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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Gefahrenbereichs.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der
DE 44 22 497 A1 bekannt. Die Vorrichtung
besteht im Wesentlichen aus einem optischen Sensor, der insbesondere
als Flächendistanzsensor
ausgebildet sein kann. Dieser Flächendistanzsensor
umfasst einen Distanzsensor bestehend aus einem Sendelichtstrahlen
emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden
Empfänger.
Weiterhin umfasst der Flächendistanzsensor
eine Ablenkeinrichtung mittels derer die Sendelichtstrahlen periodisch
innerhalb des Gefahrenbereichs geführt werden.
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Mit
dieser Vorrichtung können
Gegenstände, die
beim Eindringen in den Gefahrenbereich keine Gefahren verursachen,
von Gegenständen
oder Personen, die bei Eindringen in den Gefahrenbereich ein Sicherheitsrisiko
darstellen, unterschieden werden. Hierzu wird ein Gegenstand, dessen
Eindringen in de Gefahrenbereich keine Gefahr darstellt, wiederholt entlang
einer definierten Bahn innerhalb des Gefahrenbereichs bewegt. Dieser
als Referenzobjekt bezeichneter Gegenstand wird von der Vorrichtung
bei ansonsten freiem Strahlengang während eines Einlernvorgangs
beziehungsweise einer Einlernphase detektiert. Als Ergebnis dieser
Messung wird die Bahnkurve des Referenzobjekts in der Auswerteeinheit
der Vorrichtung abgespeichert.
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Während einer
auf die Einlernphase folgenden Arbeitsphase wird das Referenzobjekt
wiederholt entlang der vorgegebenen Bahnkurve bewegt. Dabei können zusätzlich Gegenstände oder
Personen in den Gefahrenbereich eindringen, was zu einer Gefährdung des
eindringenden Gegenstands beziehungsweise der eindringenden Person
oder zu einer Gefährdung
der Betriebssicherheit einer im Gefahrenbereich befindlichen Maschine
oder dergleichen führt
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Zum
Erkennen von in den Gefahrenbereich eindringenden sicherheitsgefährdenden
Gegenständen
während
der Arbeitsphase wird mit der Vorrichtung periodisch der Gefahrenbereich
abgetastet. Die von der Vorrichtung registrierten Empfangssignale werden
mit den abgespeicherten Referenzwerten zu jeweils gleichen Zeitpunkten,
das heißt
bei identischer Position des Referenzobjekts im Gefahrenbereich
verglichen.
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Befindet
sich kein zusätzlicher
Gegenstand im Gefahrenbereich, so stimmen die von der Vorrichtung
registrierten Empfangssignale zu jedem Zeitpunkt mit den Referenzwerten überein.
Befindet sich jedoch ein zusätzlicher
Gegenstand im Überwachungsbereich,
so kann dieser durch die Abweichung der aktuellen Empfangssignale
von den Referenzwerten sicher erkannt werden.
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Nachteilig
bei dieser Vorrichtung ist, dass sich die nicht sicherheitskritischen
Gegenstände
entlang vorgegebener Bahnkurven innerhalb des Gefahrenbereichs bewegen
müssen,
damit durch Einlernen dieser Bahnkurven diese nicht sicherheitskritischen
Gegenstände
von sicherheitskritischen Objekten, insbesondere von in den Gefahrenbereichen
eindringenden Personen unterscheiden werden können.
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Eine
Identifikation von nichtsicherheitskritischen Objekten, die sich
nicht entlang vorgegebener Bahnkurven bewegen, ist daher nicht möglich.
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Weiterhin
können
nichtsicherheitskritische Gegenstände von im Gefahrenbereich
bewegten Fahrzeugen oder allgemein Fördermitteln gebildet sein,
die unterschiedliche Ladungen aufnehmen können. Derartige variable Ladungen
können
mit dieser Vorrichtung nicht oder nur mit einem unerwünscht hohen Aufwand,
nämlich
durch eine Vielzahl unterschiedlicher Einlernvorgänge als
nicht sicherheitskritische Gegenstände erkannt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mittels derer mit hoher Sicherheit
ein Eindringen von sicherheitskritischen Objekten in einen Gefahrenbereich
vermieden werden kann, gleichzeitig jedoch ein Eindringen von nichtsicherheitskritischen
Objekten in den Gefahrenbereichen ermöglicht ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
dient zur Überwachung
eines Gefahrenbereichs wobei Objekte entlang einer Förderstrecke
dem Gefahrenbereich zuführbar
sind. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor am Eingang der Förderstrecke,
mittels dessen ein sich über
die Breite der Förderstrecke
erstreckender Überwachungsbereich
erfassbar ist, so dass mittels des Sensors ein Objekt während der
Bewegung auf der Förderstrecke
erfassbar ist. Durch Auswertung von Objektmerkmalen ist das Objekt
als sicherheitskritisches Objekt oder nichtsicherheitskritisches
Objekt klassifizierbar. Mittels des Sensors wird bei Detektion eines
sicherheitskritischen Objekts ein Alarmsignal generiert. Die Länge der
Förderstrecke
ist an die Objektlängen
und Objektgeschwindigkeiten so angepasst, dass das Alarmsignal generiert
wird, bevor ein sicherheitskritisches Objekt die Grenze des Gefahrenbereichs
erreicht.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dem Gefahrenbereich eine
Förderstrecke
vorzulagern, über
welche ausschließlich
Objekte und Personen in den Gefahrenbereich gelangen können.
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Mit
dem oder den am Eingang der Förderstrecke
angeordneten Sensoren werden die Objekte detektiert. Durch die Klassifizierung
anhand vorgegebener Objektmerkmale, insbesondere typischer Geometriemerkmale
der nichtsicherheitskritischen Objekte, können die nichtsicherheitskritischen
von sicherheitskritischen Objekten sicher unterschieden werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die
dem Gefahrenbereich vorgelagerte Förderstrecke die Objekte solange
diese im Bereich der Förderstrecke
sind, vollständig
erfasst und klassifiziert werden können. Damit kann bei Detektion
eines sicherheitskritischen Objekts mittels des oder der Sensoren
das Alarmsignal generiert werden, bevor das sicherheitskritische
Objekt in den Gefahrenbereich eindringt, so dass eine dadurch bedingte
Gefahrensituation vermieden werden kann. Generell wird mit einem
derartigen Alarmsignal ein Arbeitsmittel innerhalb des Gefahrenbereichs
deaktiviert um insbesondere Gefährdungen
von Personen auszuschließen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
entlang der beidseits durch Schutzzäune gezeichneten Förderstrecke
ein Fördermittel
verfahren, welches von einem Fahrzeug einem beweglichen Maschinenteil
oder dergleichen gebildet sein kann.
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Das
Fördermittel
alleine oder unterschiedliche darauf gelagerte Ladungen bilden nichtsicherheitskritische
Objekte, deren Eindringen in den Gefahrenbereich unkritisch ist.
Durch Erfassung von charakteristischen Objektmerkmalen des Fördermittels
und gegebenenfalls der Ladung mittels des oder der Sensoren kann
das Fördermittel
in unterschiedlichen Beladungszuständen als nichtsicherheitskritisches
Objekt identifiziert werden. Wesentlich hierbei ist, dass das Fördermittel
bei der Vorbeifahrt an dem oder den Sensoren in seiner vollen Länge erfasst wird.
Während
dessen kann mittels der oder den Sensoren erfasst werden, ob sich
auf dem Fördermittel
ein sicherheitskritisches Objekt befindet, beispielsweise eine dort
sitzende Person. Wird ein solches sicherheitskritisches Objekt erkannt,
wird als Alarmsignal ein Stoppbefehl für das Fördermittel generiert. Erfindungsgemäß ist die
Länge der
Förderstrecke
zwischen der Sensorik und dem Gefahrenbereich so gewählt, dass
diese wenigstens gleich der Summe der Länge des Fördermittels und eines Sicherheitsabstands,
welcher durch die Reaktionszeit des oder der Sensoren und der Nachlaufzeit
des Fördermittels
nach dem Einlesen des Stoppbefehls ist. Durch diese Dimensionierung
der Förderstrecke
wird somit erreicht, dass das Fördermittel
vor Eindringen in den Gefahrenbereich angehalten wird, wenn sich auf
dem Fördermittel
ein sicherheitskritisches Objekt befindet. Wird mittels des oder
der Sensoren ein sicherheitskritisches Objekt ohne das Fördermittel
detektiert, so wird ebenfalls ein Stoppbefehl generiert, der unabhängig von
der aktuellen Position das Fördermittel
anhält,
falls von diesem Gefährdungen
von Personen ausgehen. Da die Förderstrecke
den einzigen Zugang zum Gefahrenbereich bildet, wird auf diese Weise
mit hoher Sicherheit ein Eindringen von sicherheitskritischen Objekten
in den Gefahrenbereich verhindert.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Draufsicht auf eine automatisierte Fettigungszelle mit einem von
einer Vorrichtung überwachten
Gefahrenbereich.
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2:
Vorderansicht der Anordnung gemäß 1.
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3:
Seitenansicht der Anordnung gemäß 1.
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4:
Schematische Darstellung eines optischen Sensors für die Vorrichtung
gemäß 1 bis 3.
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In
den 1 bis 3 ist eine Fertigungszelle 1 zur
automatisierten Durchführung
von Arbeitsvorgängen
dargestellt. Die Fertigungszelle 1 umfasst einen Gefahrenbereich 2,
in welchem beispielsweise mit einem nicht dargestellten Industrieroboter
als Arbeitsmittel bestimmte Fertigungsprozesse durchgeführt werden.
Die Zuführung
von Material zur Durchführung
dieser Fertigungsprozesse erfolgt über eine Förderstrecke 3. Entlang
der Förderstrecke 3 ist
ein För dermittel 4 entlang
einer zwangsgeführten
Bahn verfahrbar. Im vorliegenden Fall ist das Fördermittel 4 von einer
Rollenbahn gebildet, die seitlich in Schienen 5 zwangsgeführt ist.
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Auf
dem Fördermittel 4 werden
Paletten 6 mit unterschiedlichen Beladungen 6a gefördert um
Material zu dem im Gefahrenbereich 2 angeordneten Industrieroboter
zu transportieren.
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Wie
insbesondere aus 1 ersichtlich, ist die Rollenbahn
so angeordnet, dass das Fördermittel 4 längs einer
Geraden verfahrbar ist, wobei durch das Fördermittel 4 Material über die
offene Frontseite des Gefahrenbereichs 2 dem Industrieroboter
zuführbar
ist. Alle anderen Seiten des Gefahrenbereichs 2 sind mit
einem Schutzzaun 7 umzäunt
und so gegen das unbefugte Eindringen von Personen gesichert. Auch
die Förderstrecke 3 ist
seitlich durch Schutzräume 7 gesichert.
Dabei sind diese Schutzzäune 7 so angeordnet,
dass die Breite der Förderstrecke 3 an die
Breite des Fördermittels 4 angepasst
ist.
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Um
Gefährdungen
von Personen oder allgemein sicherheitskritischen Objekten auszuschließen, ist
ein unbefugter Zugang derartiger sicherheitskritischer Objekte zum
Gefahrenbereich 2 auszuschließen. Dem gegenüber ist
der Zugang des Fördermittels 4 mit
den transportierten Materialien als nichtsicherheitskritisches Objekt
zum Gefahrenbereich 2 zuzulassen, da die Materialien von
dem Industrieroboter zur Durchführung
der Fertigungsprozesse benötigt
werden.
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Durch
die Umzäunung
des Gefahrenbereichs 2 und der daran anschließenden Förderstrecke 3 können Personen
oder allgemein sicherheitskritische Objekte nur über den Eingang der Förderstrecke 3 Zugang
zum Gefahrenbereich 2 erhalten.
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Zur Überwachung
dieser Eingangsbereiche sind im vorliegenden Fall zwei Sensoren 8 vorgesehen.
Die identisch ausgebildeten Sensoren 8 sind im vorliegenden
als optische Sensoren 8 ausgebildet, wobei prinzipiell
zusätzlich
zu optischen Sensoren 8 auch eine auf Wärmestrahlung basierende Sensorik einsetzbar
ist.
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Wie
aus den 1 bis 3 ersichtlich,
sind die Sensoren 8 an gegenüberliegenden Rändern der Förderstrecke 3 oberhalb
des Eingangsbereichs der Förderstrecke 3 angeordnet.
Mit jedem Sensor 8 wird ein flächiger Überwachungsbereich 9 erfasst.
Die Überwachungsbereiche 9 liegen
jeweils in einer vertikalen Ebene und ergänzen sich derart, dass mit
den Sensoren 8 der gesamte Eingangsbereich der Förderstrecke 3 erfasst
wird.
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Die
Sensoren 8 sind über
eine nicht dargestellte Anschalteinheit verbunden, die die Ausgangssignale
der Sensoren 8 verknüpft.
Die Sensoren 8 mit der Anschalteinheit bilden eine Vorrichtung
mit welcher eine Zugangskontrolle zum Gefahrenbereich 2 durchgeführt wird.
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Die
Sensoren 8 können
prinzipiell jeweils eine Kamera sowie eine dieser zugeordnete Beleuchtungseinheit
aufweisen. Die Kamera ist dabei bevorzugt von einem CMOS- oder CCD-Sensor
gebildet. Für
den Fall, dass mit dem Sensor 8 ein flächiger Überwachungsbereich 9 überwacht
wird, weist die Kamera eine zeilenförmige Anordnung von Empfangselementen
auf. Für
den Fall, dass mit dem Sensor 8 ein räumlicher Überwachungsbereich 9 erfasst wird,
weist die Kamera eine matrixförmige
Anordnung von Empfangselementen auf.
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Im
vorliegenden Fall sind die Sensoren 8 als Flächendistanzsensoren
ausgebildet. Ein derartiger Sensor 8 ist in 4 schematisch
dargestellt. Der Flächendistanzsensor
ist in einem Gehäuse 10 integriert
und umfasst als Distanzsensorelement einen Sendelichtstrahlen 11 emittierenden
Sender 12 und einen Empfangslichtstrahlen 13 empfangenden Empfänger 14.
Die Distanzmessung erfolgt beispielsweise nach dem Laufzeitprinzip,
das heißt
der Sender 12 emittiert Sendelicht in Form kurzer Lichtpulse, deren
Laufzeit zu einem zu detektierenden Objekt und zurück zum Empfänger 14 als
Maß für die Objektdistanz
registriert und ausgewertet wird.
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Die
Auswertung der am Ausgang des Empfängers 14 anstehenden
Empfangssignale erfolgt in einer Auswerteeinheit 15. Zur
Erfüllung
der Sicherheitsanforderungen im Bereich des Personenschutzes weist
die Auswerteeinheit 15 einen redundanten Aufbau auf, beispielsweise
in Form von zwei sich gegenseitig überwachenden Mikroprozessoren.
Weiterhin umfasst der Sensor 8 eine Ablenkeinheit in Form eines
motorisch getriebenen, um eine Drehachse D drehbaren Umlenkspiegels 16.
Der Sender 12 und der Empfänger 14 sind in der
Drehachse D liegend angeordnet, wobei dem Empfänger 14 eine Empfangsoptik 17 vorgeordnet
ist. Die Sendelichtstrahlen 11 und die Empfangslichtstrahlen 13 werden über den
Umlenkspiegel abgelenkt und so periodisch innerhalb des in einer
Ebene liegenden Überwachungsbereichs 9 geführt. Der
von den Sendelichtstrahlen 11 überstrichene Winkelbereich
und damit die Größe des Überwachungsbereichs 9 kann
durch eine geeignete Dimensionierung der Breite eines Austrittsfensters 18 im
Gehäuse 10,
durch welches die Sendelichtstrahlen 11 und Empfangslichtstrahlen 13 geführt werden,
vorgegeben werden.
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Die
Zugangskontrolle zum Gefahrenbereich 2 erfolgt derart,
dass mit den Sensoren 8 im Eingangsbereich der Förderstrecke 3 eine
Objektdetektion durchgeführt
wird, bei welcher eine Unterscheidung von sicherheitskritischen
Objekten und nichtsicherheitskritischen Objekten erfolgt. Die nichtsicherheitskritischen
Objekte sind im vorliegenden Fall ausschließlich von Fördermitteln 4 sowie
darauf angeordneten Paletten 6 mit unterschiedlichen Beladungen 6a gebildet.
Alle anderen Objekte und insbesondere Personen bilden sicherheitskritische
Objekte. Die Unterscheidung von nichtsicherheitskritischen Objekten
und sicherheitskritischen Objekten erfolgt durch Auswertung charakteristischer
Objektmerkmale. Im vorliegenden Fall werden in den Sensoren 8 charakteristische
Objektmerkmale der nichtsicherheitskritischen Objekte eingelernt.
Diese sind beispielsweise von bestimmten Geometrien des Fördermittels 4 sowie
der darauf angeordneten Paletten 6 mit den Beladungen 6a gebildet.
Durch die Erkennung derartiger Objektmerkmale können während des Betriebs der Sensoren 8 die
nichtsicherheitskritischen Objekte von sicherheitskritischen Objekten
unterschieden werden.
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Bei
Einfahren des Fördermittels
in Richtung des Gefahrenbereichs 9 wird dieses von den
Sensoren 8 über
seine gesamte Breite und durch die Förderbewegung auch über seine
gesamte Länge
abgetastet. Werden dabei das Fördermittel 4 alleine
oder zusammen mit den darauf gelagerten Beladungen 6a von
den Sensoren 8 detektiert, wird über die Vorrichtung die Zufahrt
des Fördermittels 4 zum
Gefahrenbereich freigegeben.
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Durch
die Analyse der Objektmerkmale kann in den Sensoren 8 auch
ein auf dem Fördermittel 4 angeordnetes
sicherheitskritisches Objekt erfasst und als solches erkannt werden. 3 zeigt
einen derartigen Fall, bei welchem sich eine mit P bezeichnete Bedienperson
auf dem Fördermittel 4 sitzend Zugang
zum Gefahrenbereich 2 verschaffen möchte. Die Bedienperson P wird
bei Vorbeifahrt des Fördermittels 4 an
den Sensoren 8 erfasst und als sicherheitskritisches Objekt
identifiziert.
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Bei
Detektion eines sicherheitskritischen Objekts in dem Überwachungsbereich 9 eines
Sensors 8 wird in der zugeordneten Anschalteinheit der
Vorrichtung als Alarmsignal ein Stoppbefehl für das Fördermittel 4 generiert.
Weiterhin wird durch das Alarmsignal der Industrieroboter im Gefahrenbereich 2 stillgesetzt.
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Zur
Erfüllung
der sicherheitskritischen Anforderungen im Personenschutz weist
dabei die Anschalteinheit einen redundanten Aufbau auf.
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Durch
den Stoppbefehl wird die Fahrt des Fördermittels 4 als
gefahrbringende Bewegung in Richtung des Gefahrenbereichs 2 gestoppt.
Damit das Fahrzeug mit der darauf sitzenden Bedienperson P vor dem
Gefahrenbereich 2 zum Halten kommt, ist die Länge der
Förderstrecke 3 zwischen
den Sensoren 8 und dem Eingang des Gefahrenbereichs 2 so dimensioniert,
dass diese mindestens der Summe aus der Länge L1 des
Fördermittels 4 und
dessen Nachlaufweg L2, das heißt dem Bremsweg
nach Generierung des Stoppbefehls, der durch die Reaktionszeit der
Sensoren 8 und der Nachlaufzeit des Fördermittels 4 nach
Generierung des Stoppbefehls bestimmt ist, entspricht.
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Dadurch
ist gewährleistet,
dass das gesamte Fördermittel 4 auf
Vorhandensein eines sicherheitskritischen Objekts abgetastet werden
kann und der bei Registrieren eines sicherheitskritischen Objekts auf
dem Fördermittel 4 generierte
Stoppbefehl für das
Fahrzeug in jedem Fall rechtzeitig erfolgt, dass das Fördermittel 4 mit
dem darauf angeordneten sicherheitskritischen Objekt nicht in den
Gefahrenbereich 2 gelangt.
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Ist
kein nichtsicherheitskritisches Objekt in dem Überwachungsbereich 9 der
Sensoren 8 vorhanden und wird von diesem ein sicherheitskritisches Objekt
detektiert, so wird dadurch wiederum ein Alarmsignal um gefahrbringende
Bewegungen im Gefahrenbereich 2 auszuschließen. Hierzu
wird einerseits der Industrieroboter im Gefahrenbereich 2 deaktiviert.
Falls vom Fördermittel 4 selbst
Gefährdungen
ausgehen können,
wird auch dieses durch das Alarmsignal gestoppt.
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- 1
- Fertigungszelle
- 2
- Gefahrenbereich
- 3
- Förderstrecke
- 4
- Fördermittel
- 5
- Schiene
- 6
- Palette
- 6a
- Beladung
- 7
- Schutzzaun
- 8
- Sensor
- 9
- Überwachungsbereich
- 10
- Gehäuse
- 11
- Sendelichtstrahlen
- 12
- Sender
- 13
- Empfangslichtstrahlen
- 14
- Empfänger
- 15
- Auswerteeinheit
- 16
- Umlenkspiegel
- 17
- Empfangsoptik
- 18
- Austrittsfenster