Raumfahrt ohne Risiko

Die typische Aufgabenstellung programmierbarer elektronischer Systeme mit Sicherheitsfunktion (PES) bestand anfangs darin, in Maschinensteuerungen sicherheitsgerichtete I/O-Verknüpfungen zu realisieren, wie es heute von Sicherheits-SPS oder sicheren Feldbussen bekannt ist. Zwischenzeitlich hielt die PES-Technologie auch dort Einzug, wo es um die sichere relative Überwachung gefahrbringender Maschinenbewegungen geht.

Das Überschreiten einer sicherheitsrelevanten Geschwindigkeit, das Überfahren eines Positionsgrenzwertes oder das Verlassen eines sicheren Haltepunkts einer Maschinenachse wird erkannt und führt zu einem sofortigen sicheren Stillsetzen der Maschine. Sichere Antriebe, sichere Antriebssteuerungen oder optionale Baugruppen (im Rahmen zentraler oder dezentraler Sicherheitssteuerungen) stehen hier als Lösungsmöglichkeiten zur Verfügung. Neben der Steuerung bestimmter sicherheitsgerichteter I/O-Funktionalitäten lassen sich Geschwindigkeit und/oder Weg jeder sicherheitskritischen Maschinen- und/oder Peripherie-Achse überwachen.

Überwachung virtueller Arbeitsbereiche

Die achsspezifische Überwachung zeichnet sich mehr und mehr als Stand der Technik ab. Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, insbesondere in der Robotik und ähnlichen Mehr-Achs-Maschinen, die zusätzlich eine Überwachung der kartesischen Geschwindigkeit und Wege sicherheitskritischer Achsen erfordern, also der Bewegung im Raum als Ergebnis des Zusammenspiels mehrerer Achsen.

So können beispielsweise mit einer Sicherheitselektronik – dem Safety-Controller Esalan – an Knickarmrobotern kartesische Nocken gebildet werden, das heißt virtuelle Arbeitsbereiche beliebiger Geometrie, innerhalb derer sich Roboterachsen oder das Roboterwerkzeug bewegen darf oder nicht. Die Sicherheitsfunktion ist dabei so ausgeführt, dass zu jedem Zeitpunkt die Geschwindigkeit in Richtung der virtuellen Begrenzungen überwacht wird. Sie darf nur so groß sein, dass das Abbremsen möglich ist, ohne den erlaubten Bewegungsraum zu verlassen oder in einen unerlaubten Bewegungsraum hinein zu geraten.

Um dieses Schutzziel zu erreichen, werden die achsspezifischen Werte in der Sicherheitselektronik einer Vorwärtstransformation unterzogen, um die Position einzelner Punkte des Bewegungsablaufs des Roboters im Weltkoordinatensystem zu ermitteln. Weil die kartesischen Nocken ebenfalls im Weltkoordinatensystem des Roboters definiert sind, kann man mit Hilfe eines speziellen Algorithmus feststellen, ob die Gefahr einer Verletzung des Nockens vorliegt.

Vorteile für Schutzzäune

Die Funktionalität der kartesischen Nocken ermöglicht es zum Beispiel, Schutzumzäunungen kleiner und leichter zu bauen beziehungsweise sie besser auszunutzen. Die Nocken im Innenraum der Anlage bilden einen vorgelagerten virtuellen Schutzzaun. Geschwindigkeit und Bewegungen werden sicher überwacht und die Maschine in den sicheren Zustand geschaltet, sofern es zu einer Verletzung des virtuellen Arbeitsraums käme (zum Beispiel durch einen Fehlerfall in der betriebsmäßigen Robotersteuerung). Insofern dient der reale Schutzzaun nur noch dazu, Menschen daran zu hindern, in den Arbeitsbereich des Roboters einzudringen – aber nicht mehr umgekehrt. Friedrich Adams (gm)