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CN106054276B - 监视保护区域的飞行时间安全光电屏障和方法 - Google Patents

监视保护区域的飞行时间安全光电屏障和方法 Download PDF

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CN106054276B CN201610221707.4A CN201610221707A CN106054276B CN 106054276 B CN106054276 B CN 106054276B CN 201610221707 A CN201610221707 A CN 201610221707A CN 106054276 B CN106054276 B CN 106054276B
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Abstract

本发明涉及监视保护区域的飞行时间安全光电屏障和方法。安全光电屏障(100)包括单侧收发器条，该单侧收发器条具有壳体(102)和多个收发器模块(104)，每个收发器模块具有：辐射发射单元(112)，其用于朝向参考目标(108)发射辐射；辐射检测单元(114)，其用于检测在收发器模块(104)上的入射辐射；以及信号处理单元，其用于估计所检测的辐射有关的距离信息和强度信息并且生成指示在所述保护区域内存在或不存在对象的二进制输出信号。控制器模块(126)估计二进制输出信号并且响应于所估计的输出信号来生成安全信号。辐射检测单元包括至少第一光敏元件和第二光敏元件(114)，用于冗余地估计距离信息和强度信息。

Description

监视保护区域的飞行时间安全光电屏障和方法
技术领域
本发明涉及一种用于监视保护区域的安全光电屏障并且涉及监视保护区域的相应方法。
背景技术
由一个或更多个辐射光束形成的光电屏障通常也被称为光幕、光栅或光屏障。安全光电屏障检测对象特别是人进入保护区中的移动或侵入，并且可以为正在与机器或其他工业设备一起工作的操作人员提供保护。其他光幕系统被设计成控制和监视工业自动化处理，并且特别地被用于核查组装处理、对对象进行计数、确认喷射处理、辨认运输货物的前缘、辨认不规则形状以及大量的其他应用。
采用红外线或可见光束的安全光电屏障在各种工业应用中被用于通过周界访问控制(PAC)来提供操作者安全。特别地，可以通过使用光电屏障来保证对在机械如冲床、剪板机、铸模机、自动装配设备、线圈卷绕机、机器人操作、浇铸操作等周围的操作者的保护。常规的光幕通常使用在保护区的一侧处沿着发射器条在间隔位置处安装的发光二极管(LED)以及在保护区的相反侧处沿着接收器条安装的光电晶体管(PT)、光电二极管或其他光接收器。这些LED将经调制的辐射光束沿着独立平行通道发射至接收器条处的光电晶体管。如果一个或更多个光束被不透明对象如操作者的身体阻挡而不能穿过，则控制电路生成关闭机器的安全信号、防止机器循环、或以其他方式保障该区域。
如上所述，光束的这种中断也可以用于对对象进行计数或核查通过限定区域的物品。
在这方面应当注意，术语“LED”有时仅意在表示发射可见光谱中的光的二极管，而发射红外辐射的二极管被称为IRED(红外辐射发射二极管)。然而，结合本发明，术语LED通常意在涵盖辐射发射二极管，而不管发射光谱的波长。
一般，PAC光电屏障包括通常被称为条、棒或带的两个有源光学单元，所述两个有源光学单元被形成为两个不同的结构单元，所述光学单元中的一个具有发射器的功能并且一个具有接收器的功能。然而，有源发射器和接收器的此构架具有若干缺点。首先，因为光电屏障的两侧包括昂贵的有源部件，所以制造成本高。其次，因为需要将发射器和接收器相对于彼此精确地对准，所以安装费时。此外，有源-有源光电屏障的两侧均连接至供电电源和安全输出。
为了克服这些缺点，从美国US 7,034,950 B2中获知由单侧布置形成激光栅，其中发送元件和接收元件被组合成点状传感器单元，该点状传感器单元每一个具有至少一个激光二极管和两个光敏像素并且在壳体内布置成一行。根据这个文献，测量侵入对象的距离并且提供处理逻辑电路，该处理逻辑电路被配置成在逻辑上组合多个传感器单元的测量值以及根据组合值来检测对象的尺寸。
然而，这个常规布置不能满足由国际标准IEC/EN 62061:2005、IEC/EN 61508:2010和IEC/EN 61511:2003定义的安全完整性等级3(SIL 3)的安全要求。特别地，IEC/EN62061“Safety of machinery:Functional safety of electrical,electronic andprogrammable electronic control systems(机械安全：电气、电子和可编程电子控制系统的功能安全)”是IEC/EN 61508的机械具体实现。这提供了适用于所有类型的机械安全相关电气控制系统的系统级设计以及也适用于非复合子系统或装置的设计的要求。风险评估得到风险降低策略，而风险降低策略反过来识别对安全相关控制功能的需求。这些功能需要登记在案并且需要包括功能要求规范和安全完整性要求规范。
功能要求包括如工作频率、所需响应时间、工作模式、占空比、运行环境和故障响应功能的细节。安全完整性要求以被称为安全完整性等级(SIL)的等级表达。根据系统的复杂性，需要考虑以下要素中的一些或全部以确定系统设计是否符合所需的SIL：每小时危险故障(PFHD)的概率、硬件容错、安全失效分数(SFF)、核查测试间隔(T1)、诊断测试间隔(T2)、共因故障(β)的敏感性以及诊断覆盖率(DC)。
存在四个分立安全完整性等级，SIL 4为安全完整性的最高等级而SIL 1为最低等级。
发明内容
本发明的根本问题是提供一种改进的安全光电屏障，其制造经济实用且易于安装而在另一方面至少满足安全完整性等级3的要求。
通过独立权利要求的主题来解决这个问题。有利的改进是从属权利要求的主题。
根据本发明，用于监视保护区域的安全光电屏障包括仅一个单侧收发器条，该单侧收发器条形成光电屏障的唯一有源元件。收发器条包括壳体、多个收发器模块以及控制器模块。
收发器模块中的每一个包括用于朝向参考目标发射辐射的辐射发射单元。保护区域位于收发器条与参考目标之间。此外，提供了辐射检测单元以用于检测在收发器模块上的入射辐射。信号处理单元估计所检测的辐射有关的距离信息和强度信息。信号处理单元生成指示在保护区域内存在或不存在对象的二进制输出信号。控制器模块估计由收发器模块生成的二进制输出信号，并且响应于所估计的输出信号来生成安全信号。
这样的布置形成所谓的飞行时间系统，其中由发射器发出经调制的辐射，并且其中从反向散射辐射的时间延迟提取有关距离的信息。
基于TOF原理的3D相机或传感器获取距所成像的场景中的对象的距离信息。在相机传感器的每个像素处独立地产生距离信息。TOF系统发射光能，并且确定直到被目标对象反射的能量中的至少一些能量返回到达所检测的系统处为止需要多长时间。与目标对象较接近系统的情况相比，行进至目标对象的较远表面区域的所发射光能在反射回系统之前将限定更长的TOF。如果往返TOF被表示为t，则目标对象与TOF时间之间的距离d可以被计算为d＝t·c/2，其中c为光速。
这种已知的系统可以采集光度数据(信号幅值)和TOF距离数据二者，并且可以实时产生目标对象的三维图像。
与需要敏感度高的成像设备来直接测量飞行时间不同，更加复杂的原理是基于相位测量TOF原理。这里，代替直接测量光脉冲的总行程，确定所发送信号与所接收信号之间的相位差。当用调制频率FM调制所发送的光时，反射点与相机之间的距离可以被计算为：
对系统像素阵列中的多个位置上的反射光信号的检测产生被称为深度图像的测量信号。深度图像代表目标对象表面的三维图像。
根据本发明，每个收发器模块的辐射检测单元包括至少第一光敏元件和第二光敏元件，用于冗余地估计距离信息和强度信息。
可以看到这样的布置的显著优点是仅需要一个有源收发器条。相应地，降低了用于制造光电屏障的成本。对无源参考目标的对准比两个常规有源光幕条之间的对准要简单得多。
通过估计两个测量参数即距离信息和强度信息，以及通过借助于至少第一光敏元件和第二光敏元件进一步冗余地估计此信息，可以达到足够高的安全完整性等级。
有利地，根据本发明，可以使用具有任意的反射率和几何形状的参考目标。尤其是在较短的工作范围例如最多达5m处，这具有显著的优点，这是因为:
a.用于插入第二光幕条的空间可以很小，
b.第二光幕的对准时间减少到零，以及
c.未对准所述第二光幕的概率也降低到零。
此外，如果需要使用特别指定的目标，则将存在可能会损坏目标并且导致受保护机器的不期望停机时间的附加风险。
根据本发明，光敏元件可以由电荷耦合器件(CCD)传感器芯片或CMOS传感器芯片形成。CCD技术具有较高精度的优点。另一方面，CMOS传感器通常比CCD传感器便宜，此外，可以更容易将CMOS传感器与信号处理电路组合到同一芯片上。
为了生成具有空间分辨率的图像，各传感器芯片包括光敏像素阵列。有利的实施方式例如使用8×8的CCD阵列。这样的传感器例如被包含在来自专用公司的集成TOF成像器中。
根据本发明，辐射发射单元包括至少一个发光二极管LED，其代表为监视区域提供照明的特别有效且容易控制的方式。如上面已经提到的，术语LED在本申请的上下文中表示任何辐射发射二极管，而不管发射的波长。
可替选地，还可以将激光二极管或VCSEL(垂直腔面发射激光器)用作辐射发射单元。这二者均具有例如覆盖较大距离的优点。
根据本发明的信号处理单元可以包括至少一个片上控制器，该片上控制器与第一光敏元件或第二光敏元件单片地集成。从而首先可以提供成本有效的解决方案，其次可以减少干扰信号的影响。
作为替选或除了这种片上控制器之外，信号处理单元还可以包括与第一光敏元件和第二光敏元件分离的至少一个微控制器。在可以提供具有相比于片上控制器更高性能的信号处理和存储的事实中可以看出使用外部微控制器的优点。
根据本发明的安全光电屏障意在取代常规的PAC系统，并且因此形成光幕光束的收发器模块的布置需要是由国际标准EN ISO 13855:2010所定义的具有2个、3个或4个光束的边界系统。这个标准限定了参考面如地面到光电屏障的第一光束之间的高度、以及各个光束之间的间距。对于2光束光电屏障，第一光束被布置成高于参考面400mm，并且辐射发射单元需要彼此相距500mm。在3光束系统中，三个波束中的各波束之间的距离需要为400mm，最低光束与参考面相距300mm。在4光束布置中，光束间隔开300mm，最低光束与参考面相距300mm。
为了便于安装根据本发明的光电屏障，可以提供用于发射可见光的对准辅助装置。可以由辐射发射单元中的一个通过选择调制光的可见波长来形成对准光束。
可替选地，除了收发器模块的辐射发射单元之外，还可以提供附加的可见激光束。使用可见光还解决了当不知道光电屏障正在向何处发射其辐射时保护区域可能太靠近危险点的问题。通过可见地核查哪些对象将被用作参考目标，操作者可以有利地确认保护区域和要防护的危险点之间的安全距离。
根据又一有利实施方式，可以使用逆向反射带或棱镜反射元件来形成参考目标。这样的逆向反射带将更多的辐射返回至TOF传感器，从而使得能够实现更大的保护区域距离。另外，改进了信号，并且该系统具有相对于漫反射目标更快的响应时间。特别地，系统响应时间(包括安全继电器的响应时间)需要低于80ms，以使光电屏障能够用作SIL3安全PAC系统。
漫反射参考目标提高了从一个光束发射的光被反射返回到一个或更多个其他辐射检测单元的可能性。特别地，在较高的工作距离例如10m处，可能会发生在一个壳体内的光束之间或者属于相邻光电屏障的这种串扰。相应地，将需要对光束进行多路复用，从而导致响应时间增加。通过将棱镜反射元件用作参考目标，可以消除这种效应或者至少使这种效应最小化。
此外，环境温度的变化引起测量值的漂移并且导致误差。根据本发明的有利的实施方式，光电屏障可以包括内部温度传感器，以补偿这样的测量值漂移。具体地，可以根据环境温度对测量值进行校正。可以用温度感测元件来测量温度，该温度感测元件被直接集成在第一光敏元件或第二光敏元件中或者被设置在对温度效应最敏感的那些部件例如LED的区域中。
此外，本发明涉及一种借助于根据本发明的安全光电屏障来监视保护区域的方法。特别地，该方法包括从辐射发射单元朝向参考目标发射辐射的步骤，其中，所述保护区域位于收发器条与参考目标之间。在第二步骤中，检测在收发器模块上的入射辐射特别是检测来自发射单元的反向散射辐射，并且估计入射辐射有关的距离信息和强度信息。
生成指示在保护区域内存在或不存在对象的二进制输出信号。根据由每个收发器模块生产的二进制输出信号，生成安全信号。这个安全信号可以例如用于安全地关闭要防护的机器。
根据本发明，辐射检测单元包括至少第一光敏元件和第二光敏元件，使得由两个冗余光敏元件独立地执行所述估计距离信息和强度信息的步骤。
通过估计每次测量的距离值和幅值，引入了高冗余度，这引起系统整体的改进的安全整体性等级，特别是SIL3。
根据本发明的光电屏障的主要目的是检测进入危险区域的人。换句话说，需要尽可能快地检测到测量值相比于存储器中的值的突然改变。根据本发明，至少在对光电屏障加电时执行示教步骤。在该示教步骤期间，通过每个收发器模块的信号处理单元来检测参考目标的距离信息和强度信息并且将所述距离信息和强度信息存储为参考值。当在正常监视操作模式(其还将被称为运行模式)下执行实际测量时，将测量值与保存在存储器中的这些参考值进行比较，并且基于这个比较生成二进制输出信号。
在可以将适当位置处的任意对象用作参考目标的事实中可以看出这样的示教步骤的优点。例如，参考目标可以是要防护的机器周围的墙、外壳的一部分、或栅栏。根据本发明，需要存在这个参考目标以用于示教步骤和用于正常监视操作模式期间的每次测量。从与参考值相比改变的距离值和/或强度值推断对象的侵入。
根据本发明的有利的实施方式，在示教步骤期间仅一个最接近的对象被估计为参考目标。忽略被参考目标的视场之外的对象所反射的辐射。在示教步骤期间可以采用各种算法，以便识别最接近的对象。例如，只有TOF芯片的被识别为代表参考目标的那些像素可以在示教步骤期间被识别并且随后将被用于确定对象的侵入。以此方式，可以容易忽略在靠近参考目标或在参考目标后面的区域中移动的背景或对象。
对于需要满足严格的安全要求的安全光电屏障重要的是，测量值的精度足够高。相应地，有利的是补偿测量值的温度影响。通过提供内部温度传感器，可以根据环境温度对测量值进行校正。因此，可以消除测量值的漂移。
此外，参考目标的测量值还可以在距离值和强度值这两方面显示长期漂移。参考目标的测量值的这种长期变化可能会导致安全信号的误跳闸。有利的是，可以实现对距离值或强度值或二者的长期缓慢变化进行补偿的算法。例如，该补偿算法将允许在不通过示教步骤的情况下将新的参考目标值存储在存储器中。由此，例如由于污染、灰尘等而改变目标特征的影响可以得到补偿。
根据有利的实施方式，在示教步骤和运行模式期间，为了测试目的可以改变调制频率、积分时间和相位延迟，以便检查光电屏障的完整性。
多路径反射引起测量值的误差，并且因此需要消除多路径反射。因为多路径反射对于不同频率具有不同的效果，所以可以通过使用不同的辐射脉冲频率和/或幅值检测到这样的多路径反射。
附图说明
将附图并入并形成说明书的一部分以说明本发明的若干实施方式。这些附图与描述一起用于解释本发明的原理。附图仅仅出于说明能够如何执行和使用本发明的优选示例和替代示例的目的，并且不应将解释为将本发明限制为仅示出和描述的实施方式。此外，实施方式的若干方面可以单独地或以不同组合的方式形成根据本发明的解决方案。另外的特征和优点将根据如附图中所示出的本发明的各种实施方式的以下更具体描述而变得明显，在附图中相似的附图标记指代相似的要素，在附图中：
图1示出了根据EN ISO 13855:2010的具有两个光束的周界访问控制系统的示意图；
图2示出了根据EN ISO 13855:2010的具有三个光束的周界访问控制系统的示意图；
图3示出了根据EN ISO 13855:2010的具有四个光束的周界访问控制系统的示意图；
图4示出了示出辐射路径的图1的布置的示意图；
图5示出了图4的布置上的顶视图；
图6示出了具有四个光束的安全光电屏障的示意图；
图7示出了根据本发明的有利实施方式的一个收发器模块的示意图；
图8示出了图6的布置的框图；
图9示出了根据本发明的光电屏障的操作模式的流程图；以及
图10示出了根据本发明的由辐射检测单元检测的参考目标尺寸的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图更加详细地描述本发明。
图1示出了用于监视保护区域的光电屏障100的示意图。根据本发明，光电屏障100由基于飞行时间原理的单侧收发器条形成。
在图1的实施方式中，光电屏障100包括壳体102，该壳体102具有两个收发器模块104。收发器模块104中的每一个包括辐射发射单元例如LED，该辐射发射单元朝向参考目标108发射辐射光束106。根据本发明的参考目标108可以由位于期望距离处的任意对象例如受保护机器的外壳的侧壁或栅栏柱形成。
在图1所示的布置中，光电屏障100用于形成周界访问控制(PAC)屏障。
在市面上常规的PAC安全光幕相当普遍。他们相对于参考面110(如地面)的位置和个体监视光束106的距离是例如由国际标准EN ISO 13855:2010指定的。这些产品通常监视机器的入口区域，并且防止机器在人进入机器区域时运行。PAC屏障被构建为2光束、3光束和4光束系统，其中图1描绘了2光束形式。
大多数公知的系统是需要将发射器棒和接收器棒个体安装、对准并连接至电源的有源-有源系统。一侧被连接至安全继电器或安全逻辑控制器。
其他已知的构思使用有源-无源系统：将一个“有源”发射器条/接收器条安装在机器入口区域的一侧，并且将“无源”反射镜组件设置在另一侧。可以看出这个技术的优点在于仅一个棒需要连接至电源和安全继电器。然而，安装和对准类似于两侧仍需被安装和调整的有源-有源解决方案。与有源-有源系统相比，这个单个棒解决方案较便宜并且电气安装时间减少。
与此相反，根据本发明的光电屏障不需要限定的无源镜侧，而是与位于适当位置处的任何任意参考目标一起工作。光电屏障100的每个光束106基于飞行时间(TOF)技术并且测量距在入口区域的另一侧的对象的距离。这个对象可以例如是壁、外壳的一部分、或栅栏。
因此，无需对准在另一侧的无源或有源元件。相应地，可以显著降低用于获取和安装这种PAC光电屏障的成本。
当然，对于本领域技术人员很明显的是，还可以将逆向反射带或棱镜反射元件用作参考目标108与光电屏障100结合。这对于没有合适的参考目标与光电屏障100可用以形成PAC系统的情况或者参考目标的反射率太低而不能反射足够的辐射的情况可以是有利的。
如已经提到的，在图1至图3中所示的标准PAC系统包括2个、3个或4个光束106。根据标准EN ISO 13855:2010表E.1将各光束间隔距离指定为500mm、400mm或300mm。
根据本发明，收发器模块104被布置在壳体102中以形成符合这些标准间隔中的一个的辐射光束106。每个收发器模块104朝向所监视的区域的另一侧处的参考目标108发送辐射。对反射辐射进行检测，并且计算单侧收发器条与参考目标之间的距离。
为了提供充足的冗余，对反向散射辐射的灰度值即强度进行估计。
在设置并对准本发明的光电屏障100之后，需要执行示教步骤。当示教步骤成功时，PAC系统准备进入运行模式并且PAC安全输出可以变为高(HIGH)。成功的示教步骤的结果将是：每个个体收发器模块的距离值和灰度值将被保存在PAC装置存储器中。此后，该系统可以进入继续执行距离测量和强度测量的运行模式。当任何测量值偏离存储在PAC装置存储器中的距离参考值和强度参考值时，PAC安全输出将变为低(LOW)，由此停止要防护的机器的危险移动。
例如，安全输出可以是两个安全OSSD输出。如通常已知的，在光电保护装置(如安全光幕或安全激光扫描仪)中，OSSD(输出信号切换装置)输出是完善的安全切换输出。如果保护区域被中断，则安全传感器将切换输出(OSSD)切换至关闭(OFF)状态。这会使机器或者危险状态被关闭。一般，每个安全传感器具有需要彼此独立估计的两个平行OSSD输出(双信道)，这取决于所需要的安全等级。
现在转向图4，更详细地示出了根据图1的配置。特别地，收发器模块104中的每一个包括辐射发射单元112和具有两个光敏元件114的辐射检测单元。每个光束106的有效直径由虚线116指示。如以上已提到的，辐射发射单元112可以为LED，优选地发射脉冲红外辐射。然而，还可以使用发射可见光辐射的激光二极管或LED。
辐射发射单元112朝向参考目标108发送辐射光束106，可选地该参考目标108可以配备有逆向反射带118。然而，对于接近防护区域的多数对象，无需这种附加的逆向反射元件，这是因为可以通过飞行时间辐射检测单元毫无问题地检测反射值在6％与90％之间的目标。
图4还示意性地示出了背景120，该背景120比参考目标108更远离光电屏障100。工作范围即光电屏障100与参考目标108之间的距离有利地为0.5m与10m之间。然而，利用足够强的辐射源112和足够高的参考目标108的表面的反射率，还可以覆盖更大的操作范围。
参考目标108的所需垂直尺寸取决于辐射光束106之间的距离。水平尺寸优选地至少为4cm，以使得能够实现相应操作范围的可靠距离测量。
只要光束106不被人122中断，则光电屏障100的OSSD输出为高并且所保护的机器可以运行。一旦人122(或任何其他对象)中断了光束106中的一个或两个，则由光敏元件114检测的各光束106的测量值不同于已在示教步骤期间所存储的值。
相应地，收发器模块104生成指示光束被中断的数字信号。相应地，与所有收发器模块104连接并且与光电屏障100的输出连接的控制器模块在光电屏障100的OSSD输出处生成低信号。以与常规的光幕相同的方式，这使得所防护的机器被带入安全状态，例如被关闭。
图5示出了从顶部观察的图4中所描绘的情况。如从该图中可以看出，辐射不仅发射到参考目标108上，而且还穿过参考目标并且朝向背景120被引导。再次由虚线116限定有效光束的直径。
图6示出了形成基于如图3所示的4光束布置的光电屏障100的部件的框图。光电屏障100包括四个收发器模块104。收发器模块经由总线系统124例如SPI(串行外设接口)总线相互连接。SPI总线是主要在嵌入式系统中用于短距离通信的同步串行通信接口规范。SPI装置在全双工模式下使用具有单个主器件的主从式架构进行通信。
光电屏障100还包括控制器模块126，该控制器模块126经由所述SPI总线124与收发器模块104通信并且代表此构架的主器件。提供了边缘卡连接器128，用于将控制器单元126连接至OSSD输出(图中未示出)。为了提供必要的冗余，控制器单元126包括两个冗余中央处理单元(CPU)130、132。
收发器模块104中的每一个以相同方式形成，并且图7示出了根据本发明的收发器模块104中的一个的框图。如图7所示，收发器模块104包括形成辐射发射单元112的LED。此外，两个光敏元件114被设置用于检测反向散射辐射。根据本发明，光敏元件包括电荷耦合器件(CCD)阵列，该CCD阵列与另外的部件如SPI接口、信号处理单元、存储器和模拟/数字转换装置单片地集成，因为这例如从一些供应商是已知的。
然而，还可以通过使用其他合适的光敏元件114来实现本发明。在图7所示的配置中，在收发器模块104中设置有两个中央处理单元134、136以便提供冗余。然而，与控制器模块126的冗余CPU 130、132相反，收发器模块104不一定需要配备两个中央处理单元134、136。收发器模块104的CPU 134、136在示教期间控制信号处理，并且可以进一步操作成在实际测量期间执行背景抑制。优选地不同时操作光敏元件114，而是以偏置的方式操作光敏元件114。
首先，对第一光敏元件114进行操作以检测从LED 112发射并由参考目标散射返回的辐射。为此目的，控制LED以输出经调制的辐射。这个辐射被参考目标反射，并且由光敏TOF CCD传感器114对返回的辐射进行采样。在光敏元件114内集成的电子部件(参照图9)将所发射的辐射与所接收的辐射之间的相位差进行比较，并且针对每个像素单独计算飞行时间的时间差。
根据本实施方式，光敏元件的像素是8×8像素TOF CCD阵列中的一个。此外，还根据本发明估计反向散射的辐射的强度。由此在光电屏障中提供另外的冗余。
当针对第一光敏元件114执行信号处理时，第二光敏元件114经由芯片选择信号CS2选择，并且使用第二光敏元件114重复测量循环。
因此，执行冗余测量方案，这提高了根据本发明的光电屏障的安全完整性等级。
图8示意性地描绘了根据本发明的光电屏障100的概念性概述框图。安全相关部件为：包括收发器模块104的收发器块139；以及包括控制器模块126的CPU 130、132的CPU块141。另外，安全输出OSSD1和OSSD2138和电源监视单元140也是安全相关部件。
光电屏障100还包括附加的安全输入和输出142和具有显示装置144的用户接口。最后，光电屏障100包括电源保护装置以及DC/DC转换器，用于在精确电压提供所需电力。
图8还示出了收发器块与CPU块之间的通信。CPU块141包括在控制器模块126中设置的第一处理器130和第二处理器132(参照图6)。如图6所示，仅最接近控制器模块126的收发器模块104直接与CPU块进行通信。随后的收发器模块经由传感器总线124被连接至最接近的收发器单元。然而，除此之外，与如所示的“底部收发器”相同的方式形成收发器模块104中的每一个。
根据图中所示的示例性实施方式，TOF集成成像器芯片用作光敏元件114。
这个芯片集成了多种功能并且还包括内部控制器。该芯片接收8.5V和-5.0V电源，并且在内部生成所有其他所需电压。由集成A/D转换器来估计由像素场生成的数据。A/D转换器将所需的像素数据提供给TOF芯片控制器。内部TOF芯片控制器进一步解释传感器总线上的命令、组织所需的任务、估计结果，并且将响应发送回传感器总线。内部控制器与像素场一起进一步控制LED照明。内部控制器从所连接的CPU块接收TOF芯片时钟，并且生成所选择的调制频率。可替选地，可以使用独立的振荡器。
如已经提到的，CPU块包括由所谓的AB同步接口148相互连接的两个CPU。冗余地建立CPU块，并且CPU块负责TOF PAC系统的安全。作为控制器模块126的一部分的CPU块一般组织光电屏障100的行为、图像捕获和估计处理以及所有的测试和示教步骤。
此外，处理器130、132还针对所测量的TOF芯片温度以及针对长期漂移效应执行信号补偿算法。
图9描述了根据本发明的光电屏障的各种操作模式。起始模式是加电模式150。在TOF PAC系统通电之后或在系统复位之后，进入该模式。其对系统进行初始化并且执行所有测试。如果所有的测试都成功通过，则退出加电模式并且可以进入运行模式152或管理模式154。否则，在通过测试确定出现故障的情况下，退出加电模式150并且进入误差处理模式156。OSSD总是在加电模式150下被关闭。
在加电模式150期间，包括收发器模块在内的所有内部和外部部件被初始化。执行自检，这还检查OSSD输出的正确切换。
此外，测量参考目标的距离值和幅值，并且将所述值与在示教步骤所测量并存储的值进行比较。如果测量值与已存储的值相同，则处理可以前进至运行模式152。如果距离值或者幅值中的至少一个与所存储的值不同，则处理前进至管理模式154。
在运行模式152下，TOF PAC系统执行其正常安全功能。特别地，测量距参考目标的距离并且将该值与所存储的值进行比较。如果测量值与所存储的值之间的差超过预定范围，则生成使OSSD输出被关闭的信号。针对强度值执行相同的比较。重要的是注意，每个收发器模块104单独地生成数字信号以使OSSD输出关闭。这个信号由控制器模块126经由传感器总线124提供给OSSD输出。
除了测量步骤之外，运行模式152还包括测试序列。在测试并非全部成功通过的情况下，处理前进至误差处理模式156。
在误差处理模式156期间，OSSD被关闭。对于连续误差，则处理前进至闭锁模式158；对于非连续误差，则处理前进至加电模式150。
管理模式(“管理”模式)154要求用于执行根据本发明的示教步骤。在示教步骤中，距离和幅值的参考值被测量并且存储在每个收发器模块104中所设置的存储器中。特别地，为了执行示教步骤，操作者对准光电屏障以朝向存在于期望位置处的特定参考目标发射辐射。参考目标可以是壁、栅栏柱、机器外壳的一部分等。根据本发明，不需要专用的参考目标。然而，在成功的示教步骤之后，当然除非执行新的示教步骤，否则参考目标在所有操作模式下需要始终保持不变并且保持在相同的位置处。如已经提到的，可以通过提供可见光源来帮助该对准处理。
图10示出了对与光敏元件114的尺寸相关的尽可能小的参考目标108的限定。根据本有利实施方式，光敏元件114是具有以8列和8行布置的64个像素的CCD芯片。附图标记166示出了CCD光敏元件的芯片尺寸。
为了确保在参考目标的所有位置处生成足够的测量信号，从参考目标返回的辐射需要完全覆盖至少4个像素。
图像162象征参考目标的第一位置并且示出了第4列和第6列仅一半被从参考目标散射返回的辐射覆盖以及仅第5列的像素被完全照明的情况。对于光电屏障与同一参考目标之间的不同的几何关系，还可以如由图像164所示的那样将两列像素完全照明。阴影线区域168、170表明需要由所反射的辐射覆盖的最小数量的行。在本示例性实施方式中，需要照明四行，以便达到所需的总共四个像素。
总之，本发明提供了一种成本有效且易于安装和维护的改进型呈现感测安全产品。此外，根据本发明的光电屏障能够满足与安全完整性等级3相关的要求。
除非本文中另有所指或通过上下文清楚地否定，否则在描述本发明的上下文中(尤其是以下权利要求的上下文中)不使用数量词时被解释为包括单数和复数二者。除非另有所指，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”被理解为开放式的术语(即，意指“包括(包含)但不限于”)。除非本文中另有所指，否则本文中数值范围的记载仅旨在充当单独提及落在范围内之每个分开的值的速记方法，并且每个分开的值并入本说明书，如同其在本文中被单独地列举。除非本文中另有所指或通过上下文清楚地否定，否则可以以任何合适的顺序进行本文中描述的所有方法。除非另有所指，否则本文中提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“如”)的用途仅旨在更好地举例说明本发明并且不造成对本发明之范围的限制。本说明书中的语言不应被解释为表明如对本发明之实践必不可少的任何非要求保护的要素。
本文中描述了示例实施方式。那些实施方式的变化对于本领域技术人员在阅读之前描述后可变得明显。本发明人期望本领域技术人员根据情况使用这种变化，并且本发明人期望除了如本文中特定描述的之外来实践本发明。例如，还可以提供多于一个的辐射发射单元。
因此，本发明包含适用法律许可的在所附权利要求书中引用的主旨的全部修饰和等同物。另外，除非本文中另有所指或通过上下文中清楚地否定，否则本发明涵盖了上述要素在其所有可能的改变中的任何组合。

Claims (16)

1.一种用于监视保护区域的满足安全完整性等级3的安全要求的安全光电屏障，所述光电屏障(100)包括单侧收发器条，所述单侧收发器条具有：
壳体(102)；
多个收发器模块(104)，每个收发器模块(104)具有：辐射发射单元(112)，用于朝向参考目标(108)发射辐射，所述保护区域位于所述收发器条与所述参考目标之间；辐射检测单元，用于检测在所述收发器模块(104)上的入射辐射；以及信号处理单元，用于估计所检测的辐射有关的距离信息和强度信息并且用于生成指示在所述保护区域内存在或不存在对象的二进制输出信号；以及
控制器模块(126)，用于估计由所述收发器模块(104)生成的二进制输出信号并且用于响应于所估计的输出信号来生成安全信号，
其中，所述辐射检测单元包括至少第一光敏元件和第二光敏元件(114)，所述第一光敏元件和第二光敏元件(114)各自包括独立的飞行时间TOF电荷耦合器件CCD传感器芯片或CMOS传感器芯片，用于冗余地估计所述距离信息和所述强度信息，
所述安全光电屏障进一步包括内部温度传感器，用于执行所述距离信息和所述强度信息的温度补偿，
其中，两个、三个或四个收发器模块(104)以彼此之间间隔有距离布置在所述壳体(102)内，以符合标准化周界访问控制PAC系统的规范。
2.根据权利要求1所述的安全光电屏障，其中，所述辐射检测单元被操作成基于飞行时间原理计算所述距离信息，并且同时检测所述入射辐射的强度信息。
3.根据权利要求1或2所述的安全光电屏障，其中，所述距离信息基于由所述辐射发射单元(112)发射的辐射与所述入射辐射之间的相移来计算。
4.根据权利要求1所述的安全光电屏障，其中，每个TOF CCD传感器芯片或CMOS传感器芯片包括光敏像素阵列。
5.根据权利要求1、2或4所述的安全光电屏障，其中，所述辐射发射单元(112)由所述信号处理单元控制，并且所述辐射发射单元(112)包括至少一个发光二极管LED或至少一个激光二极管或垂直腔表面发射激光器VCSEL。
6.根据权利要求1、2或4所述的安全光电屏障，其中，所述信号处理单元包括至少一个片上控制器，其与所述第一光敏元件或第二光敏元件(114)单片地集成。
7.根据权利要求1、2或4所述的安全光电屏障，其中，所述信号处理单元包括至少一个微控制器，其与所述第一光敏元件和第二光敏元件(114)分离。
8.根据权利要求1、2或4所述的安全光电屏障，进一步包括对准辅助装置，其发射可见光，用于对准所述光电屏障(100)，或者其中，所述辐射发射单元(112)被操作成发射可见光的同时被用作对准辅助装置。
9.根据权利要求1、2或4所述的安全光电屏障，进一步包括逆向反射带或棱镜反射元件(118)以形成所述参考目标(108)。
10.一种借助于满足安全完整性等级3的安全要求的安全光电屏障来监视保护区域的方法，所述光电屏障包括单侧收发器条，所述单侧收发器条具有壳体、多个收发器模块以及控制器模块，所述收发器模块各自具有辐射发射单元、辐射检测单元以及信号处理单元，所述方法包括以下步骤：
从所述辐射发射单元朝向具有任意的反射率和几何形状的参考目标发射辐射，所述保护区域位于所述收发器条与所述参考目标之间；
检测在所述收发器模块上的入射辐射，以及估计所检测的辐射有关的距离信息和强度信息并且生成指示在所述保护区域内存在或不存在对象的二进制输出信号；
估计由所述收发器模块生成的二进制输出信号，并且响应于所估计的输出信号来生成安全信号；以及
测量所述收发器模块的温度并且执行所述距离信息和所述强度信息的温度补偿，
其中，所述辐射检测单元包括至少第一光敏元件和第二光敏元件，所述第一光敏元件和第二光敏元件各自包括独立的飞行时间TOF电荷耦合器件CCD传感器芯片或CMOS传感器芯片，使得由两个冗余光敏元件独立地执行估计所述距离信息和所述强度信息的步骤，
其中，两个、三个或四个收发器模块以彼此之间间隔有距离布置在所述壳体内，以符合标准化周界访问控制PAC系统的规范。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括示教步骤，在所述示教步骤中，由所述信号处理单元检测所述参考目标的距离信息和强度信息并将所述距离信息和所述强度信息存储为参考值，其中，在运行模式期间，将所测量的值与所述参考值进行比较，以生成指示在所述保护区域内存在或不存在对象的二进制输出信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述示教步骤中，仅将最接近对象估计为所述参考目标，并且其中，忽略由所述参考目标视场以外的对象所反射的辐射。
13.根据权利要求10至12中的一项所述的方法，进一步包括以下步骤：对指示所述距离信息和所述强度信息的测量值的长期漂移进行补偿。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，针对一个以上辐射脉冲频率和/或幅值来执行所述示教步骤和所述测量步骤。
15.根据权利要求10、11或12所述的方法，其中，针对系统检查，改变所述辐射发射单元的调制频率、积分时间和/或相位延迟。
16.根据权利要求10、11或12所述的方法，其中，使用不同的辐射脉冲频率和/或幅值来检测多路径反射。
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