27.03.2017

Bewegungsbasierte Safety

Sicherheit für schnelle Servoantriebe

Safety ist ein beherrschendes Thema im Maschinen- und Anlagenbau. Um Unfälle mit Personen- und Sachschäden und daraus resultierende Haftungsansprüche zu vermeiden, müssen Sicherheitskonzepte schlüssig und absolut zuverlässig sein. Das gilt vor allem in hochdynamischen High-End-Anwendungen.


Bild: Promicon Elektronik GmbH + Co. KG

Funktionale Sicherheit ist im Maschinen- und Anlagenbau ein beherrschendes Thema, schließlich geht es hier um die Reduzierung von Gefährdungen für Personen und Sachwerte und somit auch um Haftungsrisiken. Kommt es - was sich niemand wünscht - zu einem Unfall, so wird sehr schnell die Frage nach dem Verursacher und dessen Haftbarkeit gestellt. Genau an diesem Punkt ist es wichtig, dass das Sicherheitskonzept des Maschinenherstellers schlüssig ist und somit sein Haftungsrisiko minimal ist. Um den Maschinenbauer bei dieser komplexen Aufgabenstellung bestmöglich zu unterstützen, hat Promicon eine Lösung entwickelt, die sehr hohen Anforderungen bei schnellen Bewegungen mit Servoantrieben gerecht wird.

Neue Safety-Module

So wurde das Multiachssystem Varimotion um Safety-Module für bewegungsbasierende Sicherheit erweitert. Das System wird hauptsächlich in Automatisierungsanwendungen eingesetzt, die sehr hohe Ansprüche an Schnelligkeit und Präzision von koordinierten Bewegungen stellen. Entsprechend lassen sich mit Varimotion Aufgaben realisieren, die mit Standardkomponenten nur sehr schwer, nicht zufriedenstellend oder gar nicht lösbar sind. Bei der Konzeption und Entwicklung wurde großer Wert auf sehr kurze Reaktionszeiten gelegt. Bei hochdynamischen Achsen ist das von außerordentlicher Bedeutung, da diese in sehr kurzer Zeit sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen können. Beschleunigungen von mehr als 5g bzw. 50m/s² sind keine Seltenheit. Hat man beispielsweise eine Reaktionszeit von 20ms, so wird in dieser Zeit bereits eine Geschwindigkeit von 1m/s erreicht. Das ist ein Vielfaches von dem, was im Einrichtbetrieb bei geöffneter Schutztür vertretbar ist. Um derartige Situationen beherrschen zu können, sind die Safety-Module von Promicon so konstruiert, dass eine unzulässige Bewegung in nur 2ms erkannt werden kann. Weiterhin wird die Reaktionszeit dadurch reduziert, dass das Safety-Modul und der Servoregler direkt miteinander verbunden sind und somit auch keine Zeitverluste durch zwischengeschaltete Elemente und Netze entstehen. Durch diese Maßnahmen können die Sicherheitsabstände bei der Konzipierung der funktionalen Sicherheit sehr kurz gehalten werden.

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Integrierte Sicherheitsfunktionen

Die Safety-Module sind ausgelegt für Anwendungen gemäß PL d bzw. SIL 2 und verfügen über alle in der Praxis erforderlichen Sicherheitsfunktionen. Dazu zählen:

  • • SS0 (Safe-Stop Kategorie 0)
  • • SS1 (Safe-Stop Kategorie 1)
  • • SS2 (Safe-Stop Kategorie 2)
  • • SLS (Safely-Limited-Speed)
  • • SOS (Safe-Operation-Stop)
  • • SDI (Safe-Direction)

Damit kurzzeitige Änderungen der Geschwindigkeit oder Position, beispielsweise durch Stöße oder Vibrationen, nicht zu Fehlauslösungen von Sicherheitsfunktionen führen, steht ein Parameter zur Filterung der Bewegung zur Verfügung. Ergänzend zu den Sicherheitsfunktionen ist ein sicherer Kanal zur Überwachung des Achsstillstands vorhanden. Weiterhin gibt es für jede Achse einen sicheren Ausgang zur Ansteuerung einer Haltebremse, um die Bremsung des Antriebs mit geringstmöglicher Verzögerung zu erreichen. Das ist bei hängenden Lasten und Systemen, die durch Fremdenergie beschleunigen können, von Wichtigkeit. Beim Einsatz der Safety-Module kommen Servomotoren mit geeigneten Feedback-Systemen zum Einsatz. Zusätzliche Komponenten, beispielsweise Initiatoren, sind nicht erforderlich. Daher sind bewegungsbasierende Sicherheitsfunktionen ohne konstruktive Modifikationen oder Ergänzungen realisierbar. Der Hersteller bietet auch geeignete Servomotoren an. Alternativ können aber auch Fabrikate anderer Anbieter eingesetzt werden, sofern diese über geeignete Feedback-Systeme verfügen. Bei der Auswahl und Qualifikation geeigneter Antriebe kann der Anwender jederzeit auf das Know-How von Promicon zurückgreifen.

Breites Antriebsspektrum

Der Einsatz der Sicherheitstechnik beschränkt sich nicht nur auf Servomotoren. Es können auch andere Antriebsbauformen wie Linearmotoren, Torquemotoren oder Tubularmotoren direkt in Verbindung mit den Safety-Modulen und den Servoreglern betrieben werden. Ein besonderes Merkmal besteht darin, dass die Sicherheitsfunktionen vollständig selbständig mit dem Servoregler abgewickelt werden und deren Wirkungsweise vom TÜV zertifiziert sind. Auf diese Weise ist keine Programmierung der Sicherheitsfunktion selbst erforderlich. Das ist durchaus von Bedeutung, da eine derartige Programmierung im Sinne der Sicherheitsvorschriften zwangsweise eine Validierung der ordnungsgemäßen Funktion erforderlich macht. Die Erfahrung zeigt, dass hierdurch oft langwierige Untersuchungen und Nachweise erforderlich werden. Die Servoregler und die Safety-Module von Promicon sind so aufeinander abgestimmt, dass lediglich eine RJ45-Verbindung zwischen den Geräten erforderlich ist. Für diese Verbindung werden speziell ausgewählte Komponenten verwendet, die intensiven Tests unterzogen wurden und somit eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Verbindung gewährleisten. Neben den Sicherheitssignalen und der Lageerfassung ist auch ein Datenkanal vorhanden, über den Steuersignale und Diagnoseinformationen zwischen Safety-Modul und Servoregler übertragen werden.

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Safety-Funktionen nachrüsten

Jeder Servoregler kann wahlweise mit oder ohne Safety-Modul betrieben werden. Hierdurch kann eine Achse auch nachträglich um bewegungsbasierende Sicherheitsfunktionen erweitert werden. Die Funktion STO ist grundsätzlich im Servoregler enthalten. Die Geräte sind modular aufgebaut, wodurch bis zu zwölf Achsen gleichzeitig überwacht werden können. Insgesamt lassen sich bis zu sechs Sicherheitsfunktionen mit verschiedenen Parametern beliebig mit den Achsen konfigurieren. Die Integration in die Gesamtanlage erfolgt durch eine geringe Anzahl an Signalen, da die Achsen in Gruppen angesteuert werden und somit nur ein Signal zur Aktivierung einer bestimmten Sicherheitsfunktion erforderlich ist. Soll beispielsweise die Sicherheitsfunktion SLS auf eine Gruppe von drei Achsen angewendet werden, so ist hierfür nur ein Eingang erforderlich. Die Vielseitigkeit und Einfachheit der Ansteuerung erlaubt es, die Safety-Module mit jeder übergeordneten Sicherheitssteuerung zu kombinieren. Das gesamte Sicherheitskonzept, die Servoregler und Safety-Module sind vom TÜV zertifiziert und entsprechen den aktuell gültigen Normen und Vorschriften. Insgesamt führt dieses Sicherheitssystem dazu, dass die hohen Anforderungen, die durch die funktionale Sicherheit gestellt werden, mit geringem Aufwand und hoher Effizienz erfüllt werden.

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