21.08.2019

Der Weg zur sicheren Maschine

Die Instandhaltung gehört zu den gefährlichsten Tätigkeiten in der Industrie. Laut DGUV ereignen sich hierbei rund 21 Prozent aller tödlichen Unfälle - und das obwohl das Instandhaltungspersonal höchstens 5 bis 10 Prozent der gesamten Produktionsbelegschaft ausmacht. Ein Grund dafür sind Manipulationen an Schutzeinrichtungen. Doch die lassen sich eigentlich gut verhindern.

Autor: Matthias Schad


Bild: Eckelmann AG

Die Unfallquote für Beschäftigte in der Instandhaltung ist schätzungsweise rund 10 bis 20 Mal höher als für das Fertigungspersonal. Daran hat sich in den letzten 25 Jahren kaum etwas geändert. Bei der Umsetzung der neuen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG, die vor 13 Jahren in Kraft getreten ist, gibt es also noch eine Menge zu tun.

Intuitive Sicherheit

Experten schätzen, dass in etwa jeder vierte Arbeitsunfall an stationären Maschinen auf die Manipulation von Schutzeinrichtungen zurückzuführen ist. In Deutschland gab es 2008 ca. 10.000 Unfälle an stationären Maschinen, acht davon tödlich. Warum aber werden Sicherheitseinrichtungen überhaupt manipuliert? Hauptgründe sind laut einer Umfrage der DGUV: schnelleres Arbeiten, Bequemlichkeit, Zeit- und Leistungsdruck oder schlechte Ergonomie der Schutzeinrichtungen. Maschinenbauer sind daher in der Verantwortung, bessere Sicherheitslösungen zu entwickeln, damit es möglichst keine Anreize mehr gibt, Schutzeinrichtungen wissentlich oder unwissentlich zu manipulieren. Vor allem in smarten Produktionsumgebungen, in denen Menschen, Roboter und Maschinen gefahrlos kollaborieren sollen, sind zunehmend intelligente Sicherheitslösungen gefragt. Dafür benötigen Maschinenbauer jedoch flexible und modulare Safety-Konzepte, die nahtlos in die Automatisierung eingebunden sind und zugleich alle Arbeitsabläufe an der Maschine unterstützen - allerdings ohne sie unnötig zu verkomplizieren. Arbeiten Bediener und Automatisierungslösung wirklich Hand in Hand, lässt sich - je nach Betriebsart der Maschine - mit angepassten Sicherheitsmaßnahmen reagieren, wenn sich eine Maschine z.B. im Einrichtbetrieb oder im Wartungsmodus befindet oder eine Störung vorliegt.

Hohe Produktivität

Neben dem globalen Nothalt müssen daher abgestufte Sicherheitslösungen implementiert werden können. Dies ist nicht nur ein Gewinn an Arbeitsschutz, sondern trägt auch dazu bei, unnötige Stillstandszeiten oder unproduktive Nebenzeiten zu reduzieren, weil Maschinen so z.B. nach planmäßigen Wartungsarbeiten schneller wieder voll betriebsbereit sind. Ebenso denkbar ist, dass auf dem Maschinenbett an einer Stelle schon gerüstet werden kann, während die Maschine an anderer Stelle noch arbeitet. Mit der richtigen Safety-Lösung kann der Arbeitsbereich der Maschine dynamisch und sicher verkleinert werden, sodass außerhalb sicher gerüstet werden kann. Gut integrierte Safety-Lösungen bedeuten deshalb nicht nur einen Gewinn an Sicherheit für Personal und Maschine, durch abgestimmte Arbeitsabläufe tragen sie auch zu Effizienz und Produktivität bei und können so zum Wettbewerbsvorteil für den Maschinenbauer werden.

Safety und Automation

Moderne Konzepte, die Safety und Automatisierung als ganzheitliche Aufgabe umsetzen, basieren im Wesentlichen auf vier Säulen:

1. Durchgängige und transparente Verarbeitung von sicheren und nicht-sicheren Signalen in Antriebs-, Steuerungs- und Sicherheitstechnik

2. Einheitliche Programmierumgebung für SPS-Applikation und Sicherheitslogik (bis SIL3 bzw. PLe), mit zertifizierten Funktionsblöcken für geringen Engineering- und (Re-)Validierungsaufwand

3. Kontrollierte Bewegungen mit zertifizierten, antriebsintegrierten Sicherheitsfunktionen (bis SIL3) für ein größeres Repertoire an möglichen Reaktionen auf sicherheitsrelevante Ereignisse oder Betriebsarten (z.B. sicher begrenzte Geschwindigkeit (SLS) oder Position (SLP) oder Bewegungsrichtung (SDI))

4. Offenheit für zentrale und dezentrale Architekturen, insbesondere zur Einbindung der Peripherie oder zur sicheren Vernetzung mehrerer Bearbeitungsstationen.

Eckelmann geht daher bei seiner aktuellen Steuerungsgeneration E°EXC 89 neue Wege: Mit Ethercat als Systembus und der sicheren Protokollerweiterung FSoE sprechen Antriebs-, Steuerungs- und Sicherheitstechnik dieselbe Sprache. Zudem können komplette Automatisierungssysteme inklusive Safety wegen Codesys V3 mit den Erweiterungen Codesys Safety mit nur einem Werkzeug programmiert werden. Damit haben Anwender jederzeit transparent Zugriff auf alle Daten und Signale des Gesamtsystems: Signalnamen z.B. für Notaus sind nur einmal anzulegen und stehen dann in SPS- und Safety-Applikation zur Verfügung. Das verhindert Verwechslungen und soll den Engineering-Aufwand spürbar reduzieren. Normale und sichere I/O-Module können beliebig frei kombiniert werden, was laut Eckelmann auch den Verkabelungsaufwand reduziert. Sicherheitsgerichtete Funktionen werden über eine Safety-Steuerung integriert. Über Ethercat-Buskoppler können weitere Automatisierungsstationen und Peripherie dezentral und einfach eingebunden werden. Mit den kurzen Zykluszeiten (100µs) und einem geringen Jitter für eine exakte Synchronisierung (1µs) eignet sich die Lösung auch für Safety-Anwendungen, bei denen es auf kurze Reaktionszeiten ankommt.

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Einkanalige Kommunikation im Black Channel

Bei Safety-over-Ethercat wird das Übertragungsmedium als Black Channel betrachtet und spielt somit für die Sicherheitsbetrachtung keine Rolle. Die Kommunikation bleibt einkanalig: Sichere und Standardinformationen werden nebeneinander übertragen. Besondere Maßnahmen wie Prüfsummen, Zeitstempel und redundante Übertragung sorgen dafür, dass die Übertragung trotzdem zuverlässig abgesichert wird. Und kommt es doch mal zu Fehlern beim Austausch von sicheren Datentelegrammen zwischen Busteilnehmern, erkennen die Empfänger ausbleibende oder korrupte Datentelegramme und gehen in einen sicheren Zustand, sodass andere Systemfunktionen nicht beeinträchtigt werden. Gerade bei technischen Systemen mit hohem Software-Anteil ist eine solche inhärente Fehlertoleranz sehr entscheidend für die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Applikation. Die einheitliche Programmierumgebung vereinfacht das Debugging deutlich, wenn man die Trace-Funktion zur gemeinsamen Aufzeichnung sicherer und nicht-sicherer Signale nutzen kann. Zur Programmierung der Sicherheitslogik steht unter Codesys Safety eine grafische Programmierumgebung mit Funktionsblöcken zur Verfügung. Auch weitere Sicherheitskomponenten wie Lichtgitter lassen sich bei der vollständig integrierten Safety-Lösung von Eckelmann einfach über einen Konfigurator einbinden.

Funktionale Sicherheit

Zu einem wirklich durchgängigen Automatisierungs- und Sicherheitskonzept werden die Systemlösungen von Eckelmann dadurch, dass auch die Sicherheitsfunktionen des Servoantriebssystems E°Darc C über Saftey-over-Ethercat vollständig eingebunden sind. Es steht eine große Bandbreite an Sicherheitsfunktionen wie STO, SLP oder SLS bereit. Das FPGA-basierte Antriebssystem ist bis SIL3 bzw. PLe zertifiziert. Während bei konventionellen Lösungen häufig nur STO möglich ist, erlaubt das Antriebssystem differenzierte Reaktionen, wie das Weiterfahren mit verminderter Geschwindigkeit oder die kontrollierte Stillsetzung einzelner Achsen. Dies ist für alle Achsen wichtig, die im Stillstand Lastmomente abstützen müssen, z.B. hängende Achsen.

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