Sicherheitsfunktionen an Vertikalachsen

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1 Fertigungs- & Maschinenautomation 01 Metallbearbeitende Maschine mit Vertikalachsen Sicherheitsfunktionen an Vertikalachsen In der automatisierten Fertigung werden schwere Teile über Vertikalachsen auch hinauf und hinunter bewegt. Was auf den ersten Blick wie eine weitere Bewegungs richtung erscheint, zieht umfangreiche Sicherheitsforderungen nach sich. Ob integrierte Halte- und Sicherheitsbremsen in Antriebsmotoren an Vertikalachsen ausreichend Schutz bieten oder zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, muss bei Neumaschinen im Rahmen einer Risikobeurteilung ermittelt werden. Laut Maschinenrichtlinie muss jeder Hersteller die potenzielle Gefahr über den Performance Level (PL) einstufen, entsprechende Maßnahmen zur Reduzierung des Risikos ergreifen und dies verifizieren. Vermehrt kommen dabei antriebsintegrierte Sicherheitsfunktionen zum Einsatz. Text: Holger Goergen Bei horizontalen Bewegungen kann man davon ausgehen, dass im energielosen Zustand keine Gefahr für den Bediener mehr besteht. Das reicht bei Vertikalachsen aber nicht aus, um den sogenannten Sicheren Zustand zu erreichen (Bild 1). Die in Antriebsmotoren integrierten Haltebremsen bieten nur bei geringfügigen Gefährdungen einen ausreichenden Schutz gegen das unkontrollierte Absinken hängender Lasten. Eine kritische Reduzierung des Bremsmoments, aufgrund von Verölung, Staubbildung und mechanischem Bruch oder Verschleiß, kann nicht erkannt werden. Ist prozessbedingt der Schutz durch eine Haltebremse nicht gewährleistet, sind steuerungstechnische oder weitere mechanische Maßnahmen zur Reduzierung des Risikos notwendig /2013

2 02 Die Safe-Motion-Lösung PMC Protego DS ist eine Kombination aus Servoverstärker und steckbarer Sicherheitskarte Risikoeinschätzung, Maßnahmen und Verifikation Eine spezielle Norm zur Beurteilung der Gefahren an Vertikalachsen gibt es derzeit nicht, wohl aber die Verpflichtung des Betreibers eine Risikobeurteilung laut Maschinenrichtlinie zu erstellen. Dazu gehören die Einschätzung der Gefahren mithilfe des Performance Level (PL), das Ausfallverhalten der eingesetzten Geräte sowie Maßnahmen zur Risikominderung und ihre Verifikation. Allgemeine Hinweise zur Durchführung der Risikobeurteilung folgen aus der DIN EN ISO [1]. Im Anhang B sind mögliche Gefahrensituationen und Schutzmaßnahmen aufgelistet, die in Betracht zu ziehen sind. Die Einschätzung der Gefahren an Vertikalachsen hängt im Wesentlichen davon ab, ob sich der Bediener mit Händen und Armen oder seinem kompletten Körper unter der Vertikalachse befindet. Weitere Aspekte, die mit einfließen, sind Häufigkeit und Dauer der Risikoexposition und die Möglichkeiten eine Gefährdung zu verhindern. Aus der Summe dieser Faktoren ergibt sich der für die Einschätzung erforderliche Performance Level. Die Einstufung nach DIN EN ISO [2] reicht von einem niedrigen (PL a) bis zu einem hohen Risiko (PL e). Die Bewertung nach EN ISO beinhaltet nicht nur das Grundgerüst der Steuerungskategorie (wie bei der Vorgängernorm EN 954-1), sondern auch quantitative Größen. Dazu gehören unter anderem die mittlere Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall eines Kanals in Jahren (MTTFd-Wert) und der Diagnosedeckungsgrad in Prozent (DC). Um einen bestimmten Performance-Level zu erreichen, gibt es je nach Kategorie und der Höhe von MTTFd und DC unterschiedliche Wege. Das bietet dem Anwender die Option, bestimmte Maßnahmen und für ihn erreichbare Werte so zu kombinieren, dass sie seinen Möglichkeiten für Sicherungsmaßnahmen am nächsten kommen. Unterschiedliche Betriebsarten absichern Zur Risikobeurteilung gehören auch die Festlegung von Maschinengrenzen, wie Verfahrbereichen, Lebensdauer und Wartungsintervallen, sowie Betriebsarten und Eingriffsmöglichkeiten durch den Bediener. In der automatischen Betriebsart sind alle Bewegungen der Vertikalachse nur mit geschlossener und verriegelter Schutzeinrichtung mit Zuhaltung erlaubt. Wird die Schutztür geöffnet, erfolgt zum Beispiel ein Sicherer Stopp 2 (SS2). Das heißt, der Antrieb wird geregelt heruntergefahren und dann ein Siche rer Betriebshalt (SOS) eingeleitet. Hierbei bleiben alle Regelfunktionen erhalten und die Stopp-Position wird überwacht. Zu kleine oder zu große Geschwindigkeiten in der Bewegung der Vertikalachse können ebenfalls zu einer Gefährdung führen. In diesem Fall greift die Funktion Sicherer Geschwindigkeitsbereich (SSR) und löst notfalls Sicherer Stopp 1 (SS1) aus, bei dem die Energiezufuhr unterbrochen wird. Steht der Betriebsartenwahlschalter auf Einrichten, sind Bewegungen bei geöffneter Schutzeinrichtung mit Zuhaltung und aktiver Zustimmfunktion unter einem verringerten Risiko möglich. Auch hier wird die Geschwindigkeit sicher überwacht und notfalls ein Sicherer Stopp 1 (SS1) eingeleitet. Im Einrichtbetrieb sind zusätzliche Maßnahmen nach EN ISO 7/

3 Fertigungs- & Maschinenautomation Neue Sicherheitsstrategien Drei Fragen an Armin Glaser, Leiter Produktmanagement bei Pilz Warum sind heute neue Sicherheitsstrategien gefragt? A. Glaser: Bei den Anforderungen an die Sicherheitstechnik vollzieht sich ein struktureller Wandel: Der Automatisierungsgrad steigt kontinuierlich, die Prozesse werden immer dynamischer, der Bedarf an kontrollierten Eingriffen in den Prozess sowie die Anforderungen an die Produktivität steigen und verändern somit die Sicherheitstechnik. Der Mensch rückt immer näher an den Prozess durch die zunehmende Interaktion entstehen weitere Mensch-Maschine-Schnittstellen, die neue Anforderungen an die Sicherheitslösung defi nieren. Die bisherige Strategie des sicheren Abschaltens bei Anforderung der Sicherheit oder im Fehlerfall wird in diesen verbundenen Konzepten noch viel weniger akzeptiert werden. Das sichere Abschalten einer Maschine oder Anlage wird vermieden und durch den sicheren Betrieb ersetzt. Wie kann dem entgegnet werden? A. Glaser: Ein sicherer Verbund von Sensorik, Steuerung und insbesondere Aktorik eröffnet neue Freiheitsgrade bei der Planung von dynamischen Prozessabläufen und von Arbeitsbereichen, in denen Mensch und Maschine interagieren. Auch gewährleistet dieser Verbund zu jedem Zeitpunkt und in jeder Betriebsart Sicherheit. Zum Beispiel ermöglicht Pilz Motion Control PMC es nun, die sicheren und funktionalen Komponenten in einer einheitlichen Lösung direkt in den Antrieb zu integrieren. Was ist bei vertikalen Achsen zu beachten? A. Glaser: Im Rahmen der antriebsintegrierten Sicherheit steht die Überwachung von Stopp-Funktionen, sicheren Bewegungsfunktionen oder sicheren Bremsfunktionen im Vordergrund. Greifen an den Antriebswellen von Motoren oder Getrieben Kräfte an, die bei abgeschaltetem Motor eine Bewegung zur Folge hätten wie bei Vertikalachsen, müssen mechanische Bremsen eingesetzt werden. Der Betrieb von Vertikalachsen stellt im Sinne der Sicherheitstechnik eine besondere Situation dar. Das sonst in der Sicherheitstechnik angewendete Fail-safe-Prinzip das Abschalten der Antriebsenergie im Fehlerfall führt zu keinem sicheren Zustand, da hängende Lasten eine Gefährdung zur Folge haben. Als Maßnahme werden mechanische Bremsen eingebaut, die ihre Funktionsfähigkeit in speziellen Wiederholungsprüfungen ständig nachweisen müssen. Ähnlich wie bei den Gebersystemen gibt es bezüglich der Sicherheitsanforderungen verschiedene Ausführungen. Die Zweikanaligkeit kann entweder durch zwei eigenständige Bremsen oder durch eine Bremse mit zwei getrennten Bremskreisen erfolgen. Zwei separate Bremsen haben den Vorteil, dass sie Fehler innerhalb von mechanischen Übertragungselementen zwischen Antrieb und Prozess abdecken können [3] und DIN EN [4] vorgeschrieben. Außerdem muss bei geöffneter Schutztür das unerwartete Anlaufen der Vertikalachse sicher verhindert werden. Welche Maßnahmen bei unterschiedlichen Betriebsarten nicht nur sicher, sondern auch effizient arbeiten, wird mit der Safe-Motion-Lösung PMC Protego DS von Pilz [5] gezeigt (Bild 2). Sie beinhaltet insgesamt elf Sicherheitsfunktionen, die alle gebräuchlichen Anforderungen der Maschinen richtlinie nach IEC [6] erfüllen und bis PL e nach EN ISO bzw. SIL CL 3 nach DIN EN [7] ausgelegt sind. Optional lässt sich über einen externen Geber eine Achsbruchüberwachung realisieren. Mit dieser kann der zusätzliche Fehlerausschluss der Mechanik entfallen. Sicherheitsfunktionen für Vertikalachsen In Abhängigkeit des notwendigen PL ist ein entsprechendes Bremsenkonzept zur Reduzierung der Gefährdung notwendig. Als wirtschaftliche Funktion kann in vielen Fällen der Sichere Bremsentest (Safe Brake Test SBT) eingesetzt werden. Eine kritische Reduzierung des Bremsmomentes, aufgrund von Verschmutzung oder mechanischem Verschleiß, kann auf diese Weise sicher erkannt werden. Der SBT steigert die Sicherheit sowohl von Einzelbremsen als auch doppelt ausgeführten Bremsen. Mit diesem zyklischen Bremsentest, der mit einem zusätz lichen Lastmoment nach Kategorie 2, EN ISO erfolgt, können ebenfalls Fehler in der Ansteuerung der Bremse aufgedeckt werden. Je nach Anwendung und Forderung aus der durchgeführten Gefahrenanalyse wird dieser entweder einmal in jedem Produktionszyklus oder alle 24 Stunden selbsttätig durchgeführt, spätestens aber vor der Deaktivierung der Zuhaltung. Sichere Bremsenansteuerung Die Sichere Bremsenansteuerung (SBC) ist neben dem Sicheren Bremsentest eine der wichtigsten Funktionen für /2013

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6 Vertikalachsen. Die SBC hat mehrere Funktionen integriert, die das sichere Schließen aber auch das sichere Öffnen der mechanischen Bremsen kontrolliert. Das sichere Schließen wird durch eine sichere Unterbrechung der Leistungszufuhr in Kombination mit dem Erfassen des erregenden Stromes erreicht. Das sichere Öffnen wird anhand einer Stromaufnahmen-Plausibilisierung berechnet. Unabhängig von der Art der Ansteuerung hat eine mechanische Bremse Verschleiß, wenn diese dazu eingesetzt wird, die Bewegung zu stoppen. Aus diesem Grund ist auch ein Sicherer Stopp dem Not-Halt vorzuziehen, denn so werden die mechanischen Bremsen möglichst wenig belastet sofern es die Risikoeinschätzung erlaubt. Eine weitere relevante Sicherheitsfunktion an Vertikalachsen ist die Sicher begrenzte Position (SLP). Sie überwacht vorab definierte Endlagen und schaltet den Antrieb bei einer Grenzwertverletzung sicher ab. Ergänzende Maßnahmen zur Risikominderung sind die Unterbrechung der Energieversorgung mit Sicher abgeschaltetes Moment (STO) und Funktionen, die primär das Einrichten betreffen wie Sicher begrenzte Geschwindigkeit (SLS), Sichere Bewegungsrichtung (SDI) sowie Sicher begrenztes Schrittmaß (SLI). Redundante Absturzsicherung Bei geringer Gefährdung und kurzer Aufenthaltsdauer unter der Vertikalachse genügt eine einzelne Bremse. Befindet sich der Bediener jedoch mit dem ganzen Körper unter der Last und die zeitliche Risikoexposition ist deutlich größer, wird sowohl im Automatikbetrieb als auch beim Einrichten eine redundante Absturzsicherung entsprechend Kategorie 3 nach DIN EN ISO gefordert. An der Achse beziehungsweise im Motor ist in der Regel aber nur eine Bremse vorhanden; eine zweite muss also integriert und angesteuert werden. Zur Gewährleistung der Sicherheit müssen die redundanten Bremsen einzeln angesteuert und beim sicheren Bremsentest auch einzeln geprüft werden. Eine Bremse muss dabei die Haltekraft für die gesamte Gewichtskraft aufbringen. Die redundante Ansteuerung der Bremsen ist im Servoverstärker mit integrierter Sicherheitskarte PMC Protego DS enthalten. Bei der Ansteuerung von Halte- oder Sicherheitsbremsen ist in einigen Fällen eine externe sichere Bremsenansteuerung ratsam oder sogar zwingend notwendig. Wenn der aufgenommene Strom zu groß, die Verlustleistung der Bremse reduziert werden soll oder zwei Bremsen an einem Ausgang zu betreiben sind, bieten Standardsysteme oft keine Lösung. Für diese Anforderung steht das Sicherheitsrelais Pnoz s50 als Lösung für die Sichere Bremsenansteuerung zur Verfügung (Bild 3). Da es für die zeitgleiche Ansteuerung von zwei leistungsstarken Bremsen unterschiedlicher Hersteller eingesetzt werden kann, entfällt nicht nur eine weitere Steuerung mit meist aufwendiger Verdrahtung. Das Sicherheitsrelais kann auch zum Nachrüsten bereits bestehender Halte- und Sicherheitsbremsen eingesetzt werden. Die einstellbare Übererregung verkürzt Öffnungszeiten von mechanischen Bremsen oder reduziert in akustisch kritischen Anwendungen die Geräuschentwicklung durch eine Langsam-Abschaltung. 03 Sicherheitsrelais Pnoz s50 als Lösung für die Sichere Bremsenansteuerung (SBC) Dank der Möglichkeiten, einzelne oder redundante Bremssysteme bis zu 6 A Nennstrom sicher und flexibel anzusteuern sowie sicher testen zu können, kann eine Absturzsicherung bis PL e nach EN ISO verwirklicht werden. Insgesamt stellt das System eine effiziente Kombination für alle Anwendungen von kostengünstigen Lösungen bis zu höchsten Sicher heitsanforderungen an Vertikalachsen dar. (hz) Literatur [1] DIN EN ISO Sicherheit von Maschinen. Allgemeine Gestaltungsleitsätze Risikobeurteilung und Risikominderung (ISO 12100:2010); Deutsche Fassung EN ISO 12100:2010. Berlin: Beuth [2] DIN EN ISO : Sicherheit von Maschinen Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze (ISO :2006); Deutsche Fassung EN ISO :2008. Berlin: Beuth [3] DIN EN ISO : Industrieroboter Sicherheitsanforderungen Teil 1: Roboter (ISO :2011); Deutsche Fassung EN ISO :2011. Berlin: Beuth [4] DIN EN 12417: Werkzeugmaschinen Sicherheit Bearbeitungszentren; Deutsche Fassung EN 12417:2001+A2:2009. Berlin: Beuth [5] Pilz GmbH & Co. KG, Ostfildern: [6] IEC ( ) Ed. 1.0 Adjustable speed electrical power drive systems Part 5-2: Safety requirements Functional. Genf/ Schweiz: Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale (zu beziehen über [7] DIN EN (VDE ): Sicherheit von Maschinen Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme. Berlin Offenbach: VDE VERLAG Autor Dipl.-Ing. Holger Goergen ist Vertriebsingenieur in der Tochtergesellschaft Deutschland der Pilz GmbH & Co. KG. Er ist Zertifizierter Maschinensicherheitsexperte. h.goergen@pilz.de 7/