Bei der Absicherung von Gefahrstellen und Gefahrbereichen an Maschinen und Anlagen werden in der Sicherheitstechnik derzeit die bekannten Systeme wie \’trennende verriegelte Schutzeinrichtungen\‘ (z.B. Umzäunung mit steuerungstechnisch abgesicherten Zugängen) sowie \’nicht trennende Schutzeinrichtungen optischer Art\‘ (z.B. Sicherheits-Lichtgitter oder -Laserscanner) verwendet. Kamerasysteme, die in der Produktions- und Überwachungstechnik bekannt und etabliert sind, wurden in der Vergangenheit noch nicht für sicherheitstechnische Anwendungen mit direkter steuerungstechnischer Verknüpfung eingesetzt, da derartige Systeme, die die Anforderungen an einen definierten Safety Integrity Level (SIL) oder Performance Level (PL) erfüllen, nicht am Markt verfügbar waren. Die gestiegenen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Produktionsanlagen fordert jedoch auch gleichermaßen eine immer größere Flexibilität an die eingesetzten Schutzeinrichtungen. Somit stellt sich natürlich die Frage, ob nicht auch Kamerasysteme mit flexibler Konfiguration von Schutz- und Warnfeldern für die Überwachung von industriellen Fertigungsanlagen eingesetzt werden können. Je nach Abhängigkeit der einzelnen Produktionsschritte könnten zugehörige Schutz- und Warnfelder aktiviert werden. Dies setzt eine direkte Verbindung zwischen dem eingesetzten Produktionsrechner, der Sicherheitssteuerung und einem sicheren Kamerasystem als Schutzeinrichtung voraus.
Sicherheitstechnische Anforderungen
Das Grundprinzip eines jeden Sicherheitssystems ´Sensorik-Logik-Aktorik´ gilt natürlich auch für eine sicherheitsgerichtete Kamera, wobei jedoch bei einer näheren Betrachtung die Umsetzung für die Realisierung einer Schutzeinrichtung nicht ohne einen größeren Aufwand durchführbar ist. Bisherige vorhandene im Markt verfügbare Kameratechnik kann nicht zur Überwachung von Gefahrstellen eingesetzt werden, da…
- die Bilderfassung nicht sicherheitsgerichtet im Sinne der Fehlerbetrachtung der europäischen Richtlinien und Normen für die Auslegung sicherer Maschinen und Anlagen erfolgt
- die Bildauswertung sowie die daraus abzuleitende Reaktion für den Maschinenzyklus durch den Bediener durchgeführt werden muss (visuelle Kontrolle)
- die Bildauswertung mit nicht sicherheitsgerichteten Algorithmen und Softwaremodulen erfolgt
- das Detektionsvermögen nicht für alle anzunehmenden optischen Umwelteinflüsse konzipiert wurde.
Damit Kamerasysteme jedoch auch in der Maschinen- und Anlagentechnik zur Absicherung von Gefahrstellen eingesetzt werden können, müssen sie demnach folgende Voraussetzungen erfüllen:
- Es muss eine sichere Bilderfassung im Sinne der Anforderungen der europäischen Maschinenrichtlinie erfolgen
- Ein automatisches und sicheres Erkennen von Menschen in einem definierten Gefahrenbereich muss jederzeit gewährleistet sein
- Eine sicherheitsgerichtete Verarbeitung der aufgenommenen Bilder und die sicherheitstechnische Einbindung in die Steuerung einer Maschine oder Produktionsanlage müssen die Anforderungen an das jeweilig notwendige Sicherheitsniveau erfüllen.
Die elektronischen Anforderungen an ein \’sicheres Kamerasystem\‘ unterscheiden sich grundsätzlich nicht von den Anforderungen an ein Sicherheitsbussystem oder eine Sicherheits-SPS. Die Bilderfassung sowie die notwendige Bildverarbeitung und die Bildauswertung erfordern jedoch den Einsatz von Algorithmen, die bisher noch nicht in der Sicherheitstechnik verwendet wurden. Darüber hinaus sind die \’optischen Umwelteinflüsse\‘ einer Produktionsanlage derart zu berücksichtigen, dass Sicherheit und Verfügbarkeit gleichermaßen gewährleistet werden. Gerade diese Anforderungen an die eingesetzte Optik stellen große Ansprüche an die jeweilige Sensoreinheit. Antworten auf die Fragen \“Wie ist die Reaktion, wenn das Umfeld zu dunkel oder zu hell wird? Welche Störeinflüsse – z.B. Schweißfunken, Schattenbildung, Reflexionen – müssen beherrscht werden?\“ lassen sehr schnell erkennen, dass bei der Definition der jeweiligen sicherheitsgerichteten Reaktion ggf. Maßstäbe anzulegen sind, die von einem sicherheitsgerichteten Abschalten der gefahrbringenden Bewegungen, wie es in der Steuerungstechnik meist angewendet wird, erheblich abweichen können. Neben den Anforderungen an die Bildaufnahme und der sicherheitsgerichteten Verarbeitung ist bei einem Sicherheitskamerasystem insbesondere zu beachten, dass nicht ein 2D-Schutzfeld überwacht wird, sondern ein 3D-Schutzraum. Hieraus resultieren besondere Anforderungen an das Parametriersystem und die optische Anzeige des Schutzraums. Ein Bediener kann einen Schutzraum nicht erkennen, da keine \’3D-Markierungen\‘ vorhanden sind. Es ist somit ein komfortables Parametrierprogramm für die Erstellung von 3D-Schutzräume erforderlich. Die Anforderungen für eine bedienergerechte Umsetzung müssen erprobten Bedienkonzepten vorhandener Maschinen und Anlagen entsprechen.
Sichere 2D-Kamerasysteme
2D-Kamerasysteme überwachen nicht einen Raum, sondern können am einfachsten mit der Funktion eines Lichtgitters verglichen werden, das ein Schutzfeld überwacht. Jedoch wird das freie Schutzfeld nicht durch eine klassische Sender-Empfängereinheit mit LED-Technik detektiert, sondern durch ein optisches System – eine Kamera -, das einen klar definierten und freien Hintergrund erwartet. Es arbeitet also nach dem Prinzip der \’Erwartungshaltung\‘, da das Muster des Hintergrundes – z.B. ein vorgegebenes Reflektorband, eine definierte Struktur – bekannt und in dem System selbst abgespeichert ist. In einem kompakten Gehäuse sind das Kameraobjektiv, zusätzliche LEDs für die Beleuchtung der Szene sowie für die optische Zustandsanzeige eines Systems enthalten. Eine für 3D-Kamerasysteme typische Schutzfeldkonfiguration kann entfallen, da die Systeme das Schutzfeld mittels einer Teach-Taste im Einrichtvorgang selbstständig aufbauen. Die Kantenlängen des Schutzfeldes sind auf ein bestimmtes Maß begrenzt, um die garantierte Auflösung einhalten zu können. Die Kontrolle des Schutzfeldes wird mittels eines Prüfstabes abgeschlossen. Es ist also lediglich eine Verbindung mit der Maschinensteuerung erforderlich, was die Montagezeit und den Montageaufwand erheblich verringert. Ein Vergleich mit einem Lichtschrankensystem, das mit einem definierten Spiegel arbeitet, mag naheliegen, ist jedoch unzutreffend. Die Auswertung des freien Schutzfeldes wird nach den Anforderungen an sicherheitsgerichtete Kamerasysteme durchgeführt. Dies wird sowohl durch die fehlersichere Hardware im Zusammenhang mit der Reaktion auf die Maschinensteuerung als auch durch die verwendeten Software-Algorithmen bzgl. der Bildauswertung realisiert. Die Anforderungen des Typ 3 nach IEC61496-1, PLd, Kategorie 3 nach ISO13849-1 und SIL2 nach IEC61508 werden erfüllt.
Sichere 3D-Kamerasysteme
3D-Kamerasysteme bestehen bisher grundsätzlich aus drei Basis-Komponenten: einer Sensoreinheit, einem Hochleistungsrechner und einer Sicherheitssteuerung. Die Sensoreinheit selbst beinhaltet die hochdynamischen Kameras und liefert die Bilddaten des zu überwachenden Raumes. Die Auswerteeinheit besteht aus Hochleistungsrechnern, die die Bilddaten der Kameras empfangen. Anhand hochkomplexer und sicherer Algorithmen wird ein 3D-Bild berechnet, sodass Objekte räumlich erkannt und ihre Positionen exakt bestimmt werden können. Die Daten werden mit den im System konfigurierten Schutzräumen überlagert, sodass berechnet werden kann, ob eine Schutzraumverletzung vorliegt. Die Ergebnisse der Bildverarbeitung werden an eine integrierte oder externe Sicherheitssteuerung übergeben, die mit ihren Ein- und Ausgängen als Schnittstelle zur Maschinensteuerung dient. Bei einer Schutzraumverletzung werden die konfigurierten Ausgänge sicherheitsgerichtet ausgeschaltet. Eine Vernetzung des Kamerasystems innerhalb einer komplexen Anlagen- oder Maschinensteuerung kann über sicherheitsgerichtete Bussysteme erfolgen. Für die Schutzraumkonfiguration muss eine speziell entwickelte Software verwendet werden, die es auch ermöglicht, bereits in der Projektierungsphase geometrische Abmessungen der Schutzbereiche mit der tatsächlichen Maschinengeometrie abzugleichen, um Schutz- oder Warnräume zu realisieren und zu parametrieren. Schutz- und Warnräume können zu komplexen Raumordnungen zusammengefasst werden. In Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsarten einer Maschine können somit unterschiedliche Raumanordnungen während des Arbeitszyklus der Maschine dynamisch umgeschaltet werden. Realisierte Sicherheitskamerasysteme können für den Einsatz in Maschinensteuerungen angewendet werden, in denen Steuerungsfunktionen die Anforderungen des Performance Level d gem. EN ISO13849-1 oder SIL2 gem. IEC61508 erfüllen müssen.
