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Drehzahlwächter sichern die Brückenbewegung

Bild 1. Die Elektromechnik der Zelzatebrug war teilweise über 40 Jahre alt

Bild 2. Koen de Wree, Hardware-Ingenieur bei Egemin Automation

Bild 3. Der Drehzahlwächter sorgt für eine sichere Bewegungsüberwachung

Bild 4. Die Oberfläche der Parametriersoftware unterstützt den Anwender bei der Konfiguration des Sicherheitsmoduls

Der belgische Anbieter von Automatisierungslösungen Egemin Automation hat die Elektromechanik der fast 50 Jahre alten Zelzatebrug bei Gent modernisiert. Für die Geschwindigkeitsüberwachung beim Heben und Senken der tonnenschweren Brückentafeln sorgen nun sichere Stillstands- und Drehzahlwächter von Phoenix Contact .

Bei beweglichen Brücken handelt es sich um bauliche Herausforderungen, die durchaus künstlerisch umgesetzt werden. Für viele Menschen, die nicht in ihrer Nähe wohnen, hat das Verfahren der Brücken nach oben, unten oder zur Seite zudem einen Unterhaltungswert. Die Konstruktionen werden vorwiegend eingesetzt, um Straßen oder Gleise über Flüsse und Kanäle zu führen. Je nach Bauform wird das Tragwerk als Ganzes oder in Teilen bewegt. Dabei unterscheidet man unter anderem Klapp-, Hub- und Drehbrücken. Aufgrund ihrer Definition als Maschine ergeben sich beim Neubau und der Modernisierung allerdings besondere Anforderungen an die funktionale Sicherheit.
Egemin Automation konzentriert sich unter anderem im Geschäftsbereich Infra Automation auf die elektromechanische Realisierung größerer Infrastrukturprojekte, wie Brücken, Schleusen, Tunnel oder Pumpanlagen. Das Unternehmen mit Hauptsitz im belgischen Zwijndrecht beschäftigt in den Geschäftsbereichen Handling Automation, Life Sciences, Process Automation und Infra Automation mehr als 600 Mitarbeiter.

Auf den Stand der Technik gebracht
In der belgischen Provinz Ostflandern überquert die 1964 erbaute Zelzatebrug (Bild 1) bei Gent den zur Nordsee führenden Gent-Terneuzen-Kanal. Die Brücke wird durchschnittlich 20 Mal pro Tag hochgeklappt, damit größere Binnen- und Seeschiffe den Kanal passieren können. Hydraulikzylinder, die im Inneren der Brücke verbaut sind, bewegen die jeweils rund 300 t schweren, 36 m langen und 20,5 m breiten Fahrbahnträger mithilfe entsprechend dimensionierter Gegengewichte in eine Neigung von bis zu 89°. Angesichts der großen Bedeutung der Brücke für den See- und Straßenverkehr beauftragte die flämische Regierung Egemin mit dem Retrofit der kompletten Elektromechanik.
Bei der Planung der Modernisierungsmaßnahmen war den Mitarbeitern bewusst, dass die Brücke durch zu große mechanische Bewegungskräfte beschädigt werden könnte. Hardware-Ingenieur Koen de Wree (Bild 2) erläutert die Auswirkungen: „Versagt die Steuerungstechnik, kann eine Beschädigung des Bauwerks und somit eine Gefährdung der die Zelzatebrug nutzenden Verkehrsteilnehmer nicht ausgeschlossen werden.“
Ein Bestandteil der durch die europäische Maschinenrichtlinie (MRL) harmonisierten Normen, zu denen beispielsweise die DIN EN ISO 13849-1 gehört, ist die Durchführung einer Risikobeurteilung. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Maschine gemäß den allgemeinen Grundsätzen der MRL nach einer wesentlichen Veränderung dem aktuellen Stand der Technik entsprechen muss.

Überwachung der Bewegung auf Geschwindigkeit
Als Maßnahme zur Risikominderung beschlossen die Mitarbeiter von Egemin, die Geschwindigkeit des Hebens und Senkens der tonnenschweren Brückentafeln sicher zu überwachen. Eine solche Realisierung ist auch als Funktion „Safe Speed Monitoring (SSM)“ bekannt. Diese stellt sicher, dass eine Bewegung den zuvor festgelegten Geschwindigkeits-Grenzwert nicht überschreitet. Zur Umsetzung des SSM entschieden sich die Verantwortlichen dafür, den sicheren Stillstands- und Drehzahlwächter PSR-RSM4 von Phoenix Contact einzusetzen. Das 45 mm schmale Stand-alone-Modul überwacht die Geschwindigkeit von sich drehenden Teilen in Maschinen und Anlagen.
Hochauflösende Inkrementalgeber messen die Bewegung an beiden Drehachsen der großen Brückentafeln. Die tonnenschweren Fahrbahnträger werden abhängig von ihrer Position mit unterschiedlicher Geschwindigkeit angehoben oder abgesenkt. Im Moment des Anfahrens bewegt sich die Mechanik mit minimalem Tempo. Die Geschwindigkeit erhöht sich dann bei einem Neigungswinkel von 5° auf den Normalwert, der kurz vor dem Erreichen der Endposition wieder reduziert wird.
Um sowohl die Anfangs- als auch die Abbrems- und Normalbewegung sicher kontrollieren zu können, wurden an den Drehachsen zusätzliche Näherungsschalter angebracht. Die Initiatoren, die den Neigungswinkel der Brücke ermitteln, sind mit den Betriebsarteneingängen des Stillstands- und Drehzahlwächters PSR-RSM4 verbunden (Bild 3). Jede der drei Betriebsarten wird also auf eine individuell definierte Geschwindigkeit überwacht.

Parametrierung mithilfe eines kostenfrei erhältlichen Tools
Neben weiteren Sicherheitskreisen, wie Not-Halt und den Sicherheits-Positionsschaltern der Brückentafeln und der Zugangstüren, koppeln die Überdrehzahl-Kontakte des Stillstands- und Drehzahlwächters an eine übergeordnete sichere Steuerung (Safe PLC) an. Tritt ein Fehler und daraus resultierend eine Überdrehzahl auf, löst der PSR-RSM4 durch das Öffnen der Überdrehzahl-Kontakte eine sichere Stopp-Funktion aus. Die Safety-Steuerung übernimmt dabei das sichere Trennen der Soft-Starter für die Motoren der Hydraulikzylinder. Im Fall eines Not-Halts werden die Hydraulikventile zudem sofort abgeschaltet. Das Zusammenwirken der unterschiedlichen Steuerungsteile – Sensorik (Inkrementalgeber), Logik (sicherer Drehzahlwächter und Safety-Steuerung) sowie Aktorik (Soft-Starter und Ventile) – sorgt dafür, dass die Zelzatebrug nur den limitierten Bewegungskräften ausgesetzt wird.

Die Parametrierung des Stillstands- und Drehzahlwächters erfolgt mit der Windows-basierten Software PSR-Conf-Win (Bild 4). Über das kostenfrei erhältliche Tool kann der Anwender den ermittelten Sollwert zur Stillstandsmeldung sowie bis zu drei verschiedene Werte zur Überdrehzahl-Erkennung eintragen. An dem PSR-RSM4 lassen sich alle gängigen Linearmesssysteme oder Drehgeber, zum Beispiel HTL-, TTL- oder sin/cos-Geber, sowie Näherungsschalter anschließen. Dazu wird der angebundene Sensor-Typ einfach in der Software ausgewählt. Abhängig von der Sensorik erfüllt der Stillstands- und Drehzahlwächter den höchsten Sicherheitsstandard SIL3 und PL e gemäß den Normen DIN EN 62061 (VDE 0113-50) und DIN EN ISO 13849-1.

Abgesicherte Einrichtarbeiten bei geöffneter Schutztür
Die aktuelle Maschinenrichtlinie fordert eine sichere Beherrschung der Gefahr bringenden Bewegungen. Diese Bedingung wird häufig erreicht, indem das Öffnen einer Schutzeinrichtung zum sofortigen Abschalten der Maschine führt. Effiziente Automatisierungslösungen vermeiden jedoch Stillstandszeiten und optimieren auf diese Weise die Betriebszeit und somit die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage. Die Überwachungsfunktion „Safe Limited Speed“ (SLS) kann beispielsweise dafür sorgen, dass es dem Bedienpersonal aufgrund sicher reduzierter Geschwindigkeit erlaubt ist, bei geöffneter Schutztür Einricht- oder Servicearbeiten vorzunehmen. Durch den zweckmäßigen Einsatz moderner Sicherheitstechnik lassen sich folglich sowohl Sicherheits- als auch Kostenziele realisieren.
Das Sicherheitsmodul PSR-RSM4 bietet sich nicht nur für die Konstruktion neuer Maschinen und Anlagen, sondern auch bei Modernisierungsmaßnahmen an. Aufgrund der Flexibilität des Stand-alone-Geräts reicht sein Anwendungsbereich von einfachen Bearbeitungsmaschinen bis zu hochkomplexen Anlagen. Hardware-Ingenieur K. de Wree stellt abschließend fest: „Die Parametrierung des PSR-RSM4 gestaltet sich einfach. Mit dem Stillstands- und Drehzahlwächter haben wir ein Gerät gefunden, dass den hohen Anforderungen gerecht wird, die unsere Projekte hinsichtlich der funktionalen Sicherheit stellen.“

Safety-App
Die Sicherheitsexperten von Phoenix Contact haben eine Safety-App entwickelt, die kostenlos im iTunes-Store unter dem Suchbegriff „Safety Services“ erhältlich ist. Das hilfreiche Werkzeug zur Maschinenrichtlinie und zur DIN EN ISO 13849-1 vermittelt dem Anwender interaktiv Wissen zu beiden Themenfeldern sowie den Zusammenhängen. Neben aktuellen Informationen aus der Welt der funktionalen Sicherheitstechnik stellt die App folgende Funktionen zur Verfügung:
• Für die Beurteilung der Maschine wird anhand einer Checkliste hinterfragt, ob der Anwender die wesentlichen Anforderungen der Maschinenrichtlinie einhält. So lassen sich eventuelle Unklarheiten aufdecken. Eine Übersicht zu den erfüllten Kriterien und den offenen Punkten kann als PDF zur weiteren Bearbeitung verwendet werden.
• Der erforderliche Performance Level wird beispielhaft mit dem Risikographen für Sicherheitsfunktionen gemäß DIN EN ISO 13849-1 ermittelt.
• Der Anwender kann den MTTFd-Wert bestimmen, also die Zeit bis zum Gefahr bringenden Ausfall von sicherheitsbezogenen Teilen einer Steuerung gemäß DIN EN ISO 13849-1.

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Autor: Udo Tappe ist Mitarbeiter im Produktmarketing Safety bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.