SafetyEYE Innovatives Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen

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1 SafetyEYE Innovatives Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen Hochschule für Technik Stuttgart 7. Tag der Informationslogistik Stuttgart, Dietmar Döttling, Dipl.-Ing. (FH) Bereichsleiter Entwicklung Produkte Pilz GmbH & Co. KG

2 Überblick Inhalt 1. Vorstellung Pilz GmbH & Co. KG 2. Einführung in die Sicherheitstechnik 3. SafetyEYE Aufbau und Funktionsweise 4. SafetyEYE Applikationsbeispiele 5. CMOS Bildsensoren und deren Vorteile 6. Stereokameras und Stereoprinzip 7. Normative Anforderungen an Sicherheitskameras 8. Zusammenfassung / Ausblick HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 2

3 Unternehmen 1948 gegründetes, unabhängiges Unternehmen der Automatisierungstechnik Hauptsitz in Ostfildern bei Stuttgart Mitarbeiter: über weltweit Umsatz 2012: 227 Millionen Euro 67,8 % Export HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 3

4 Pilz Kompetenz-Zentren Gebündeltes Know-how in Kompetenzzentren: Ostfildern, Deutschland: Hauptsitz; Entwicklung und Produktion Kaufbeuren, Deutschland: Motion Kompetenz Cork, Irland: Entwicklung Software Betschdorf, Frankreich: Produktion Darüber hinaus: Weltumspannendes Pilz Netzwerk 31 Niederlassungen 15 Handelspartner um kurze Lieferzeiten und schnelle Service vor Ort zu gewährleisten HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 4

5 Marktführerschaft durch Technologieführerschaft HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 5

6 Produktspektrum Sensorik Steuerungstechnik Antriebstechnik Netzwerke Bedien- und Visualisierungssysteme Software HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 6

7 Seilbahn Gletscherbus in Hintertux Türzuhaltung Geschwindigkeitsüberwachung Seilgeschwindigkeit Beschleunigungsstrecke Verzögerungsstrecke Abstand der Gondeln Seilspannung Klemmkraftmessung Auswertung Windgeschwindigkeit Not-Halt HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 7

8 Windpark Windgeschwindigkeit Überwachung des Pitch Winkels auf Fehlstellung Rotordrehzahl Generatordrehzahl und Temperatur Überwachung Bremssystem Überwachung der Kabelverdrillung zwischen Turm und Gondel Überspannung / Kurzschluss Abschalten bei Netzverlust Stillstand bei Not-Halt HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 8

9 Einführung in die Sicherheitstechnik Sicherheitssysteme müssen Fehler, Ausfälle und Ausnahmen (Anomalien) abfangen Fehlertoleranz Möglichkeiten um Anomalien zu erkennen 1. Reagierend In der Praxis wird oft Kombination beider 2. Agierend Methoden gewählt Ausnutzung der Fehlertoleranz 1. Hoch verfügbare Systeme 2. Fehlersichere Systeme (Fail Safe) sichere Zustand 3. Sanfte Rückstufung (Fail Graceful) reduzierte Funktion / Sicherheitsintegrität HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 9

10 Eigenschaften technischer Prozesse Langsamer Prozess Fehlersichere Prozesse (Zustimmprinzip n von n ) pilz PRESSENSIM ULATOR Hochverfügbare Prozesse (Mehrheitsprinzip n von m ) Schneller Prozess HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 10

11 Beispiel Sicherheitssteuerungen Aufbau eines sicheren Steuerungssystems: Zwei getrennte Kanäle Diversitärer Aufbau mit unterschiedlicher Hardware Ständiger Test der Ein- und Ausgänge Ständiger Vergleich der Anwenderdaten Spannungs- und Zeitüberwachung Sichere Abschaltung im Fehler-/ Gefahrenfall Prinzipaufbau eines sicheren Steuerungssystems HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 11

12 SafetyEYE - Funktionsprinzip Das sichere Kamerasystem SafetyEYE zur dreidimensionalen Raumüberwachung schützt Mensch und Maschine vor gefahrbringenden Arbeitsprozessen Die Sensoreinheit wird über dem zu überwachenden Raum installiert. Objekte oder Personen, die in den Warn- oder Schutzraum eintreten, werden durch Algorithmen der Bildverarbeitung detektiert HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 12

13 SafetyEYE Produktmerkmale Körperschutz bis 7,5 m Reichweite Max. Sichtbereich ca. 72 m² Zugelassen durch die Berufsgenossenschaft Nutzt Umgebungslicht HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 13

14 SafetyEYE Systemkomponenten Sensoreinheit PSEN sesu Erzeugt Bilddaten mit Hilfe von 3 hochdynamischen Bildsensoren Auswerteeinheit PSEN seau Berechnet ein 3D-Bild aus den einzelnen Bilddaten und überprüft die vorkonfigurierten Warn-/ Schutzräume Sicherheitssteuerung PSS Prüft die Ergebnisse der Auswerteeinheit und steuert OSSDs und Signalleuchte HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 14

15 SafetyEYE Configurator Projekt einrichten Schutzräume definieren, IO Konfiguration erstellen Download und Funktionstest HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 15

16 SafetyEYE Beispielapplikation Nacharbeitsstation Karosserierohbau Automobilindustrie: Absicherung durch Lichtgitter / Laserscanner HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 16

17 SafetyEYE Applikation Stanztiegel Höhere Sicherheit durch dynamische Schutzfeldumschaltung Ersatz vieler unterschiedlicher Sicherheitseinrichtungen HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 17

18 CMOS Bildsensoren Was spricht für den Einsatz von CMOS Bildsensoren? Kundenspezifische Anpassungen möglich Intelligenz / Verarbeitung bereits im Sensor realisierbar Schnelles Auslesen von kleinen Bildbereichen Einfache Sensoransteuerung HDRC Bildsensoren (High-Dynamic-Range CMOS) Hoher Dynamikbereich Logarithmische Kennlinie HDRC VGAx Miniature Imaging System Quelle: IMS CHIPS, Stuttgart HDRC Bildsensoren im LCC48 Gehäuse Quelle: IMS CHIPS, Stuttgart HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 18

19 CMOS Bildsensoren Besondere Eigenschaften Extrem hohe Dynamik: bis zu 170 db 8 Dekaden (= 108) Dynamikbereich von HDRC - und anderen Bildsensoren Quelle: IMS CHIPS, Stuttgart HDRC Image Glühlampe Quelle: IMS CHIPS, Stuttgart HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 19

20 CMOS Bildsensoren Triggerbarer Full Frame Shutter Gleicher Belichtungszeitpunkt für alle Bildpunkte (bewegte Objekte) Synchronisierte Bildaufnahme aller Kameramodule einer Stereokamera HDRC Image Ventilator, links mit global Shutter, rechts mit Rolling Shutter Quelle: IMS CHIPS, Stuttgart HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 20

21 gray value [digit] CMOS Bildsensoren HDRC Prinzip - logarithmische Kennlinie Im logarithmischen Bereich der Kennlinie sind die Grauwertdifferenzen bei Kontrasten (Kanten) konstant unabhängig von der Beleuchtung Vorteil: Die Bildverarbeitung kann mit Differenzen rechnen die wesentlich weniger rechenintensiv sind Typische HDRC Kennlinie g = c3*lg(c1+i)+c2 c1 Dunkelstrom c2 Offset c3 Gain HDRC curve complete logarithmic intensity [lx] HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 21

22 Stereokamera und Stereoprinzip Linke Kamera Rechte Kamera Korrelation von Bildregionen entlang der Epipolarlinie Disparität (s-parallaxe) z-entfernung HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 22

23 Stereokamera und Stereoprinzip Die Sensoreinheit beinhaltet drei HDRC Bildsensoren Vorteile: Bessere Erkennungsleistung Ermöglicht die Detektion von Kanten parallel zur Stereobasis V M H Horizonal M-H Vertikal M-V Rechte Kamera HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 23

24 Stereokamera und Stereoprinzip Rektifizierung Die Aufnahmen besitzen im Originalzustand eine charakteristische tonnenförmige Verzerrung. Über ein Kameramodell wird die radiale und tangentiale Verzeichnung der Optik bestimmt. Verzeichnete Aufnahme Verzeichnungsfrei nach Rektifizierung HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 24

25 Normenstruktur Relevante Normen z.b. Sicherheitsgrundnorm Typ A Gestaltungsleitsätze und Grundbegriffe für Maschinen EN Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener E/E/P Systeme Sicherheitsgruppennorm B1 Normen Allgemeine Sicherheitsaspekte Typ B B2 Normen Bezug auf spezielle Schutzeinrichtungen B1: EN Sicherheitsbezogene Steuerungen B2: EN Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen Fachnorm Typ C Spezifische Sicherheitsmerkmale einzelner Maschinen oder Maschinengruppen EN ISO Industrieroboter Sicherheitsanforderungen HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 25

26 EN berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen Anwendungsbereich Erkennt das Eindringen eines Objektes / Körperteils in ein Schutzfeld / Schutzraum EN Teil 1: Allgemeine Anforderungen Teil 2: Lichtschranken / Lichtgitter Teil 3: für Laserscanner Teil 4: kamerabasierte Schutzeinrichtungen Systeme mit unterschiedlichen Funktionsweisen Pattern technique Stereo technique Aufbau der Norm Kap. 3: Begriffsdefinitionen Kap. 4: Funktions-, Konstruktions- und Umgebungsanforderungen Kap. 5: Prüfungen HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 26

27 EN berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen Funktionsanforderungen Arten von BWS (BWS-Typen) Unterscheidung: Fehlererkennung und Umwelteinflüsse Konstruktionsanforderungen BWS Typ 3: Ein einzelner Fehler darf nicht zum Ausfall führen Elektrische Ausrüstung Software, Programmierung Umgebungsanforderungen Temperatur und Luftfeuchte Elektrische Störungen Mechanische Umgebung Teil 2: Störlichteinflüsse HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 27

28 Ausblick Höhere Auflösung, geringere Reaktionszeit Flexibilität, Bedienerfreundlichkeit, Diagnose Überarbeitung Roboternorm IEC 10218: Ziel (u.a.): Sicherheitsanforderung an kooperierende Robotersysteme Mensch Roboter Kooperation Sensoren, zur Erkennung von Personen im Umfeld des Roboters werden gefordert HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 28

29 Diskussion und Fragen Störlichteinflüsse? Normen: IEC EN Prüfungen? Epipolarlinie? Stereoskopie? Full Frame Shutter? Dynamikbereich? HDRC Sensor? fehlertolerant? SafetyEYE HFT Stuttgart, Kamerasystem zur Überwachung von Gefahrbereichen 29

30 CMSE, InduraNET p, PAS4000, PAScal, PASconfig, Pilz, PIT, PLID, PMCprotego, PMD, PMI, PNOZ, Primo, PSEN, PSS, PVIS, SafetyBUS p, SafetyEYE, SafetyNET p, the spirit of safety sind in einigen Ländern amtlich registrierte und geschützte Marken der Pilz GmbH & Co. KG. Wir weisen darauf hin, dass die Produkteigenschaften je nach Stand bei Drucklegung und Ausstattungsumfang von den Angaben in diesem Dokument abweichen können. Für die Aktualität, Richtigkeit und Vollständigkeit der in Text und Bild dargestellten Informationen übernehmen wir keine Haftung. Bitte nehmen Sie bei Rückfragen Kontakt zu unserem Technischen Support auf. Pilz GmbH & Co KG Felix-Wankel-Straße 2, Ostfildern, Deutschland Telefon: , Telefax: Internet: Immer aktuell informiert über Pilz