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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Beispielsweise dienen sichere Sensoren, insbesondere Lichtvorhänge für die Sicherheitstechnik zur Absicherung von gefahrbringenden Maschinen, wie Gesenkbiegepressen, Stanzmaschinen, Schneidwerkzeugen, Schweißrobotern und dergleichen. Der Lichtvorhang bzw. der Sicherheitslichtvorhang schützt dabei vor unzulässigem Eindringen in Gefahrenbereiche, indem das durch den Sicherheitslichtvorhang aufgespannte Schutzfeld auf Verletzung durch ein Objekt überwacht wird. Wird das Schutzfeld verletzt, gibt der Sicherheitslichtvorhang ein entsprechendes Sicherheitsschaltsignal aus, das z. B. ein Abschaltsignal für die gefahrbringende Maschine sein kann. Derartige Lichtvorhänge als Sicherheitssensoren müssen zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS) und in der Applikation die Norm EN13849 für Maschinensicherheit.
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Viele Jahre wurde die Sicherheit von Maschinensteuerungen durch die Anwendung der Norm DIN EN 954-1 bewertet. Hier wurden im Wesentlichen strukturelle Aspekte, wie z. B. eine Einfehlersicherheit zur Beurteilung herangezogen.
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Mit der Nachfolgenorm DIN EN 13 849-1 hält die Berechnung der Wahrscheinlichkeit für einen gefährlichen Ausfall pro Stunde (Probability of dangerous failure per hour-PFH) von Sicherheitsfunktionen Einzug in den Maschinenbau.
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Sicherheitsfunktionen dienen der Risikominderung an Maschinen, z. B. der Vermeidung eines unerwarteten Anlaufs von Motoren bei geöffneter Schutztür. Die Anforderungen an die Qualität einer Sicherheitsfunktion werden in einer Risikoanalyse durch einen erforderlichen Performance Level PLr festgelegt. Der tatsächlich erreichte Performance Level PL darf nicht niedriger sein als der erforderliche Performance Level PLr. Hierbei spielt neben weiteren Aspekten insbesondere die Höhe der PFH eine Rolle. Dazu wird ermittelt, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Steuerungsversagen auftritt, durch das eine Sicherheitsfunktion ausfällt und Personen gefährdet werden können.
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Die Sicherheitslichtvorhänge bestehen in der Regel aus zwei optischen Einheiten, wobei in der einen optischen Einheit eine Reihe Lichtsender und in der anderen optischen Einheit eine entsprechende Reihe Lichtempfänger angeordnet ist, so dass einzelne Lichtsender und Lichtempfänger sich paarweise gegenüberliegen und zwischen sich das Schutzfeld des Sicherheitslichtgitters bilden. Bei Unterbrechung wenigstens eines Lichtstrahls, was durch einen Lichtempfänger detektiert wird, erfolgt die Ausgabe des Sicherheitsschaltsignals.
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Wenn berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (Abkürzung BWS), wie beispielsweise Lichtvorhänge hintertretbar sind, müssen abhängig von einem zu erzielenden Sicherheitsniveau weitere Schutzmaßnahmen zur Absicherung verwendet werden, wie z. B. ein Hintertretschutz, der ein unerkanntes Hintertreten einer Primärabsicherung unmöglich macht. Bei berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen sieht eine Anwendung häufig so aus, dass ein Lichtvorhang vertikal als primäre Schutzeinrichtung angebracht wird und ein weiterer Lichtvorhang horizontal als Hintertretschutz. Häufig werden Primär- und Sekundärabsicherungen miteinander verbunden, damit nur ein Abschaltpfad für die Anlage benötigt wird. Das spart Sicherheitseingänge an der Sicherheitssteuerung und vereinfacht die Verdrahtung.
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Bei vielen Anwendungen wäre es jedoch wünschenswert, eine Kombination von Lichtvorhang und Laserscanner vorzunehmen, beispielsweise den Lichtvorhang als primäre Schutzeinrichtung und den Laserscanner als sekundäre Schutzeinrichtung.
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Wenn mehrere optische Sensoren miteinander verbunden sind und ein gemeinsames Abschaltsignal an eine Sicherheitssteuerung abgeben, besagt die Norm EN 13849-1 sinngemäß, dass ein Performance Level PL der Einzelkomponenten also der Sensoren dem Performance Level PLr (Performance Level required) der Anlage entsprechen muss. Die Performance Level sind kategorisiert, z. B. PLc, PLd und PLe, wobei mit zunehmendem Index der Grad der Sicherheit zunimmt, also ein Gerät mit Performance Level PLe eine höhere Sicherheit aufweist, als ein Gerät mit Performance Level PLd.
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Eine klassische Hintertretschutzfunktion zwischen Sicherheitslichtvorhang und Sicherheitslaserscanner oder auch anderen Sicherheitssensoren oder Sicherheitsschaltern wird dann immer durch das sicherheitstechnisch schwächste Glied der Kette bedingt. D. h. ein Lichtvorhang mit Performance Level PLe und ein verbundener Laserscanner mit Performance Level PLd werden im Verbund mit dem Lichtvorhang nur in Anlagen Einsatz finden, die maximal einen Performance Level PLd benötigen. Dies obwohl der Sicherheitslichtvorhang mit Performance Level PLe häufig die Primärabsicherung darstellt. Wenn nun aber in der Anlage Performance Level PLe als Primärabsicherung gefordert ist, wird das System aus Primär- und Sekundärabsicherung nahezu auf Sicherheitslichtvorhänge mit Performance Level PLe beschränkt.
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Häufig befinden sich Anlageteile so im Hintertretschutzraum, dass starre Sicherheitslichtvorhänge nur schwer montierbar sind. Dadurch kommen Sicherheitslaserscanner zum Einsatz, die, direkt an den Lichtvorhang angeschlossen, den gesamten Performance Level PL auf PLd beschränken würden.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Anlagensicherheit unter dem Gesichtspunkt der funktionalen Sicherheit zu lösen.
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Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch System mit einem ersten sicheren Sensor mit einer ersten Steuer- und Auswerteeinheit und mit einem zweiten sicheren Sensor mit einer zweiten Steuer- und Auswerteeinheit, wobei die Sensoren elektronisch miteinander verbunden sind, wobei die Sensoren jeweils einen Wert für eine durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls je Stunde aufweisen, wobei die Werte für die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls je Sensor unterschiedlich sind, wobei der zweite sichere Sensor eine höhere durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls aufweist als der erste Sensor, wodurch der erste Sensor einen höheren Performance Level aufweist als der zweite Sensor, wobei die erste Steuer- und Auswerteeinheit und die zweite Steuer- und Auswerteeinheit gekapselt sind und jeweils einen gleich hohen Wert für eine durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls aufweisen, wobei der Wert für die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls der Steuer- und Auswerteeinheiten dem Wert für die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls des ersten Sensors entspricht.
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Das System aus erstem sicheren Sensor und zweitem sicheren Sensor hat jeweils pro Sensor unterschiedliche Sicherheitsfunktionen, obwohl diese elektronisch miteinander verbunden sind.
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Gemäß der Erfindung sind die Steuer- und Auswerteeinheiten bzw. Logikeinheiten des ersten Sensors und des zweiten Sensors gekapselt, so dass zwei Werte für eine durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls zur Berechnung der funktionalen Sicherheit pro sicherem Sensor möglich sind. Ein PFHD Wert gilt für den sicheren Sensor inklusive der Steuer- und Auswerteeinheit, der andere PFHD Wert für die gekapselten Steuer- und Auswerteeinheit.
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Gemäß der Erfindung ist es nun möglich, dass eine Primärfunktion beispielsweise ein Maschinenstopp über den PFHD Wert des sicheren Sensors gelöst werden kann und damit Performance Level PLe erreichen kann. Eine zweite Sicherheitsfunktion beispielsweise ,ungewollter Anlauf verhindern‘ wird über den PFHD Wert aus der Steuer- und Auswerteeinheit des sicheren Sensors berechnet.
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Damit können mehrere voneinander getrennt betrachtete Sicherheitsfunktionen berechnet werden, mit dem Vorteil, dass die sicheren Sensoren, insbesondere optoelektronische Sensoren oder sichere Schalter elektronisch miteinander verbunden werden können, ohne dass der Performance Level PLr der Gesamtanlage durch einen geringeren Performance Level in der Kette negativ beeinflusst wird. Das System oder die Anlage kann so sicherheitstechnisch betrachtet werden, wie es die Risikobeurteilung erfordert.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der erste Sensor ein Lichtvorhang und der zweite Sensor ein Laserscanner.
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Laserscanner haben ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten und werden in vielen Bereichen zur Sicherung von Maschinen und Anlagen eingesetzt.
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Basierend auf dem Prinzip der Lichtlaufzeit-Messung tastet ein Laserscanner wie ein optisches Radar seine Umgebung ab und erkennt zuverlässig Objekte in definierten Überwachungs- oder Schutzfeldern. Das tastende Messprinzip, das nicht auf ein festes Referenzziel angewiesen ist, macht Laserscanner äußerst flexibel und insbesondere auch für mobile Applikationen oder Bereiche mit einer komplexen Kontur anwendbar. Laserscanner arbeiten beispielsweise nach dem Lichtlaufzeitprinzip mit einem ersten Lichtsender, der aufeinanderfolgende erste Lichtimpulse in einen Messbereich aussendet und mit einem ersten Lichtempfänger, welcher die an einem Objekt im Messbereich zurückgeworfenen Lichtimpulse aufnimmt und in Form von elektrischen Empfangssignalen einer Auswerteeinheit zuführt, die unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit aus der Zeit zwischen Aussendung und Empfang des Lichtimpulses ein für den Abstand des Objektes zum Laserscanner repräsentatives Abstandssignal ermittelt sowie einer zwischen dem ersten Lichtsender und dem Messbereich angeordneten Lichtablenkeinheit, welche die Lichtimpulse in sich fortlaufend verändernden Richtungen in den Messbereich umlenkt.
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Die Verwendung optischer Strahlung erlaubt es, Öffnungswinkel von Sender und Empfänger durch optische Elemente zu formen. In der Regel wird dabei der Sendestrahl möglichst kollimiert und die Empfangskeule an die Geometrie des Sendestrahls angepasst, um ein möglichst hohes Messsignal zu generieren und gleichzeitig unempfindlich gegen Fremdlicht und andere Störer zu sein. Die optischen Elemente beeinflussen maßgeblich den abstandsabhängigen Signalpegel, der vom Empfänger für ein Target, bzw. ein Objekt einer bestimmten Remission detektiert wird. Der Fachmann spricht hier von der Signaldynamik des Systems.
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Lichtvorhänge bzw. Sicherheitslichtvorhänge dienen der Sicherheitstechnik, beispielsweise zur Absicherung von gefahrbringenden Maschinen, wie Gesenkbiegepressen, Stanzmaschinen, Schneidwerkzeugen, Schweißrobotern und dergleichen. Der Sicherheitslichtvorhang schützt dabei vor unzulässigem Eindringen in Gefahrenbereiche, indem das durch den Sicherheitslichtvorhang aufgespannte Schutzfeld auf Verletzung durch ein Objekt überwacht wird. Wird das Schutzfeld verletzt, gibt der Sicherheitslichtvorhang ein entsprechendes Sicherheitsschaltsignal aus, das z. B. ein Abschaltsignal für die gefahrbringende Maschine sein kann.
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Der Lichtvorhang bestehen in der Regel aus zwei optoelektronischen Einheiten, wobei in der einen Einheit eine Reihe Lichtsender und in der anderen eine entsprechende Reihe Lichtempfänger angeordnet sind, so dass einzelne Lichtsender und Lichtempfänger sich paarweise gegenüberliegen und zwischen sich das Schutzfeld oder Überwachungsfeld des Lichtvorhangs bilden. Bei Unterbrechung wenigstens eines Lichtstrahls, was durch einen Lichtempfänger detektiert wird, erfolgt die Ausgabe des Sicherheitsschaltsignals oder eines Objektfeststellungssignals.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Steuer- und Auswerteeinheit redundant ausgebildet, wobei zwei Mikrocontroller bzw. Auswerteinheiten vorgesehen sind, die sich gegenseitig überwachen.
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Der sichere Sensor bzw. Sicherheitssensor weist mindestens einen ersten Mikrocontroller mit einem ersten Auswerteprogramm und mindestens einen zweiten Mikrocontroller mit einem zweiten Auswerteprogramm auf, wodurch ein zweikanaliges System gebildet wird, wobei jeder Mikrocontroller bzw. jede Auswerteeinheit mit einem Arbeitsspeicher verbunden ist und jede Auswerteeinheit einen Programmspeicher aufweist, wobei zwischen den Auswerteeinheiten ein bidirektionaler Kommunikationskanal angeordnet ist, wodurch ein Quervergleich der Auswerteergebnisse zwischen den Auswerteeinheiten durchführbar ist, wodurch eine redundante Steuer- und Auswerteeinheit gebildet ist.
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Das Auswerteprogramm kann auch als Firmware bezeichnet werden. Das Auswerteprogramm zeichnet sich dadurch aus, dass dieses Programm ein geprüftes geschlossenes Programm ist, das beispielsweise den Sicherheitsstandards von Sicherheitsnormen, beispielsweise der EN61496 oder der EN61508 oder ähnlichen Sicherheitsnormen entspricht.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die erste Auswerteeinheit diversitär zur zweiten Auswerteeinheit ausgebildet. Die Auswerteeinheiten sind dabei unterschiedlich. Beispielsweise sind die Auswerteeinheiten durch Mikrocontroller, Mikroprozessoren, Digitale Signalprozessoren, FPGA, ASICs oder ähnliche Bausteine gebildet. Beispielsweise werden unterschiedliche Mikrocontroller als jeweils unterschiedliche Auswerteeinheit eingesetzt.
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Durch den Einsatz von verschiedenen Auswerteeinheiten werden systematische Fehler vermieden, die möglicherweise bei der Hardware einer Auswerteeinheit vorhanden sind. Sind beispielsweise einzelne Speicherzellen defekt, so ist die Wahrscheinlichkeit eines identischen Defekts bei einer unterschiedlich ausgebildeten zweiten Auswerteeinheit sehr gering.
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Durch diversitäre Auswerteeinheiten kann die Sicherheit des Sicherheitssensors gegenüber einer redundanten Ausbildung weiter erhöht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Auswerteprogramm eine Software-Abstraktionsschicht auf, welche eine Auswahl von Betriebsdaten des Sicherheitssensors in einem lesbaren Speicherbereich zur Verfügung stellt. Beispielsweise können die Strahldaten des Lichtgitters oder die Scandaten eines Laserscanners in diesem Speicherbereich zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind sichere und/oder nicht sichere Daten und/oder Signale von einer Anlage über Eingänge des Sicherheitssensors in die Auswerteeinheit des Sicherheitssensors einlesbar. Dabei handelt es sich beispielsweise um Muting-Signale für eine Muting-Anwendung oder um Ausgabesignale der Anlage für eine Vermessung von Objekten. Weiter kann es sich auch beispielsweise um ein Bandgeschwindigkeitssignal bzw. Bandencoder-Signale handeln. Insbesondere bei komplexen Anwendungen ist das Einlesen solcher Daten sinnvoll, da der Sicherheitssensor Zusatzinformation verarbeiten kann, um beispielsweise komplexere Anwendungen zu lösen.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
- 1 ein System mit einem ersten sicheren Sensor mit einer ersten Steuer- und Auswerteeinheit und mit einem zweiten sicheren Sensor mit einer zweiten Steuer- und Auswerteeinheit.
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In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein System S mit einem ersten sicheren Sensor AOPD1 mit einer ersten Steuer- und Auswerteeinheit SA1 und mit einem zweiten sicheren Sensor AOPD2 mit einer zweiten Steuer- und Auswerteeinheit SA2, wobei die Sensoren AOPD1 und AOPD2 elektronisch miteinander verbunden sind, wobei die Sensoren AOPD1 und AOPD2 jeweils einen Wert für eine durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls je Stunde PFHD1, PFHD2 aufweisen, wobei die Werte für die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls PFHD1, PFHD2 je Sensor AOPD1, AOPD2 unterschiedlich ist, wobei der zweite sichere Sensor AOPD2 eine höhere durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls PFHD2 aufweist als der erste Sensor AOPD1, wodurch der erste Sensor AOPD1 einen höheren Performance Level PL1 aufweist als der zweite Sensor AOPD2, der einen Performance Level PL2 aufweist, wobei die erste Steuer- und Auswerteeinheit SA1 und die zweite Steuer- und Auswerteeinheit SA2 gekapselt sind und jeweils einen gleich hohen Wert für eine durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls PFHD3, PFHD4 aufweisen, wobei der Wert für die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls PFHD3, PFHD4 der Steuer- und Auswerteeinheiten SA1, SA2 dem Wert für die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls PFHD1 des ersten Sensors AOPD1 entspricht.
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Gemäß 1 ist der erste Sensor AOPD1 ein Lichtvorhang LV und der zweite Sensor AOPD2 ein Laserscanner LS.
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Gemäß 1 ist die Steuer- und Auswerteeinheit SA1 und SA2 redundant ausgebildet, wobei zwei Mikrocontroller MC vorgesehen sind, die sich gegenseitig überwachen.
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Bezugszeichenliste
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- S
- System
- AOPD1
- erster sicherer Sensor
- SA1
- erste Steuer- und Auswerteeinheit
- PFHD1, PFHD2, PFHD3, PFHD4
- durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls je Stunde
- PL1, PL2
- Performance Level
- AOPD2
- zweiter sicherer Sensor
- SA2
- erste Steuer- und Auswerteeinheit
- LV
- Lichtvorhang
- LS
- Laserscanner
- MC
- Mikrocontroller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015113364 B3 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 954-1 [0003]
- DIN EN 13 849-1 [0004]
