SafetyBook. EUCHNER GmbH + Co. KG. More than safety.

Transkript

1 SafetyBook EUCHNER GmbH + Co. KG More than safety.

2 Vorwort Stellen wir uns eine Welt ohne Unfälle vor - Angesichts der Vielzahl an gültigen Sicherheitsnormen und -vorschriften sollte dies idealerweise der Fall sein. Doch die Realität sieht anders aus. Gegenwärtig lässt sich jedoch eine positive Entwicklung erkennen. Auch in Ländern, in denen bislang kein besonderer Wert auf die Anwendung von Sicherheitsnormen gelegt wurde, gewinnt der Schutz von Menschen als auch von Maschinen und Produktionsprozessen immer mehr an Bedeutung. Arbeitsunfälle können schwerwiegende Folgen für den betroffenen Mitarbeiter haben. Möglicherweise haben sie auch Konsequenzen für das Unternehmen und die für die Sicherheit verantwortlichen Personen. Nicht zu unterschätzen ist schließlich auch eine kostspielige Produktionsunterbrechung oder Schäden am Produktionsgut. Sicherheitstechnik sollte grundsätzlich schon während der Konstruktionsphase einer Maschine ein integraler Bestandteil sein. Nur so kann gewährleistet werden, dass die benötigten Schutzeinrichtungen optimal in den Produktionsprozess eingebunden werden und somit der Anreiz für Manipulationen vermieden oder diese erschwert wird. Vor allem Verantwortliche im Maschinen- und Anlagenbau stehen vor der Herausforderung, sich ständig an hochmoderne Technologien, einschließlich der Sicherheitstechnik, und die neuen Normen anpassen zu müssen. Das EUCHNER Sicherheitshandbuch stellt einen hervorragenden Leitfaden durch die Vielzahl an Normen dar und enthält daneben praktische Beispiele für den effizienten Einsatz von Sicherheitstechnik am Arbeitsplatz. Wir bei EUCHNER möchten Ihnen getreu unserem Motto More than Safety mehr als Sicherheit bieten. Gerne unterstützen wir Sie auch aktiv bei Ihren spezifischen Anforderungen. Mit diesem Sicherheitshandbuch wollen wir einen weiteren Beitrag für ein verbessertes Sicherheitsverständnis leisten. Stefan Euchner Geschäftsführer Michael Euchner Geschäftsführer

3 Inhalt Haftungsausschluss 5 Sicherheitslösungen für Personen- und Prozesssicherheit - ein Überblick 7 Historische Entwicklung 10 Technischer Aufbau 15 Bauformen und Anwendungsbereiche von Sicherheitsschaltern 3 Riegel für Schutzeinrichtungen 7 Zustimmtaster 51 Sicherheitsrelais 57 Der Sicherheitskreis 59 Bussystem "Safety at Work" 61 EKS und EKM oder benutzen Sie noch Passwörter? 68 Vorschriften und Normen 73 Sicherheitstechnik weltweit 75 Normenwesen 83 Sicherheit von Maschinen 87 Hinweise zur Anwendung der Normen EN und EN ISO Risikobeurteilung 98 Der Übergang zu neuen Normen 102 Bewertung einer Applikation mit den neuen Normen 105 Sicherheitskategorien 108 Applikationsleitfaden 117 Allgemeines zu den Applikationsbeispielen 119 Applikationen von Sicherheitsschaltern in trennenden Schutzeinrichtungen 122 Funktion und Technik von Sicherheitsschaltern 124 Beispiel für die Anschaltung eines Antriebes 127 Applikationsbeispiele Applikationbeispiele 133 Anhang 181 Begriffsdefinitionen 182 Liste der Abbildungen 190 Normen 191

4 Sicherheitslösungen für Personen- und Prozesssicherheit - ein Überblick 7

5 Inhalt Historische Entwicklung 10 Technischer Aufbau 15 Elektromechanische Schaltelemente 15 Schleichschalter 18 Schaltelemente mit mehreren Kontakten 0 Sicherheitskontakte in Relais 1 Bauformen und Anwendungsbereiche von Sicherheitsschaltern 23 Positionsschalter mit Sicherheitsfunktion 4 Betätigung von Sicherheitsschaltern mit integriertem Betätiger 8 Sicherheitsschalter mit getrenntem Betätiger 9 Schaltscharniere 3 Sicherheitsschalter mit getrenntem Betätiger und Zuhaltung 4 Spezialschalter 8 Berührungslose Sicherheitsschalter 0 Zuhaltungen für berührungslose Sicherheitsschalter 5 Riegel für Schutzeinrichtungen 47 Zustimmtaster 51 Definition 52 Bauform und Funktionalität 52 Ergonomie 54 Manipulationsschutz 54 Ausführungen 56 Sicherheitsrelais 57 Das ESM-Baukastenprinzip 58 Der Sicherheitskreis 59 Bussystem "Safety at Work" 61 Umstellung auf Bussysteme in der verdrahteten Sicherheitstechnik 61 Sicherheit auf dem Bus 61 Stärke des Bussystems kommt zum Tragen 62 Verfügbarkeit von Sicherheitssensoren 63 Einsatz von Profibus oder Devicenet statt AS-Interface 63 Die Zukunft fährt mit Sicherheit Bus 64 Arbeiten mit AS-Interface Safety at Work 64 Software ist mit Windows Betriebssystemen kompatibel 64 Speziellere Betriebsarten lassen sich umsetzen 65 Sicherheit für Automatikbetrieb der Maschine gewährleistet 65 8

6 EKS und EKM oder benutzen Sie noch Passwörter? 68 Sicherheit in industriellen Applikationen 68 Bei EKS können beliebig viele Passwörter gespeichert werden 68 Schlüssel ersetzen Passwörter 69 EKS ist vollständig industrietauglich 69 Zentrale Informationen verwalten und abrufen 69 Mit einem Byte 255 verschiedene Zugangslevels vereinbaren 71 Informationen können nicht mehr gestohlen werden 71 9

7 Historische Entwicklung Umfassende Sicherheits- konzepte für moderne Maschinen Beim Betrieb moderner Maschinen sind stets umfangreiche Sicherheitskonzepte erforderlich. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich dabei um Werkzeugmaschinen, wie beispielsweise Bearbeitungszentren oder Pressen, sonstige Maschinen, wie z. B. Roboter, Verpackungsmaschinen oder Fleischverarbeitungsmaschinen, oder Anlagen, wie beispielsweise Montagelinien, Abfüllanlagen oder Holzverarbeitungsanlagen, handelt. Aufgrund der schnellen und hoch automatisierten Arbeitsabläufe können von verschiedenen Maschinen und Anlagen Gefahren sowohl für Personen als auch für Prozesse ausgehen Gefahren, die auf den ersten Blick nicht erkennbar sind. Aus diesem Grund wurden verschiedene Richtlinien, Normen und Gesetze zur Regelung bestimmter Sicherheitsmaßnahmen eingeführt. Abb. 1: Historische Maschine Am Anfang des Maschinenzeitalters waren die Maschinen wesentlich einfacher gebaut, als dies heute der Fall ist. Die meisten Maschinenteile bewegten sich langsam und die von der Maschine ausgeführten Vorgänge waren für den Bediener überschaubar (Abb. 1). 10

8 Abb. 2: Moderne Drehmaschine Einführung von Einzelachs- antrieben machte Sicherheits- schalter erforderlich Beispielsweise wurde nur die Hauptspindel einer Drehmaschine angetrieben, während die Achsen vom Bediener von Hand betätigt wurden. Zu dieser Zeit dachte noch niemand daran, eine Maschine mit verschiedenen Schutzeinrichtungen zu konstruieren. Dies änderte sich, als die Möglichkeit aufkam, alle Achsen einer Werkzeugmaschine - sowohl die Antriebs- als auch die Vorschubachsen - mit Einzelantrieben auszustatten. Unachtsamkeiten bei der Bedienung konnten für den Bediener selbst ebenso wie für andere Mitarbeiter gefährlich werden und zu Schäden an Maschine und Produkt führen. Beispielsweise besteht die Gefahr, dass Maschinenteile über die Endlagen der Achsen oder ihre mechanischen Grenzen hinaus bewegt werden - ein typischer Unfall, der langwierige und kostspielige Reparaturen nach sich zog. Daher stellten die Maschinenbetreiber an die Hersteller die Forderung, sicherere Maschinen zu bauen. 11

9 Abb. 3: Schalter zur Positionierung Positionsschalter Als erstes kamen so genannte Positionsschalter auf den Markt. Diese arbeiten nach dem Schließerkontaktprinzip (Abb. 3 und 4), so dass bei Betätigung des Schalters ein Kontakt geschlossen und ein Signal übertragen wird. Dieses einfache Prinzip ist aber mit folgendem Nachteil verbunden: Im Falle eines Fehlers, beispielsweise bei Verschweißen der Schaltkontakte, könnte das Schaltsignal in geschlossener Stellung hängen bleiben. 12

10 Abb. 4: Erste Ausführung eines Reihen- grenztasters Positionsschalter mit Sicherheitsfunktion Die zunehmende Automatisierung machte sichere Schutzeinrichtungen... Wegen des oben beschriebenen Problems musste ein Schalter entwickelt werden, der den Schaltkreis sicher unterbricht, wenn ein Maschinenteil über eine bestimmte Position hinausfährt. Dies führte zur Entwicklung von Positionsschaltern mit Sicherheitsfunktion, die auch als Sicherheitsschalter Bauart 1 bezeichnet werden. Bei diesen Schaltern garantieren die Schaltelemente eine Zwangsöffnung, selbst wenn Teile des Schaltelements nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren. Auf diese Weise wird die Maschine in jedem Fall sicher abgeschaltet, auch wenn kein störungsfreier Neustart gewährleistet ist. Anfänglich wurden solche Positionsschalter mit Sicherheitsfunktion als Achsenbegrenzung eingesetzt. Mit der Einführung computergestützter Maschinensteuerungen, der NC- und CNC-Steuerungstechnologie, sowie der zunehmenden Maschinenautomatisierung, stieg nicht nur die Gefahr eines Maschinenausfalls, sondern - wegen der zunehmenden Komplexität der Maschinen - auch die Gefahr für den Bediener. Daher begann man, den Bediener durch Abdeckung der Maschine zu schützen. Um alle möglichen Gefahren auszuschließen, mussten die Schutzeinrichtungen so abgesichert werden, dass das Öffnen von Abdeckungen oder Türen zum zuverlässigen Abschalten der Maschine führte. Angesichts dieser Entwicklung waren die Hersteller von Grenztastern gezwungen, eine neue Art von Sicherheitsschalter zu konstruieren, da die Standardschalter nicht für solche Schutzeinrichtungen geeignet waren. Zur Gewährleistung der Sicherheitsfunktion mussten diese Schalter jederzeit im Falle einer offenen Schutzeinrichtung aktiviert werden. Bei bestimmten Applikationen konnte dies nur mit extrem großem Aufwand umgesetzt werden und je nach Art der Schutzeinrichtung (Schiebe- oder Anschlagtür) war die Verwendung verschiedener Schaltnocken in unterschiedlichen Längen und Formen notwendig. 13

11 ... in Form von Sicherheits- schaltern mit getrenntem Betätiger erforderlich Zusätzliche Sicherheit durch Zuhaltesysteme Berührungslose Sicherheits- schalter Dies war die Geburt des Sicherheitsschalters mit getrenntem Betätiger - auch Sicherheitsschalter Bauart 2 genannt. Wird der Betätiger aus dem Schalter herausgezogen, z. B. durch Öffnen einer Schutzeinrichtung, wird der Kontakt unterbrochen - dies entspricht der Wirkung eines aktivierten Positionsschalters mit Sicherheitsfunktion. Ein Neustart der Maschine ist erst möglich, wenn der Betätiger wieder in den Sicherheitsschalter eingeführt wird, was bedeutet, dass die Schutzeinrichtung wieder geschlossen wird. Ein getrennter Betätiger ist erheblich kostengünstiger als ein Schalter mit langem Schaltnocken. Darüber hinaus gestaltet sich der Einbau des Betätigers wesentlich einfacher. Aufgrund dieser Vorteile werden die meisten Schutzeinrichtungen durch Sicherheitsschalter mit getrenntem Betätiger abgesichert. Die Maschinen waren nun mit Abdeckungen versehen, so dass ein relativ hohes Sicherheitsniveau erreicht wurde. Jedoch war es möglich, die Schutzeinrichtung während des Arbeitsprozesses zu öffnen. Die Antriebe wurden zwar in einem solchen Fall sofort abgeschaltet, die Werkzeuge aber nicht vom Werkstück getrennt. Das Ergebnis war eine mögliche Beschädigung von Werkzeugen und Produkt. Die Lösung des Problems waren Systeme, mit denen die Schutzeinrichtungen bis zur Beendigung des Arbeitsprozesses zugehalten werden konnten. Anfänglich wurde die Zuhaltung mit getrennten Verriegelungsmagneten implementiert. Später wurden diese in Sicherheitsschalter mit getrenntem Betätiger integriert. Ferner erfassen moderne Zuhaltesysteme die Verriegelungsposition des Zuhaltemagnets und garantieren somit maximale Sicherheit für Maschinenbediener und Arbeitsprozess. In vielen Branchen hat die Sicherheitstechnik wegen der applikationsspezifischen Anforderungen zugenommen. Elektromechanische Sicherheitsschalter sind aber auch mit Nachteilen verbunden: Beispielsweise, wenn Maschinen unter extremen Bedingungen betrieben werden, wie in der Holzverarbeitungsbranche, wo eine hohe Staubkonzentration unvermeidbar ist. Dies kann Funktionsstörungen bei den Sicherheitskomponenten verursachen, wenn sich Holzstaub in der Mechanik des Sicherheitsschalters ablagert. In der Lebensmittelbranche sind Sicherheitsschalter häufig aggressiven Substanzen wie Milchsäuren ausgesetzt. Unter solchen Bedingungen sind berührungslose Sicherheitsschalter von Vorteil. Diese sind völlig gekapselt und somit weniger empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Berührungslose Sensoren bestehen aus zwei Komponenten: einem Sender und einem Empfänger (einander gegenüberliegend angeordnet) sowie einem Auswertegerät. Um ein vergleichbares Sicherheitsniveau wie beim elektromechanischen Sicherheitsschalter zu erreichen, muss die angeschlossene Schaltung redundant und zweikanalig ausgeführt sein. Berührungslose Sicherheitsschalter weisen einen relativ breiten Ansprechbereich auf und müssen nicht mit großer Genauigkeit eingebaut werden, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Spricht man also von Positionsschaltern mit Sicherheitsfunktion, Sicherheitsschaltern mit getrenntem Betätiger, Sicherheitsschaltern mit Zuhaltung oder berührungslosen Sicherheitsschaltern, so spricht man über die beste verfügbare Sicherheitstechnik. 14

12 Technischer Aufbau Grundfunktion Ein gemeinsames Merkmal aller in Sicherheitssystemen zum Einsatz kommenden Schalter ist, dass sie den Sicherheitskreis im Bedarfsfall unterbrechen. Ein Not-Halt-Schalter ist so aufgebaut, dass (bestimmte) Einrichtungen sicher getrennt werden (z. B. elektrische Antriebe bei Betätigung des Sicherheitsschalters), der Maschinenbediener vor Verletzungen geschützt wird und Schäden an der Maschine vermieden werden. Diese, von der NCoder SPS-Steuerung der Maschine unabhängige Trennung, wird durch den Sicherheitsschalter gewährleistet. Elektromechanische Sicherheitsschalter müssen spezifische Anforderungen erfüllen, die in Anhang K der Europäischen Norm EN definiert sind. Grundsätzlich ist zwischen elektromechanischen Schaltern und Schaltgeräten basierend auf Relais- oder Halbleitertechnologie zu unterscheiden. Berührungslose Sicherheitsschalter werden in EN beschrieben. Elektromechanische Schaltelemente Aufbau eines Schaltelements Funktionalität Wesentlicher Bestandteil eines Sicherheitsschalters ist das elektromechanische Schaltelement bestehend aus einem Stößel mit mindestens einer Kontaktbrücke in einem Gehäuse. Die Kontaktbrücke bildet die Verbindung zwischen den Anschlusskontakten. Die Brücke wird entweder als Schließerkontakt (Kontakte sind vor Betätigung des Schalters geöffnet) oder als Öffnerkontakt (Kontakte sind vor Betätigung des Schalters geschlossen) eingesetzt. Die Federkraft wirkt gegen die auf den Stößel ausgeübte Kraft. Abb. 5 zeigt ein Schaltelement mit Schließerfunktion. Wenn der Stößel durch eine externe Quelle nach unten gedrückt wird (beim Schließen der Schutzeinrichtung), wird der Schließerkontakt geschlossen. Anschließend kann ein Signal an das Überwachungsgerät übertragen werden. Sobald die externe Kraft nicht mehr auf den Stößel einwirkt, wird die Kontaktbrücke durch die Federkraft getrennt und der Kontakt somit unterbrochen. 15

13 Abb. 5: Funktion eines Schaltelements mit Schließerfunktion Ergebnisse der Fehleranalyse Prinzip zwangsöffnender Kontakte Um eine störungsfreie Funktion des Schaltelements unter allen Umständen (selbst im Falle eines Fehlers) sicherzustellen, ist eine Fehleranalyse erforderlich. Folgende Fehler müssen ausgewertet werden: Verschweißen der Kontakte oder Bruch der Feder. Aus Abb. 5 wird deutlich ersichtlich, warum der Einbau eines Schaltelements mit nur einem Schließerkontakt in einem Sicherheitsschalter unzulässig ist. Wenn einer der oben genannten Fehler auftritt, kann die Kontaktbrücke des Schalters nicht erneut geöffnet werden. Dieses Schaltprinzip garantiert somit keine sichere Unterbrechung des aktuellen Schaltkreises unter allen Umständen, wie in der Europäischen Norm EN für Positionsschalter mit Sicherheitsfunktion gefordert. Daher werden für Sicherheitsschalter Schaltelemente mit mindestens einem zwangsöffnenden Kontakt verwendet (Abb. 6). Im Prinzip sind Positionsschalter mit zwangsöffnenden Kontakten genauso aufgebaut wie Schalter mit Schließerkontakten. Jedoch werden die Schaltkontakte durch den Stößel zwangsgeöffnet selbst wenn die Feder bricht oder die Kontakte verschmelzen. Der so genannte zwangsöffnende Kontakt ist das Ergebnis einer starren Verbindung zwischen Schaltstößel und Kontaktbrücke. Diese Schaltelemente dürfen keine elastischen Teile enthalten. 16