Müssen Mitarbeiter den Bearbeitungsraum einer Maschine betreten, sind die Antriebsachsen in einen gefahrlosen Zustand zu versetzen. Hängen an den vertikalen Achsen schwere Lasten, können diese aufgrund der Schwerkraft herabfallen und damit das Personal gefährden. Um das zu verhindern, werden die Vertikalachsen in der Regel durch Bremsen gesichert. Verschmutzungen oder mechanischer Verschleiß können deren Wirkung allerdings stark beeinträchtigen. Deshalb gilt es, den Zustand der Bremsen sicher zu überwachen und ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten. Aufgrund nicht vorhandener normativer Anforderungen hat die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) die Problematik im Fachbereichsinformationsblatt Nr. 005 Ausgabe 09/2012 erläutert. Dieses beschreibt Empfehlungen, schwerkraftbelastete Vertikal­achsen abzusichern. 

Konstrukteure und Maschinenbauer setzen dafür bislang in der Regel auf Lösungen, die auf einer programmierbaren Sicherheitssteuerung basieren. Diese steuert über Schütze die Bremsen und überwacht während des Bremsentests den Stillstand. Dadurch entstehen spezielle Anforderungen an den Motor-Encoder und seine Montage. An der Motorwelle angebracht, erfasst er primär deren Lage und schickt die Ist-Werte an den Regler. Die Anbindung an die Sicherheitssteuerung erfolgt in der Regel über analoge 1-Vss-Signale. Nachteil: Diese Lösungen erfordern spezielle Encoder, besondere Adapter, um die Analogsignale für die Stillstandserkennung herauszuführen, sowie Kabel, die die analogen Signale auch über längere Strecken störungsfrei übertragen können. Dazu kommen Stillstands- und Drehzahlwächter – insgesamt ein kostenintensives Equipment. 

Ein weiterer Negativ-Punkt ist der benötigte Fehlerausschluss für den Encoder­anbau am Motor, der im Service-Fall eine zeitintensive Reparatur erfordert. Ein weiterer Nachteil: Die geeigneten Encoder passen nicht auf alle Motortypen und bieten nicht die Performance, die von einem leis­tungsfähigen Servosystem benötigt wird.

Das Sicherheits-Paket

Mit dem von Stöber und Pilz gemeinsam entwickelten Sicherheitsmodul SE6 wurden für nahezu alle der identifizierten Schwachstellen praktikable Lösungen erarbeitet und umgesetzt. Mit dem Sicherheitsmodul lässt sich der vielseitige Stand-Alone-Antriebsregler SD6 von Stöber optional ausstatten. Beim Antriebsregler handelt es sich um einen Einzelachsregler, der in vier Baugrößen mit einem Ausgangsnennstrom bis 85 Ampere verfügbar ist und vorwiegend in antriebsbasierenden Anwendungen zum Einsatz kommt. Dazu gehört zum Beispiel der Synchronbetrieb von bis zu 32 Achsen in elektronischen Getrieben oder fliegenden Sägen ohne überlagerten Motion Controller. Er regelt lineare und rotative Synchron-Servo- als auch Asynchronmotoren. Durch sein modulares Schnittstellenkonzept und sein umfangreiches Zubehör lässt er sich passgenau konfigurieren. 

Konstrukteure und Maschinenplaner stehen oft vor der Herausforderung, hochautomatisierte und flexible Fertigungs­abläufe umzusetzen, bei denen gleich­zeitig Menschen, Maschinen und Anlagen geschützt sein müssen. Der Antriebsregler SD6 erfüllt diese Anforderungen auch in sicherheitsrelevanten Anwendungen bis SIL 3 nach DIN EN 61800-5-2 oder PL e (Kategorie 4) nach DIN EN ISO 13849-1. 

Der Antriebsregler SD6 in Kombination mit dem Sicherheitsmodul SE6 eignet sich für sicherheitsrelevante Anwendungen bis SIL 3, PL e (Kategorie 4).

© Stöber Antriebstechnik

Damit der Antriebsregler diese Anforderungen praxisorientiert und zuverlässig meistern und im Notfall unmittelbar einschreiten kann, wurden etliche Sicherheitsfunktionen realisiert: 

• ‚Sicher abgeschaltetes Drehmoment‘ (STO) unterbricht die Energieversorgung zum Motor direkt im Antriebsregler. 
• Die Stoppfunktionen ‚Safe Stop 1‘ (SS1) fährt den Antrieb geregelt herunter und unterbricht erst danach die Energiezufuhr zum Motor.
• ‚Safe Stop 2‘ (SS2) leitet nach dem geregelten Herunterfahren einen ‚Sicheren Betriebshalt‘ (SOS) ein. Dabei bleiben die Regelfunktionen des Antriebs vollständig erhalten. 
• Die ‚Sicher begrenzte Drehzahl‘ (SLS) wacht darüber, dass der Antrieb eine bestimmte Geschwindigkeit nicht überschreitet, während ‚Sicherer Drehzahlbereich‘ (SSR) diese innerhalb eines definierten Korridors überwacht. 
• Durch eine ‚Sicher begrenzte Position‘ (SLP) ist es möglich, dass der Motor auch hier vorgegebene Grenzwerte nicht überschreitet. 
• ‚Sichere Bewegungsrichtung‘ (SDI) lässt die Bewegung eines Antriebs nur in eine (definierte) Richtung zu. 
• ‚Sicher begrenztes Schrittmaß‘ (SLI) überwacht nach der Aktivierung die Position innerhalb eines zuvor definierten Bereichs. 

Mit den Funktionen SS1 und SS2 lassen sich auch die Bremsrampen überwachen, um etwa einen Achsverbund kontrolliert stillzusetzen. Falls doch ein Grenzwert verletzt wird, wird der Motor vom Antriebsregler sicher stillgesetzt. 

Zudem wurde das Modul mit der Funk­tion ‚Sicheres Monitoring‘ für nahezu alle Sicherheitsfunktionen ausgerüstet. Dieses Feature überwacht den Antrieb lediglich und meldet Grenzwertüberschreitungen sicher an die überlagerte Sicherheitssteuerung, statt einen Stopp zu erzwingen. Dies gibt dem Maschinenbauer bei der Störungsreaktion – insbesondere bei synchronisierten Antrieben – viele Freiheiten zurück.

Bei Sicherheitsfunktionen wie SLS können Störimpulse mittels variabler Toleranzfenster gezielt ausgeblendet werden. Dadurch profitiert der Anwender von einer höheren Verfügbarkeit: Er kann normativ vorgegebene Grenzwerte besser nutzen, ohne dass es zu einem Fehlauslösen kommt. 

Sicheres Bremsenmanagement

Das Besondere an dem neuen Sicherheitsmodul ist das integrierte Bremsenmana­gement von bis zu zwei Bremsen. Denn damit erfüllt der SD6 die Anforderungen der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung an schwerkraftbelastete Vertikalachsen. Die DGUV ist der Spitzen­verband der gewerblichen Berufsgenossenschaften (BG) und der Unfallver­sicherungsträger der öffentlichen Hand. Die Entwicklung orientierte sich am In­formationsblatt ‚Schwerkraftbelastete Achsen‘, das die BG herausgegeben hat. „Dies beschreibt praxisgerecht die An­forderungen an das Absichern von Vertikalachsen, da es derzeit keine harmo­nisierte Norm gibt, in der dieses Thema behandelt wird“, erläutert Markus Frei, Produkt-Manager für Antriebsregler-Zubehör bei Stöber Antriebstechnik. 

Das Bremsenmanagement im SE6 b­einhaltet die Funktion ‚Sichere Bremsenansteuerung‘ (SBC), die sicherstellt, dass die Bremsen auf Anforderung einfallen. Dazu kommt das Feature ‚Safe Brake Test‘ (SBT). Dieses überprüft bei Bedarf das definierte Bremsmoment und deckt Abweichungen aufgrund von Verschmutzungen oder Defekten an der Mechanik auf, bevor das Bremsmoment einen kritischen Zustand erreicht. Zusätzlich wird das vorgeschriebene Prüfintervall überwacht. Das kann je nach Anwendung und Forderung aus der Gefahrenanalyse entweder einmal in jedem Produktionszyklus sein oder zum Beispiel alle acht Stunden zu Schichtbeginn. Ist das Haltemoment der Bremse nicht mehr gegeben, steht im Antriebsregler die Funktion ‚Bremsen einschleifen‘ zur Verfügung, welche die Anforderungen der Bremsen von Stöber-Motoren berücksichtigt. Anschließend kann das System erneut überprüfen, ob das geforderte Test-Moment gehalten werden kann. 

Weil das Bremsenmanagement des SE6 die Ansteuerung von bis zu zwei Bremsen unterstützt, deckt es damit alle An­wendungsfälle des Fachbereichsinformationsblatts zu Vertikalachsen ab. „Befindet sich der Bediener mit dem ganzen Körper unter der Last, ist das ­Risiko sehr hoch zu bewerten. Sowohl im Automatikbetrieb als auch beim Einrichten wird deshalb von der DGUV eine redundante Absturzsicherung nach DIN EN ISO 13849-1 empfohlen“, erläutert Frei. 

Technische und wirtschaftliche Vorteile

Das Komplettpaket SD6 mit SE6 ist für Maschinenbauer technisch und wirtschaftlich sehr interessant. SD6 lässt sich mit Synchron-Servo-, Asynchron-, Linear- oder Torquemotoren kombinieren. Das gibt dem Konstrukteur deutlich mehr Spielraum. Beim Encoder hat er freie Wahl. Koppelschütze, teure Kabel, spezielle Adapter, Stillstands- und Drehzahlwächter entfallen. Zudem ist das Bremsenmanagement unabhängig vom Bremsentyp. Der Anwender kann somit ein sicheres Brems- und Haltesystem gemäß DIN EN ISO 13849-1 bis Kategorie 4 aufbauen – mit überschaubarem Aufwand. 

„Weil die Überwachung des Motors durch die Sicherheitsfunktionen antriebsintern erfolgt, ermöglicht unser SD6 eine sehr schnelle Worst-Case-Fehlerreaktion von unter zehn Millisekunden“, beschreibt Frei. Das integrierte Sicherheitsmodul kann unmittelbar in die Achsbewegung eingreifen und im Fall einer Grenzwertüberschreitung oder bei einem Not-Halt den Antrieb stillsetzen. „Das funktioniert deutlich schneller als bei einem externen Drehzahlwächter“, erläutert Frei. „Bis dieser die benötigten Informationen erfasst, ausgewertet und über die Sicherheitssteuerung den Befehl zum Abschalten an den Regler weitergegeben hat, können bis zu 100 Millisekunden vergehen. In der Welt der Antriebstechnik ist das eine Ewigkeit.“ Das Sicherheitsmodul ermöglicht ein schnelles Abschalten und erlaubt dem Konstrukteur geringe Sicherheitsabstände.

Auch im Service-Fall profitiert der Betreiber: Bei einem Gerätetausch muss lediglich die SD-Karte mit der gespeicherten Sicherheitskonfiguration getauscht, der neue Regler gestartet und mit einem Tastendruck der Wechsel bestätigt werden. Schnell in Betrieb nehmen lässt sich die Lösung mit der Projektierungs- und Inbetriebnahme-Software DriveControlSuite. Die integrierte PAS­motion-Software unterstützt den Bediener dabei, die Sicherheitskonfiguration mit minimalem Aufwand zu erstellen.

Autorin:
Ulla Göransson, zuständig für Marketing bei Stöber Antriebstechnik. 

Wichtiges Bauteil des Systemgeschäfts

Patrick Stöber: „Auf der SPS IPC Drives 2018 ist insbesondere das Thema ‚sicheres Bremsenmanagement‘ auf großes Interesse gestoßen.“

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Was steckt hinter der Entwicklung des Sicherheitsmoduls SE6 und wie will sich Stöber zukünftig aufstellen? Antworten liefert Patrick Stöber, Geschäftsführer bei Stöber Antriebstechnik. 

Herr Stöber, können Sie mit wenigen Worten die Vorteile des neuen Sicherheitsmoduls erläutern? 

Patrick Stöber: Es gibt eine ganze Reihe von Vorteilen, viele davon heben sich von Wettbewerbsprodukten ab. Dazu gehören ein sicheres Bremsenmanagement für schwerkraftbelastete Vertikalachsen entsprechend den Anforderungen der DGUV oder die Encoder-Unabhängigkeit. Dazu kommt das erreichbare Sicherheitsniveau SIL 3, PL e (Kat. 4) für alle Sicherheitsfunktionen. In der Regel bietet unser Wettbewerb dieses Sicherheitsniveau nur für die Funktion ‚STO‘ an. Darüber hinaus sind Anwender durch herstellerneutrale Schnittstellen in der Konstruktion der Maschine flexibler. Sie können die für sie optimale Wahl an Motoren, Encodern und Kabeln treffen. Ein weiterer Vorteil: Ist der Tausch eines Gerätes einmal notwendig, können Anwender mit einem SD-Kartentausch ohne lästige Neuparametrierung sofort weiter produzieren.

Was hat Sie motiviert, das Sicherheitsmodul SE6 zu entwickeln?

Patrick Stöber: Maschinen und Anlagen werden heute immer flexibler und produktiver. Gleichzeitig steigen die Anforderungen, um das Bedienpersonal nicht zu gefährden. Gute Sicherheitstechnik in unserem Sinn schützt gezielt entsprechend den normativen Vorgaben, bietet schnelle Reaktionszeiten, hohe Verfügbarkeit und ist in der Bedienung einfach, schnell und unkompliziert. Das war unser Ziel. Mit dem Antriebsregler SD6 mit integriertem Sicherheits­modul SE6 geben wir maximale Sicherheit, eine große Funktionsvielfalt auf höchstem Sicherheitsniveau und mehr Flexibilität in der Konstruktion und Bedienung der Maschine. Damit können die Anforderungen entsprechend den Normen und der DGUV sicher, effizient und wirtschaftlich realisiert werden. 

Sie haben dabei mit Pilz zusammengearbeitet. Wie kam es zu dieser Kooperation?
 
Patrick Stöber: Wir arbeiten bereits seit vielen Jahren in verschiedenen Bereichen mit Pilz zusammen. Der Name Pilz ist ein Synonym für Sicherheitstechnik. Unser Know-how liegt in der Antriebstechnik. Da war es nur konsequent, dieses Projekt gemeinsam anzugehen. Und auch zukünftig gibt es Ansätze für weitere Zusammenarbeit. Würden wir alles selber machen, könnten wir in der heutigen Zeit nicht mehr bestehen. Eine Vernetzung von Marktteilnehmern und deren Kernkompetenzen untereinander wird mehr und mehr notwendig. Ein Trend, den auch die Digitalisierung verstärkt. 

Wie ist das neue Produkt in Ihre langfristige Strategie eingebunden?

Patrick Stöber: Unser Ursprung liegt in der mechanischen Antriebstechnik und war traditionell eher komponentenlastig. Seit vielen Jahren sind wir auch in der Servo-Antriebstechnik zu Hause. Durch die in unserem Haus vorhandene Kompetenz – sowohl in der mechanischen als auch in der elektrischen Antriebstechnik – wollen wir uns zukünftig noch mehr auf die Maschinenbewegung als Ganzes konzentrieren und unser Systemgeschäft deutlich ausbauen. Das integrierte Sicherheitsmodul SE6 ist ein wichtiger Baustein hierfür.

Welche Chancen erwarten Sie durch diesen Wandel? 

Patrick Stöber: Die erhöhten Anforderungen an die Produktivität und der viel zitierte Fachkräftemangel führen zu einem Vakuum bei vielen Maschinenbauern. Wir versuchen, dies durch unsere Kompetenz auszugleichen. Anwendern bieten wir eine ganzheitliche Beratung für ihre Maschinenbewegung. Sie erhalten von uns eine Bewegungslösung, ohne dafür selbst viele Ressourcen zu benötigen. Ein weiterer Vorteil: Kunden und Anwender haben mit uns nur einen Ansprechpartner sowohl für die mechanische als auch die elektrische Antriebskomponente.