DE102017009418A1

DE102017009418A1 - Sicherheitssystem für die Industrieautomation, Sicherheitsverfahren und Computerprogramm

Info

Publication number: DE102017009418A1
Application number: DE102017009418.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Gehrke
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation. Das Sicherheitssystem (100) umfasst eine Kamera (110) und eine Kontrolleinrichtung (120), welche ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Werten für zumindest einen Bilderfassungsparameter für die Kamera (110) bereitzustellen. Zudem ist die Kamera (110) ausgebildet, für jeden der bereitgestellten Werte ein Bild eines Überwachungsbereichs (200) zu erfassen. Die Kontrolleinrichtung (120) ist ferner ausgebildet, auf Basis der erfassten Bilder eine Position eines Objekts (300) innerhalb des Überwachungsbereichs (200) zu bestimmen. Des Weiteren ist die Kontrolleinrichtung (120) ausgebildet, ein sicheres Signal zu erzeugen, wenn sich das Objekt (300) zumindest teilweise in einem Gefahrenbereich (210) innerhalb des Überwachungsbereichs (200) befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherheitssystem für die Industrieautomation mit einer Kamera und einer Kontrolleinrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Sicherheitsverfahren und ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Sicherheitsverfahrens.
In der Industrieautomation werden häufig automatisiert arbeitende Maschinen eingesetzt. Die automatisiert arbeitenden Maschinen können mittels optischen Systemen überwacht werden, um eine Annäherung von Objekten, wie Personen oder Gegenständen, an die automatisiert arbeitenden Maschinen zu erfassen und dadurch eine Gefährdung der Objekte und/oder der automatisiert arbeitenden Maschinen zu vermeiden.
Zur optischen Überwachung automatisiert arbeitender Maschinen werden häufig Kamerasysteme mit einer Mehrzahl von Kameras eingesetzt. In einem derartigen Kamerasystem kann ein Gefahrenbereich um eine automatisiert arbeitende Maschine oder eine sonstige Gefahrenstelle definiert werden, dessen virtuelle Grenzen durch Parameter bezüglich von mittels des Kamerasystems erfassten Bildern definiert sind. Objekte, welche sich über diese virtuellen Grenzen hinwegbewegen und somit in den Gefahrenbereich eintreten, können mittels eines komplexen Bildverarbeitungssystems erkannt werden. Derartige Kamerasysteme zur optischen Überwachung weisen jedoch häufig eine hohe Komplexität und damit verbundene hohe Herstellungskosten auf. Zudem sind Installation und Wartung derartiger Kamerasysteme häufig mit hohem Aufwand verbunden.
Das Dokument WO 2006/003610 A1 beschreibt eine Messvorrichtung zum Bestimmen des Abstands zu einem Objekt.
Das Dokument DE 10 2013 106 514 B3 beschreibt eine Vorrichtung zum Absichern eines Überwachungsbereichs. In dem Überwachungsbereich ist eine automatisiert arbeitende Maschine angeordnet.
Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein effizienteres und kostengünstigeres Konzept zum Überwachen oder Absichern eines Überwachungsbereichs zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Sicherheitssystem für die Industrieautomation gelöst. Das Sicherheitssystem weist eine Kamera und eine Kontrolleinrichtung auf. Die Kontrolleinrichtung ist ausgebildet, eine Mehrzahl von Werten für zumindest einen Bilderfassungsparameter für die Kamera bereitzustellen. Zudem ist die Kamera ausgebildet, für jeden der bereitgestellten Werte ein Bild eines Überwachungsbereichs zu erfassen. Die Kontrolleinrichtung ist ferner ausgebildet, auf Basis der erfassten Bilder eine Position eines Objekts innerhalb des Überwachungsbereichs zu bestimmen. Des Weiteren ist die Kontrolleinrichtung ausgebildet, ein sicheres Signal zu erzeugen, wenn sich das Objekt zumindest teilweise in einem Gefahrenbereich innerhalb des Überwachungsbereichs befindet. Dadurch, dass zum Bestimmen der Position des Objekts lediglich Bilder einer einzigen Kamera verarbeitet werden, wird der Vorteil erreicht, dass ein Rechenaufwand bei dem Bestimmen der Position des Objekts reduziert werden kann. Hierdurch kann in dem Überwachungssystem eine Kontrolleinrichtung mit einer reduzierten Rechenleistung und damit eine kostengünstigere Kontrolleinrichtung verwendet werden. Dadurch kann ein kostengünstigeres Sicherheitssystem bereitgestellt werden.
Mittels des Sicherheitssystems kann eine optische Detektion von Objekten oder eines Objekts in Gefahrenbereichen durchgeführt werden. Zudem können die Kamera und die Kontrolleinrichtung in einem Gehäuse des Sicherheitssystems aufgenommen sein. Alternativ oder zusätzlich können die Kamera und die Kontrolleinrichtung jeweils in einem eigenen Gehäuse aufgenommen und kommunikationstechnisch miteinander verbunden sein.
Die Kamera kann eine Bildkamera oder eine Videokamera sein. Ferner kann die Kamera ausgebildet sein, ein optisches Bild, beispielsweise im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Wellenlängenbereich, des Überwachungsbereichs und damit eines Objekts innerhalb des Überwachungsbereichs aufzunehmen und dadurch zu erfassen. Die Kamera kann einen Bildsensor, wie einen Halbleiterdetektor oder einen Bayer-Sensor, ein Objektiv mit einer oder mehreren Linsen, eine Lichtquelle, beispielsweise im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Wellenlängenbereich, zur Beleuchtung des Überwachungsbereichs und/oder eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit der Kontrolleinrichtung, wie eine Universal Serial Bus (USB) Schnittstelle, eine Serial Peripheral Interface (SPI) Schnittstelle, eine Inter-Integrated Circuit (I²C) Schnittstelle, eine Ethernet Schnittstelle, eine Wireless Local Area Network (WLAN) Schnittstelle, eine Bluetooth Schnittstelle oder eine Mobilfunkschnittstelle, umfassen. Zudem kann der zumindest eine Bilderfassungsparameter für die Kamera einen Fokusparameter für das Objektiv der Kamera, einen Farbparameter für den Bildsensor der Kamera und/oder einen Helligkeitsparameter für den Bildsensor der Kamera umfassen. Die Kamera kann zudem Mittel zum Einstellen des jeweiligen bereitgestellten Werts für den zumindest einen Bilderfassungsparameter umfassen.
Die Kontrolleinrichtung kann einen Prozessor oder Kontroller, einen flüchtigen Speicher, wie ein Random-Access Memory, einen nichtflüchtigen Speicher, wie eine Festplatte oder einen Flash-Speicher, und/oder eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit der Kamera, wie eine Universal Serial Bus (USB) Schnittstelle, eine Serial Peripheral Interface (SPI) Schnittstelle, eine Inter-Integrated Circuit (I²C) Schnittstelle, eine Ethernet Schnittstelle, eine Wireless Local Area Network (WLAN) Schnittstelle, eine Bluetooth Schnittstelle oder eine Mobilfunkschnittstelle, umfassen. Beispielsweise ist die Kontrolleinrichtung durch einen Computer gebildet oder ist die Kontrolleinrichtung ein Element eines Steuerungssystems der Industrieautomation, wie einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder eines Programmable Logic Controllers (PLC).
Die Mehrzahl der Werte für den zumindest einen Bilderfassungsparameter kann in dem nichtflüchtigen Speicher der Kontrolleinrichtung, beispielsweise in Form einer Datenbank, vorgespeichert sein. Beispielsweise ist die Kontrolleinrichtung ausgebildet, die vorgespeicherten Werte aus dem nichtflüchtigen Speicher auszulesen und die ausgelesenen Werte über die Kommunikationsschnittstelle auszusenden, um diese bereitzustellen. Ferner kann die Mehrzahl der Werte 2, 3, 4, 5, 10, 20, 50, 100, 250, 500 oder 1000 betragen. Die Kamera kann zudem ausgebildet sein, den jeweiligen bereitgestellten Wert für den zumindest einen Bilderfassungsparameter einzustellen, ein Bild des Überwachungsbereichs mit dem eingestellten Wert für den zumindest einen Bilderfassungsparameter zu erfassen, und das erfasste Bild über die Kommunikationsschnittstelle and die Kontrolleinrichtung auszusenden. Das erfasste Bild kann optional eine Information bezüglich des eingestellten Werts für den zumindest einen Bilderfassungsparameter oder den eingestellten Wert selbst umfassen. Beispielsweise wird das erfasste Bild in Form einer Bilddatei an die Kontrolleinrichtung ausgesendet und ist die Information oder der eingestellte Wert in Form von Metadaten in der Bilddatei umfasst.
Die Kontrolleinrichtung kann ausgebildet sein, die Position des Objekts auf Basis von Veränderungen von Bildschärfeverläufen, Farbverläufen und/oder Helligkeitsverläufen in den erfassten Bildern des Überwachungsbereichs zu bestimmen. Die bestimmte Position des Objekts kann Koordinaten, beispielsweise kartesische Koordinaten, Polarkoordinaten oder Kugelkoordinaten, in einem Koordinatensystem umfassen. Beispielsweise bildet ein Punkt, insbesondere ein Mittelpunkt, einer Oberfläche des Bildsensors der Kamera den Ursprung des Koordinatensystems. Alternativ oder zusätzlich kann die bestimmte Position des Objekts einen Abstand des Objekts zu der Kamera oder zu einem Element, wie dem Bildsensor, der Kamera angeben. Der Gefahrenbereich kann ein Bereich innerhalb des Überwachungsbereichs sein, in welchem eine automatisiert arbeitende Maschine angeordnet ist oder welcher an eine automatisiert arbeitende Maschine angrenzt. Beispielsweise ist die Kamera an der oder in der Nähe der automatisiert arbeitenden Maschine angeordnet. Der Gefahrenbereich kann ein Teilbereich des Überwachungsbereichs sein oder mit dem Überwachungsbereich übereinstimmen. Zudem können die Grenzen des Gefahrenbereichs und/oder des Überwachungsbereichs vorbestimmt, vorkonfiguriert oder durch einen Benutzer des Sicherheitssystems einstellbar sein.
In der Industrieautomation wird unter einem sicherheitsrelevanten Prozess häufig ein Prozess verstanden, von dem bei Auftreten eines Fehlers eine nicht zu vernachlässigende Gefahr für Menschen und/oder materielle Güter ausgeht. Beispiele für sicherheitsrelevante Prozesse bei automatisiert arbeitenden Maschinen sind komplexe Maschinensteuerungen, wie etwa bei einer hydraulischen Presse oder einer Fertigungsstraße, bei welchem beispielsweise das Inbetriebnehmen eines Press-/Schneidwerkzeugs einen sicherheitsrelevanten Prozess darstellen kann. Einschlägige Standards, um den Anforderungen für sicherheitsrelevante Prozesse gerecht zu werden, finden sich insbesondere in den Sicherheitsnormen DIN EN 61508, DIN EN 62061 oder DIN EN ISO 13849.
Das sichere Signal kann ein analoges oder digitales Signal sein. Beispielsweise ist das sichere Signal als eine sichere Spannung ausgeführt. Zudem kann das sichere Signal ein sicherheitsgerichtetes Signal sein. Dabei ist das Adjektiv ”sicher” des sicheren Signals derart auszulegen, dass dadurch die Erfüllung der Anforderungen der vorgenannten Sicherheitsnormen gemeint ist. Mit anderen Worten stellt also ein sicheres Signal, wie beispielsweise eine sichere Spannung, ein Signal dar, welches den Anforderungen der unterschiedlichen Sicherheitsnormen, wie beispielsweise DIN EN 61508, DIN EN 62061 oder DIN EN ISO 13849, genügt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation umfasst die Kamera ein fokusvariables Linsensystem. Zudem umfasst die Mehrzahl der Werte Fokusparameterwerte für das fokusvariable Linsensystem der Kamera. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Position des Objekts auf Basis der Bildschärfe der erfassten Bilder bestimmt werden. kann. Das fokusvariable Linsensystem kann ein Element des Objektivs der Kamera sein. Ferner kann das fokusvariable Linsensystem zumindest eine optische Linse aufweisen, deren Abstand zu dem Bildsensor der Kamera verstellbar ist. Zudem kann die Kamera einen Motor, wie einen Elektromotor oder einen piezoelektrischen Motor, und/oder ein Getriebe zum Verändern des Abstands zwischen der zumindest einen optischen Linse und dem Bildsensor aufweisen. Beispielsweise ist der Bildsensor an einer festen Position in der Kamera angeordnet und wird die zumindest eine optische Linse mittels des Motors bewegt, um den Abstand zwischen diesen zu verändern, oder ist die zumindest eine optische Linse an einer festen Position in der Kamera angeordnet und wird der Bildsensor mittels des Motors bewegt, um den Abstand zwischen diesen zu verändern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation umfasst das fokusvariable Linsensystem eine Flüssiglinse. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der Fokus der Kamera besonders schnell verändert werden kann. Hierdurch können zudem Objekte, welche sich mit hoher Geschwindigkeit dem Gefahrenbereich nähern, früher erkannt werden. Die Brennweite der Flüssiglinse kann mittels, einer an der Flüssiglinse angelegten Steuerspannung geregelt oder eingestellt werden. Beispielsweise umfasst die bereitgestellte Mehrzahl der Werte Steuerspannungswerte zum Einstellen der Brennweite der Flüssiglinse.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation ist eine Blendenzahl eines Objektivs der Kamera kleiner als 5, insbesondere kleiner als 2, vorzugsweise kleiner als 1. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Kamera eine besonders geringe Tiefenschärfe aufweist. Hierdurch kann die Kamera zudem durch Fokussieren auf eine sehr schmale Tiefenebene scharf gestellt werden. Objekte, die vor oder hinter dieser Tiefenebene liegen, können in dem zugehörigen erfassten Bild des Überwachungsbereichs unscharf sein. Durch Bestimmen der Schärfe eines Objekts in den erfassten Bildern des Überwachungsbereichs kann zudem der Abstand des Objekts zu der Kamera und damit die Position des Objekts besonders effizient bestimmt werden. Die Blendenzahl kann das Verhältnis der Brennweite des Objektivs der Kamera zum Durchmesser der wirksamen Eintrittspupille, beispielsweise einer Abmessung einer Blendenöffnung, des Objektivs der Kamera angeben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation ist die Kontrolleinrichtung ausgebildet, auf Basis der erfassten Bilder des Überwachungsbereichs den bereitgestellten Wert zu bestimmen, für den eine Anzahl von optisch scharfen Teilbereichen des zugehörigen erfassten Bilds des Überwachungsbereichs und/oder eine Anzahl von Teilbereichen des zugehörigen erfassten Bilds des Überwachungsbereichs mit ausgeprägten Intensitätsgegensätzen maximal ist, um die Position des Objekts innerhalb des Überwachungsbereichs zu bestimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Position des Objekts mit einem vergleichsweise geringen Rechenaufwand bestimmt werden kann. Hierdurch kann zudem in dem Sicherheitssystem eine kostengünstigere Kontrolleinrichtung verwendet werden.
Ein Teilbereich eines Bilds kann einen oder mehrere Bildpunkte oder Pixel umfassen. Beispielsweise ist der Teilbereich des erfassten Bilds ein rechteckiger oder quadratischer Anteil des Bilds, welcher eine Vielzahl von Bildpunkten oder Pixeln umfasst.
Die Kontrolleinrichtung kann ausgebildet sein, den bereitgestellten Wert, für den eine Anzahl von optisch scharfen Teilbereichen des zugehörigen erfassten Bilds des Überwachungsbereichs und/oder eine Anzahl von Teilbereichen des zugehörigen erfassten Bilds des Überwachungsbereichs mit ausgeprägten Intensitätsgegensätzen maximal ist, einer Position des Objekts oder einem Abstand des Objekts zu der Kamera zuzuordnen. Hierzu kann in dem nichtflüchtigen Speicher der Kontrolleinrichtung eine entsprechende Tabelle oder Datenbank hinterlegt sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation ist die Kontrolleinrichtung ausgebildet, für jedes der erfassten Bilder des Überwachungsbereichs eine Fourier-Transformation des jeweiligen Bilds und/oder eine Ableitung der Intensität nach der Position eines Bildpunkts in dem jeweiligen Bild durchzuführen, um die Anzahl der optisch scharfen Teilbereiche und/oder die Anzahl der Teilbereiche mit ausgeprägten Intensitätsgegensätzen in dem jeweiligen Bild zu bestimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Anzahl der optisch scharfen Teilbereiche und/oder die Anzahl der Teilbereiche mit ausgeprägten Intensitätsgegensätzen besonders effizient bestimmt werden kann.
Beispielsweise werden bei der Fourier-Transformation die Helligkeits- bzw. Farbverläufe des Bilds in seine Frequenzanteile gewandelt.
Die Ableitung der Intensität kann eine Ableitung des Farbvektors und/oder des Kontrastes in dem Bild sein. Zudem kann die Ableitung der Intensität zu numerisch hohen Werten bei steilen Übergängen führen, für welche beim Verstellen des Bilderfassungsparameters oder der Flüssiglinse ein Maximum gesucht wird. Beispielsweise bilden die steilen Übergänge im Grenzfall eine Sprungfunktion, wie einen Dirac-Impuls. Die Ableitung der Intensität kann ferner eine zweidimensionale Ableitung umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzahl der Teilbereiche mit ausgeprägten Intensitätsgegensätzen ferner unter Verwendung einer inversen Sobel-Funktion bestimmt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation ist die Kontrolleinrichtung ausgebildet, auf Basis der erfassten Bilder des Überwachungsbereichs den bereitgestellten Wert zu bestimmen, für den eine Anzahl von optisch scharfen Teilbereichen des zugehörigen erfassten Bilds des Überwachungsbereichs und/oder eine Anzahl von Teilbereichen des zugehörigen erfassten Bilds des Überwachungsbereichs mit ausgeprägten Intensitätsgegensätzen ein absolutes Maximum, insbesondere ein absolutes Maximum im gesamten Bereich der bereitgestellten Mehrzahl der Werte, aufweist, um die Position des Objekts innerhalb des Überwachungsbereichs zu bestimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass auch plötzlich seitlich einfahrende, ganz nahe Objekte erfasst und auf ihre Entfernung bewertet werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation umfasst das sichere Signal eine Aufforderung zum Herbeiführen eines sicheren Zustands einer automatisiert arbeitenden Maschine innerhalb des Überwachungsbereichs. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass eine Gefährdung des Objekts durch die automatisiert arbeitende Maschine vermieden werden kann. Beispielsweise ist die automatisiert arbeitenden Maschine innerhalb des Gefahrenbereichs angeordnet. Der sichere Zustand der Maschine kann ein energiefreier Zustand der Maschine sein. Beispielsweise ist der energiefreie Zustand der Maschine ein Zustand, in dem die Maschine abgeschaltet ist. Alternativ oder zusätzlich kann in dem sicheren Zustand der Maschine eine erste Einrichtung der Maschine, wie ein Presswerkzeug oder ein Schneidwerkzeug, abgeschaltet sein während eine zweite Einrichtung der Maschine, wie ein Saugarm, weiterhin in Betrieb bleibt. Das Adjektiv ”sicher” des sicheren Zustands der Maschine ist derart auszulegen, dass dadurch die Erfüllung der Anforderungen der oben genannten Sicherheitsnormen gemeint ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation umfasst das Sicherheitssystem eine Kommunikationsschnittstelle zum Aussenden des sicheren Signals an eine speicherprogrammierbare Steuerung und/oder an ein Sicherheitsschaltgerät. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Sicherheitssystem besonders einfach und dadurch besonders kostengünstig in bestehende Industrieautomationssysteme zur Absicherung oder Überwachung dieser integriert werden kann. Die speicherprogrammierbare Steuerung und/oder das Sicherheitsschaltgerät kann ausgebildet sein, die automatisiert arbeitende Maschine ansprechend auf Empfangen des sicheren Signals in einen sicheren Zustand zu überführen. Die Kommunikationsschnittstelle kann eine Feldbus-Schnittstelle, eine Universal Serial Bus (USB) Schnittstelle, eine Serial Peripheral Interface (SPI) Schnittstelle, eine Inter-Integrated Circuit (I²C) Schnittstelle, eine Ethernet Schnittstelle, eine Wireless Local Area Network (WLAN) Schnittstelle, eine Bluetooth Schnittstelle oder eine Mobilfunkschnittstelle sein. Beispielsweise ist die Kommunikationsschnittstelle ein Element der Kontrolleinrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation umfasst das Sicherheitssystem einen Speicher, insbesondere einen nichtflüchtigen Speicher. Zudem sind in dem Speicher Konfigurationsparameter abgelegt. Des Weiteren definieren die Konfigurationsparameter die räumliche Ausdehnung des Überwachungsbereichs und/oder des Gefahrenbereichs. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Sicherheitssystem vorkonfiguriert werden kann. Hierdurch kann zudem eine Installation des Sicherheitssystems erleichtert und damit kostengünstiger durchgeführt werden. Die Konfigurationsparameter können Koordinaten des Überwachungsbereichs und/oder des Gefahrenbereichs umfassen. Alternativ oder zusätzlich können die Konfigurationsparameter minimale und/oder maximale Abstände eines Objekts zu der Kamera angeben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation weist das Sicherheitssystem eine Benutzerschnittstelle zum Konfigurieren des Überwachungsbereichs und/oder des Gefahrenbereichs auf. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Sicherheitssystem effizient durch einen Benutzer an eine Veränderung des Überwachungsbereichs und/oder des Gefahrenbereichs angepasst werden kann. Die Benutzerschnittstelle kann eine Tastatur, eine Maus, einen berührungsempfindlichen Bildschirm, einen Drehregler, einen Schieberegler und/oder einen sonstigen Befehlsgeber, wie einen Schalter oder eine Taste, umfassen. Beispielsweise werden bei einer Benutzereingabe über die Benutzerschnittstelle die in dem Speicher abgelegten Konfigurationsparameter überschrieben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherheitssystems für die Industrieautomation weist das Sicherheitssystem eine Konfigurationsschnittstelle zum Empfängen von Konfigurationsparametern auf. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Sicherheitssystem effizient rekonfiguriert werden kann. Die Konfigurationsschnittstelle kann eine Feldbus-Schnittstelle, eine Universal Serial Bus (USB) Schnittstelle, eine Serial Peripheral Interface (SPI) Schnittstelle, eine Inter-Integrated Circuit (I²C) Schnittstelle, eine Ethernet Schnittstelle, eine Wireless Local Area Network (WLAN) Schnittstelle, eine Bluetooth Schnittstelle oder eine Mobilfunkschnittstelle sein. Beispielsweise werden die in dem Speicherabgelegten Konfigurationsparameter mit den empfangenen Konfigurationsparametern überschrieben.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Sicherheitsverfahren für die Industrieautomation gelöst. Das Sicherheitsverfahren umfasst Bereitstellen einer Mehrzahl von Werten für zumindest einen Bilderfassungsparameter für eine Kamera. Zudem umfasst das Sicherheitsverfahren Erfassen eines Bildes eines Überwachungsbereichs für jeden der bereitgestellten Werte durch die Kamera. Das Sicherheitsverfahren umfasst ferner Bestimmen einer Position eines Objekts innerhalb des Überwachungsbereichs auf Basis der erfassten Bilder des Überwachungsbereichs. Des Weiteren umfasst das Sicherheitsverfahren Erzeugen eines sicheren Signals, wenn sich das Objekt zumindest teilweise in einem Gefahrenbereich innerhalb des Überwachungsbereichs befindet.
Das erfindungsgemäße Sicherheitsverfahren kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Sicherheitssystems ausgeführt werden. Für das erfindungsgemäße Sicherheitsverfahren gelten damit dieselben Vorteile und Modifikationen wie für das erfindungsgemäße Sicherheitssystem.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des erfindungsgemäßen Sicherheitsverfahrens gelöst, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann eine Folge von Befehlen für einen Prozessor eines Computers umfassen. Das Computerprogramm kann in Form eines maschinenlesbaren Programmcodes vorliegen. Der Computer kann einen Prozessor, einen Speicher, eine Eingabeschnittstelle und/oder eine Ausgabeschnittstelle umfassen. Der Prozessor des Computers kann ausgebildet sein, das Computerprogramm auszuführen. Das Computerprogramm kann auf dem Prozessor der Kontrolleinrichtung ausgeführt werden. Die Erfindung kann in Hardware und/oder Software realisiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Sicherheitssystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 eine Aufsicht auf das in der 1 gezeigte Sicherheitssystem.
In der Industrieautomation werden häufig Anlagen mit automatisiert arbeitenden Maschinen eingesetzt. Derartige Maschinen können eine Gefahrenquelle für sich in einer Anlage bewegende Objekte, wie in der Anlage arbeitende Personen oder in der Anlage transportierte Gegenstände, darstellen. Um eine Gefährdung der Objekte zu vermeiden, kann ein sogenannter Gefahrenbereich um derartige Maschinen oder in der Nähe von derartigen Maschinen definiert werden, welcher von den Objekten zu meiden ist. Zudem wird der Gefahrenbereich häufig überwacht, um ein Eindringen von Objekten in diesen zu erfassen.
In vielen Anlagen kann eine einfache Ermittlung des Abstandes von gefährdeten Objekten, wie Personen oder Sachen, zu einer gefahrbringenden Stelle, wie einer automatisiert arbeitenden Maschine, hinreichend sein, bei dessen Unterschreiten eine Sicherheitsreaktion angefordert wird. Zur Ermittlung des Abstandes kann ein Sicherheitssystem verwendet werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sicherheitssystems 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Sicherheitssystem 100 umfasst eine Kamera 110 und eine Kontrolleinrichtung 120. Zudem sind die Kamera 110 und die Kontrolleinrichtung 120 kommunikationstechnisch miteinander verbunden. Beispielsweise weisen die Kamera 110 und die Kontrolleinrichtung 120 jeweils eine Kommunikationsschnittstelle zur bidirektionalen Kommunikation auf. Ferner ist in der 1 ein Überwachungsbereich 200 mit einem Gefahrenbereich 210 abgebildet. In dem Gefahrenbereich 210 ist ein Objekt 300 angeordnet.
Die Kontrolleinrichtung 120 ist ausgebildet, eine Mehrzahl von Werten für zumindest einen Bilderfassungsparameter für die Kamera 110 bereitzustellen. Zudem ist die Kamera 110 ausgebildet, für jeden der bereitgestellten Werte ein Bild des Überwachungsbereichs 200 zu erfassen. Die Kontrolleinrichtung 120 ist ferner ausgebildet, auf Basis der erfassten Bilder eine Position des Objekts 300 innerhalb des Überwachungsbereichs 200 zu bestimmen. Des Weiteren ist die Kontrolleinrichtung 120 ausgebildet, ein sicheres Signal zu erzeugen, wenn sich das Objekt 300 zumindest teilweise in dem Gefahrenbereich 210 innerhalb des Überwachungsbereichs 200 befindet.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Bestimmen der Position des Objekts 300 ähnlich zu der aus der Technik von Fotoapparaten bekannten Funktion des sogenannten Autofokus durchgeführt werden. Hierbei wird beispielsweise die Bildschärfe eines erfassten Bilds bewertet. Hierzu kann eine Fourier-Analyse des Bildinhaltes durchgeführt werden: je mehr hochfrequente Anteile im Bild enthalten sind, desto höher ist die Bildschärfe. Beispielsweise wird bei dem Autofokus eines Fotoapparates die Brennweite der Linse des Fotoapparates solange motorisch verändert, bis ein Maximum an hochfrequenten Bildanteilen oder Teilbereichen gefunden ist. Dabei ist die Brennweite des Linsensystems direkt proportional zur Entfernung des fokussierten Objektes 300 von der Projektionsebene des Fotoapparates oder seines Bildsensors. Bei dem Autofokus-Verfahren kann die Entfernung zu dem Objekt 300 ermittelt werden, sofern die Abbildungsparameter des Linsensystems bekannt sind. Damit ist es auf einfache Weise möglich, den Abstand des Objektes 300 zu einer Gefahrenquelle zu ermitteln und so zu beurteilen, ob das Objekt 300 in Gefahr ist. Dabei kann eine Rahmenbedingung sein, dass die optische Achse des Kamerasystems oder der Kamera 110 eine Richtungskomponente für alle möglichen Bewegungsrichtungen des gefährdeten Objekts 300 zur Gefahrenstelle enthält. Hierzu wird die Kamera 110 vorzugsweise entweder direkt vor oder hinter der Gefahrenstelle, beispielsweise mit freiem Sichtfeld, montiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sicherheitssystem 100 ständig durch Änderung des Fokus und Durchführung der Fourier-Transformation des Bildinhalts der erfassten Bilder des Überwachungsbereichs das nächstgelegene Objekt 300 und dessen Abstand identifizieren. Beispielsweise ändert die Kamera 110 hierzu den Fokus auf Basis der von der Kontrolleinrichtung 120 bereitgestellten Werte für den zumindest einen Bilderfassungsparameter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann bei einer motorischen Nachführung des Fokus ein typischer Überwachungsbereich 200 oder Abdeckungsbereich binnen mehrerer Sekunden erfasst und die Position eines Objekts 300 innerhalb dieses bestimmt werden. Hierdurch kann in akzeptabler Zeit eine sicherheitsgerichtete Information zu Abständen von sich langsam bewegenden Objekten 300 erlangt werden. Zudem kann hierbei eine kontinuierliche Kalibrierung und/oder ein Durchführen von Mehrfachmessungen vorteilhaft sein. Des Weiteren können Mittel zur Reduktion des Verschleißes bei der motorischen Nachführung des Fokus vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können sich bei Verwendung von fokusvariablen Linsen Fokusveränderungen im Zeitbereich von wenigen Millisekunden praktisch verschleißfrei durchführen lassen. Damit kann eine quasi-kontinuierliche Tiefenvermessung des Arbeitsbereiches der Kamera 110 oder des Überwachungsbereichs 200 durch ständige Fokusverstellung realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann für die Anwendung im sicherheitstechnischen Umfeld ein Bereitstellen eines Modells aller Objekte 300 im Arbeitsbereich oder Überwachungsbereich 300 entfallen. Stattdessen kann das der Gefahrenstelle nächstliegende Objekt 300 erkannt und dessen Abstand ermittelt werden. Dafür kann es vorteilhaft sein, durch eine möglichst große Blende alle Objekte, welche nicht in der fokussierten Ebene liegen, unscharf zu machen. Je weniger Tiefenschärfer das optische System oder die Kamera 110 hat, desto präziser können Objekte 300 in der aktuell fokussierten Ebene identifiziert werden. Dabei spielt es keine erhebliche Rolle, wie das Objekt 300 beschaffen ist, solange hinreichend Konturen vorhanden sind, die sich gegenüber den unscharfen Bereichen abheben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sicherheitssystems 100 zum Bestimmen der Position des Objekts 300 einen Regelalgorithmus durchführen. Der Regelalgorithmus kann dabei vorzugsweise von einer der Gefahrenstelle nächstmöglichen, fokussierten Ebene ausgehen, für die er normalerweise kein Objekt 300 detektieren würde. Nun kann zyklisch der Fokus auf entferntere Ebenen verstellt werden. Ein in einer Ebene befindliches Objekt 300 kann zu höherfrequenten Bildanteilen führen. Der Regelungsalgorithmus kann den Fokus solange nachstellen, bis ein Maximum der hochfrequenten Bildanteile gefunden wurde. In dieser fokussierten Ebene kann sich das Objekt 300 befinden. Damit kann der Abstand des Objekts 300 hinreichend genau ermittelt werden, um im Falle einer Gefährdung durch die Gefahrenstelle eine Sicherheitsreaktion auszulösen.
2 zeigt eine Aufsicht auf das in der 1 gezeigte Sicherheitssystem 100. Der Überwachungsbereich 200 und der Gefahrenbereich 210 weisen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils die Form eines Kreissektors auf. Alternativ können der Überwachungsbereich 200 und der Gefahrenbereich 210 auch beliebige andere geometrische Formen aufweisen. Insbesondere können der Überwachungsbereich 200 und der Gefahrenbereich 210 unterschiedliche geometrische Formen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Sicherheitssystem 100 eine Kamera 110 mit fokusvariabler Linse und einer sehr großen Blendenöffnung aufweisen. Die große Blendenöffnung kann für eine sehr geringe Tiefenschärfe sorgen, so dass durch Fokussieren nur eine sehr schmale Tiefenebene scharf gestellt wird. Alle Objekte 300 vor und hinter dieser fokussierten Ebene können in einem mittels der Kamera 110 aufgenommen Bild unscharf sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sicherheitssystem 100 eine Kontrolleinrichtung 120, beispielsweise ein elektronisches System, aufweisen, welche den Inhalt der erfassten Bilder erfassen und Fourier-transformieren kann. Zudem kann die Kontrolleinrichtung 120 ausgebildet sein, ein Ausgangssignal zur Veränderung des Fokus eines vor der Kamera 110 oder vor einem Bildsensor der Kamera 110 angebrachten Linsensystems zu erzeugen. Beispielsweise umfasst das Ausgangssignal Fokusparameterwerte für das Linsensystem. Die Kontrolleinrichtung 120 kann ferner ausgebildet sein, einen Regelungsalgorithmus auszuführen, welcher durch Verstellen des Fokus und Fourier-Transformation des Bilds das der Kamera 110 nächstliegende Objekt 300 erkennt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kontrolleinrichtung 120 ferner einen Ausgang, wie eine Kommunikationsschnittstelle, zur Erzeugung eines sicheren oder sicherheitsgerichteten Signals aufweisen. Dieses sichere oder sicherheitsgerichtete Signal wird beispielsweise durch den Algorithmus genau dann erzeugt, wenn ein Objekt 300 erkannt wurde, welches sich näher an der Projektionsfläche oder an einem Bildsensor der Kamera 110 befindet, als akzeptabel. Was dabei akzeptabel ist, kann in einem Speicher oder einer Speichervorrichtung der Kontrolleinrichtung 120 hinterlegt sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann durch eine Kombination aus der Autofokus-Technologie von Fotoapparaten mit der dabei implizit enthaltenen Information zum Abstand des fokussierten Objekts 300, einer Optik mit sehr geringer Tiefenschärfe und der Technologie der fokusvariablen Linsen ein Konzept zur Abstandsbestimmung gefährdeter Objekte 300 von einer Gefahrenstelle zur Anwendung in der Funktionalen Sicherheit geschaffen werden.
Bezugszeichenliste

100: Sicherheitssystem
110: Kamera
120: Kontrolleinrichtung
200: Überwachungsbereich
210: Gefahrenbereich
300: Objekt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/003610 A1 [0004]
DE 102013106514 B3 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 61508 [0014]
DIN EN 62061 [0014]
DIN EN ISO 13849 [0014]
DIN EN 61508 [0015]
DIN EN 62061 [0015]
DIN EN ISO 13849 [0015]

Claims

Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation, mit: einer Kamera (110); und einer Kontrolleinrichtung (120); welche ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Werten für zumindest einen Bilderfassungsparameter für die Kamera (110) bereitzustellen; wobei die Kamera (110) ausgebildet ist, für jeden der bereitgestellten Werte ein Bild eines Überwachungsbereichs (200) zu erfassen; wobei die Kontrolleinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, auf Basis der erfassten Bilder eine Position eines Objekts (300) innerhalb des Überwachungsbereichs (200) zu bestimmen; und wobei die Kontrolleinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, ein sicheres Signal zu erzeugen, wenn sich das Objekt (300) zumindest teilweise in einem Gefahrenbereich (210) innerhalb des Überwachungsbereichs (200) befindet.
Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (110) ein fokusvariables Linsensystem umfasst, und dass die Mehrzahl der Werte Fokusparameterwerte für das fokusvariable Linsensystem der Kamera (110) umfasst.
Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das fokusvariable Linsensystem eine Flüssiglinse umfasst.
Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blendenzahl eines Objektivs der Kamera (110) kleiner als 5, insbesondere kleiner als 2, vorzugsweise kleiner als 1 ist.
Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (120) ausgebildet ist, auf Basis der erfassten Bilder des Überwachungsbereichs (200) den bereitgestellten Wert zu bestimmen, für den eine Anzahl von optisch scharfen Teilbereichen des zugehörigen erfassten Bilds des Überwachungsbereichs (200) oder eine Anzahl von Teilbereichen des zugehörigen erfassten Bilds des Überwachungsbereichs (200) mit ausgeprägten Intensitätsgegensätzen maximal ist, um die Position des Objekts (300) innerhalb des Überwachungsbereichs (200) zu bestimmen.
Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (120) ausgebildet ist, für jedes der erfassten Bilder des Überwachungsbereichs (200) eine Fourier-Transformation des jeweiligen Bilds oder eine Ableitung der Intensität nach der Position eines Bildpunkts in dem jeweiligen Bild durchzuführen, um die Anzahl der optisch scharfen Teilbereiche oder die Anzahl der Teilbereiche mit ausgeprägten Intensitätsgegensätzen in dem jeweiligen Bild zu bestimmen.
Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sichere Signal eine Aufforderung zum Herbeiführen eines sicheren Zustands einer automatisiert arbeitenden Maschine innerhalb des Überwachungsbereichs (200) umfasst.
Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (100) eine Kommunikationsschnittstelle zum Aussenden des sicheren Signals an eine speicherprogrammierbare Steuerung oder an ein Sicherheitsschaltgerät umfasst.
Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (100) einen Speicher umfasst, dass in dem Speicher Konfigurationsparameter abgelegt sind, und dass die Konfigurationsparameter die räumliche Ausdehnung des Überwachungsbereichs (200) oder des Gefahrenbereichs definieren.
Sicherheitssystem (100) für die Industrieautomation gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitssystem (100) eine Benutzerschnittstelle zum Konfigurieren des Überwachungsbereichs (200) oder des Gefahrenbereichs (210) aufweist.
Sicherheitsverfahren für die Industrieautomation, mit: Bereitstellen einer Mehrzahl von Werten für zumindest einen Bilderfassungsparameter für eine Kamera (110); Erfassen eines Bildes eines Überwachungsbereichs (200) für jeden der bereitgestellten Werte durch die Kamera (110); Bestimmen einer Position eines Objekts (300) innerhalb des Überwachungsbereichs (200) auf Basis der erfassten Bilder des Überwachungsbereichs (200); und Erzeugen eines sicheren Signals, wenn sich das Objekt (300) zumindest teilweise in einem Gefahrenbereich (210) innerhalb des Überwachungsbereichs (200) befindet.
Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Sicherheitsverfahrens gemäß Anspruch 11, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.