Geht es um die Anforderungen von ‚Safe Motion‘, stehen in der Regel fünf zentrale Themen im Vordergrund: Der erste Bereich betrifft das Arbeiten am Werkstück oder an der Maschine während der Bewegung sowie die Vermeidung eines potenziell gefährlichen Betriebs. Zum zweiten Themenfeld gehören beispielsweise das Bersten von Werkzeugen oder das Lösen von Werkstücken aus Halterungen. Etwas unüblicher, aber nicht weniger wichtig ist der garantierte Betrieb, beispielsweise einer Belüftung. Selbst wenn dieser in aller Regel nicht gewährleistet werden kann, lässt sich im Fehlerfall zum Beispiel der Zugang verhindern. Im vierten Themengebiet geht es um sämtliche Arbeiten an der Maschine, bei denen ein Einklemmschutz oder ein sicherer Stillstand erzielt werden soll. Übliche Anwendungen sind hier Gefahren durch Einzug des Werkers zwischen Walzen oder das Absacken von Werkstücken. Vergleichbare Anforderungen wie bei der Verhinderung des gefährlichen Betriebs bestehen zudem bei der Gewährleistung von Prozessqualität oder bei der Kollisionsvermeidung. Der fünfte Bereich schließlich umfasst die Optimierung von Arbeitsprozessen mittels sicherer Bewegungen. Hierzu können kürzere Stoppzeiten, das Freifahren oder die Zutrittsverhinderung während einer Bewegung gehören.

Funktionale Herausforderungen

Tabelle 1. Antriebsfunktionen gemäß DIN EN 61800-5-2. Zuordnung der Sicherheitsfunktionen zu Anwendungsfällen.

© Wieland Electric

Unabhängig von den jeweiligen applikationsbezogenen Bedürfnissen gibt es auch aus konstruktiver Sicht häufig eine Reihe von Herausforderungen. Insbesondere bei Nachrüstungen kann es dann zu Problemen kommen, wenn zum Beispiel keine Optionen für einen Sicheren Halt (STO) im Frequenzumrichter oder im Antrieb vorhanden sind. Ähnlich problematisch verhält es sich mit dem Fehlen von Drehgebern für die Erfassung der Bewegung. Dies wird teilweise dadurch verschärft, dass keine baulichen Optionen für den Einbau von Drehgebern gegeben sind. Besonders heikel wird es, wenn Vibrationen im Umfeld die Messung selbst erschweren oder wenn im Fall von hängenden Lasten ein Absacken zu befürchten ist. Eine große Herausforderung stellen auch Situationen dar, in denen mehrere Achsen auf Synchronität oder eine bestimmte Wechselwirkung zu überwachen sind. Problemlos ist hingegen in aller Regel die gleichzeitige oder alternative Überwachung mehrerer Grenzwerte oder Aspekte einer Bewegung wie zum Beispiel Geschwindigkeit und Position. Die DIN EN 61800-5-2 nennt eine Vielzahl von Antriebsfunktionen, die hier Anwendung finden können.

Normative Anforderungen

Neben den funktionalen Einschränkungen gibt es normative Anforderungen, die gängige Ansätze erschweren oder gar ausschließen. Die härteste Anforderung kommt aus der EN ISO 13849-1. Diese Norm begrenzt den einkanaligen Einsatz für komplexe Elektronik praktisch auf PL b, sofern für die entsprechenden Produkte keine sicherheitstechnische Qualifikation nachgewiesen werden kann. Da zudem alle gängigen Standard-Drehgeber in irgendeiner Form mit Mikrocontrollern aufgebaut sind, ist der Einsatz von zwei gleichartigen Drehgebern auf PL d begrenzt. Geschuldet ist dies den Ausfällen gemeinsamer Ursache (Common Cause Failures, CCF) in der Software, die die EN ISO 13849-1 auch über unterschiedliche Geräte derselben Bauart annimmt.

Unabhängig von den systematischen Beschränkungen von Standard-Drehgebern bestehen grundsätzlich zwei Schlüsselprobleme: Zum einen muss der Geberverlust im Stillstand erkannt werden. Zum anderen gilt es, Fehler beim Lösen von Code-Scheiben der Drehgeber oder beim Lösen des Drehgebers selbst auszuschließen. 

Schlüsselfaktor Drehgeber

us Kostengründen muss bei den meisten Anwendungen auf Drehgeber mit absolutem Positionssignal verzichtet werden. Da diese in ihrer Konstruktion und Auswertung komplex sind, werden sie praktisch nur in Kombination mit speziellen NC-Controllern eingesetzt. In der Konsequenz lassen sich Position und Drehrichtung nur durch die Verwendung von zwei voneinander unabhängigen (Inkremental-)Drehgebern ermitteln. Diese stellen dann gemeinsam einen Funktionskanal dar. Soll ein PL e erreicht werden, sind damit in der Summe vier individuelle Sensorsignale erforderlich. Dies scheint auf den ersten Blick einfach erreichbar zu sein, da die üblichen Drehgeber vier oder mehr Spuren (A, A/, B, B/, Z, Z/) haben. Da diese aber im Drehgeber aus demselben Quellsignal erzeugt werden, ist die für den PL e erforderliche funktionale Unabhängigkeit nicht gegeben. Aus sicherheitstechnischer Sicht kann ein solcher sicherheitstechnisch unbewerteter Drehgeber in aller Regel nur als einzelner Funktionskanal angesehen werden, selbst wenn er mehrere Signale liefert.

Angesichts dieser Betrachtungen und der zuvor erwähnten Herausforderungen lässt sich also feststellen, dass im Fall des sicheren Abschaltens keinerlei Sensorik benötigt wird. Erst mit der Überwachung einer Geschwindigkeit wird mindestens ein einzelner Sensor benötigt. Sobald Position oder Richtung ins Spiel kommen, sind zwei Inkrementalgeber-Signale je Sicherheitskanal nötig. Das ergibt dann für zwei Funktionskanäle in der Summe 2x2 voneinander unabhängige Signale für eine PL-e-Überwachung.

Aktorik sichert schnelle Abschaltung

Tabelle 2. Hardware-Architekturen und deren erreichbare Performance Level. Visualisiert wird der typische Aufwand, der für die Überwachung und Sensorik betrieben werden muss, und welcher Performance Level (PL) damit erreichbar ist.

© Wieland Electric

Bei der Aktorik sieht die Sache einfacher aus. Letztlich kennen alle Sicherheitsfunktionen – mit Ausnahme von Safe Speed Motor, SSM – nur eine sichere Fehlerreaktion: das Abschalten. Wird eine Geschwindigkeit überschritten, eine falsche Drehrichtung aktiviert oder zu schnell beschleunigt, wird immer sicher abgeschaltet. Dies lässt sich im einfachsten Fall mit einem Schütz in PL c realisieren oder mit zwei Schützen in PL e. Komfortabler geht es mit Hilfe eines Frequenzumrichters, der über eine der sicheren Stoppfunktionen STO oder SS1 verfügt. Dabei ist SS1 zu bevorzugen, weil die Bewegung in der Regel ­schneller zum Stillstand kommt und somit die Abstände zu Schutzeinrichtungen kompakter gewählt werden können. Wird ein Frequenzumrichter eingesetzt, gibt es von vielen Produktlinien auch Varianten, die die übrigen Sicherheitsfunktionen direkt unterstützen. Dies lohnt sich aber meist nur, wenn mehrere unterschiedliche Sicherheitsfunktionen zum Einsatz kommen. 

Eine Frage der Logik

Wie überall in der Steuerungstechnik sitzt zwischen Sensorik und Aktorik die Logikverarbeitung. Diese bestimmt darüber, welche der (in Tabelle 1) genannten Funktionen auch tatsächlich einsetzbar sind. Während die Aktorik maßgeblich über die Reaktionszeit im Fehlerfall entscheidet, bestimmt die Logik darüber, wie schnell oder dynamisch Bewegungen überhaupt sein dürfen. Wird ein üblicher Antrieb mit 50 oder 60 Hz betrieben, stellt sich bei diesem meist eine Drehzahl von 3000 bis 3600 U/min ein. Um rasch auf ungewollte Bewegungen reagieren zu können, sollte die Winkelauflösung der Messung kleiner als 1° gewählt werden. Hierfür kommen typische Drehgeber mit 512 Strichen je Umdrehung zum Einsatz. Diese Kombination erfordert allerdings eine Auswertung der Signale mit 25 bis 50 kHz – womit ein normaler Eingang an einer Sicherheitssteuerung überfordert wäre. Deshalb werden hier spezielle Eingänge oder ‚Motion-Monitore‘ verwendet. Diese müssen in der Lage sein, bis zu vier Spuren auszuwerten und mögliche Leitungsfehler aufzudecken. Nur so kann eine PL-e-Auswertung einer Drehrichtung oder Position erfolgen. Können diese vier Eingänge alternativ auch als zwei Paare zu zwei Eingängen gruppiert werden, lassen sich ebenfalls zwei unabhängige Achsen in einem niedrigeren PL oder lediglich auf Stillstand und Drehzahl hin überwachen.

Zwei scheinbar harmlose, applikative Randbedingungen können eine sichere Stillstandsüberwachung jedoch erschweren: Vibrationen und schleichende Bewegungen im Stillstand. Erstere können überall auftauchen, während zweitere vor allem bei vertikalen Achsen zu finden sind. In beiden Fällen versagt die typische Überwachung der Geschwindigkeit auf v=0 und Fehlauslösungen der Sicherheitsfunktion sind damit zu erwarten. Nur mit einer reinen Geschwindigkeitsüberwachung lässt sich dies technologisch nicht vermeiden. Abhilfe schaffen Bewegungsmonitore, die neben der Geschwindigkeit gleichzeitig die Position überwachen. Hierfür steigt allerdings der Aufwand für die Sensorik. Eine Positionsüberwachung bedeutet, wie bereits erläutert, dass zwei Sensoren je Kanal erforderlich sind. In der Summe ist dann fast der doppelte Invest an Sensoren und Verarbeitung nötig.

Prioritäten abwägen

Eine intelligente Logik ermöglicht in der Anwendung auch eine Abwägung von Prioritäten: Das Dreieck aus Reaktionsgeschwindigkeit, Präzision und Verfügbarkeit der Anlage wird durch die Verarbeitungsleistung begrenzt. Wird beispielsweise die Messfrequenz erhöht, indem ein Drehgeber mit mehr Strichen je Umdrehung zum Einsatz kommt, wirkt sich das positiv auf Reaktionsgeschwindigkeit und Reak­tionszeit aus. Allerdings bedarf dies auch besser geschirmter Leitungen und einer schnelleren Verarbeitung in der Steuerung, was wiederum die Kosten in die Höhe treibt.

Letztlich gibt es eine Reihe weiterer Stellgrößen, durch die sich die Positionen im Dreieck jeweils in die eine oder andere Richtung verschieben lassen. Um die passende Konfiguration zu finden, bedarf es fachkundiger Beratung.

Autor: 
Thomas Kramer-Wolf ist Leiter Training & Services bei Wieland Electric in Bamberg.