Veiligheid en beveiliging
Eerste camerasysteem met virtuele 3D beschermingscocon

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Samen met DaimlerChrysler ontwikkelde Pilz - op basis van optische assistentiesys-temen voor automobilisten - een veilig camerasys-teem voor driedimensionale ruimtebewaking. Waar normaliter véél sensoren noodzakelijk zijn, wordt bij dit systeem de gevaarlijke zone omgeven door een goed passende, softwaregestuurde virtuele “beschermcocon”. Geen goed nieuws dus voor de leveranciers van de klassieke, hardwarematige veiligheidsoplossingen.

De gangbare opstelling om een veilige zone te creëren rond bijv. een robot, machine of installatie, bestaat uit veiligheidsvoorzieningen zoals lichtschermen en laserscanners in combinatie met bereikomschakelaars. Deze detecteren wanneer iemand de gevaarlijke zone betreedt of zich daarin bevindt.

‘Klassieke’ nadelen
Aan deze ‘klassieke’ veiligheidstechnische oplossingen zijn helaas enkele belangrijke nadelen verbonden. Met opto-elektronische veiligheidsvoorzieningen kunnen geen ruimtes, maar alleen vlakken worden bewaakt. Is er bovendien geen vrije optische verbinding, dan moet het werkstation ook nog voorzien worden van schakelmatten. Een aaneensluitende bewaking van de actieradius van een robot is op deze manier niet of slechts met veel technische voorzieningen haalbaar. Daar komt bij dat de gebruikelijke veiligheidsvoorzieningen bij gevaar tot directe stilstand van de robot leiden. Om te herstarten moet de robot in exact dezelfde positie als voor de stop worden gebracht. Dat kost tijd en beïnvloedt ook de volgende stations van een productielijn. En dan is er nog een derde aspect: het grote aantal verschillende componenten en de complexe schakeling hiervan maken het afschermen van een robotwerkstation niet alleen kostbaar, maar ook nadelig voor de beschikbaarheid ervan.

Beeldverwerking
Bij Pilz werd op een bepaald moment nagedacht over een nieuw concept voor bewaking van beveiligde ruimtes en ontstond het idee van een veilig camerasysteem. Maar ook bij DaimlerChrysler in Sindelfingen, op de afdeling voor procedureontwikkeling, automatisering en besturingstechniek, was men bezig met nieuwe bewakingsstrategieën. Het idee was camera’s zodanig gecombineerd in te zetten dat de te bewaken beschermde ruimte driedimensionaal afgebeeld zou kunnen worden. Aan de hand van algoritmen voor beeldverwerking zou het dan mogelijk zijn objecten te detecteren die tot de gevaarlijke zone zouden doordringen. Uitgangspunt waren optische assistentiesystemen voor automobilisten die in het laboratorium voor technische beeldverwerking van het onderzoekscentrum van DaimlerChrysler in Ulm werden ontwikkeld. Terwijl DaimlerChrysler de algoritmen voor driedimensionale beeldverwerking verfijnde, kreeg Pilz tot taak deze algoritmen geschikt te maken voor de industrie en het systeem te ontwikkelen en toepasbaar te maken. Het nieuwe systeem kreeg in zijn commerciële uitvoering de toepasselijke naam ‘SafetyEYE’ mee.

Systeemopbouw
Het hele systeem bestaat uit drie componenten: de sensor-unit, een krachtige processor en een veiligheidsbesturing. De uit drie hoog-dynamische camera’s bestaande sensor-unit levert de beeldgegevens van de te bewaken ruimte.
Een krachtige processor dient als verwerkingseenheid, ontvangt via glasvezelkabel de beeldgegevens van de camera’s en berekent met behulp van zeer complexe en veilige algoritmen een ruimtelijk beeld. Daarmee is het mogelijk objecten ruimtelijk waar te nemen en de positie ervan exact te bepalen. Deze informatie wordt vervolgens met de in het systeem geconfigureerde beschermde ruimtes vergeleken om vast te stellen of er bijvoorbeeld sprake is van een inbreuk op de beschermde ruimte. De resultaten van de beeldverwerking worden door de processor doorgestuurd naar de veiligheidsbesturing PSS, die met zijn in- en uitgangen fungeert als interface voor de machinebesturing en alle functies van de veiligheidcamera stuurt. Wanneer de verwerkingseenheid een inbreuk van de beschermde ruimte meldt, worden de configureerbare uitgangen uitgeschakeld. Het aansluiten op de randapparatuur kan ook via het failsafe bussysteem SafetyBUS p plaatsvinden, en in de toekomst via het Ethernet SafetyNET p. Met behulp van de configuratie-pc en een speciaal softwarepakket kunnen de beschermde en waarschuwingsruimtes en alle andere parameters die nodig zijn voor de werking van het veilige camerasysteem worden ingesteld.

Virtuele ‘enveloppe’
Een met de camera beveiligd robotwerkstation kan bijvoorbeeld geheel open werken. Be-lemmerende afschermingen zijn niet meer nodig. De sensor-unit bevindt zich boven het werkstation en houdt de gehele beweegruimte van de robot in het oog. Manipulaties zijn daardoor bij voorbaat uitgesloten. De camerabeelden zijn gecombineerd met gekleurde, half-transparante kubussen en balken: de driedimensionale waarschuwings- en beschermde ruimtes. Binnen deze ruimtesegmenten beweegt de robot tijdens zijn werkcyclus. De gevaarlijke zones zijn gedefinieerd als een virtuele enveloppe, die de waarschuwings- en beschermde ruimtes omsluit. Alleen objecten die in deze zones komen zijn potentieel in gevaar.

Niet noodzakelijk een noodstop
Wat het nieuwe systeem bijzonder maakt: een inbreuk op een beschermde ruimte leidt niet automatisch tot een noodstop. Overtreedt een medewerker de grenzen van de virtuele beschermde ruimte op een plaats die de robot pas enkele seconden later zou bereiken, dan draagt de besturingstechniek er zorg voor dat de robot met extreem lage snelheid verder beweegt. Als de medewerker zich vervolgens door het alarmsignaal gewaarschuwd terugtrekt, werkt de robot met normale snelheid verder. Pas wanneer de medewerker in de direct gevaarlijke zone komt, volgt een noodstop. Dit is een verbetering ten opzichte van traditionele veiligheidsvoorzieningen, die in geval van gevaar altijd tot een directe stilstand leiden.

Waarschuwings-ruimtes configureren
Beschermde en waarschuwingsruimtes kunnen worden gecombineerd tot complexe ruimte-indelingen, maar blijven daarbij eenvoudig te onderhouden omdat ze intuïtief en snel te configureren zijn vanaf de pc. Wanneer voor verschillende bedrijfsmodi van een machine verschillende ruimte-indelingen nodig zijn, kan hiertussen tijdens de werkcyclus van de machine dynamisch worden overgeschakeld via het failsafe bussysteem SafetyBUS p of de digitale ingangen van de PSS-veiligheidsbesturing. Gebruikers blijven flexibel, aangezien reeds gedefinieerde beschermde ruimtes met de muis zijn aan te passen in de configurator. De bewaking van de beschermde ruimtes gaat daardoor niet meer uit van wat technisch (on)mogelijk is, maar van de eisen die de gebruiker aan de processen stelt en die op deze manier zeer flexibel kunnen worden gerealiseerd.

Versus klassieke opstellingen
Vergeleken met traditionele sensoren biedt het veilige camerasysteem toch wel méér: sturen, beschermen en bewaken met slechts één systeem. Ook standaardbesturingsfuncties kunnen door de camera worden overgenomen. Bovendien is ook de bewaking van meerdere onderling afhankelijke, beschermde ruimtes mogelijk. Dit betekent niet alleen minder kosten, maar ook een minimale behoefte aan onderdelen. Verdere besparingen aan materiaal- en installatiekosten komen voort uit de directe aansluiting op bussystemen als SafetyBUS p en binnenkort ook SafetyNET p.

Nog meer perspectieven
Waar het bij safety gaat om bescherming van de omgeving tegen een object, is security de bescherming van een object tegen zijn omgeving. Denk hierbij bijvoorbeeld aan toegangsbeveiliging van gebouwen of de bewaking van objecten in musea. Het nieuwe systeem houdt waardevolle voorwerpen ononderbroken in het oog, omdat het anders dan conventionele veiligheidsvoorzieningen niet slechts één vlak bewaakt. “Cameragebaseerde beeldverwerking zal niet alleen in industriële toepassingen een revolutie in de optische sensortechniek betekenen. Wij zijn ervan overtuigd dat deze innovatie toekomst heeft, ook in de security”, aldus Renate Pilz, CEO van Pilz. << (B.B.)

Sécurité machines
Le premier système de sécurité intégrant un cocon ‘virtuel’

En coopération avec DaimlerChrysler Pilz vient de développer un système de caméras de sécurité pour la surveillance de pièces en trois dimensions. Avec ce système, un cocon de protection sur mesure englobe la zone dangereuse avec des fonctions pour lesquelles aujourd’hui un grand nombre de capteurs sont encore nécessaires.

Il est indéniable: les solutions de sécurité actuelles sont limitées. Ces limites apparaissent clairement comme dans le cas d’un îlot robotisé composé d’un ou de plusieurs robots et sécurisé par des protections mobiles. En général, des dispositifs de protection supplémentaires sont nécessaires, comme par exemple des barrières immatérielles ou des scanners lasers associés aux commutateurs utilisés sur les robots. Ces dispositifs reconnaissent si des personnes pénètrent ou sont présentes dans la zone dangereuse.

Des problèmes évidents
Les solutions de sécurité actuelles comportent en elles des problèmes évidents. Les dispositifs de protection optoélectroniques ne permettent pas de surveiller des volumes, mais au mieux tranches de niveaux. En outre, l’absence de visibilité dégagée entraîne la nécessité de sécuriser la station de travail à l’aide de tapis de sécurité supplémentaires. Ainsi, la surveillance sans faille du rayon d’action d’un robot est soit impossible, soit uniquement envisageable avec des réalisations techniques complexes. De plus, les dispositifs de protection traditionnels déclenchent, en cas de danger, l’arrêt immédiat du robot. Le robot doit alors être amené, pour son réarmement, exactement à la même position que celle précédant l’arrêt. Cela demande du temps et se répercute également sur les étapes suivantes de la ligne de production. Enfin, le grand nombre de composants différents et leur raccordement complexe rend la sécurisation d’une station de travail non seulement coûteuse, mais entrave également sa disponibilité.

Créer un espace de protection
A la vue de ce constat, Pilz a entamé l’élaboration d’un nouveau concept pour la surveillance d’espaces de protection et a développé l’idée d’un système de caméras de sécurité. Mais au sein de DaimlerChrysler à Sindelfingen également, l’idée de nouvelles stratégies de surveillance a fait son chemin dans le service ‘développement de procédés et techniques d’automatismes et de commande’. L’idée était d’utiliser des caméras de telle manière que l’espace de protection à surveiller puisse être représenté en trois dimensions. A l’aide d’algorithmes pour le traitement des images, il est alors possible de reconnaître des objets pénétrant dans la zone dangereuse. Le point de départ était constitué des systèmes d’assistance en cours de développement au centre de recherche de DaimlerChrysler à Ulm dans le laboratoire pour le traitement technique des images et ayant pour objectif d’avertir les conducteurs automobiles de la présence d’un danger. Cette rencontre entre deux partenaires ne pouvait donc mieux se compléter. Tandis que DaimlerChrysler avait pour mission de développer des algorithmes appropriés pour l’analyse d’images en trois dimensions, Pilz s’est attelé pour sa part à l’adaptation de ces algorithmes à une utilisation industrielle, au développement du système ‘SafetyEYE’, et à sa fabrication.

Un seul système
Le système est constitué de trois composants : une unité de capteur, un superordinateur et un automate de sécurité. L’unité de capteur composée de trois caméras dynamiques fournit les données d’images de la pièce à surveiller. Un superordinateur est utilisé comme unité de contrôle et reçoit les données d’images des caméras par l’intermédiaire de fibres optiques. Il calcule alors une image spatiale à l’aide d’algorithmes de sécurité extrêmement complexes. Il est ainsi possible de saisir des objets au niveau spatial et de déterminer leur position très précisément. Ces informations sont ensuite superposées avec les espaces de protection configurés dans le système afin de déterminer, par exemple, si l’espace de protection a été outrepassé. Le superordinateur transmet les résultats du traitement des images à l’automate de sécurité PSS qui est utilisé avec ses entrées et sorties comme interface avec la commande de la machine et pilote le fonctionnement complet du système. Si l’unité de contrôle indique une violation de l’espace de protection, les sorties configurables sont alors désactivées. Le raccordement à la périphérie peut également se faire par l’intermédiaire du bus de sécurité SafetyBUS p et, à l’avenir, via Ethernet SafetyNET p. Les espaces de protection et d’alerte ainsi que l’ensemble des paramètres nécessaires pour l’utilisation du système de caméras de sécurité peuvent être ajustés à l’aide du PC de configuration et d’un progiciel spécial.

Une enveloppe ‘virtuelle’
Notamment, une station de travail robotisée et sécurisée avec le caméra, agira de façon totalement ouverte. Les barrières réductrices d’espace ne sont plus nécessaires. L’unité de capteur est placée au-dessus de la station de travail et observe l’espace d’action entier du robot. Ainsi, les manipulations sont exclues de prime abord. C’est en premier lieu un regard sur le pupitre opérateur qui met en évidence la mise en service du système de sécurité. Les images des caméras superposent des formes cubiques et rectangulaires en couleurs et semi transparentes – les espaces de protection et d’alerte. Le robot se déplace à l’intérieur de ces segments spatiaux durant son fonctionnement. Les zones dangereuses apparaissent sous forme d’une enveloppe virtuelle qui englobe les espaces de protection et d’alerte. Seuls les objets qui entrent dans ces zones sont potentiellement menacés.

Arrêt d’urgence ou non?
La particularité : une pénétration dans l’espace de protection n’entraîne pas automatiquement un arrêt d’urgence. En effet, si un opérateur pénètre dans l’espace de protection virtuel à un endroit que le robot ne peut atteindre qu’après plusieurs secondes, la technique de commande fait en sorte que le robot ne se déplace plus qu’à une vitesse fortement réduite. Si, à la suite d’un signal d’alerte, l’opérateur s’écarte à nouveau de cette zone, le robot fonctionne alors à une vitesse normale. L’arrêt d’urgence n’est déclenché que si l’opérateur pénètre dans la zone directement dangereuse. Cela représente un avantage réel en comparaison des dispositifs de protection traditionnels qui déclenchent toujours un arrêt d’urgence immédiat en cas de danger. .

Des espaces de protection
Les espaces de protection et d’alerte peuvent être résumés en aménagements spatiaux complexes mais restent cependant simples à manier car ils peuvent être configurés rapidement et de manière intuitive sur PC. Si des aménagements spatiaux différents sont nécessaires pour chacun des modes de fonctionnement d’une machine, ceux-ci peuvent être commutés dynamiquement durant le cycle de travail de la machine par l’intermédiaire du bus de sécurité SafetyBUS p ou des entrées digitales de l’automate de sécurité PSS. Les utilisateurs préservent leur flexibilité car les espaces de protection définis peuvent être adaptés tout simplement à l’aide de la souris dans le configurateur. La surveillance d’espaces de protection n’est ainsi plus axée sur les contraintes techniques mais sur les exigences liées aux processus des utilisateurs, qui peuvent être façonnés de manière extrêmement souple.

Protéger, piloter et visualiser
Le système de caméras de sécurité offre bien plus que les techniques de capteurs traditionnelles : protéger, piloter et visualiser avec un seul système. Le système peut également prendre en charge les fonctions de commande standard. De plus, il permet la surveillance de plusieurs espaces de protection indépendants les uns des autres. Cela réduit non seulement les coûts, mais également les composants au minimum. Des économies supplémentaires peuvent également être réalisées au niveau du matériel et de l’installation grâce au raccordement direct sur des bus tels que le SafetyBUS p et à l’avenir également le SafetyNET p.

Un grand avenir
« Le traitement des images basé sur des caméras s’apprête à révolutionner les techniques de capteurs optiques bien au-delà du secteur industriel. Nous sommes convaincus que cette innovation nous réserve un grand avenir, y compris dans le secteur « security » », résume Renate Pilz, le CEO de Pilz. << (B.B.)