为设备中的操纵装置自动测定作用区域的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于为设备中的操纵装置自动测定作用区域的方法和装置。

背景技术：

所谓的“紧急停止”是工艺设备中的重要的和规定的安全要求。

在此，通常在引起设备部件的停车以及阻止带来危险的运动的紧急停止(emergency stop)和引起关断、即断开设备部件的供应电压以及阻止设备中的电压导致的风险的紧急关闭(emergency switching off)之间进行区分。在接下来的描述中仅涉及紧急停止，在其中进行的是，尽可能快速地停止运动。

用于紧急停止的要求在各种国际标准中进行标准化。因此存在根据DIN EN ISO 13850的要求“机器的安全-紧急停止-设计原则”，其例如也详细陈列为形状、颜色、可操作性和操纵装置的安装或者用于紧急停止的控制装置、例如按键、手柄或开关。

与该主题相关的另外的标准是具有名称为“机器的安全-机器的电设备”的DIN EN 60204-1。规则的目的在于，避免带来危险的情况和其风险，并且考虑在设计期间的安全措施。此外，应当由此减轻保养和维修措施，以便使得机器变得更可靠并且能够更容易操作。

在上述标准中要求的是，必须能容易并且快速地联系到紧急停止操纵装置。此外，使用该操纵装置的前提是，其存在足够多的数量，危险位置从其操纵位置能清楚看到，并且用于操纵装置的对应的子区域的分配是明确的。

因此重要的要求在于，激活用于紧急停止的操纵装置以解决明显的安全性情况。也就是说，其必须原本就清楚的是，停止哪个装置、哪个设备部件或哪台机器。当不能够明确地发现机器或设备部件的界限的时候(例如通过合适的标记)，就期望解决所有的安全相关的情况，其位于开动操纵装置的人员的直接的视野中。另外，操纵装置的操纵对设备的不位于人员的视野中的机器应当不具有另外的有可能的负面影响。

接下来将要讨论操作区域(操纵装置)，对此涉及设备中的大量的位置，其几乎都分配给确定的操纵装置，并且对于其而言适用于上述条件。

用于在设备中转化由标准预设的要求的、适用的安全方案现在仅在明确地确定了设备和机器的布局之后才生成。因此，首先计划有关在设备中的设备部件的地域定位的信息以及各个设备部件相互的有效关系。

迄今为止，通常手动地生成该方案。然后就确定并且归档这样生成的方案。

在现代的灵活的设备中、如其特别在未来(信息物理系统(Cyberphysical Systems)，工业4.0行动，见下面)越来越频繁地能够发现的那样，设备的布局应当是能动态改变的，其匹配设备的负荷、当前生产的产品或其它的因素。在这样的环境中经常不能够实现的是，预先处理所要求的完整的安全方案。

该问题由于应用分散的构造还进一步地激化，例如将每个单独的机器作为信息物理系统处理，即信息的软件技术的构件与机械的和电子的经由例如互联网的数据基础设施而通信的部件的连接。信息物理系统的特征在于其高复杂度。信息物理系统的设计方案由嵌入系统通过有线的或无线的通信网络的联网产生。因此，在这样的环境中几乎不能实现的是，提前建立安全方案。该问题在分散的环境中还会加剧，例如仅仅利用有限的关于该环境中的相应的联系的知识来将每个机器/每个设备部件作为信息物理系统处理。

生产工艺的设备或工厂由大量相互影响的、部分自给自足的机器组成。在现代的生产设备中应当能动态地布置这些机器，特别还能够实现的是，在其中改变相应的地域的使用区域。因此非常重要的是，将这样的新式设备的用于所期望的改造的工程花费减少到最小，并且特别地避免手动规划的要求。

技术实现要素：

本发明的目的因此在于提出一种方法和装置，能够在上述条件下自动地实现用于操纵装置、接下来也称为紧急停止按钮的作用区域的计算。

该目的通过用于测定从工业设备中的操作区域能看到的作用区域的方法实现，该设备由各个相互有效连接的、在空间中分布的设备部件组成，该方法利用用于包括了设备的空间的三维的第一模型，并且利用在考虑到相应的设备部件的透明性的情况下的、用于每个设备部件的外部边界的三维的第二模型，以及用于设备部件在空间和/或设备的模型中的空间定向的信息，该方法具有下述步骤：

a)测定操作区域之中的能实现的第一站点，

b)借助于射线追踪算法，在空间的第一模型和设备部件的第二模型以及关于设备部件的定向的信息的基础上，测定从第一站点能看到的设备部件，

c)确定在操作区域(AA)中是否考虑到足够多的站点，并且进一步执行步骤e)或者测定能实现的另外的站点，

d)对于另外的站点执行步骤b)，

e)通过评估来自于步骤b)的结果来测定从操作区域能看到的设备部件。

通过根据本发明的方法能够以有利的方式自动地确定紧急停止按钮的所谓的作用区域。在此，作用区域被理解为能由相应的紧急停止按钮转换到紧急停止状态中的设备部件。在此，设备部件能够是单个机器或者大量的机器或装置。在一个设备中采用多于一个的紧急停止按钮时也能够实现的是，各个紧急停止按钮的相应的作用区域相互重叠，即机器能够通过2个或更多不同的紧急停止按钮停止。这在图1中示意性地示出。紧急停止按钮B12…B18对位于相应的作用区域21…24中的设备部件31…36有影响。在此，设备部件31，33，34在两个作用区域中并且设备部件32在三个作用区域中。同样能够实现的是，多个紧急停止按钮B12…B13作用于相同的作用区域。

在此紧急停止按钮导致的是，分别位于作用区域中的设备部件立即并且没有另外的干涉地由操作人员转换到安全的状态(例如根据上述标准)中。

各个设备部件转换到安全的状态中是已知的。在此，对于各个设备部件而言也已经确定的是，在可能的情况下还需要哪些辅助机构和装置，以便将相关的设备部件转换到例如对于气压、电流需求或类似的要求的安全的状态中。

对于每个设备部件设置有轮廓或草图的简单的三维(3D)的模型。在此足够生成静态的模型，其不要求设备部件的可能的运动同样在模型中模仿。在此，机器的透明的部件是重要的，或者能够出于其它的原因利用或通过留空部被看到，其在此必须也如此被模型化。

此外，需要设备所在的空间的模型。在此如也在设备部件的模型中那样，重要的是关于空间之中的阻碍视线的情况的信息，例如柱子、拐角或墙壁。此外有利的是，相应的机器具有用于其在空间中的特有的定向/方位的信息。

在本发明的一个有利的设计方式中，每个设备部件都能够访问其特有的3D模型并且也具有足够的计算能力，以便对此在当地实施必要的计算。在此要注意的是，机器在该情况中也能够仅在其已知的环境之中执行计算。

此外，对于分散的解决方案必要的是，子设备能够与(设备中的)其它的子设备通信，以便交换相应的计算的中间结果和结果。

此外，对于计算而言的出发点是，紧急停止按钮的潜在的使用者停留在相应的按钮的确定邻近的环境中(操作区域)，就其而言相关的设备部件必须是至少部分能看到的。

附图说明

接下来通过附图详细阐述本发明。在此示出：

图1示出设备部件和作用区域(sphere of action)的模型的实例，

图2示出由四个设备部件组成的设备的示例性的布置，

图3示出具有观察者的视角的示例性的设备，

图4至图6示出用于各个设备部件的方法的结果，并且

图7至图9示出第二实施例中的结果。

具体实施方式

图2示出了设备部件M1，…M4布置成整体的设备。操作人员P具有描述为操作区域AA的行动区域。各个设备部件根据标准装配有必要的紧急停止按钮B1至B5。在此重要的是，如下地安装按钮，即操作人员P在其操作区域AA之中能看到紧急停止按钮中的至少一个，也就是说其不会由其它的设备部件所遮盖。在图2的情况中，设备部件M1上的紧急停止按钮B1位于操作人员P的可见范围中，而按钮B2由设备部件M1所遮盖。

图3通过箭头表示的是，设备部件M1的哪些区域位于从行动区域AA中的这些位置出发的操作人员P1，P2的视野中。在此能识别的是，另外的设备部件M2和M4同样位于视野中。与此相反，设备部件M3完全由其它的设备部件所遮盖。

具体地，在具有分散的解决方案的第一实施方式中执行下述步骤：

1.将紧急停止按钮B1安装在设备部件M1上。

2.设备部件M1(对于操作人员P能够定位的、已经证实的操作区域AA，activation area)在设备中借助于Raytracing方法(也称为射线追踪，其对于3-D图形的计算而言是已经已知的和成熟的)计算哪些另外的设备部件就站点P上的操作人员而言是可见的。也就是说，借助于在模拟发送射线的基础上的、用于遮盖计算(Verdeckungsberechnung)或者测定三维对象的能见度的算法,就空间中的确定的点而言,设备中的区域哪些不由设备部件M1所遮盖。

3.M1发送测定的信息(例如应用的射线的向量、即起始坐标和方向)给所有其它相关的设备部件M2至Mn。这些射线向量标记为源于操作按钮B1的源。

4.因为设备部件Mx(x＝2至n)知道其特有的位置并且能访问设备空间的3D模型，所以其现在计算是否碰到相应的射线。

Mx标记了作为“由Mx遮蔽的”和“源自操作按钮B1的”射线，并且发送附加的信息给除了M1以外的所有其它的设备部件。

5.对于Mx+1执行步骤4直到x+1＝n。

6.每个设备部件现在都能够在从其它设备部件得到的信息的基础上计算其就操作区域AA而言是否是可见的，或者是否通过其它的设备部件所遮盖(或者遮蔽)。

该计算例如能够通过应用大量的“由Mx遮蔽并且从操作区域AA出发的”射线、扣除识别为“由My遮蔽的”射线，其中y＝2至n，没有x。作为结果得到了大量的射线，其在Mx处证实没有由其它的设备部件遮蔽。

当现在结果得出了足够大量的射入的射线或者识别足够大的面积作为“可见的”的时候，将Mx看作为“就操作区域AA而言可见的”并且相应地将其报告给M1。

用于限定何时将对象识别为可见的、所谓的参数能够根据本地的规则而调整。例如能够要求的是，一旦对象的多于10％的外表面是可见的，那么就将对象识别为可见的。

7.对于所有的操作区域或者紧急停止按钮重复步骤1至6。

必要的计算也能够在可能的情况下部分地转移到另外的计算单元上。当设备部件本身不能提供必要的计算能力的时候，这是特别有利的。

在本发明的另一个实施方式中在中心机构中执行计算。

对于每个紧急停止按钮B1…Bm执行下述步骤：

1a.选择紧急停止按钮Bx周围的地域的操作区域(Activation Area，AA)。当观察需要确认紧急停止按钮的情况的时候，操作人员P1，P2预计停留在该操作区域AA中。操作人员到紧急停止按钮的最大距离能够预设置，或与例如来自国家规定或标准的预设相匹配。该操作区域不包含人员不能出现的区域。

1b.确定操作人员(平均的)眼睛高度和最大视距。

1c.就操作区域的每个(足够多的)点而言，系统在应用事先确定的3D模型和例如射线追踪方法或其它已知的用于遮盖计算的算法的条件下计算直接的视线/视轴(Blickachse)。

1d.为每个设备部件M1至Mn执行下述步骤：

计算视轴碰到的面(可见面)。射线追踪：合并碰到设备部件的射线。

当可见面(射线追踪：射线的数量)超过设备部件模型的表面的(预先)确定的部分的时候，该设备部件标记为“可见的”，并且基于设备部件的、对于转变到安全状态中而言必需的机构或功能标记为“必要的”。

1e.结果：为紧急停止按钮Bx计算所有数量的标记为“可见的”设备部件作为激活区域。不允许关断所需要的辅助功能。

2.结果：为每个紧急停止按钮计算作用区域。同样计算不允许关断的子设备的、在可能情况下需要的预备的数量。

3.一旦为每个紧急停止按钮执行计算，那么就在系统中转化结果，例如通过添加调用合适的安全功能到用于激活紧急停止按钮的结果控制功能(事件处理器)。

图7示出了相互影响的设备部件M1…M5的结构。设备部件M2的操作区域(即当观察需要确认操作紧急停止按钮的紧急情况的时候，操作人员P能够理论上停留的面)表示为AA。在设备部件上分别安装紧急停止按钮Ba…B7。

图8示出了就点P1和P2而言从操作区域中示例性地测试的方式，即射线V根据射线追踪方法借助于中心机构进行计算。

随后在图9中示出计算的结果。特别清楚的是，两个紧急停止按钮B1或B5中的一个的操作包括分别作为作用区域的两个设备部件M1和M2。

在另一个有利的实施方式中以中心和非中心的混合的方式实施计算。在此，例如用于设备部件处的子集的下级的系统能够负责。

根据本发明的方法能够实现紧急停止按钮的作用区域的自动化的计算。

利用非集中的方式不需要另外的中心的上级的系统或协调器。这特别有利地用于在新式的信息物理系统中使用。

在另一个实施方式中，当布局改变在计算阶段期间发生的时候，也能够对设备的较小的布局改变起反应。为了尽可能小地保持计算花费，能够提出以下方式，以便将重新计算限制到必要的设备部件上。

设备由具有紧急停止按钮B1至Bm的设备部件M1至Mn组成。作用区域的计算仍在进行又或者已经结束。现在应当改变设备部件Ma的位置。

当计算仍在进行的时候，那么就将其临时中断。现在(由执行或控制计算的上级的系统)进行的是，改变了位置的设备部件本身由一种光发射的区域环绕。现在借助于射线追踪或其它的表示方法计算，其它的设备部件由这些光射线碰到，类似于上述方法。当碰到设备部件Mb的时候，那么继续进行的是，该设备部件就设备部件Ma而言是可见的并且反之亦然。当Mb是作用区域的一部分的时候，那么就消除该作用区域并且为紧急停止按钮的列表添加紧急停止按钮，对于其而言必须重新执行作用区域的计算。当设备部件Ma具有紧急停止按钮的时候，其就必须也添加到列表。

有利的，通过系统能够实现自动计算的值的手动的覆盖。

特别地，操作者能够限定的是，一个设备部件或大量的设备部件是与剩余的设备分开的。在该情况中通过该标准确定的是，操作区域AA被限制到这些设备部件上并且不被应用，以便扩大一些操作区域。

在此也能够实现的是，设备部件由操作者限定为与剩余的设备明确地分离。在该情况中根据标准的预设将操作区域限制到相应的设备部件上。

在另一个有利的实施方式中应用所述系统，以便如下地检查用于设备的现有的安全方案，即是否遵守由标准预设的要求。

附图标记列表

AA 操作区域(Activation Area)

B1，…Bx 操作元件，紧急停止按钮

M1…M4 设备部件

P，P1，P2 操作人员

V 向量

21…24 作用区域(Sphere of Action)

31…36 设备部件

41…44 具有影响