Für jede Applikation die richtige Lösung

Marcel Wöhner, Produkt Management bei der Pilz GmbH & Co. KG in Ostfildern

Vorteile der sicheren Bewegungsüberwachung sind neben der Sicherheit eine hohe Produktivität sowie kurze Rüstzeiten. Bei ineinander greifenden Abläufen vermeidet das sogenannte Motion Monitoring außerdem mögliche Beschädigungen durch zu hohe Prozessgeschwindigkeiten. Der Vorteil einer sicheren Bewegungsrichtung zeigt sich auch beim Abfüllprozess im Lebensmittelbereich, der durch einen Rücklauf kontaminiert werden könnte. Andere Motion-Monitoring-Lösungen sind eine sichere Drehzahl- und Stillstandsüberwachung wie bei der Holzbearbeitung oder der sichere Betriebshalt bei hängenden Lasten.

Motion Monitoring erlaubt einen effizienten Betrieb von Maschinen – zusätzlich fordern die gesetzlichen Normen aber ein Maximum an Sicherheit. Die Einschätzung möglicher Gefahren einer bestimmten Anwendung hängt unter anderem von Häufigkeit und Dauer der Risikoexposition sowie der Möglichkeiten ab, eine Gefährdung zu verhindern. Aus der Summe dieser Faktoren ergibt sich der für die Einschätzung erforderliche Performance Level (PL) nach EN ISO 13849-1. Die Einstufung reicht von einem niedrigen (PL a) bis zu einem hohen Risiko (PL e). Eine Bewertung nach dieser Norm beinhaltet nicht nur das Grundgerüst der Steuerungskategorie wie bei der Vorgängernorm EN 954-1 sondern zusätzlich quantitative Größen. Dazu gehören die Informationen des Sensorherstellers zu Kategorie und MTTFd, der Diagnosedeckungsgrad des Auswertegerätes sowie die Berechnung des Common Cause Failure (Ausfälle aufgrund einer gemeinsamen Ursache) durch den Maschinenkonstrukteur.

Laut Maschinenrichtlinie muss jeder Hersteller die potenzielle Gefahr über den Performance Level selbst einstufen, entsprechende Maßnahmen zur Reduzierung des Risikos ergreifen und diese verifizieren – auch für unterschiedliche Betriebsarten. Im Automatikbetrieb können z.B. Bewegungen nur mit geschlossener und verriegelter Schutzeinrichtung mit Zuhaltung erlaubt sein. Im Einrichtbetrieb hingegen sind Bewegungen bei geöffneter Schutzeinrichtung und aktiver Zustimmfunktion unter einem verringerten Risiko möglich. Zur Risikobeurteilung gehören auch die Festlegung von Maschinengrenzen wie Verfahrbereiche, Lebensdauer und Wartungsintervalle sowie Eingriffsmöglichkeiten durch den Bediener.

Die häufig eingesetzten Sin/Cos-Geber ermöglichen einen höheren Diagnosedeckungsgrad und einen höheren PL als ein klassischer Rechteckgeber. Voraussetzung dafür ist, dass die genutzten Auswertegeräte die dafür notwendigen Auswertefunktionen aufweisen. Mit einem Feedbackgeber, der keine sichere Komponente sein muss, wird einkanalig typischerweise PL d erreicht. Das gilt auch dann, wenn er mit einem PL-e-fähigen Auswertegerät kombiniert wird. Jede Sicherheitskette ist nur so stark wie das einzelne Glied. Um PL e zu erreichen muss entweder ein sicherer Geber eingesetzt werden oder man nutzt die Kombination aus Geber plus Initiator; also zwei unabhängige Messsysteme.

Beim Aufbau einer sicheren Drehzahl- und Bewegungsüberwachung wird grundsätzlich zwischen einem antriebsintegrierten System und einem externen Messsystem unterschieden. PMCprotego DS (Servoregler + Sicherheitskarte) zählt zu den integrierten Safe-Motion-Lösungen. Safe Motion von Pilz beinhaltet umfangreiche Sicherheitsfunktionen, die alle Anforderungen der Maschinenrichtlinie nach IEC 61800-5-2 erfüllen und bis PL e nach EN ISO 13849-1 bzw. SIL CL 3 nach EN/IEC 62061 ausgelegt sind.

Ein effizienter Einsatz dieser Lösung ist das Motion Monitoring einer Vertikalachse. Ist beispielsweise das Gefährdungspotenzial beim Einrichten niedrig und die Aufenthaltsdauer unter der Last eher gering, so ist ein Sicherer Bremsentest (SBT) in Verbindung mit einem zugangsgesicherten Bereich eine mögliche risikomindernde Maßnahme. Mit diesem zyklischen Bremsentest, der mit einem zusätzlichen Lastmoment nach Kategorie 2, EN ISO 13849-1 erfolgt, können auch Fehler in der Ansteuerung und an der Mechanik der Bremse aufgedeckt werden. Andere relevante Funktionen für Vertikalachsen sind die Sichere Bremsenansteuerung (SBC), die den Absturz hängender Lasten verhindert und die Sicher begrenzte Position (SLP) zur Überwachung vorab definierter Endlagen. Eine weitere Anwendung von PMCprotego DS ist die Sicherheit an Pressen. Funktionen wie Sicher begrenzte Geschwindigkeit (SLS) und Sicher begrenztes Schrittmaß (SLI) überwachen den Walzenvorschub und ermöglichen in Kombination zusätzlich einen sicheren Tippbetrieb der Achsen beim Einrichten.

Mit einem externen Überwachungsgerät wird ein sicheres Motion Monitoring separat von der Maschinen- und Antriebssteuerung realisiert. Es erkennt allerdings nur, dass sich eine Achse zu schnell oder in die falsche Richtung bewegt. Dafür bietet diese Variante andere Vorteile: So ist beispielsweise die Überwachung von nur einer Achse mit dem Drehzahlwächter PNOZs30 ohne spezielle Software möglich. Das Motion Monitoring bis PL e/SIL CL 3 umfasst Stillstand, Drehzahl, Wellenbruch, Drehzahl und -richtung. Alle Sicherheitsfunktionen sind direkt am Gerät über einen Druck- und-Drehschalter einstellbar.

Für die Drehzahl- und Stillstandüberwachung von bis zu 12 Achsen nach EN 61800-5-2 ist das konfigurierbare Steuerungssystem PNOZmulti 2 konzipiert. Das Basisgerät kann mit einer Vielzahl von Modulen ergänzt werden und erfüllt dadurch unterschiedliche Anforderungen im Maschinen- und Anlagenbau. Dazu gehören neben Modulen zur sicheren Bewegungsüberwachung von einer oder zwei Antriebsachsen verschiedenen Ein- und Ausgangsmodulen sowie die Möglichkeit zum Anschluss dezentraler Module in IP67. Hauptmerkmale dieser Lösung sind eine offene Kommunikation, eine durchgängige Diagnose und sichere Motion-Monitoring-Funktionen aus dem Sicherheitssystem heraus. PNOZmulti 2 erlaubt den Anschluss aller gängigen Inkrementalgeber über die bewährte Industrieschnittstelle Mini-I/O. Konfiguriert werden die Module über die Software PNOZmulti Configurator.

Dritte externe Variante ist eine programmierbare Komplettlösung für Maschinen und verkettete Anlagen. Das Automatisierungssystem PSS 4000 stellt dem Anwender für die Steuerungen PSSuniversal PLC oder PSSuniversal multi eine Vielzahl von Modulen sowie verschiedene Editoren und Bausteine zur Verfügung. Alle Editoren sind im Umfeld der industriellen Automatisierung als LVL (Limited Variability Language) eingestuft und erfüllen damit alle Anforderungen an die Erstellung einer sicherheitsbezogenen Anwendersoftware von Normen wie EN/IEC 62061 und EN ISO 13849-1.

Beim PSS 4000 ist die sichere Überwachungsfunktion komplett in die Anwendersoftware integriert. Die sichere Bewegungsüberwachung mit einem Gebermodul, das den Anschluss einer Vielzahl unterschiedlicher vorhandener Drehgeber erlaubt, ermöglicht die Realisierung von Sicherheitsfunktionen nach EN 61800-5-2 mit nur einem Drehgeber. Zudem besteht die Möglichkeit, eine sichere Positionsüberwachung (sichere Geschwindigkeit und sichere Position) mit den Steuerungen PSSuniversal PLC mit Zählermodulen in Kombination mit zwei Absolutwert- und Drehgebern zu realisieren. ge

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