Die klassische Technologie der Stellungsüberwachung von Schutztüren ist die Elektromechanik: Positionsschalter mit Sicherheitsfunktion oder Sicherheitsschalter mit getrenntem Be­tätiger (Bauart-2-Schalter) geben der sicherheitsgerichteten Auswerte-Einheit das Signal, dass die Schutztür geschlossen ist und die Maschine gestartet beziehungsweise die gefahrbringende Bewegung in Gang gesetzt werden kann. Öffnet der Bediener die Schutztür, wird der Schalter betätigt und die gefahrbringende Bewegung gestoppt.

Dieses Prinzip bewährt sich bis heute – inzwischen allerdings mit Konkurrenz durch berührungslos wirkende Alternativ-Technologien. Denn schon in den 1980er Jahren suchten Hersteller von Nahrungsmittelmaschinen nach Möglichkeiten einer hygienegerechten Schutztür-Überwachung, die sich gut reinigen lässt, keine Toträume aufweist und intensiven Reinigungsprozessen standhält. Als Antwort auf diese Nachfrage prüfte die Schmersal-Gruppe seinerzeit die sicherheitstechnische Ertüchtigung verschiedener Sensortechnologien. Für die Maschinensicherheit bot sich ein „Technologietransfer“ aus der Aufzugtechnik an, für die Schmersal die Magnetschalter der „BN“-Serie anbietet. Dies war der Start der „BNS“-Baureihe (das „S“ steht für „Sicherheit“). Diese Schaltgeräte arbeiten zweikanalig und sind einfehlersicher, da sie zwei Kontakte aufweisen. Bei offen zugänglichem Einbau ist die Magnettechnik so aufgebaut, dass eine Kombination von Reedrohren durch besondere Ausrichtung und ausgewähltes Ansprechverhalten auf ein genau definiertes Feldstärkemuster ausgelegt ist. Entsprechend muss das Magnetfeld des Betätigers ausgerichtet sein. Dies hat zur – erwünschten – Folge, dass sich der Schalter nicht mit einem konventionellen Magneten betätigen lässt; mit dieser Art der Codierung ist demnach ein guter Manipulationsschutz gewährleistet.

Weiterer Pluspunkt: Sicherheits-Magnetschalter lassen sich auf kompaktem Bauraum unterbringen, erreichen dennoch hohe Schaltabstände und tolerieren einen gewissen seitlichen Versatz der Schutztür, was den Instandhaltungsaufwand für den Betreiber der Maschine reduziert. Die Sensorik wirkt auch durch Kunststoff- und Edelstahl-Abdeckungen hindurch. Eine Einschränkung in der Anwendung ergibt sich aus der prinzipbedingten Schlag­empfindlichkeit der Sensorik.

Das Magnetschalter-Prinzip

Das erforderliche Sicherheitsniveau erreichen Sicherheits-Schaltgeräte stets nur in Kombination mit der Auswerte-Einheit. Bei der BNS-Baureihe sind dies zum Beispiel die elektronischen Sicherheitsbausteine der „AES“-Serie.

Die Sicherheitssensoren mit CSS-Technologie reagieren innerhalb von rund 30 ms.

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Im Vergleich zu den Sicherheitsbausteinen der elektromechanischen Schaltgeräte bieten diese Bausteine die Option eines einstellbaren Zeitfilters zur Unterdrückung von Fehlauslösungen durch prellende oder unsauber schließende Türen. Diese Funktion ist anzuwenden, falls es applikationsbedingt zum asynchronen Schalten beider Sicherheitspfade kommen kann, denn die Magnetsensoren sind prinzipbedingt nicht zwangsöffnend. Auch eine Schutzbeschaltung zur Strom- und Spannungsbegrenzung gehört zu den Funktionen der Bausteine.

Das abgestimmte System aus Magnetsensor und geeigneter sicherheits­gerich­teter Logikeinheit entspricht den Anforderungen der Produktnorm DIN EN60947-5-3 für „Näherungsschalter mit definiertem Verhalten unter Fehlerbedingungen“.

Das Magnetschalter-Prinzip der sicherheitsgerichteten Detektion von Betätigern hat bei der Schutztür-Überwachung auch Eingang in integrierte Systeme gefunden; beispielsweise wurde der Magnetsensor beim System „BNS-B 20“ mit einen Türgriff inklusive Rastung kombiniert.

Bidirektionale Kommunikation

Im nächsten Entwicklungsschritt machte Schmersal eine neue Sensortechnologie für den Einsatz in der Maschinensicherheit fit: Das Puls-Echo-Verfahren mit dem Namen „Coded Safety Sensor“ (CSS) unterscheidet sich unter anderem durch die bidirektionale Kommunikation zwischen Sensor und Betätiger.

In den Sicherheitszuhaltungen „AZM 200“ dient die CSS-Sensorik zur Überwachung der Schutztürstellung und der Verriegelungseinrichtung.

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Der Sensor sendet elektromagnetische Impulse aus. Bei Annäherung des Betätigers an den Sensor schwingt der Betätiger durch die induzierte Energie auf seine vorbestimmte Resonanzfrequenz auf. Diese Schwingungen wiederum werden vom Sensor eingelesen. Dabei wertet er seinen Abstand zum Betätiger und die Codierung des Betätigers aus. Der vom Sensor identifizierte Betätiger wird als geschlossene Schutzeinrichtung interpretiert und die Sicherheitsausgänge werden aktiv, das heißt, die Maschine kann gestartet werden. Die Reaktion bei diesem Prinzip erfordert rund 30 ms. Die dazugehörigen Sicherheitssensoren bieten saubere Schaltpunkte (sicherer Einschalt- und Ausschaltpunkt, Sao und Sar) sowie eine hohe Störfestigkeit. Diese Funktionen haben großen Einfluss auf den praxisgerechten Einsatz der Sicherheitssensoren sowie auf die Akzeptanz durch den Bediener. Aus Gründen der Prozesssicherheit und Verfügbarkeit ist ein möglichst hoher sicherer Einschaltabstand (Sao) ebenso erwünscht wie Toleranz gegen seitlichen Versatz und ausreichende Hysterese. Der Personenschutz hingegen erfordert eine möglichst geringe Hysterese und einen sicheren Ausschaltabstand (Sar). Dieses Anforderungsprofil lässt sich nur durch ein genaues und reproduzierbares Schaltverhalten erreichen.

Die bei der CSS-Technologie eingesetzte Mikroprozessortechnik ermöglicht darüber hinaus die serielle Anschaltung von bis zu 31 Sensoren über eine gemeinsame Signalleitung im „Daisy chain“-Prinzip und deren Auswertung über einen einzigen Sicherheitsbaustein. Dies spart Kosten, reduziert den Installationsaufwand und minimiert den Platzbedarf im Schaltschrank.

Die integrierte Elektronik ermöglicht zudem eine intelligente Diagnose sowie eine einfache Fehlerbestimmung zum Beispiel bei einem Querschluss oder Verkabelungsfehler. Diese nicht sicherheitsgerichteten Signale lassen sich mit Hilfe eines SD-Interface ebenfalls seriell bei bis zu 31 Sensoren erfassen und mit den gängigen Feldbus-Protokollen an zentrale Steuerungssysteme übertragen.

Die Sicherheitssensoren der CSS-Serien sind mit unterschiedlichen Betätigern kombinierbar, so dass Anwender das Target an die jeweilige Einbausituation anpassen können. Da das Sensorsystem auf der Betätigerseite passiv ist, benötigt das Target keine Energiezufuhr.
Wie die BNS-Technologie ist auch die CSS-Sensorik in andere Typen von Sicherheits-Schaltgeräten integrierbar. In Sicherheitszuhaltungen zum Beispiel lässt sich mit einer CSS-Sensor-Einheit sowohl die Stellung der Schutztür als auch der Ver­riegelungseinrichtung überwachen. Zum Programm gehört beispielsweise der „CSS 34 F“ mit integrierter Rückführkreis-Überwachung. Dank der integrierten Logik ist dieser Sicherheitssensor ohne zugehörigen Sicherheitsbaustein einsetzbar.

Der Einzug von RFID

RSS-Sensoren mit sicherer RFID-Tech­nologie: Anwender können aus verschiedenen Arten der Codierung auswählen.

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Der jüngste Entwicklungsschritt besteht in der Adaption der RFID-Technik für sicherheitsgerichtete Anwendungen. Hierbei kommen RFID-Komponenten zum Einsatz, die das 125-kHz-Frequenzband nutzen.

Gründe für diese Entwicklung? Die RFID-Technologie wird auf breiter Ebene zum Beispiel in der Konsumgüterindus­trie eingesetzt und entsprechend kostengünstig sind die Komponenten. Zudem lässt sich die Codierung vergleichsweise einfach realisieren. Allerdings sind die Reaktionszeiten der einzelnen Sensoren mit 100 bis 180 ms höher als bei der CSS-Technologie, was sich aber in der Reihenschaltung nicht aufaddiert.

Ziel: Erhöhter Manipulationsschutz

Der Aspekt der Codierung wird bei der Auswahl von Sicherheits-Schaltgeräten immer wichtiger. Die Europa-Norm ISO 14119 nimmt ausdrücklich Bezug auf die Manipulationssicherheit der Schutzeinrichtungen und fordert den Konstrukteur auf, Anreize zur Manipulation zu vermeiden und möglichst manipulationssichere Systeme für die Mensch-Maschine-Schnittstelle an Gefahrenbereichen zu konfigurieren.

Bei RFID-Sensoren können Anwender aus verschiedenen Arten der Codierung auswählen: In der Grundversion akzeptiert der Sensor jedes geeignete Target. Eine zweite, codierte Ausführung reagiert nur auf ein individuell zugeordnetes Target; der Anlernvorgang lässt sich beliebig oft wiederholen. Eine dritte Variante akzeptiert nur das Target, das beim ersten Einschalten eingelernt wurde.

Ein weiterer Vorteil der RFID-Tech­nologie ist die Möglichkeit, in die Software einzugreifen und zum Beispiel kundenspezifische Codierungen vorzunehmen. In der Praxis zeigt sich dies beispielsweise beim „RSS 36-AD-ST-AS“ von Schmersal, einem Sicherheitssensor mit integrierter AS-interface-Safety-at-Work-Schnittstelle. Diese Baureihe kann maximal 15 unterschiedliche Betätiger identifizieren. Somit ist der Sensor in der Lage, nicht sicherheitsgerichtete Zusatzfunktionen zu übernehmen und zum Beispiel der Maschinensteuerung die Information übermitteln, welches Werkzeug sich in Betrieb befindet.

Die Vorteile der Elektronik

Die Pluspunkte der elektronischen Sensorik liegen unter anderem darin, dass der Konstrukteur bei der Auswahl der Sicherheitsschaltgeräte nicht den kompletten Vorgang der Berechnung oder Abschätzung von MTTFd-Werten nach EN 13849-1 durchlaufen muss. Kenndaten für die Ausfallwahrscheinlichkeit verschleißbehafteter Bauteile (B10d-Werte) sind irrelevant. Hier können einfach die herstellerseitig angegebenen PFH-Werte zugrundegelegt werden. Auch die zusätzlichen Diagnosemöglichkeiten sowie die serielle Anschaltung nach dem „Daisy Chain“-Prinzip werden in der Praxis häufig genutzt. Ebenfalls praxisgerecht ist die vorbeugende Fehlerwarnung, die dem Maschinenbediener beziehungsweise -anwender zum Beispiel Hinweise auf Querschlüsse, Übertemperatur am Sensor oder einen Schutztürversatz gibt. Dadurch erhöht sich die Verfügbarkeit der Schutzeinrichtung und letztlich der Maschine, weil der Anwender noch vor einem ausfallbedingten Stillstand eingreifen kann.

Die vorgestellten Verfahren der sicherheitsgerichteten Sensorik haben alle ihre Berechtigung und ihre Position im Markt. Welche Technologie die jeweils am besten geeignete ist, entscheiden der Anwendungsfall und die Funktionen, die der Maschinenbauer nutzen möchte.

Autor: Uwe Richter ist Produktmanager Sicherheitssensoren bei K.A. Schmersal in Wuppertal.