Erschienen am: 03.03.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 3 2017

Sichere Antriebsüberwachung

Wieso 'nur' Drehzahlen sicher überwachen?

Drehzahlen zu erfassen ist die Kernfunktion der sicheren Antriebsüberwachung. Gleichzeitig ist die Drehzahl oft nur einer von mehreren sicherheitsrelevanten Parametern, die es beispielsweise beim Einrichten, Warten, Instandhalten und in anderen Betriebsszenarien im Auge zu behalten gilt. Mit dem Drehzahlwächter BWU2849 von Bihl+Wiedemann können jetzt beliebig viele Sicherheitsfunktionen in einer Applikation kombiniert und gleichzeitig gelöst werden - und dies bis in die höchsten Sicherheitskategorien.


Drehzahlwächter BWU2849
Bild: Bihl+Wiedemann GmbH

Der Drehzahlwächter BWU2849 ist ein Erweiterungsmodul für unterschiedliche sichere Kleinsteuerungen und Gateways von Bihl+Wiedemann und erfüllt die sicherheitstechnischen Anforderungen gemäß PL e nach EN ISO13849-1 und SIL3 nach EN62061. Der Safety-Baustein bildet alle Motion-Control-Funktionen der sicherheitsgerichteten Antriebsüberwachung der EN61800-5-2 ab - und das auch simultan: Für jede der beiden mit dem Drehzahlwächter überwachbaren Achsen können - nahezu unbegrenzt - entweder mehrere Sicherheitsfunktionen kombiniert oder eine identische Überwachung mit unterschiedlichen Parametern festgelegt werden. Ob Drehzahl und Stillstand, ob Bremsrampe, Position und Endlage oder eine andere Kombination von Überwachungsfunktionen - das Gerät mit seinen vielfältigen Encoder-Eingängen kann mehr als 'nur' Drehzahlen sicher überwachen. Seine Vielseitigkeit macht diesen Drehzahlwächter zum Multitalent bei der sicherheitsgerichteten Überwachung von Antrieben. Einsatzgebiete finden sich u.a. in CNC-Maschinen, in Pressen, in Abfüllanlagen, an Prüfständen, an Kranen, Regalbediengeräten und Aufzügen oder in Windkraftanlagen.

Antriebsüberwachung an Maschinen mit mechanisch trennenden Schutzeinrichtungen

CNC-Fertigungszentren, Pressen, Bearbeitungsstationen, Abfüllanlagen oder Verpackungslinien sind typische Beispiele für Maschinen und Anlagen, an denen der Schutz vor einem Eingriff in einen gefahrbringenden Bereich im laufenden, in der Regel automatisierten Betrieb oftmals mit mechanisch trennenden Schutzeinrichtungen wie Klappen, Hauben, Schiebeelementen oder Türen gelöst wird. Diese sind seit Mitte 2015 mit Verriegelungseinrichtungen auszustatten, die den Anforderungen der DIN EN ISO141191 entsprechen. Dabei muss die sicherheitstechnische Gesamtlösung zum einen berücksichtigen, dass nach dem Auslösen eines Not-Halts durch Öffnen der Schutzeinrichtung der Antrieb vollständig zum Stillstand gekommen ist, bevor die Gefahrstelle mit einem Körperteil erreicht werden kann. Zum anderen kann es sich aus der konkreten Applikation ergeben, dass ein Antrieb auch bei geöffneter Schutzeinrichtung sicher bewegt werden muss, z.B. bei Einricht-, Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten. Notwendig ist also eine Kombination verschiedener antriebstechnischer Sicherheitsfunktionen nach EN61800-5-22. SOS (Safe Operation Stop, sicherer Betriebshalt) sorgt dafür, dass die Zuhaltung des Zugangs erst freigegeben wird, wenn der Antrieb steht. Gleichzeitig verhindert sie dessen ungewollten Wiederanlauf. SLS (Safely Limited Speed, sicher begrenzte Geschwindigkeit) und SSM (Safe Speed Monitor, sichere Geschwindigkeitsüberwachung) ermöglichen es, die Antriebe im Einrichtbetrieb sicher zu bewegen. Je nach Aufgabenstellung wird mit SDI (Safe Direction) noch die sichere Bewegungsrichtung überwacht. Per SLI (Safely Limited Increment) ist auch die Programmierung eines sicher begrenzten Schrittmaßes für einen Tipp-Betrieb möglich. Erforderliche Arbeiten können schneller durchgeführt werden, da die Maschine mit reduzierter Geschwindigkeit gefahren werden kann. Der Drehzahlwächter BWU2849 führt diese Sicherheitsfunktionen aus und verarbeitet dazu die Messwerte der Antriebs-Encoder sowie die Sensorsignale der Verriegelungen. Unter dem Strich erreicht die sichere Stillstands- und Drehzahlüberwachung dreierlei: Sie gewährleistet höchstmögliche Sicherheit für den Bediener, sie vermeidet Anreize zur Manipulation oder Umgehung der Schutzeinrichtungen bzw. der Sicherheitsfunktionen und sie optimiert die Produktivität der Maschine.

'Mobile' Antriebe per Drehzahl überwachen

Auf mobilen Maschinen, z.B. Kranen, Regalbediengeräten, fahrerlosen Transportfahrzeugen oder Aufzügen, lassen sich über die Drehzahl bzw. die Messwerte der Encoder eine Vielzahl sicherheitsgerichteter Funktionen einrichten. So können mit Hilfe von SS1 (Safe Stop 1) bzw. SS2 (Safe Stop 2) die Bremsrampen bei Horizontal- bzw. Vertikalbewegungen sicher überwacht und in der Stopp-Position entweder die Energiezufuhr abgeschaltet oder der Stillstand überwacht werden. Werden diese Funktionen frühzeitig, etwa bei der Auslegung von Regalgassen und Bediengeräten oder von Portalkrananlagen, berücksichtigt, können dadurch Sicherheitsabstände im Bereich der Endpositionen bzw. der Gassenenden optimiert werden. Auch die Ausführung einer sicher begrenzten Beschleunigung lässt sich im Drehzahlwächter über die Sicherheitsfunktion SLA (Safely Limited Acceleration) abbilden, z.B. bei schwebenden Lasten an einem Kran oder bei beladenen fahrerlosen Transportfahrzeugen. Nach Erreichen der Sollgeschwindigkeit kann die eigentliche Bewegungsgeschwindigkeit mit Hilfe der Sicherheitsfunktionen SSM (Safe Speed Monitor) in Form eines Grenzwertes überwacht oder mit SSR (Safe Speed Range) innerhalb eines zulässigen Korridors geregelt werden. Besonders wichtig für eine barrierefreie Nutzung von Aufzügen bzw. ein kollisionsfreies Handling von Förder- bzw. Lagergütern ist die Überwachung von Positionen und Endlagen sowie das Erkennen und Einhalten von Positionierbereichen. Die Tür eines Personen- oder Lastenaufzugs darf sich nur öffnen, wenn sich die Lastenkabine im Stockwerk befindet und präzise zur Bodenfläche gestoppt hat. Über die Sicherheitsfunktion SLP (Safely Limited Position) lässt sich diese Aufgabenstellung der 'sicher begrenzten Position' im Drehzahlwächter zuverlässig abbilden. Ebenfalls in der Lage begrenzt sein können die Positionierbereiche von Kranen und Regalbediengeräten. So dürfen Krane schwebende Lasten oft nicht über bestimmte Hallenbereiche bewegen und nur in bestimmten Flächen absetzen. Mit der Funktion SLP überwacht der Drehzahlwächter diese Positionsbereiche und kann ggf. per SLS die Geschwindigkeit beim Absetzen einer Last sicher überwachen. Müssen in einer Regalgasse Wartungsarbeiten vorgenommen oder Störungen beseitigt werden, können mit Hilfe des Drehzahlwächters Teilbereiche gesperrt werden. Hierzu werden die für die Fahrzeugsteuerung notwendigen, zulässigen Positionswerte entsprechend sicher begrenzt. Per SOS kann beim Öffnen der Regalgassentür im laufenden Betrieb ein Sicherheitsstopp gemäß SS1 oder SS2 ausgelöst und der Stillstand des Regalbediengerätes über SOS sicher überwacht werden. Der Drehzahlwächter ist auf solche und zahlreiche weitere Kombinationen von Sicherheitsfunktionen ausgelegt: Insgesamt können bis zu 128 Sicherheitsfunktionen projektiert werden - entweder in Form mehrerer unterschiedlicher Funktionen oder als identische Funktionen mit unterschiedlichen Parametern pro Achse.

Maschinendefekte über die Drehzahl detektieren

Auch das Erkennen von Maschinendefekten kann eine Aufgabe der sicherheitsgerichteten Drehzahlüberwachung mit dem BWU2849 sein. Sind bei einem fahrzeugtechnischen Antriebs- bzw. Bremsprüfstand zwei Achsen über eine Kupplung miteinander verbunden, erkennt der Drehzahlwächter sofort einen Wellenbruch, indem er die Messwerte der beiden Achsencoder miteinander vergleicht und per SSM oder SSR sicher auswertet. Auch Schieflagen, z.B. bei Bandförderanlagen, Schlupf an Antriebsrädern oder ein asynchroner Lauf parallel angetriebener Seilzug-Hubwerke an einer Krankatze lassen sich mit Hilfe der Sicherheitsfunktionen des Drehzahlwächters erkennen und so Personen und Maschinen vor Gefahren und Schäden schützen.

Drehzahlüberwachung: Portfolio berücksichtigt individuelle Risikoanalysen

Bei der sicherheitsgerichteten Überwachung von Antrieben ermöglicht das Portfolio von Bihl+Wiedemann technisch und wirtschaftlich effiziente Lösungen, die sich an konkreten Risikoanalysen und Gefährdungssituationen orientieren. Basis sind die sicherheitszertifizierten Kleinsteuerungen und Gateways, die um bis zu 62 sichere Module erweitert werden können. In Applikationen, in denen noch mehr sichere E/As benötigt oder unterschiedliche Anlagenteile miteinander verbunden werden sollen, können bis zu 31 Kopfstationen mit Safe Link über Ethernet sicher gekoppelt werden. Die Gateways bieten Schnittstellen für alle gängigen Feldbussysteme - und damit entsprechende Remote-Diagnosemöglichkeiten - und sind in der Lage, sowohl Safety- als auch Standardsignale zu verarbeiten. Über die lokalen sicheren Eingänge lassen sich mit Hilfe von Standardsensoren verschiedene Motion-Control-Funktionen konfigurieren. Bei der Drehzahlüberwachung können je nach Gerät bis zu sechs Achsen einkanalig eingebunden werden, wobei die Anforderungen von PL c bzw. SIL1 erfüllt werden. Es ist aber auch möglich, drei Achsen zweikanalig zu überwachen und so das höhere Schutzniveau PL d bzw. SIL2 zu gewährleisten. Diese Sicherheitskategorien erreichen die Kleinsteuerungen auch mit der Funktion des Stillstandswächters, mit der bis zu drei Achsen zweikanalig überwacht werden können. Mit dem Drehzahlwächter lässt sich für bis zu zwei Achsen Sicherheit in der höchsten Kategorie - sprich PL e bzw. SIL3 - erreichen. Die Besonderheit dabei ist, dass nahezu beliebig viele, praxisrelevante Sicherheitsfunktionen projektiert und simultan überwacht werden können. Die beiden elektronischen sicheren Ausgänge des Drehzahlwächters bieten - dank sehr schneller Abschaltzeiten - auch für High-Speed-Applikationen die notwendige Geschwindigkeit.

Erläuterungen/Quellen

  • • 1: DIN EN ISO14119: Sicherheit von Maschinen - Verriegelungseinrichtungen in Verbindung mit trennenden Schutzeinrichtungen - Leitsätze für Gestaltung und Auswahl
  • • 2: Sicherheitsfunktionen aus DIN EN61800-5-2: IFA Report 7/2013: Sichere Antriebssteuerungen mit Frequenzumrichtern, IFA Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung