Waren das noch Zeiten, als die Stoppuhren der Kostenrechner in den Herstellungsbetrieben noch keine Minuten-, geschweige denn Sekundenzeiger hatten. Damals konnte man bei manuellen Eingriffen in eine Fertigungsanlage – zum Beispiel zu Wartungszwecken – noch in aller Ruhe die ganze Maschine herunterfahren. Inzwischen hat der permanent wachsende Kostendruck naturgemäß auch zu immer höherem Zeitdruck geführt. Schließlich lässt sich auf den Cent genau beziffern, wie teuer jeder einzelne Stillstand das Unternehmen zu stehen kommt.

Dass Optimierungen in der Effizienz nicht zu Lasten der Sicherheit gehen dürfen, versteht sich nicht nur von selbst – es steht auch schwarz auf weiß in der europäischen Maschinenrichtlinie 2006/ 42/EG. So heißt es beispielsweise im Anhang 1 unter dem Punkt ‚1.3.9. Risiko unkontrollierter Bewegungen‘: Es muss verhindert werden, dass sich aus gleich welcher Ursache ein stillgesetztes Maschinenteil ohne Betätigung der Stellteile aus seiner Ruhestellung bewegt, oder diese Bewegung darf keine Gefährdung darstellen.

Was dies für Anlagen mit drehzahlgeregelten Antrieben bedeutet, damit hat sich das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung in seinem IFA-Report ‚Sichere Antriebssteuerungen mit Frequenzumrichtern‘ konkret auseinandergesetzt. Darin steht: ‚Drehzahlgeregelte Antriebe sind an Maschinen Stand der Technik. Genau wie bei ungeregelten Antrieben löst die drehzahlveränderliche Bewegung eines Maschinenteils häufig eine Gefährdung aus, vor der die Bedien- personen geschützt werden müssen. Die einfachste Lösung zur Vermeidung von Bewegungen bei manuellen Eingriffen in Gefahrstellen ist das (sichere) Abschalten der Antriebsenergie der jeweiligen Motoren. Dies ist jedoch häufig nicht möglich, zum Beispiel wenn zur Störungsbeseitigung, zum Einrichten, im Probebetrieb usw. Eingriffe bei laufender Maschine notwendig sind. In diesen Fällen ist der Maschinenbetrieb bei aufgehobener Schutzwirkung von Schutzeinrichtungen erforderlich. Um trotzdem die Sicherheit der Beschäftigten zu gewährleisten, werden die gefahrbringenden Bewegungen dann bei sicher begrenzten Geschwindigkeiten, Drehzahlen, Drehmomenten und häufig im Tippbetrieb und/oder nur während ein Zustimmungsschalter betätigt wird, ausgeführt. Zur Realisierung der hierfür notwendigen Maschinenfunktionen wurden Sicherheitsfunktionen für Antriebssteuerungen definiert, wie zum Beispiel STO (Sicher abgeschaltetes Moment), SLS (Sicher begrenzte Geschwindigkeit) und SS1 (Sicherer Stopp 1).‘

Während beim normalen Betrieb einer Maschine in der Regel trennende Schutzeinrichtungen wie etwa Schutztüren zum Einsatz kommen, die beim Öffnen die Energieversorgung der Antriebe abschalten, ist dies gerade im Einrichtbetrieb oder auch bei der Wartung oft nicht möglich. Maschinen arbeiten immer genauer und erledigen immer mehr unterschiedliche Aufgaben. Um verschiedene Einstellungen an der Maschine vorzunehmen, ist es deshalb häufig erforderlich, dass die Antriebe bei geöffneter Schutztür verfahren werden können. Auch bei einer Störungsbeseitigung ist es oft notwendig, die Maschine nicht komplett abzuschalten.

Kurz und bündig lässt sich die aktuelle Situation in den Produktionsbetrieben also etwa so skizzieren: Bei einer gewissen Anzahl von manuellen Eingriffen lässt sich die Anlage nicht abschalten, weil sonst die auszuführende Tätigkeit gar nicht möglich wäre. Und bei einer vermutlich noch größeren Anzahl der Fälle will man es nicht, um unnötige Kosten für Produktionsausfälle zu vermeiden. Damit ist die Frage, wa-rum sichere Drehzahlüberwachung immer wichtiger wird, weitgehend beantwortet. Jetzt geht es darum, wie sie am besten funktioniert – und darauf gibt es, je nach Applikation, unterschiedliche Antworten.

Zwei Konzepte – integriert oder extern

Grundsätzlich lässt sich zwischen zwei Konzepten zur Überwachung der Drehzahl eines Antriebs unterscheiden. Der Drehzahlwächter ist im Antrieb integriert oder die Drehzahl wird über einen externen Drehzahlwächter überwacht. Für die externe Drehzahlüberwachung können Anwender wiederum aus un-terschiedlichen Sensoren/Gebern und Auswerte-Einheiten wählen.

Eine Möglichkeit, die allerdings beim Thema Drehzahlüberwachung oft vergessen wird, ist der Einsatz von Standard-Sensoren. Typischerweise erreichen sichere Drehzahlwächter bei der Verwendung von zwei Standard-Sensoren ein Sicherheitslevel bis SIL2 beziehungsweise PLd, bei der Verwendung von einem Standard-Sensor SIL1 beziehungsweise PLc. Dies ist allerdings bei vielen Applikationen ausreichend, etwa bei Separatoren, Zentrifugen, (Mikro-)Gasturbinen oder auch bei Lüfter-Applikationen zur Abluftregulierung bei thermischen Prozessen.

Zur Erfassung der Drehzahl werden in diesen Fällen meist induktive Näherungsschalter an der Maschine derart montiert, dass sie zum Beispiel eine an der Motorwelle angebrachte Scheibe mit Aussparungen detektieren. Die so erzeugten Impulse sind dann in einem Drehzahlwächter als Frequenz auswertbar. Wird die konfigurierte maximale Frequenz überschritten, schaltet der Drehzahlwächter entweder die Energiezufuhr des Antriebes ab oder löst über den Umrichter einen sicheren Halt (STO: Safe Torque Off) aus.

Um eine Sicherheitsanforderungsstufe höher geht es bei der Drehzahlüberwachung für Drehgeber/Encoder.

© Bihl+Wiedemann

Die wohl bekannteste Methode zur sicheren Drehzahlüberwachung ist die Verwendung von Drehgebern, die aufgrund ihrer hohen Auflösung maximale Funktionalität bieten. Bei der Wahl des Drehgebers steht dem Anwender heute ein breites Spektrum an Produkten für unterschiedlichste Anforderungen zur Verfügung. Diese können wiederum grob in zwei Gruppen unterteilt werden: Inkrementalgeber zur Erfassung der Geschwindigkeit und Absolutwertgeber zur Erfassung der Position. Diese Drehgeber sind entweder bereits im Antrieb integriert oder werden an der Achse montiert.

Häufig kommen in Anwendungen wie in Abfüllanlagen oder auch an Bearbeitungsmaschinen  bereits drehzahlgeregelte Antriebe zur exakten Regelung der Geschwindigkeit oder der Position zum Einsatz. In diesem Fall wird das Drehgebersignal zwischen Drehgeber und Umrichter  abgegriffen. Wird kein Umrichter verwendet, lässt sich das Drehgebersignal direkt am externen Drehzahlwächter anschließen, der dann das Signal sicher auswertet. In Kombination mit einem sicherheitszertifizierten Drehgeber ist so ein Sicherheitslevel bis SIL3/PLe realisierbar. Aber auch mit nicht sicheren Drehgebern erreichen sichere Drehzahlwächter ein gewisses Sicherheitslevel – abhängig vom strukturellen Aufbau –, zum Beispiel zweikanalige Überwachung einer Achse mit zwei Standard-Drehgebern bis zu SIL2/PLd.

Die im Antrieb integrierte sichere Drehzahlüberwachung kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn bereits leistungsfähige Antriebe und eine sichere SPS verwendet werden. Der integrierte Drehgeber ist hierbei direkt mit dem Umrichter verbunden, welcher zudem die Anbindung an ein sicheres Bussystem wie zum Beispiel Profisafe oder CIP Safety zur Verfügung stellt.

Die Varianten elektronischer Aufpasser

Drehzahlwächter für die Auswertung sicherer Signale gibt es heute in diversen Ausführungen: Der ‚Safety Basis Monitor‘ von Bihl+Wiedemann beispielsweise beherbergt in einem lediglich 22,5 mm breiten Gehäuse vier sichere zweikanalige Eingänge oder Standardeingänge und Meldeausgänge und übernimmt damit die Aufgabe einer autarken sicheren Kleinsteuerung. Außerdem verfügt er über zwei sichere elektronische Ausgänge, USB- oder Ethernet-Schnittstelle für die Konfiguration und detaillierte Diagnose samt Abschalthistorie. Die integrierten Drehzahlwächter sitzen an den lokalen Eingängen und können zwei Achsen zweikanalig bis SIL2/PLd oder vier Achsen einkanalig bis SIL1 / PLc überwachen. Die Stillstandswächter behalten sogar vier Achsen zweikanalig bis SIL2/PLd im elektronischen Auge.

Neuerdings sind die Drehzahlwächter für Drehgeber/Encoder von Bihl+Wiedemann auch in einer Variante mit zwei lokalen sicheren Ausgängen verfügbar, die Abschaltzeiten von weniger als 5 ms realisiert.

© Bihl+Wiedemann

Um eine Sicherheitsanforderungsstufe höher geht es bei den sicheren Drehzahlwächtern für Drehgeber/Encoder, die ebenfalls eine Baubreite von nur 22,5 mm haben. Sie können bis zu zwei Achsen bis SIL3/PLe überwachen und eignen sich für alle gängigen Drehgeber: von Sinus/Cosinus- über SSI- und TTL- bis zu HTL-Ausführungen. Dient der Drehgeber lediglich zur sicheren Überwachung einer Achse, kann der Drehzahlwächter direkt angeschlossen werden. In vielen Fällen ist der Drehgeber aber bereits mit einem Umrichter verbunden, der das Signal zur Drehzahlregelung benötigt. Dann erfolgt der Abgriff des Signals zwischen Drehgeber und Umrichter über den passenden Adapter wie zum Beispiel einen Sub-D-Kabeladapter zum Aufstecken zwischen Umrichter und Geberleitung oder ein Adaptermodul zum Abgriff von zwei Drehgebersignalen.

Mit den Safety-Gateways der AS-Interface-Spezialisten aus Mannheim lässt sich schließlich die Drehzahl auch unkompliziert direkt im Antrieb sicher überwachen: zum Beispiel im Zusammenspiel mit CIP Safety über Sercos, dem Protokoll zur Übertragung sicherheitsrelevanter Signale, bei dem eine zusätzliche Verkabelung für einen Sicherheitsbus entfällt. Darüber hinaus stehen Safety-Gateways für die Kombination mit einer Safe PLC (F-CPU) zur Verfügung: Profisafe über Profibus/Profinet und CIP Safety über Ethernet/IP.

Egal, ob die Drehzahl direkt im Gateway oder im Modul überwacht wird – alle Drehzahlwächter von Bihl+Wiede-mann lassen sich über die Gateways an praktisch alle gängigen Feldbus-Systeme anschließen: von Profibus und Profinet über Ethernet/IP, Modbus und CC-Link bis hin zu CANopen und Ethercat. Dabei sind zwölf Klemmen des integrierten Sicherheitsmonitors frei konfigurierbar – zum Beispiel als sechs sichere Ausgänge plus drei sichere zweikanalige Eingänge, als sechs sichere zweikanalige Eingänge, als Standard E/As oder als Kombination daraus. Die Drehzahlwächter befinden sich an den lokalen Eingängen der Gateways und überwachen drei Achsen zweikanalig bis SIL2/PLd oder sechs Achsen einkanalig bis SIL1/PLc.

Die Konfiguration sämtlicher Drehzahlwächter erleichtert die intuitive Software ‚Asimon 3 G2‘. Features wie Abschalthistorie und Online-Diagnose sowie die Option zur Fernwartung sind für den Anwender in diesem Programm ebenfalls nur einen Klick entfernt.

Welche Lösung ist die beste?

Über die sogenannten Safety Gateways lässt sich die Drehzahl auch unkompliziert direkt im Antrieb sicher überwachen: zum Beispiel im Zusammenspiel mit einem sicherheitsgerichteten Feldbus- beziehungsweise Industrial-Ehternet-Protokoll.

© Bihl+Wiedemann

Welche Lösung sich hinsichtlich Funktionalität und Kosten letztendlich am besten eignet, hängt von der Applikation ab. Wie bereits eingangs erwähnt, besteht die kostengünstigste und einfachste Methode, eine Bewegung zu erfassen, in der Verwendung von induktiven Näherungsschaltern oder optischen Sensoren. Mit dieser Lösung wird in den meisten Fällen ein Sicherheitslevel von SIL2 / PLd erreicht. Sind die Anforderungen an das Sicherheitslevel oder die Funktionalität höher, kommen Drehgeber zum Einsatz. Nachteil der sicheren Drehzahlüberwachung mit externen Drehzahlwächtern ist die teilweise aufwendige Installationstechnik. Zum Abgriff des Drehgeber-Signals zwischen dem Geber und dem Frequenzumrichter werden Adapter oder T-Stücke benötigt. Die Herausforderung besteht darin, an dieser Stelle eine günstige Lösung zu bieten. Werden leistungsfähige Antriebe eingesetzt, um komplexe Regelungs- oder Positionierungsaufgaben zu realisieren, bietet sich die Methode der Drehzahlüberwachung im Antrieb an.

Die Vorteile der externen Dreh­zahlüberwachung gegenüber der integrierten Drehzahlüberwachung im Antrieb sind die Unabhängigkeit von Antriebs- und Steuerungs­hersteller und die in der Regel gün­stigeren Kosten bei vielen Achsen. Kommen Antriebe mit in-tegrierter Drehzahlüberwachung und Anbindung an einen sicheren Feldbus zum Einsatz, so ist dadurch normalerweise auch der Feldbus und der Hersteller der übergeordneten sicheren Steuerung festgelegt. Die Einführung der sicheren Drehzahlüberwachung im Antrieb, hat deshalb oft die Umstellung der gesamten Sicherheitstechnik der Maschine oder Anlage zur Folge. Externe Drehzahlwächter hingegen lassen sich einfacher in die bestehende Technik integrieren. Da viele dieser Geräte zwei Achsen in einem Gerät überwachen können, ist diese Lösung zur Überwachung vieler Achsen auch häufig die ­günstigere.

Autorin: Johanna Schüßler ist Produktmanagerin bei Bihl+Wiedemann.