Maschinen sind häufig mit einer Vielzahl von drehzahl- oder positionsgeregelten Antrieben ausgestattet. Diese Bewegungen haben teilweise ein erhebliches Gefährdungspotenzial, vor dem Anwender zu schützen sind. Abgrenzungen durch Lichtgitter oder Schutzeinhausungen, verbunden mit der Abschaltung des Antriebs bei Öffnung einer Schutztür sowie eine Begrenzung der Bewegung durch Endschalter sind die üblichen Maßnahmen. Jedoch kann es auch erforderlich sein, dass sich Maschinenführer im Gefahrenbereich der Maschine im laufenden Betrieb aufhalten, zum Beispiel zur Störungsbeseitigung oder beim Einrichten. Dies verlangt eine Ausweitung der Sicherheitsfunktion auf die Bewegungen der Maschine – beispielsweise in Form von sicher reduzierter Geschwindigkeit, sicherem Arbeitsbereich oder Dreh­momentbeschränkung. In Verbindung mit einem sicheren Positionieren können Endschalter eingespart und die ursprüngliche Sicherheitssteuerung im Umfang reduziert werden.

Dies kann neben einem Gewinn an Funktionalität der Maschine auch eine Kosteneinsparung bedeuten. Natürlich stellen solche Konzepte zusätzliche Anforderungen an den Drehgeber. Dies führt vielfach zu der Verwendung eines zweiten, redundanten Gebers. Eine aufwendige und teure Lösung. Ein­facher funktioniert es mit sicheren Motorgebern, die bis PLe (Performance Level) verwendbar sind.

Mit SIL3/PLe-Zertifizierung sind sowohl Absolut-Drehgeber mit SSI/BiSS-Interface und zusätzlichem Sinus/Cosinus-Inkremental-Ausgang als auch reine Inkremen­tal-Drehgeber in Sinus/Cosinus-Ausführung verfügbar.

Sichere absolute Drehgeber

Die sicheren Drehgebertypen liefern neben dem Absolut- ein zusätzliches inkrementelles Signal. Bei den Singleturn-Varianten (Sendix 5853SIL und 5873SIL) beträgt die Auflösung der Absolutposition je nach Variante zwischen 10 Bit und 17 Bit, die über SSI- oder BiSS-Schnittstelle übertragen wird. Zusätzlich steht der Positionswert des Inkrementalgebers als analoges Sinus/Cosinus-Signal bereit, dessen Auflösung pro Umdrehung maximal 2048 Perioden beträgt. Die Multiturn-Varianten haben zusätzlich ein Getriebe mit 12 Bit Auflösung oder 4096 Umdrehungen. Die sichere Information über die absolute Position wird gebildet, indem die Steuerung beziehungsweise das Auswertemodul die Impulse des Inkrementalgebers zählt und das Ergebnis mit der über das SSI/BiSS-Interface bereitgestellten absoluten Position vergleicht.

Wie bei den rein inkremental arbeitenden Drehgebern überwacht die Steuerung die Gültigkeit der beiden analogen, um 90° zueinander versetzten Sinus/Cosinus-Signale mit Hilfe der mathematischen Funktion sin²+cos² = 1. Darüber lassen sich zuverlässig EMV-Störungen oder eine defekte LED des Drehgebers erkennen. Durch den Vergleich der absoluten Positionsdaten mit den Sinus/Cosinus-Signalen, welche die Steuerung permanent mitzählt, wird der Positionswert verifiziert.

Sichere Drehgeber decken in Verbindung mit Safety-M-Modulen alle sicheren Antriebsfunktionen nach EN 61800-5-2 ab.

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Vor dem Abschalten speichert die Steuerung den absoluten Positionswert und vergleicht ihn beim Wiedereinschalten mit dem neu gemessenen absoluten Wert. Bei identischen Werten ist die Position sicher. Abweichende Positionswerte gelten als nicht sicher. Dann muss eine Referenzfahrt oder eine andere sicherheitsgerichtete Aktion erfolgen.

Die rein inkremental arbeitenden Drehgebertypen werden ebenfalls mit Hilfe der mathematischen Funktion sin²+cos² = 1 in der Steuerung überwacht und kommen standardmäßig bei der Realisierung der Safetyfunktion „sichere Drehzahl“ zum Einsatz.

Was einfach klingt, ist in der Praxis nicht trivial, da beispielsweise Toleranzen berücksichtigt werden müssen. Hinsichtlich Verfügbarkeit einer Anlage sollte das Auswertegerät keinesfalls zu früh auslösen, da sonst die Anlage häufig stehen bleibt, obwohl kein Fehler in der Applikation vorliegt. Allerdings müssen tatsächliche Fehler sicher erkannt werden.

Mechanische Fehler, zum Beispiel ein Bruch der Drehmomentstütze oder das Abrutschen des Drehgebers von der Motorwelle, werden durch mechanische Überdimensionierung ausgeschlossen. Zusammen mit dem stabilen Aufbau der Wellenlager ist so auch auf mechanischer Seite für funktionale Sicherheit gesorgt.

Sichere Antriebsüberwachung per Safety-Modul

Sowohl die inkrementellen als auch die absoluten Drehgeber sind nur sicher, wenn die genannten Funktionen überwacht werden, durch Sicherheitssteuerungen oder -Module wie die Baureihe Safety-M. Sie sind zertifiziert für Anwendungen bis PLe nach EN 13849 beziehungsweise SIL3 nach EN 61508 und entsprechen als sichere, baumustergeprüfte Logik-Steuerung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EC. Außerdem verfügen die Module über alle integrierten Sicherheitsfunktionen zur Antriebsüberwachung nach EN 61800-5-2.

Sichere Bewegungsüberwachung mit zwei Achsen auf Basis von SIL-Drehgebern und Sicherheitsmodul mit Kommunikation zur Maschinensteuerung.

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Aufgrund des modularen Aufbaus und einem Interface für die gängigen Feldbus-Systeme können die Module den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Um den maximal möglichen Fehler-Erkennungsgrad (Diagnostic Coverage DC) zu gewährleisten, überwachen die Module die Sinus/Cosinus-Signale mittels der Funktion sin²+cos² = 1. Für eine sichere Information über die Position, auch nach einem spannungslosen Zustand, vergleicht das Sicherheitsmodul die vor dem Spannungsabfall intern gespeicherte Po-sition mit dem Absolutwert des Gebers.

In der Firmware gespeicherte Sicherheitsfunktionen vereinfachen die Programmierung. Beispielsweise entfällt der Aufwand zum logischen/zeitlichen Vergleich von Mehrfacheingängen. Statt­dessen lässt sich die notwendige Safety-Funktion über ein Peripheriekonfigurations-Menü auswählen. Im Programm-Editor erscheinen die Eingangs- und Ausgangselemente nur als Funktionsblöcke, die bereits auf ein einzelnes Logik-signal reduziert sind.

Konventionelle Sicherheitssteuerungen beschränken sich dagegen auf die Logikverarbeitung beziehungsweise auf die Verarbeitung von Datenwörtern. Eine sichere Antriebsüberwachung, wie sie die europäische Maschinenrichtlinie fordert, lässt sich bei dieser Art der Programmierung nur schwer realisieren. Bei den Safety-M-Modulen wurden die Sicherheitsfunktionen zur Antriebsüberwachung in die Firmware integriert. Unabhängig von der Antriebstechnologie stehen alle Funktionen nach EN 61800-5-2 zur Antriebsüberwachung und sowie praxisgerechte Erweiterungen zur Verfügung. Das gilt für Einachs- oder Mehrachsbetrieb, Umrichter- oder dynamische Servoantriebe sowie einfache Elektro-, Hydraulik- oder Pneumatikantriebe.

Autor: Arnold Hettich ist Produktmanager Sensoren bei der Firma Kübler in Villingen-Schwenningen.