen die Sicherheit eine wichtige Rolle spielt.

Lichtvorhänge vom Typ 4 sind für Anwendungen konzipiert, bei denen die Sicherheit höchste Priorität hat. Sie müssen die höchsten Standards, PLe und SIL 3, erfüllen. Sie sind so konzipiert, „dass sie nicht durch einen einzelnen Fehler oder eine Häufung von Fehlern zur Gefahr werden“. Sie haben einen kleineren EAA von ±2,5 Grad, wodurch sie weniger anfällig für optische Störungen sind und Objekte besser erkennen können. Sie müssen die strengsten EMV-Anforderungen erfüllen.

Lichtvorhänge des Typs 2 sind bis zu 30 % preiswerter als Lichtvorhänge des Typs 4, da sie über eine preiswertere Optik und eine einfachere Schaltung zur Fehlererkennung verfügen. Lichtvorhänge des Typs 4 sind in einer größeren Bandbreite von Auflösungen erhältlich, darunter 14 mm für die Erkennung von Fingern, 30 mm für Hände, 50 mm für Beine und 90 mm für das Vorhandensein eines Körpers. Im Gegensatz dazu sind Lichtvorhänge vom Typ 2 im Allgemeinen auf größere Auflösungen beschränkt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Lichtvorhänge vom Typ 4 sind in der Regel mit kleineren Mindestauflösungen erhältlich als Geräte vom Typ 2. (Bildquelle: IDEC)

Neben der Erkennung von Objekten unterschiedlicher Größe können die Strahlen in einem Lichtvorhang einzeln gesteuert werden, um erweiterte Funktionen wie Stummschaltung, Ausblendung und Messung der Größe und Anzahl von Objekten zu ermöglichen.

Muting und Blanking von Lichtvorhängen

Das Stummschalten (Muting) und Ausblenden (Blanking) eines Lichtvorhangs bezieht sich auf das Abschalten des gesamten oder eines Teils des Lichtvorhangs unter bestimmten Umständen. Muting ist ein automatischer Prozess, der den Schutz eines Lichtvorhangs ganz oder teilweise aufhebt und normalerweise während eines nicht gefährlichen Teils des Maschinenzyklus stattfindet. Er kann das Eindringen von Materialien in einen Arbeitsbereich ermöglichen, ohne gefährliche Aktivitäten zu unterbrechen. Sobald das Material in den Arbeitsbereich gelangt ist, wird die volle Schutzfunktion des Lichtvorhangs wieder aktiviert.

Typische Anwendungen für das Muting sind:

• Ermöglichung des Ein- und Austritts von Paletten auf einer Palettiermaschine zwischen den Arbeitsgängen
• Ermöglichung des Materialtransports zwischen Bereichen in einem automatisierten Fertigungsprozess bei gleichzeitigem Schutz des Personals, wenn die Maschinen aktiv sind

Abbildung 2: Ein Lichtvorhang mit Muting lässt Objekte bestimmter Größe durch, ohne den Maschinenbetrieb zu unterbrechen (links), erkennt aber andere Objekte wie eine Hand oder Finger (rechts) und hält die Maschine an. (Bildquelle: Panasonic)

Beim Blanking (Ausblendung) wird ein Teil des Lichtvorhangs abgeschaltet, ohne dass der Schutz der Maschine unterbrochen wird. Es kann auch den Zugang zu einem Gebiet während eines sicheren Zeitraums einschränken. Typische Anwendungen für das Blanking sind:

• Eingreifen zum Be- oder Entladen eines Roboterarbeitsplatzes während eines sicheren Zeitraums
• Zugang zu einer hydraulischen Stanzpresse während des Aufwärtszyklus

Lichtvorhang vom Typ 2

Die Lichtvorhänge der Serie SG2 von IDEC sind in den Ausführungen Hand- und Anwesenheitsschutz erhältlich. Das Modell SG2-90-030-OO-X zum Beispiel ist für die Anwesenheitserkennung mit einer Kontrollhöhe von 300 mm und einer Auflösung von 90 mm ausgelegt. Es verfügt über eine Test-/Neustartfunktion und ein integriertes Ausrichtungssystem, um den Einsatz zu beschleunigen. Die drehbaren Montagehalterungen beschleunigen die Installation und die Ausrichtung der Sende- und Empfangseinheiten, selbst bei Anwendungen, die mit Spiegeln oder über Entfernungen von bis zu 19 m arbeiten.

Stummschaltung und Ausblendung in rauen Umgebungen

Die Serie F3SG-SR von Omron eignet sich für Sicherheitslichtvorhänge in Kühlhäusern mit Temperaturen von bis zu -30 °C, für Metallbearbeitungsprozesse wie Stanzmaschinen, die einen IP67G-Ölschutz benötigen, und für andere Arbeitsabläufe in rauen, staubigen und schmutzigen Umgebungen wie in der Automobilproduktion und bei Werkzeugmaschinen. Diese Lichtvorhänge vom Typ 4 verfügen über Muting sowie feste und fließende Blanking-Funktionen.

Die Lichtvorhänge F3SG-SR bieten Schutzhöhen von 160 mm bis 2480 mm. Wenn die Erkennung von Händen oder anderen Objekten mit einem Durchmesser von 25 mm erforderlich ist, können die F3SG-4SRA0280-25-F verwendet werden, die flexible Längen in Schritten von 40 mm bis zu 1000 mm mit 27 Strahlen mit einer Schutzhöhe von 280 mm unterstützen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Dieser Lichtvorhang ermöglicht flexible Längen in Schritten von 40 mm bei einer Schutzhöhe von 280 mm. (Bildquelle: Omron)

Widerstandsfähigkeit gegen Verdrehung, Verformung und Stöße

Wenn ein Lichtvorhang dort eingesetzt werden soll, wo er Stößen und Verdrehungen ausgesetzt sein könnte, können die Typ-4-Lichtvorhänge der SF4D-Serie von Panasonic verwendet werden. Das 630 mm lange Modell SF4D-H32-0 bietet die Schutzart IP67, eine 25 mm hohe Auflösung zum Schutz der Hände sowie integrierte Ausblend- und Stummschaltungsfunktionen.

Ein Schlüssel zur Robustheit dieser Lichtvorhänge ist die neu gestaltete Inneneinheit, die es ermöglicht, das Gehäuse auf Robustheit und Steifigkeit zu optimieren. Das Innenleben nimmt weniger als 40 % des Volumens der Vorgängermodelle ein, was eine erhebliche Steigerung der Gehäusedicke ermöglicht (Abbildung 4). Obwohl die interne Einheit kleiner ist, wurde der optische Ausgang vergrößert und die AUS-Reaktionszeit der Steuerausgänge beträgt 10 ms oder weniger bzw. 18 ms oder weniger, wenn sie in Reihe oder parallel geschaltet sind.

Abbildung 4: Die kompaktere innere Einheit unterstützt eine höhere optische Leistung und ermöglicht gleichzeitig ein deutlich dickeres Gehäuse. (Bildquelle: Panasonic)

Messen mit Lichtvorhängen

Lichtvorhänge, die für die Vermessung von Objekten konzipiert sind, verfügen in der Regel über drei Modi: Gerade Abtastung, Einzelkantenabtastung und Doppelkantenabtastung. Zu den wichtigsten Spezifikationen gehören die Mindestgröße für die Objekterkennung (MODS) und die Kantenauflösung (ER).

Normalerweise ist die gerade Abtastung der Standardmodus, bei dem die Strahlen nacheinander vom Displayende zum gegenüberliegenden Ende des Arrays gescannt werden. Wenn der erste nicht blockierte Strahl auftritt, wird die Messung durchgeführt. Typische Empfindlichkeiten für gerades Scannen im Niedrigkontrastmodus sind eine MODS von 5 mm und eine ER von 5 mm. Im High-Excess-Gain-Scannermodus beträgt der MODS-Wert 10 mm und der ER-Wert 5 mm. Die Einzel- und Zweikantenabtastung kann eine MODS von 10 mm und eine ER von 2,5 mm liefern.

Die Einzelkantenabtastung beginnt mit der Blockierung des ersten (niedrigsten) Strahls, was auf das Vorhandensein eines Objekts hinweist. Der Vorhang kontrolliert dann den mittleren Strahl. Der Scanner prüft den unteren Viertelstrahl, um festzustellen, ob der mittlere Strahl nicht blockiert ist. Der Scanner prüft den oberen Viertelstrahl, um festzustellen, ob der mittlere Strahl blockiert ist.

Sobald feststeht, ob die oberen oder unteren Viertelstrahlen blockiert oder nicht blockiert sind, wird die Anzahl der Strahlen halbiert, bis die Oberkante des Objekts gefunden ist.

In Fällen, in denen der erste Strahl nicht notwendigerweise blockiert ist, kann die doppelte Kante verwendet werden, und zwar zunächst durch die Wahl der Schrittweite, die je nach Anwendung 1, 2, 4, 8, 16 oder 32 beträgt. Es beginnt damit, dass der Vorhang Strahl 1 aktiviert. Wenn dieser Strahl blockiert ist, wurde die erste Kante identifiziert. Wenn er nicht blockiert ist, aktiviert der Vorhang den nächsten Strahl, der durch die Schrittweite bestimmt wird. Wenn die Schrittweite beispielsweise 4 beträgt, wird Strahl 5 aktiviert.

Wenn der aktivierte Strahl nicht blockiert ist, setzt der Vorhang den Schrittvorgang fort, bis ein blockierter Strahl gefunden wird. An diesem Punkt wird eine binäre Suche zurück zum Anfang durchgeführt, um den ersten blockierten Strahl zu identifizieren, und die entsprechende Kante wird ermittelt. Der Vorgang wird wiederholt, wobei diesmal die ermittelte Kante als Bezugspunkt verwendet wird und das Stepping-Verfahren zur Ermittlung eines nicht blockierten Strahls eingesetzt wird.

Abbildung 5: Beispiel für Strahlenfolgen bei einem Doppelkanten-Scan. (Bildquelle: Banner Engineering)

Lichtvorhänge zum Messen

Die Messlichtschranken A-GAGE EZ-ARRAY von Banner Engineering sind für Anwendungen wie Echtzeit-Produktgrößenbestimmung und -profilierung, Kanten- und Mittenführung, Locherkennung, Teilezählung usw. konzipiert. Sender und Empfänger sind zwischen 150 und 2400 mm lang (Abbildung 6). Das Modell EA5E600Q zum Beispiel ist 600 mm lang und hat 120 Strahlen. Diese Lichtvorhänge unterstützen präzise Highspeed-Prozessüberwachungs- und Inspektions-, Profilierungs- und Bahnsteuerungssysteme. Zusätzliche Funktionen:

• Zahlreiche Scan-Optionen:
  • 16 Scan-Analysemodi (Messmodi)
  • Drei Scan-Methoden
  • Wählbare Strahlausblendung
• DIP-Schalter mit sechs Positionen zum Einstellen des Scan-Modus, des Messmodus, der analogen Steigung und zum Einstellen der diskreten Messung oder des Alarmbetriebs.

Abbildung 6: Die messenden Lichtvorhänge der Familie A-GAGE EZ-ARRAY sind in Längen von 150 mm bis 2400 mm erhältlich. (Bildquelle: Banner Engineering)

Fazit

Lichtvorhänge können viel mehr als nur den Zugang zu gefährlichen und sensiblen Bereichen verhindern und sowohl Menschen als auch Maschinen schützen. Sie können den kontrollierten Zugriff durch Ausblendungs- und Stummschaltungsfunktionen unterstützen und so die Produktivität steigern. Lichtvorhänge können auch berührungslose Messverfahren unterstützen, die schnell und effizient mehrere Dimensionen von Objekten messen.