01.10.2015

Produktivitätssteigerung durch Safe Motion (Teil 1 von 3)

Risiko richtig beurteilen

Sicherheitskonzepte, die Produktionsabläufe mehr hemmen als fördern, weil sie notwendige Tätigkeiten und Handgriffe erschweren und die Produktivität einschränken, sind häufig Quelle für Manipulation. Hier muss angesetzt werden: Sicherheit darf nicht zur Last werden, soll sie Akzeptanz finden. Dies gilt auch insbesondere für Bereiche, in denen Bewegung eine prominente Rolle spielt. Hier setzt die EN61800-5-2 an und nennt Funktionen für Safe Motion, die beides - Sicherheit und Produktivität - gewährleisten.

Autor: Holger Goergen, Pilz GmbH & Co. KG.


Safe-Motion-Funktionen, die über sichere Abschaltung (STO ) oder sichere reduzierte Geschwindigkeit (SLS ) hinausgehen, können, in einem griffigen Konzept berücksichtigt, Manipulationen effizient entgegenwirken. Auch kann die Produktivität mit solchen Funktionen um bis zu 30 Prozent gesteigert werden. Sicherheitskonzepte bräuchten dann jedoch einen komplett anderen als den konventionellen Ansatz: Nicht bloß ein statisches Ein und Aus sollte einbezogen sein, sondern ein dynamischer Ansatz. Vor allem weitere Betriebszustände wie z.B. 'Tür bei langsamer Geschwindigkeit öffnen'.

Sicher reduzierte Geschwindigkeit

Im Allgemeinen ist die Ein/Aus-Vorgehensweise bei Sensoren und Zuhaltungen folgende: Sobald der Sensor, sprich die Zuhaltung, öffnet, schaltet die Anlage ab. Wenn dann die Anlage stillsteht, öffnet die Zuhaltung. Einfach, aber unzureichend, soll die Produktivität nicht darunter leiden. Safe Motion hingegen bezieht auch den Aspekt der Produktivität mit ein. Grenzwerte wie 200mm/s bei reduzierter Geschwindigkeit müssen dann zwingend berücksichtigt werden. Z.B. der sichere Anhalteweg, der mitdefiniert wird, oder auch die Zeit, die die Anlage zum Stillstand in Millisekunden benötigt. Beides ist dann ein Muss. Die Herausforderung ist hierbei, die passenden Grenzwerte zu finden. Denn die Vielzahl an unterschiedlichen Maschinentypen erschwert den Überblick. Unterstützung bieten hier teilweise die C-Normen, die einige Typen beschreiben. Sie erleichtern die Bestimmung von Grenzwerten. Insbesondere für Safe-Motion-Funktionen sind die C-Normen von Bedeutung, denn sie werden höher gewertet als A- und B-Normen. D.h. bei gegensprüchlichen Aussagen der A- und B-Normen müssen die Vorgaben aus der C-Norm eingesetzt werden.

Definition der Grenzwerte

Um die Funktionen sicher reduzierte Geschwindigkeit (SLS) oder sicherer Geschwindigkeitsbereich (SSR) einzusetzen, ist es erforderlich sichere Grenzwerte festzulegen, bei der die Gefahr einer Verletzung ausgeschlossen ist. Um Grenzwerte für SLS festlegen zu können, braucht der Maschinenbauer Vergleichswerte. Diese lassen sich oft einfach ermitteln, denn aus sehr vielen C-Normen wurden die Geschwindigkeiten bereits extrahiert und gelistet. Die hierzu durch die Berufsgenossenschaft herausgegebene Übersicht 'Festlegen von Maximalgeschwindigkeiten für manuelle Eingriffe an laufender Maschinen' bietet häufig - auch wenn nicht alle Maschinentypen gelistet sind - durch die Gegenüberstellung von Gefährdungen einen passenden Grenzwert, der auch begründet wird. Zum Beispiel für scharfkantige, bewegte Objekte: Sie müssen deutlich langsamer laufen als stumpfe, da scharfkantige Objekte bereits bei kleineren Geschwindigkeiten Verletzungen zufügen können, während stumpfe Gegenstände, z.B. eine Hand, nur zur Seite schieben. Oder: Für Schleifscheiben ist eine Oberfächen-Geschwindigkeit definiert, damit eine mögliche Zerstörung großer Scheiben durch zu hohe Fliehkräfte in die Betrachtung mit einbezogen ist und so verhindert werden kann. Auch für die Safe-Stopp-Rampe gilt es, Grenzwerte zu definieren, wenn Safe Motion einbezogen sein soll. Die Safe-Stopp-Rampe beeinflusst die Zeit bis zum Stillstand der Anlage oder Maschine und damit deren Nachlaufzeit. Dies ist etwa für den Einbau nicht trennender Schutzeinrichtungen von hoher Bedeutung: die Nachlaufzeit ist dort ein essentieller Faktor. Der Mindestabstand zur Gefahrenquelle S muss zwingend berücksichtigt sein. Dieser wird in der Formel S = ( K x T ) + C berechnet. Wobei K die Annäherungsgeschwindigkeit, T die Nachlaufzeit und C von der Bauart und dem anbringungsbedingtem Abstand abhängig ist. Soll ein produktiveres Arbeiten ermöglicht werden, lässt sich dies durch eine Reduzierung der Nachlaufzeit erreichen. Denn dann kann die Schutzeinrichtung näher an die Gefahrenquelle rücken. Mit den in der ISO13855 (Sicherheit von Maschinen - Anordnung von Schutzeinrichtungen im Hinblick auf Annäherungsgeschwindigkeiten von Körperteilen) definierten An-näherungsgeschwindigkeiten von 2000mm/s für die oberen Gliedmaßen und 1600mm/s für die unteren Gliedmaßen kann so die Entfernung schnell berechnet werden.

Stopp ist nicht gleich Stopp

Auch die Stopp-Kategorie nach der A-Norm EN60204 (Sicherheit von Maschinen - Elektrische Ausrüstung von Maschinen) gilt es zu berücksichtigen, wenn die Sicherheit der Bewegung nicht die Produktivität einschränken soll. Praktisch schon etabliert ist hier der Wechsel von Stopp-Kategorie 0 (Austrudeln) zu Stopp-Kategorie 1 (Verzögern + Abschalten), der insbesondere bei linearen Achsen die Gefahr einer Zerstörung im Fehlerfall deutlich verringern hilft. Die Stopp-Kategorie 2 (Verzögern mit anschließenden Stillstand mit Moment), ist jedoch noch weniger verbreitet, aber nichts desto trotz genauso relevant für ein effektives Maschinenkonzept. Diese Funktion ist in der EN60204 als Not-Halt-Funktion nicht vorgesehen, wird aber inzwischen in vielen C-Normen als zugelassene bzw. bevorzugte Stopp-Methode aufgeführt. Dieses methodische Vorgehen bringt gleich mehrere Vorteile: Einen geringeren Bremsenverschleiß, einen unverzögerten Wiederanlauf und die Möglichkeit, alle Achsen in genauer Position zu halten. Insbesondere bei Anwendungen mit Bahnspannung, wie beispielsweise bei Druckern oder Wicklern, kann die Qualität des Produkts so auch bei einem Not-Halt aufrechterhalten werden. Positiver Effekt: Der Ausschuss wird minimiert. Auch positiv, in wirtschaftlicher Hinsicht: Bei einer Kombination von sicherem Stillstand mit Moment (SOS ) mit der geeigneten Bremsenansteuerung können vertikale Achsen kostengünstig und damit wirtschaftlich bis PLe sicher ausgestattet werden.

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Sichere Drehrichtung für höheren Maschinentakt

Weitere Möglichkeiten zur höheren Produktivität bietet die Funktion Sichere Drehrichtung (SDI ). Ziel ist es, den Eingriff in den Gefahrenbereich einer Presse bereits während der Aufwärtsbewegung wieder zuzulassen - sofern keine Fang- und Scherstellen vorhanden sind. Arbeiten im Gefahrenbereich - die geführte Entnahme von Produkten beispielsweise - können sicher und gleichzeitig produktiv durchgeführt werden. Vertikale oder federkraftbelastete Achsen stellen eine besondere Gefahrenquelle dar: Durch die Wegnahme von Energie können Gefährdungen entstehen, Stichwort: Schwerkraft. Auch hierzu sind Funktionen definiert, die, richtig angewendet, sogar den Einsatz normaler Motorhaltebremsen ermöglichen. Safe Motion bietet mannigfaltige Lösungsansätze, ist in diesem Punkt hochkreativ. Wichtig und erste Voraussetzung ist aber, dass Anwender das Risiko adäquat beurteilen, um so für ihre Maschine ein Sicherheitskonzept zu finden, dass nicht zu Lasten der Produktivität geht.

Artikelserie Safe Motion im SPS-MAGAZIN

SPS-MAGAZIN 10/2015 - Risikoanalyse und Sicherheitsdesign

SPS-MAGAZIN 11/2015 - Produktivtätssteigerung

SPS-MAGAZIN 12/2015 - Verifizierung und Validierung

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