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Funktionale Sicherheit für schnelle Bewegungen

01  Brückenmodule, Achsmodule und Servoregler von Promicon

01  Brückenmodule, Achsmodule und Servoregler von Promicon

02  Der Aufbau des Systems ist vollkommen modular gestaltet und besteht aus einem Brücken-Modul und bis zu zwölf Achsmodulen. Die Verbindung mit den Servoreglern ­erfolgt mit Standard-RJ45-Kabeln

02  Der Aufbau des Systems ist vollkommen modular gestaltet und besteht aus einem Brücken-Modul und bis zu zwölf Achsmodulen. Die Verbindung mit den Servoreglern ­erfolgt mit Standard-RJ45-Kabeln

Insbesondere bei schnellen Bewegungen sind hohe Anforderungen hinsichtlich der funktionalen Sicherheit zu erfüllen. Diesen Aspekt hat Promicon bei der Entwicklung der Safety-Module für sein Mehrachssystem ­Varimotion berücksichtigt. Durch den zweistufigen Aufbau der funktionalen Sicherheit ist das System besonders flexibel und effizient.

Bei anspruchsvollen Aufgaben im Maschinenbau zeigt sich immer wieder, dass Lösungen mit Standardkomponenten nur sehr schwer, mit Kompromissen oder manchmal gar nicht realisierbar sind. Insbesondere beim Einsatz von hochdynamischen Servoantrieben werden oft Grenzen sichtbar, die nur mit ausgeklügelter Regelungstechnik und kürzesten Reaktionszeiten überwunden werden können. Genau für solche Anwendungen hat Promicon sein Multi-Achs-System Varimotion (Bild 1) entwickelt. Durch die enge Verknüpfung der Disziplinen Bewegung, Logik und Kommunikation, war es möglich, ein Höchstmaß an Reak­tions­schnelligkeit zu erzielen. Eine effiziente Querkommunikation sorgt dafür, dass Informationen und Ereignisse verzögerungsfrei zwischen den verschiedenen Funktionseinheiten übermittelt werden. Hierdurch wird die Leistungsfähigkeit der Maschinenelemente optimal genutzt und es entsteht ein harmonischer Gesamtprozess. Das Rückgrat von Varimotion bildet das konsequent auf Schnelligkeit, Präzision, Verfügbarkeit und Robustheit ausgelegte Antriebsnetzwerk „vNET“. Die Zykluszeit beträgt 250 µs und der isochrone Jitter ist mit 20 ns praktisch vernachlässigbar. Die zentrale Bewegungsführung im Kopf-Modul gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der koordinierten Bewegung mehrerer Achsen.

Schnelle Bewegungen funktional absichern
Die modulare Architektur von Varimotion ermöglicht den Aufbau ­gemischter mehrachsiger Antriebstopologien mit einer geringen Komponenten­vielfalt. ­Eine breite Palette an Kommunikations- und Signalmodulen sorgt dafür, dass die Antriebe leicht mit externen Geräten und dem Prozess gekoppelt werden können. Jeder Servoregler ist standardmäßig mit der Funktion STO (Safe-Torque-Off) ausgestattet. Hierdurch können einfache Aufgaben, wie etwa ­eine Schutztürfunk­tion, beherrscht werden. Um auch bei schnellen Bewegungsabläufen die Anforderungen nach funktionaler Sicherheit zu erfüllen, hat Promicon Sicherheitsmodule entwickelt. Zur Realisierung bewegungsbasierender Funktionen, wie SLS (sicher reduzierte Geschwindigkeit), kann jeder Servoregler um ein externes Modul erweitert werden. Der hierfür erforderliche Anschluss ist am Servoregler standardmäßig vorhanden.
Bei der Konzeption und Entwicklung der Safety-Module wurde großer Wert auf kurze Reaktionszeiten gelegt. Bei hochdynamischen Achsen ist dies wichtig, da sie in ­kürzester Zeit sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen können. Beschleunigungen von mehr als 5 g (50 m/s2) sind keine Seltenheit. Das bedeutet, dass eine Geschwindigkeit von 1 m/s in weniger als 20 ms erreicht wird. Um derartige Situationen beherrschen zu können, sind die Safety-Module so ausgelegt, dass sie eine unzulässige Bewegung innerhalb von 2 ms erkennen. Hierdurch können die Sicherheitsabstände bei der Auslegung der funktionalen Sicherheit sehr kurz ­gehalten werden.
Die Safety-Module verfügen über alle in der Praxis erforderlichen Funktionen, wie SS0, SS1, SS2, SLS, SOS und SDI, und sind für Anwendungen gemäß ­Performance-Level d bzw. SIL2 geeignet. Ergänzend hierzu ist ein sicherer Kanal zur Überwachung des Achsstillstands vorhanden. Damit kurzzeitige Änderungen der Geschwindigkeit oder Position, beispielsweise Stöße, nicht zu Fehlauslösungen von Sicherheitsfunktionen führen, steht ein Parameter zur Filterung der ­Bewegung zur Verfügung. Weiterhin ist für jede Achse ein sicherer Ausgang zur Ansteuerung einer Haltebremse vorhanden, um die Bremsung des Antriebs mit geringstmöglicher Verzögerung zu erreichen.

Zertifizierte Sicherheitsfunktionen
Da die Sicherheitsfunktionen vollständig selbstständig zusammen mit dem Servoregler abgewickelt werden, ist keine Programmierung der Sicherheitsfunktion erforderlich. Dies ist deshalb so wichtig, da eine derartige Programmierung im Sinne der Sicherheitsvorschriften eine zeitaufwendige Validierung der ordnungsgemäßen Funktion nach sich zieht. Das gesamte Sicherheitskonzept, die Servoregler und Safety-Module sind vom TÜV zertifiziert und entsprechen den aktuell gültigen Normen und Vorschriften.
Die Servoregler und die Safety-Module sind so aufeinander abgestimmt, dass lediglich eine RJ45-Verbindung zwischen den Geräten erforderlich ist (Bild 2). Für diese werden speziell ausgewählte Komponenten verwendet, die intensiven Tests unterzogen wurden und somit eine hohe Verfügbarkeit der Verbindung gewährleisten. Neben den Sicherheitssignalen und der Lageerfassung ist auch ein Datenkanal vorhanden, über den Steuersignale und Diagnoseinformationen übertragen werden.

Freie Motorwahl
Beim Einsatz der Überwachungsmodule kommen Servomotoren mit hierfür geeigneten Feedback-Systemen zum Einsatz. Hierfür sind keine zusätzlichen Komponenten, wie Initiatoren, erforderlich. Das bedeutet, dass bewegungs­basierende Sicherheitsfunktionen ohne konstruktive Modi­fikationen oder Ergänzungen realisierbar sind. Es können sowohl Servomotoren von Promi­con als auch von anderen Anbietern eingesetzt werden. Der Einsatz beschränkt sich dabei nicht nur auf Servomotoren. Auch andere Antriebsbauformen, wie Linear-, Torque- oder Tubularmotoren usw., lassen sich direkt in Verbindung mit den Safety-Modulen und Servoreglern betreiben. Die Servoregler lassen sich sowohl mit als auch ohne Safety-Module betreiben. Dadurch hat ein Anwender die Möglichkeit eine Achse auch nachträglich um bewegungsbasierende Sicherheitsfunktionen zu erweitern.
Das modular aufgebaute System kann bis zu zwölf Achsen gleichzeitig überwachen. Insgesamt sind bis zu sechs Sicherheitsfunktionen mit ­verschiedenen Parametern beliebig mit den Achsen konfigurierbar. Die Integration in die Gesamtanlage erfolgt durch ein Minimum an Signalen, da die Achsen in Gruppen angesteuert werden und somit nur ein ­Signal zur Aktivierung einer bestimmten Sicherheitsfunktion erforderlich ist. Insgesamt führt die zweistufige Architektur des Sicherheitssystems dazu, dass die hohen Anforderungen, die durch die funktionale Sicherheit gestellt werden, mit einem Minimum an Aufwand und einem Maximum an Effizienz erfüllt werden. (no)

Dipl-Ing. Klaus Keck verantwortet die Systementwicklung bei der Promicon Elektronik GmbH+Co.KG in Pliezhausen.