Sensorik 3D-Radarsystem erhöht die Sicherheit in rauen Umgebungen

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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Bei Funken, Schmutz und Staub sind optische Sensoren keine zuverlässige Lösung. Eine Alternative stellen sichere 3D-Systeme dar. Mit ihnen lassen sich Gefahrenbereiche überwachen – selbst in rauen Umgebungen.

In rauen Umgebungen stoßen optische Sensoren an ihre Grenzen. Entsprechende Applikationen lassen sich deshalb mit diesen Sensoren nicht zuverlässig lösen. Diesem Problem hat sich das Unternehmen Leuze, Anbieter von Optosensorik, angenommen. Mit einem sicheren Radarsystem setzt das Unternehmen auf ein neues Funktionsprinzip in der Sicherheitstechnik. Es sichert Gefahrenbereiche in der Nähe von Maschinen und Anlagen ab und verwendet dabei eine Radar-Technologie wie sie aus der Ortung von Flugzeugen oder Schiffen bekannt ist. Hergestellt wird das 3D-System LBK bei dem italienischen Unternehmen Inxpect S.p.A.

Radarwellen durchdringen nicht-metallische Objekte

Das LBK-System arbeitet in einem Frequenzbereich von 24 GHz. Das bedeutet, dass die elektromagnetischen Wellen kürzer sind als Schall- oder Lichtwellen. Im Gegensatz zu Licht können die Radarwellen nicht-metallische Objekte durchdringen. Die kompakt aufgebauten Sensoren mit ihren integrierten Antennen senden diese Wellen aus und werden an Objekten reflektiert. Die Sensoren empfangen diese Reflektionen und werten sie anschließend aus.

Nutzt man die Eigenschaften der elektromagnetischen Wellen im Radar-Frequenzbereich in Sensoren, lassen sich auch Applikationen realisieren, die mit optischen Sensoren bislang nur unzuverlässig gelöst werden konnten. Auch nicht-metallische Objekte wie zum Beispiel Staub, Schweißfunken oder Späne werden durchdrungen – ohne dass der Sensor beeinflusst wird. Dadurch eignet sich das System vor allem für Applikationen in rauen Umgebungen.

Mensch-Roboter-Kollaboration

Dank Radartechnologie sicher mit schweren Robotern zusammenarbeiten

Ein Beispiel: die Verarbeitung von Holz oder Kunststoff, wo klassischerweise sehr viele Partikel entstehen, die dann in der Luft schweben. Diese Partikel beeinflussen das LBK nicht. Es kann trotzdem Personen erkennen und schützen. Selbst wenn Radarwellen diese Partikel durchdringen, reflektieren sie doch einen kleinen Teil der Wellen. Die Menge der von einer Person reflektierten Radarwellen unterscheidet sich wesentlich von der von Holzspänen oder Feuchtigkeit. Somit kann das LBK erkennen, ob es sich bei der Reflektion um einen Menschen oder nicht-metallische Partikel handelt. Bei einer Person schaltet sich das System sicher ab.

Der Sensor strahlt seine Radarwellen in einen dreidimensionalen Raum aus, sodass nicht nur seine Fläche, sondern sein Volumen überwacht wird. Somit erkennt das System Personen, die einen gefährlichen Bereich betreten oder sich in diesem aufhalten, unabhängig davon ob sie stehen, knien oder liegen.

Neues Funktionsprinzip in der Sicherheitstechnik

Das 3D-Radarsystem arbeitet nicht nur in einem für die Sicherheitstechnik neuen Wellenlängenbereich. Es verwendet mit FMCW auch ein in der Sicherheitstechnik neues Funktionsprinzip. FMCW steht für: Frequency Modulated Continuous Wave. Dabei verändert sich die Sendefrequenz innerhalb einer definierten Bandbreite. Beginnend bei einer Grundfrequenz steigt sie kontinuierlich an bis zu einer maximalen Frequenz und kehrt dann wieder zur Grundfrequenz zurück. Reflektiert eine Person dieses Signal, erreicht es den Empfänger zeitversetzt. Durch eine Subtraktion des Empfangssignals vom Sendesignal ergibt sich eine Differenzfrequenz. Bleibt die Entfernung zwischen dem LBK-Sensor und der Person gleich, behält auch die Differenzfrequenz ihren Wert bei. Bewegt sich hingegen die Person, verändert sich der Zeitversatz zwischen dem gesendeten und empfangenen Signal - und damit auch die Differenzfrequenz. Je schneller sich die Person bewegt, desto stärker ändert sich die Differenzfrequenz. Auf diese Weise kann der LBK-Sensor die Geschwindigkeit der Person bestimmen.

Mit Radar-Doppler Bewegungen exakt bestimmen

Dieses Verfahren wird auch Radar-Doppler genannt. Mit ihm lassen sich Bewegungen genau bestimmen. Der LBK-Sensor detektiert somit nicht nur eine sich bewegende Person, sondern auch eine, die gerade stillsteht – denn auch dann bewegen sich Personen minimal. Das nutzt der Sensor aus, um eine Person in einem Gefahrenbereich von einem statischen Objekt wie beispielsweise einer Palette oder einem Materialbehälter sicher zu unterscheiden und ein sicheres Abschaltsignal für die Maschine zu erzeugen.

So können zum Beispiel komplett statische, bewegungslose Materialbehälter im Schutzbereich stehen gelassen werden, ohne dass sie zu einer Prozessunterbrechung führen.

Schutz vor ungewolltem Wiederanlauf

Zusätzlich zum Einsatz in rauen Umgebungen kommt das sichere Radarsystem vor allem beim Schutz vor ungewolltem Wiederanlauf und zur Überwachung nicht einsehbarer Bereiche zum Einsatz. Anwender können es individuell anpassen.

Das System besteht aus einem Controller, an den bis zu sechs Radarsensoren angeschlossen werden können. Durch die Positionierung der Sensoren, die einstellbare Reichweite sowie den wählbaren Öffnungswinkel lässt sich der überwachte Bereich dem Gefahrenbereich flexibel anpassen. So lassen sich auch Bereiche an Stufen oder Sockeln zuverlässig überwachen. Die Systemparameter kann der Anwender über die einfach bedienbare Konfigurationssoftware festlegen.

* Rolf Brunner, Senior Safety Expert, Leuze Electronic

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