03.09.2014

Elektromechanische Zuhaltungen im praktischen Einsatz

Bewährtes bleibt sicher

Elektromechanische Zuhaltungen sind bewährte Sicherheitsbauteile, um Gefahrenstellen an einer Maschine abzusichern. Da mit diesen Sicherheitsbauteilen der Zugang zur Gefährdung verhindert wird, und zudem auch noch die Bearbeitung in der Maschine gegen eine Unterbrechung geschützt wird, ist die klassische Zuhaltung auch heute noch eine gerne und häufig genutzte Sicherheitsmaßnahme für Maschinen und Anlagen.


Bild 1: Produktcomposing Elektromechanik von Titelseite
Bild: Euchner GmbH + Co. KG

Die neue EN ISO14119 unterscheidet deshalb zwei unterschiedliche Arten von Zuhaltungen, die Prozessschutzzuhaltung und die Personenschutzzuhaltung. Erstere dient nur dazu, den Arbeitsprozess nicht zu unterbrechen. Hier werden an die Sicherheitstechnik bezüglich der Zuhaltefunktion keine Anforderungen gestellt. Jedoch müssen zumindest alle Anforderungen an eine Verriegelungseinrichtung erfüllt werden. Die Maschine muss also nicht beim Öffnen der Zuhaltung sicher stoppen, sondern erst beim Öffnen der Schutztür. Zuhaltungen für den Personenschutz verhindern, dass Personen eine Maschine betreten können, solange die Gefährdung nicht beseitigt ist. Die Maschine muss bereits beim Entriegeln der Zuhaltung sicher stehen.

Hohe Ansprüche

An diese Sicherheitsbauteile werden verschiedene normative Anforderungen gestellt. Die erste Forderung ist natürlich die, dass die Stellung der Zuhaltung sicher überwacht wird. Eine weitere Forderung betrifft das Zuhaltungsprinzip. Die Norm unterscheidet in vier verschiedenen Prinzipien. Zwei davon sind für Personenschutzzuhaltungen geeignet. Die erste dieser beiden Möglichkeiten ist das Prinzip 'Federkraft betätigt, Energie ein entsperrt'. Hierbei wird mit einer mechanischen Feder das Sperrmittel in die zugehaltene Stellung gebracht und durch Anlegen von Energie mit einem Hubmagneten die Zuhaltung entsperrt. Die Tür bleibt damit bei vollständiger Abschaltung einer Maschine sicher zugehalten, sofern die Schutzeinrichtung geschlossen war. Die Maschine kann dann nicht betreten werden. Falls es notwendig sein sollte, dass die Maschine auch in dieser Situation, z.B. für eine Reinigung, geöffnet werden muss, sieht die EN ISO14119 vor, dass entweder zusätzliche Entriegelungsmöglichkeiten angebracht werden oder aber ein anderes Prinzip verwendet wird.

Bistabiles Prinzip

Ein weiteres Prinzip, das für eine Zuhaltung mit Personenschutzfunktion möglich ist, lautet 'Energie ein entsperrt, Energie ein zugehalten'. Bei dieser Art Zuhaltungen verbleibt das Sperrmittel in der Stellung, in der es bei Abschalten der Spannungsversorgung ist und ändert den Status nicht. Solche Zuhaltungen sind als sogenannte bistabile Versionen, wie z.B. das Modell STP-BI, von Euchner bereits seit Jahren erhältlich.

In der Praxis wird häufig auch dann, wenn Prozessschutz ausreichend ist, auf das Öffnen der Zuhaltung hin die Maschine angehalten. Die Forderung nach einem der obigen Prinzipien muss in diesem Fall jedoch nicht erfüllt werden. Die beiden weiteren möglichen Prinzipien sind 'Energie ein betätigt, Federkraft entsperrt' und 'Energie ein betätigt, Energie aus entsperrt'. Bei diesen beiden Prinzipien ist es bei Abschalten der Maschine oder Stromausfall möglich, die Tür zu öffnen und somit sind Reinigungs- und Servicearbeiten sehr einfach möglich.

Verschiedene Performance Level

Mit einer elektromechanischen Zuhaltung für den Personenschutz lässt sich eine Schutztür in jedem gewünschten und benötigtem Performance Level (PL) nach EN ISO13849-1 absichern. Es muss also nicht immer eine moderne Zuhaltung mit integrierter Elektronik verwendet werden. Benötigt werden dazu nur die richtige Schaltungstechnik und die korrekte Auswahl der Sicherheitsbauteile. Drei praktische Beispiele zeigen, wie dies realisiert werden kann. Vielfach wird in Applikationen für die Kategorie 3 nur eine einzige Zuhaltung angebracht, deren zwei Kontakte an eine Sicherheitsauswertung angeschlossen sind, so wie in Bild 2 dargestellt. Diese Schaltung erfüllt ganz offensichtlich die Hauptanforderung der Kategorie 3 nach redundanter Auslegung, denn die Elektrik ist vollständig zweikanalig aufgebaut. Auch die Diagnosefunktion scheint auf den ersten Blick ausreichend gut zu sein. Was ist aber mit den mechanischen Aspekten? Wenn beispielsweise der Betätiger an der Zuhaltung bricht? Dann fällt diese Schaltung mit dem ersten Fehler, dem Versagen der Mechanik, aus. Das wiederum bedeutet, dass doch nicht alle Forderungen der Kategorie 3 erfüllt werden können. In der EN ISO13849-1 wird nicht nur die Elektrik einer sicherheitstechnischen Schaltung beschrieben, es werden auch die mechanischen, hydraulischen und pneumatischen Aspekte gelistet. Trotz dessen ist das Beispiel eine korrekte Applikation einer Zuhaltung und kann auch die Kategorie 3 erfüllen. Der Schlüssel hierzu ist ein sogenannter Fehlerausschluss, also die Feststellung, dass ein bestimmter Fehler nicht auftreten kann. Diese Ausschlüsse sind in der EN ISO13849-1 zugelassen. Im Teil 2 der Norm finden sich lange Listen zu den verschiedenen Konzepten, aus denen neben möglichen Fehlern auch herausgelesen werden kann, ob der zugehörige Fehlerausschluss überhaupt zulässig ist. Um nun einen Fehlerausschluss auf das Brechen der Mechanik durchführen zu können, muss erreicht werden, dass dieser Fehler überhaupt nicht erst auftreten kann. Dazu kann z.B. der mechanische Teil der Zuhaltung so geschützt werden, dass keine Kräfte, die zu einem Ausfall führen könnten, auf die Zuhaltung einwirken können. Wenn das gewährleistet werden kann, ist ein Fehlerausschluss einfach zu begründen und auch zulässig.

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Auflistung der Fehlerausschlüsse

Eine gute Hilfestellung zum Thema Fehlerausschluss ist mit dem Flyer 'Bewährtes bleibt sicher' von Euchner seit langem verfügbar (Bild 3). In dieser Übersicht sind alle Fehler, die an einer Verriegelung oder Zuhaltung auftreten können, aufgelistet. Darüber hinaus enthält die Broschüre Hinweise darauf, was normativ vorgesehen ist, um einen eventuellen Fehlerausschluss zu rechtfertigen. Die EN ISO13849-2 lässt für Verriegelungen, die mit elektromechanischen Schaltern aufgebaut werden, im PLe kein Fehlerausschluss auf Versagen der Mechanik zu. Zu Zuhaltungen sagt diese Norm nichts. Das ist nun in der neuen EN ISO14119 geregelt worden. Bei Zuhaltungen ist in Abhängigkeit von der Risikobeurteilung auch ein Fehlerausschluss auf das Sperrmittel einer Zuhaltung in PLe möglich. Allerdings nur auf das Sperrmittel, also den Bolzen, der die eigentliche mechanische Kraft aufnimmt. Dies gilt nicht für die in jeder Zuhaltung enthaltene Funktion der Verriegelung. Somit kann die obige Schaltung, die ja einen Fehlerausschluss beinhaltet, keinen PLe erreichen, sondern nur einen PLd.

Kategorie 3 ohne Fehlerausschluss

Falls ein solcher Fehlerausschluss nicht gemacht werden kann oder soll, muss im zweiten Kanal ein weiterer Sensor verwendet werden. Dessen Aufgabe ist es, bei einem mechanischen Defekt der Zuhaltung, mindestens noch einmal ein Schaltsignal zur Abschaltung der Maschine abzugeben. Bei Zuhaltungen stellt sich im zweiten Kanal die Frage, was für ein Sensor das sein muss. Letzten Endes kann diese Frage nur durch eine Risikoanalyse beantwortet werden. Vielfach ist es aber so, dass ein einmaliges Öffnen einer Schutztür in Verbindung mit dem Nachlaufen einer Maschine akzeptabel ist. Das heißt, wenn durch einen mechanischen Defekt die Zuhaltung nicht mehr funktioniert, wird zumindest beim Öffnen der Schutztür ein Signal abgegeben, das die Maschine abschaltet. Diese Funktion kann mit einem einfachen zweiten Sensor, beispielsweise einem Positionsschalter von Euchner, erreicht werden, der keine Zuhaltefunktion und auch keine Sicherheitsfunktion beinhaltet. Ein Beispiel hierfür ist in Bild 4 gezeigt. Der zusätzliche Sensor P1 ist in Reihe mit einem der beiden Kontakte geschaltet, der die Stellung der Zuhaltung überwacht. Dadurch schaltet nur einer der Kanäle bei Defekt der Zuhaltung ab - ein Fehler wird vom Sicherheitsauswertegerät K1 erkannt und die Maschine läuft nach dem Öffnen der Schutztür nicht mehr an. Ein Hinweis zur Berechnung des PL: Bei diesem Beispiel ist das Blockschaltbild, mit dem die Ausfallswahrscheinlichkeit bestimmt wird, identisch zu dem Blockschaltbild mit Fehlerausschluss in Bild 2. Der zusätzliche Sensor ist nicht Bestandteil der Sicherheitsfunktion und hat somit auch keinen Einfluss auf die Ausfallswahrscheinlichkeit. Der Sensor ist nur zum Erreichen des Diagnosedeckungsgrad notwendig.

Zuhaltung in Kategorie 4

Der Nachteil obiger Schaltung ist, dass ein Ausfall des Sensors P1 nicht erkannt werden kann. Deshalb erreicht die Schaltung auch nur Kategorie 3 und nicht Kategorie 4. Wenn auch noch der Ausfall von P1 erkannt werden muss, ist die Schaltung deutlich aufwändiger. Das Schaltbild hierzu ist in Bild 5 gezeigt. Nun wird ein zweites Sicherheitsauswertegerät sowie ein weiterer Kontakt in der Zuhaltung benötigt, sodass auch für P1 ein Ausfall detektiert werden kann. Hierzu ist in diesem Beispiel das Sicherheitsauswertegerät K1 zuständig. Das Auswertegerät K2 überwacht zweikanalig die Stellung der Zuhaltung. Dieser Aufbau ist sehr aufwändig. Mit einer sicheren Steuerung kann in diesem Fall wesentlich einfacher dasselbe Resultat erreicht werden, da sowohl Positionsschalter wie auch Zuhaltung direkt an die Steuerung angeschlossen werden können.

Zuhaltung für den Personenschutz

In obigen Beispielen wurden bereits die Normen EN ISO14119 und die EN ISO13849-1 erwähnt. Eine weitere Norm, die sich auf Verriegelungseinrichtungen und damit auch auf Zuhaltungen bezieht, ist die EN ISO13855. Sie wird von der EN ISO14119 referenziert, wenn zu entscheiden ist, ob eine Zuhaltung für den Personenschutz notwendig ist oder aber eine Verriegelung ausreicht. Die Auswahl geschieht entsprechend einem einfachen Flussdiagramm (Bild 6).

Überwachung der Zuhaltestellung

Für eine Personenschutzzuhaltung muss, wie bereits erwähnt, die Stellung des Sperrmittels überwacht werden. Das heißt letzten Endes, dass die Stellung des Zuhaltebolzens überwacht wird. Es wurde ebenfalls bereits erwähnt, dass jede Zuhaltung auch eine Verriegelungsfunktion beinhaltet. Hintergrund dazu sind zwei völlig verschiedene Sicherheitsfunktionen, die mit demselben Bauteil realisiert werden. Die eine davon ist offensichtlich: Die Maschine schaltet ab, wenn die Zuhaltung geöffnet wird. Eine weitere Funktion, die mit der Verriegelungsfunktion zusammenhängt, ist das Verhindern des unerwarteten Anlaufs einer Maschine. Solange die Schutztür geöffnet ist, darf die Maschine nicht anlaufen können. Zu diesem Zweck ist in den meisten, aber nicht in allen Zuhaltungen, eine sogenannte Fehlschließsicherung integriert. Diese mechanische Funktion sorgt dafür, dass die Zuhaltung nur dann verriegeln kann, wenn die Schutztür auch wirklich geschlossen ist. Damit ist dann zum einen sichergestellt, dass die Tür geschlossen und zugehalten wird, auch wenn die Zuhaltung im falschen Moment angesteuert wurde. Zum anderen sorgt diese Funktion im Umkehrschluss aber auch dafür, dass die Verriegelungsfunktion immer dann aktiv ist, wenn die Zuhaltung aktiv ist. Aus diesem Grund genügt es dann auch, wenn die Kontakte zur Überwachung der Zuhaltestellung in den Sicherheitskreis eingebunden sind. Die Verriegelungsstellung ist damit ja automatisch auch überwacht. Nur mit dieser Funktionalität eignet sich eine Zuhaltung dann auch als Verriegelungssystem, ohne dass ein zusätzlicher Aufwand notwendig wird. Elektromechanische Zuhaltungen sind auch heute noch ganz aktuelle Produkte, die sehr viele Vorteile bieten. Der einmalige Aufwand, diese Sicherheitsbauteile richtig einzubinden und zu beurteilen, ist sicher höher als bei elektronischen Produkten. Aber die Zuverlässigkeit der Mechanik und die Bewährtheit dieser Produkte sprechen für sich.

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