Drehgeber mit funktionaler Sicherheit
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Bild 1. Die absoluten und inkrementalen Drehgeber sind für Anwendungen bis SIL3 und PLe zertifiziert
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Bild 2. Sicherer Antrieb für den Regalbedienroboter in Hochregallagern
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Bild 3. Sichere Erfassung der Position der Lasten von Prospektzügen in Veranstaltungshallen
Maschinen sind mit einer Vielzahl von drehzahl- oder positionsgeregelten Antrieben ausgestattet. Diese Bewegungen haben teilweise ein erhebliches Gefährdungspotenzial vor dem der Anwender zu schützen ist. Mit höherwertigen Sicherheitsfunktionen ist es sogar möglich, dass sich Menschen im laufenden Betrieb im Anlagenbereich aufhalten, was die Stillstandzeiten reduziert. Drehgeber mit funktionaler Sicherheit sorgen dabei für erhöhte Effizienz.
Die gebräuchlichsten Maßnahmen um eine Anlage abzusichern sind die Verwendung von Lichtgittern oder Schutzeinhausungen und die Begrenzung der Bewegung durch Endschalter, verbunden mit der Abschaltung des Antriebs. Schließlich bedeutet ein stillstehender energieloser Antrieb einen sicheren Zustand. Zum Beispiel zur Störungsbeseitigung, beim Einrichtbetrieb oder auch bei Produktionsvorgängen kann es jedoch erforderlich sein, dass sich ein Mensch im laufenden Betrieb im Gefahrenbereich der Maschine aufhält. Das erfordert dann eine Ausweitung der Sicherheitsfunktion auf die Bewegungen der Maschine, beispielsweise in Form von sicher reduzierter Geschwindigkeit, sicherer Arbeitsbereich oder Drehmomentbeschränkung.
Ein Mehr an Sicherheit
Diese „höherwertigen“ Sicherheitsfunktionen erfordern je nach PL besondere Maßnahmen und Strukturen von den beteiligten Komponenten in der Kette: Sensor (z. B. Drehgeber) – Steuerung (Umrichter) – Aktor (Motor). Viele Umrichter haben ein zusätzliches Sicherheitsmodul, um diese funktionale Sicherheit zu realisieren. In Verbindung mit einem sicheren Positionieren lassen sich dann Endschalter einsparen und die ursprüngliche Sicherheitssteuerung im Umfang reduzieren. Dies kann neben dem Funktionsgewinn auch noch eine Kosteneinsparung bedeuten.
Natürlich werden damit auch zusätzliche Anforderungen an den Drehgeber gestellt. Dies führt dann vielfach zu der Verwendung eines weiteren Gebers, redundant zu dem Motorgeber. Eine aufwendige und damit teure Lösung. Wünschenswert ist die Ausgestaltung des Motorgebers als „sicherer“ Geber, verwendbar bis zu PLe. Dann kann ein weiterer separater Geber entfallen und der Platzbedarf bleibt gleich – ein erheblicher Kosten- und Installationsvorteil für den Anwender. Solche Geber sind die Drehgeber für funktionale Sicherheit Sendix SIL (Bild 1) der Fritz Kübler GmbH.
Drehgeber für funktionale Sicherheit
Diese Drehgeber für funktionale Sicherheit gibt es in drei Hauptvarianten: inkremental mit reinen Sin/Cos-Signalen sowie absolut als single- und als multiturn mit zusätzlicher Absolutinformation SSI. Alle Sendix-SIL-Geber sind zur Anwendung bis PLe zertifiziert. Dies wird durch die Überwachung der Sinus/Cosinus-Signale mittels der Funktion Sin2 + Cos2 = 1 erreicht. Für eine sichere Information über die Position, auch nach einem spannungslosen Zustand, vergleicht das Sicherheitsmodul die interne Position aus den Inkrementalsignalen mit dem Absolutwert des Gebers.
Die Verwendung von nur einem Geber erfordert eine zuverlässige mechanische Verbindung. Entsprechend kräftig dimensionierte Anbauelemente realisieren bei Sendix-SIL-Gebern einen Fehlerausschluss und gewährleisten damit eine 100 % sichere Wellenverbindung. Eine magnetische Unempfindlichkeit durch eine rein optische Abtastung bis hin zum mechanischen Multiturngetriebe sorgt für einen fehlerfreien Betrieb auch in störempfindlicher Umgebung, wie Magnetbremsen. Der weite Arbeitstemperaturbereich von -40 °C bis 90 °C zusammen mit einer Schutzart bis IP67 gestattet einen weiten Einsatzbereich.
Fähigkeit unter Beweis gestellt
Die Applikationen, in denen die Integration der Sicherheitsfunktion direkt in den Umrichter und der Verwendung eines „sicheren“ Gebers eine höhere Verfügbarkeit und damit für den Kunden einen Mehrwert bedeutet, sind vielfältig. Unter anderem wurden mit diesem Konzept bisher Logistikzentren und im speziellen Hochregallager automatisiert (Bild 2). Dabei kommt ein sicherer Antrieb für den Regalbedienroboter zur Anwendung.
Durch den Einsatz eines Sendix SIL inkremental und der Realisierung der Funktionen sichere Geschwindigkeit (SSM) und sicher begrenzte Positionierung (SLP) konnte die Performance erhöht werden. Zudem macht die Realisierung die Sicherheitstechnik übersichtlicher und vereinfacht gleichzeitig die Systemstruktur. Unter Kostenaspekten wirken sich die Einsparung externer Komponenten, wie Sicherheitsschaltgerät, Drehzhalwächter und Schütze, sowie der Verzicht auf ein zweites Gebersystem positiv aus. Funktionell betrachtet führt das schnelle Abschalten auf Anforderung und im Fehlerfall zu einem Plus an Sicherheit, da keine kontaktbehafteten Trennstellen erforderlich sind.
Auch bei der Automatisierung der Prospektzüge von Veranstaltungshallen/Theater kommen die Sendix-SIL-Geber zum Einsatz (Bild 3). Hier gilt wegen dem ständigen Aufenthalt von Personen unter schwebenden Lasten das höchste Sicherheits-level PLe. Absolut-multiturn-Varianten erfassen dabei zuverlässig die Position der Lasten. Die Geber sind zum einen direkt am Antrieb des Prospektzugs montiert, zum anderen auch an Kettenzügen. Alle Antriebe sind mit elektromagnetischen Doppelbremsen ausgestattet.
Die Normenlage
Die Beurteilung des Gefahrenpoten-zials einer Maschine erfolgt nach den
Sicherheitsnormen DIN EN 61508 (VDE 0803) (Funktionale Sicherheit) und DIN EN ISO 13849-1 (Maschinenrichtlinie). Je nach Schwere der möglichen Verletzung und der möglichen Häufigkeit des Auftretens eines Fehlers ist die Maschine nach den Anforderungen der ermittelten Sicherheitsklasse auszulegen. Die Einteilung erfolgt in sogenannten Performance Level a bis e. Je nach erforderlichem Level ist eine höhere Güte der Fehlererkennung/Diagnose (Diagnostic Coverage DC) sowie der Maßnahmen gegen ein gemeinsames Auftreten von Fehlern (Common Cause Failure CCF) notwendig. Dies führt bei PL d,e zu zweikanaligen Strukturen mit einem DC von mindestens 90 %.
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Autor: Dr. Dirk Clemens ist Vertriebsleiter der Fritz Kübler GmbH in Villingen-Schwenningen
