Gefragt sind kosteneffiziente Lösungen

Dipl.-Ing. (BA) Johanna Schüßler ist im Produktmanagement bei der Bihl+Wiedemann GmbH tätig

Im Anhang 1 der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG heißt es im Absatz 1.3.9. zum Risiko unkontrollierter Bewegungen: Es muss verhindert werden, dass sich ein aus welchem Grund auch immer stillgesetzter Maschinenteil ohne Betätigung aus seiner Ruhestellung bewegt, oder diese Bewegung darf keine Gefährdung darstellen.

Während beim normalen Betrieb einer Maschine in der Regel trennende Schutzeinrichtungen zum Einsatz kommen, wie z. B. Schutztüren, die beim Öffnen die Energieversorgung der Antriebe abschalten, ist dies gerade im Einrichtbetrieb oder bei der Wartung oft nicht möglich. Um verschiedene Einstellungen an der Maschine vorzunehmen, ist es deshalb häufig erforderlich, die Antriebe bei geöffneter Schutztür zu verfahren. Auch bei der Störungsbeseitigung kann es erforderlich sein, die Maschine nicht komplett abzuschalten.

Dazu lohnt auch ein Blick auf die Kurzfassung des IFA-Reports 7/2013: Drehzahlgeregelte Antriebe sind an Maschinen Stand der Technik. Genau wie bei ungeregelten Antrieben löst die drehzahlveränderliche Bewegung eines Maschinenteils häufig eine Gefährdung aus, vor der die Bedienpersonen geschützt werden müssen. Die einfachste Lösung zur Vermeidung von Bewegungen bei manuellen Eingriffen in Gefahrstellen ist das (sichere) Abschalten der Antriebsenergie der jeweiligen Motoren. Dies ist jedoch häufig nicht möglich, z. B. wenn zur Störungsbeseitigung, zum Einrichten, im Probebetrieb usw. Eingriffe bei laufender Maschine notwendig sind. In diesen Fällen ist der Maschinenbetrieb bei aufgehobener Schutzwirkung von Schutzeinrichtungen erforderlich. Um die Sicherheit der Beschäftigten trotzdem zu gewährleisten, werden die gefahrbringenden Bewegungen dann bei sicher begrenzten Geschwindigkeiten, Drehzahlen, Drehmomenten und häufig im Tippbetrieb oder mittels Zustimmungsschalter ausgeführt. Dazu wurden Sicherheitsfunktionen für Antriebssteuerungen definiert, wie STO (Sicher abgeschaltetes Moment), SLS (Sicher begrenzte Geschwindigkeit) und SS1 (Sicherer Stopp 1).

Die sichere Drehzahlüberwachung von Antrieben macht automatisierte Anlagen darüber hinaus auch effizienter. Da nicht die ganze Anlage heruntergefahren werden muss, sondern nur die Bewegung angehalten wird, bevor ein manueller Eingriff erfolgen kann, können Produktionsabläufe deutlich optimiert werden, vor allem in Bereichen, in denen Mensch und Maschine Hand in Hand arbeiten.

Grundsätzlich kann zwischen zwei Konzepten zur Überwachung der Drehzahl eines Antriebs unterschieden werden. Der Drehzahlwächter ist im Antrieb integriert oder die Drehzahl wird über einen externen Drehzahlwächter überwacht. Für die externe Drehzahlüberwachung können Anwender wiederum aus unterschiedlichen Sensoren/Gebern und Auswerteeinheiten wählen.

Der Einsatz von Standard-Sensoren wird bei der Drehzahlüberwachung oft vergessen, obwohl diese weit verbreitet sind. Sichere Drehzahlwächter erreichen typischerweise beim Einsatz von zwei Standard-Sensoren ein Sicherheitslevel bis SIL2 bzw. PLd, bei der Verwendung von einem Standard-Sensor SIL1 bzw. PLc.

Industrie-Separatoren z.B. werden in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt, wie in der Chemie, der Pharmazie, der Wasseraufbereitung oder der Lebensmitteltechnik. Bei der Trennung etwa von Flüssigkeitsgemischen oder Feststoffen aus Flüssigkeiten durch Zentrifugalkraft wird im Inneren der Zentrifuge eine hohe Masse in Rotation gebracht. Wird die Drehzahl zu hoch, kann die Mechanik dieser Kraft nicht mehr standhalten und es kommt zu Schäden. Die sichere Drehzahlüberwachung dient hier also zum Schutz der Maschine selbst sowie zum Schutz von Personen im Bereich der Zentrifuge. Ebenfalls eingesetzt wird die sichere Drehzahlüberwachung mit Standard-Sensoren z. B. bei Gasturbinen oder in Verbindung mit der Abluft bei thermischen Prozessen.

Zur Erfassung der Drehzahl werden meist induktive Näherungsschalter an der Maschine montiert, deren Impulse in einem Drehzahlwächter als Frequenz ausgewertet werden. Wird die maximale Frequenz überschritten, schaltet der Drehzahlwächter entweder die Energiezufuhr des Antriebs ab oder löst über den Umrichter einen sicheren Halt aus.

Die Verwendung von Drehgebern zum Erfassen der Drehzahl ist die wohl bekannteste Methode. Aufgrund der hohen Auflösung bietet der Einsatz eines Drehgebers die maximale Funktionalität. Sichere Drehzahlwächter für Drehgeber sind in der Lage, unterschiedliche Sicherheitsfunktionen zu realisieren und erreichen dabei ein Sicherheitslevel bis SIL3 bzw. PLe. Zum Einsatz kommen entweder Inkrementalgeber zur Erfassung der Geschwindigkeit oder Absolutwertgeber zur Erfassung der Position.

Solche Lösungen finden beispielsweise im Bereich der Getränkeabfüllung Anwendung, wo Glas- bzw. PET-Flaschen oder Dosen in unterschiedlichen Größen befüllt werden. Abfüllanlagen sind meist so konzipiert, dass sie möglichst variabel einstellbar sind und unterschiedliche Produkte bearbeiten können. Dazu zählen unter anderem Maschinen zur Reinigung, Füllung und Etikettierung. In den Maschinen arbeiten viele Antriebe, die die einzelnen Achsen bewegen. Während des Einrichtens der Maschine müssen die Antriebe mit Energie versorgt werden. Nur so können Inbetriebnehmer und Anlagenbediener die Achsen bewegen. Damit in diesen Fällen keine Gefährdung von der Maschine ausgeht, muss die Drehzahl der Antriebe im Einrichtbetrieb reduziert und sicher überwacht werden. Meist muss außerdem ein Zustimm- oder Tipptaster betätigt werden, ohne dessen Betätigung überhaupt keine Bewegung stattfinden darf. Im Tippbetrieb ist auch bei betätigtem Taster nur eine begrenzte Bewegung erlaubt. Um die Achse weiter bewegen zu können, muss der Taster erneut betätigt werden. Neben der Getränkeabfüllung wird die sichere Drehzahlüberwachung mit Drehgebern auch bei Bearbeitungsmaschinen, Krananlagen, Regalbediengeräten oder Fahrerlosen Transportsystemen eingesetzt.

Zur Erfassung von Geschwindigkeit oder Position sind Drehgeber entweder im Antrieb integriert oder werden an der Achse montiert. Kommen drehzahlgeregelte Antriebe zum Einsatz, wird das Drehgebersignal zwischen Drehgeber und Umrichter mit Hilfe von Adaptern abgegriffen. Wird kein Umrichter eingesetzt, kann das Drehgebersignal direkt am Drehzahlwächter angeschlossen werden. Der externe Drehzahlwächter wertet das Signal sicher aus. In Kombination mit einem zertifizierten Drehgeber kann so ein Sicherheitslevel bis SIL3 bzw. PLe erreicht werden. Auch mit nicht sicheren Drehgebern lässt sich ein gewisses Sicherheitslevel realisieren − abhängig vom strukturellen Aufbau. Bei der zweikanaligen Überwachung einer Achse mit zwei Standard-Drehgebern kann SIL3 bzw. PLe erreicht werden.

Die sichere Drehzahlüberwachung im Antrieb kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn bereits ein leistungsfähiger Frequenzumrichter und eine sichere SPS verwendet werden. Dies geschieht etwa bei Bearbeitungsmaschinen und im Sieb- bzw. Offsetdruck. Druckmaschinen, die Hohlkörper wie Flaschen oder Tuben bedrucken, müssen sehr präzise regeln und positionieren. Dazu werden leistungsfähige Antriebe eingesetzt, die bereits viel Funktionalität für die nicht sicherheitsgerichteten Aufgaben mitbringen. Im Einrichtbetrieb, bei geöffneter Klappe, muss die Drehzahl sicher überwacht werden, damit keine Personen verletzt werden. Hier bieten sich Antriebe an, bei denen der Drehgeber im Antrieb integriert und direkt mit dem Umrichter verbunden ist, der wiederum die sichere Drehzahlüberwachung und die Anbindung an ein sicheres Bussystem wie Profisafe oder CIP-Safety bereits implementiert hat.

Die Norm EN 61800-5-2 definiert eine Vielzahl von Funktionen, die bei der sicheren Überwachung der Drehzahl realisiert werden können. Die Anwender profitieren davon, dass diese Funktionen auch bei verschiedenen Herstellern immer gleich definiert sind. Das erleichtert den Überblick darüber, welche Funktionalitäten mit welcher Lösung realisiert werden können. Es sind nicht immer alle Funktionen mit jeder Hardware möglich, aber vieles ist mit den unterschiedlichen Hardware-Lösungen realisierbar. Welche Lösung sich hinsichtlich Funktionalität und Kosten am besten eignet, hängt von der jeweiligen Applikation ab.

Die kostengünstigste und einfachste Methode, eine Bewegung zu erfassen, ist die Verwendung von induktiven Näherungsschaltern oder optischen Sensoren.

Sind die Anforderungen an Sicherheitslevel oder Funktionalität höher, kommen Drehgeber zum Einsatz. Zum Abgriff des Drehgeber-Signals zwischen dem Geber und dem Frequenzumrichter werden Adapter oder T-Stücke benötigt. Werden leistungsfähige Antriebe eingesetzt, um komplexe Regelungs- oder Positionierungsaufgaben zu realisieren, bietet sich die Methode der Drehzahlüberwachung im Antrieb an.

Als Vorteile der externen Drehzahlüberwachung gegenüber der integrierten Drehzahlüberwachung sind die Unabhängigkeit von Antriebs- und Steuerungshersteller sowie die in der Regel geringeren Kosten bei vielen Achsen zu nennen. Kommen Antriebe mit integrierter Drehzahlüberwachung und Anbindung an einen sicheren Feldbus zum Einsatz, so sind normalerweise auch der Feldbus und der Hersteller der übergeordneten sicheren Steuerung festgelegt. Die Einführung der sicheren Drehzahlüberwachung im Antrieb hat deshalb oft die Umstellung der gesamten Sicherheitstechnik der Maschine oder Anlage zur Folge. Externe Drehzahlwächter lassen sich einfacher in die bestehende Technik integrieren. Da viele externe Drehzahlwächter zwei Achsen in einem Gerät überwachen können, ist diese Lösung zur Überwachung vieler Achsen auch häufig die günstigere.

Bei der sicheren Drehzahlüberwachung mittels Sensoren kommt der 22,5 mm breite Safety Basis Monitor von Bihl+Wiedemann zum Einsatz. Er hat vier sichere zweikanalige Eingänge oder Standardeingänge und Meldeausgänge und übernimmt damit die Aufgabe einer autarken sicheren Kleinsteuerung. Außerdem verfügt er über zwei sichere elektronische Ausgänge, USB- oder Ethernet-Schnittstelle für die Konfiguration und eine detaillierte Diagnose samt Abschalthistorie. Die integrierten Drehzahlwächter befinden sich an den lokalen Eingängen und können zwei Achsen zweikanalig bis SIL2/PLd oder vier Achsen einkanalig bis SIL1/PLc überwachen. Als Stillstandswächter werden vier Achsen zweikanalig bis SIL2/PLd überwacht.

Die sicheren Drehzahlwächter für Drehgeber/Encoder von Bihl+Wiedemann zeichnen sich ebenfalls durch eine Baubreite von 22,5 mm aus. Sie können bis zu zwei Achsen bis SIL3/PLe überwachen und eignen sich für alle gängigen Drehgeber: von Sinus/Cosinus- über SSI- und TTL- bis zu HTL-Ausführungen. Die Geräte sind jetzt auch in einer Variante mit zwei lokalen sicheren Ausgängen erhältlich, die Abschaltzeiten von weniger als 5 ms realisieren.

Mit den Safety Gateways von Bihl+Wiedemann lässt sich die Drehzahl aber auch direkt im Antrieb sicher überwachen: zum Beispiel im Zusammenspiel mit CIP Safety über Sercos, dem Protokoll zur Übertragung sicherheitsrelevanter Signale, bei dem eine zusätzliche Verkabelung für einen Sicherheitsbus entfällt. Die Integration von Antriebs-, Peripherie- und Sicherheitsbus sowie Standard-Ethernet in einem einzigen Netzwerk vereinfacht die Handhabung und reduziert Hardware- und Installationskosten. Integrierte Sicherheitssteuerungen und homogene Sicherheitslösungen lassen sich so einfach umsetzen. Selbstverständlich stehen auch Safety Gateways für die Kombination mit einer Safe-PLC (F-CPU) zur Verfügung: Profisafe über Profibus, Profisafe über Profinet und CIP Safety über Ethernet/IP.

Alle Drehzalwächter der Mannheimer, egal ob die Drehzahl direkt im Gateway oder im Modul überwacht wird, lassen sich über Gateways an praktisch alle gängigen Feldbussysteme anschließen: von Profibus und Profinet über Ethernet/IP, Modbus und CC-Link bis Canopen und Ethercat. Dabei sind zwölf Klemmen des integrierten Sicherheitsmonitors frei konfigurierbar – zum Beispiel als sechs sichere Ausgänge plus drei sichere zweikanalige Eingänge, als sechs sichere zweikanalige Eingänge, als Standard E/As oder als Kombination daraus. Die Drehzahlwächter befinden sich an den lokalen Eingängen der Gateways und überwachen drei Achsen zweikanalig bis SIL2/PLd oder sechs Achsen einkanalig bis SIL1/PLc.

Die Konfiguration aller sicheren AS-Interface-E/A-Module und -Drehzahlwächter erfolgt mittels der Software ASIMON 3 G2. Features wie Abschalthistorie und Online- Diagnose und die Option zur Fernwartung sind integriert.

Bihl+Wiedemann GmbH

Floßwörthstraße 41

68199 Mannheim

Deutschland

Tel.: 0621 33996-0

Weitere Informationen zu AS-i-Safety at Work: