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Skalierbare Sicherheitskonzepte bei Antrieben

Bild 1. Heute schon der Standard: Die integrierte STO-Funktion (hier Klemme 37) in Frequenzumrichtern über einen sicheren Eingang

Bild 2. Mit den steckbaren Modulen lassen sich Sicherheitsfunktionen individuell in Frequenzumrichter integrieren

Bild 3. Durch die funktionale Trennung von Sicherheitsfunktionen und Frequenzumrichter verhält sich die MCB 140 wie ein externes Bauelement. Man spart jedoch aufgrund der Integration Platz und Verdrahtungsaufwand

Bild 4. Die MCB 150 ist tiefer in den VLT Automationdrive FC 302 integriert, sodass sie über dessen Bedienfeld parametriert wird

Maschinen- und Anlagenbauer sowie die Betreiber suchen für die Verschmelzung von Bauteilen mit funktionaler Sicherheit und elektrischen Antrieben einfache Lösungen. Das erklärte Ziel ist, bei höherer Maschinensicherheit die Produktivität zu steigern, aber gleichzeitig die Komponentenkosten sowie den Aufwand für Installation, Inbetriebnahme und Wartung zu verringern. Leider erweisen sich in der Praxis viele der heute verfügbaren Lösungen in Bezug auf die genannten Anforderungen als weniger zutreffend als erwartet.

Viele der zurzeit am Markt erhältlichen Antriebe mit integrierten Sicherheitsfunktionen stellen „Allround-Lösungen“ dar. Dies kann dazu führen, dass sich die Handhabung der Sicherheitsschaltungen später in der Anlage viel komplexer gestaltet, als während der Projektierungsphase vermutet. So gibt es – je nach Hersteller – häufig Antriebe mit umfangreichen Sicherheitsfunktionen. Dies bedingt aber bei den Antriebsreglern aufwendige und damit teure Steuerkarten oder Optionen. Maschinenbauer, die bei den meisten ihrer Anwendungen jedoch nur einen Bruchteil der Funktionen benötigen, müssen aber dennoch die teurere Hardware für ihre einfachen Anforderungen mit erwerben.
Gleichzeitig erfordern Sicherheitsfunktionen und deren sichere Konfiguration herstellerspezifisches Wissen, das den Schulungsaufwand in die Höhe treibt. Denn bei der (Wieder-)Inbetriebnahme von Antrieben mit Sicherheitsfunktionen sind typischerweise bestimmte Installations- und Bedienmodi einzuhalten, die einen Nachweis der korrekten Funktionalität der Sicherheitseinrichtungen sicherstellen. Dazu zählt häufig auch der Einsatz spezieller Inbetriebnahmesoftware, um die Sicherheitsfunktionen überhaupt nutzen und konfigurieren zu können. Teilweise ist diese Software umfangreich, komplex und sogar kostenpflichtig.
Integrierte Lösungen können den Betreiber im Servicefall vor ungeahnte Probleme stellen und damit zu längeren Anlagenstillständen führen. Da die Antriebe nun auch Funktionen für die Maschinensicherheit mit übernehmen, können im Austausch individuell vorgegebene Freigabe- oder Akzeptanzprüfungen mit verschiedenen Passwortebenen vorgeschrieben sein.

Flexibel und leicht zu integrieren
Ein zeitgemäßes Antriebskonzept sollte dem Maschinen- und Anlagenbauer die Freiheit geben, selbst bestimmen zu können, wie viel Sicherheitsfunktionalität er in den Antrieb verlagern will. Eine Verlagerung muss den Aufwand reduzieren oder Vorteile für die Maschinenfunktion bieten. Gleichzeitig sind die Anforderungen für die Maschinensicherheit zu erfüllen. Der Grad der Verlagerung reicht dabei von keiner Sicherheitsfunktionalität im Antrieb über die inzwischen als Standard zu betrachtende Funktion „safe torque Off“ (STO) (Bild 1) bis hin zu den verschiedensten Stoppfunktionen (SS1) und sicher reduzierter Geschwindigkeit (SLS).
Wichtig dabei ist, dass eine solche flexible und modulare Lösung sich einfach in bestehende Maschinenkonzepte ohne aufwendige Neukonstruktionen oder Änderungen integrieren lässt. Schließlich kann ein Konstrukteur zwar theoretisch einen Maschinentyp bei Bedarf neu konstruieren oder umplanen, doch meist fehlen ihm dazu die Zeit und die notwendigen Ressourcen. Zudem ist eine solche Anpassung der Maschine mit hohen Kosten verbunden.

Modulares Antriebskonzept mit skalierbarer Sicherheit
Danfoss hat zusammen mit Anwendern die Anforderungen an eine antriebsbasierte Sicherheitstechnik definiert. Eines der Ergebnisse ist, dass in der großen Mehrheit der Anwendungen die in der DIN EN 61800-5-2 (VDE 0160-105-2) definierten Funktionen sicher abgeschaltetes Moment (engl. „safe torque off“/STO), sichere reduzierte Drehzahl (SLS) oder sichere Bremsrampe (SS1) ausreichen. Nur in deutlich geringeren Fällen sind weitere Funktionen notwendig.
Mit dem Konzept für den VLT Automationdrive FC 302 steht eine dreistufige Lösung für die Verlagerung der Sicherheitsfunktionen in den Antrieb zur Verfügung. Diese unterscheidet sich nicht nur im Umfang der enthaltenen Sicherheitsfunktionen von den „Allround-Lösungen“, sondern auch in der Datenhaltung der sicherheitsrelevanten Parametrierung. In der ersten Stufe bieten alle FC 302 die Funktion sicher abgeschaltetes Moment, welche eine variantenreiche und flexible Kombination mit externen Sicherheitsbauteilen ermöglicht. Für eine stärkere Verlagerung sind steckbare Sicherheitsmodule mit unterschiedlich hoher Integrationstiefe vorgesehen (Bild 2).
Die MCB 140 verlagert typische Aufgaben, die klassisch mit Sicherheitsrelais oder Logikbausteinen und einer IO-Verdrahtung aufgebaut wurden, vollständig in den Antrieb, hält aber die Parametrierung der Sicherheits- und Antriebsfunktion weiterhin klar getrennt (Bild 3). Die Module MCB 150 und MCB 151 verlagern auch die Sicherheitsparametrierung in die Steuerkarte des Frequenzumrichters und bieten damit die stärkste Integration (Bild 4).

Sicher abgeschaltetes Moment als Standardfunktion
Als Standard bietet die Serie der VLT Automationdrive FC 302 die Funktion STO. Der Maschinen- und Anlagenbauer kann durch eine variantenreiche Beschaltung dieser Eingangsklemme mit externen Sicherheitskomponenten auf eine breit gefächerte Bandbreite an Lösungen zurückgreifen. Diese erste Stufe bietet eine große Flexibilität bei der Auswahl von Komponenten und deren Herstellern.

Sicherheitsmodul – integriert und dennoch klar getrennt
Die Aufgabe, funktionale Maschinensicherheit unter Beibehaltung der Handhabung diskret aufgebauter Sicherheitskonzepte in den Antrieb zu verlagern, führt zu einem neuen Ansatz, den Danfoss erstmals mit dem MCB 140 Sicherheitsmodul verwirklicht.
Den Kern bildet die vollständige Trennung der Sicherheits- und Antriebsparameter sowie der internen Prozessorarchitektur zum Antrieb hin. Dadurch verhält sich das Sicherheitsmodul quasi wie ein externes Sicherheitsbauteil und bietet gleichzeitig die platz- und kostensparenden Vorteile einer antriebsbasierten Sicherheitstechnik. Die Option bietet ein vollständiges Maß an Sicherheits- und Überwachungsfunktionalität. Zum Leistungsumfang gehören unter anderem mehrere sichere Ein- und Ausgänge, die Funktionen sichere Bremsrampe (SS1), sichere reduzierte bzw. maximale Drehzahl (SLS, SMS).
Der Integrationsgrad funktionaler Sicherheit in den Antrieb ist geringer als bei einer vollständigen Verlagerung in die Antriebssteuerung, jedoch reicht sie für einen Großteil der Anwendungen aus. Die Parametrierung der Sicherheitsfunktionen erfolgt auf der Sicherheitsoption selbst, ist von den Antriebsparametern klar getrennt und bleibt bei Austausch des Antriebs erhalten.

Vollständige Integration
Die dritte Stufe der Integration antriebsbasierter Sicherheitsfunktionen wird mit den Optionen MCB 150/MCB 151 erreicht. Diese steckbaren Module kommunizieren mit der Standardsteuerkarte des FC 302. Im Gegensatz zur MCB 140 kann der Anwender so auf die Sicherheitsparameter über das Bedienteil des Umrichters oder die MCT-10-Software zugreifen. Durch die vollständige Einbindung in das Gesamtsystem der Antriebssteuerung lassen sich weitere Sicherheitsfunktionen sowie die Nutzung von sicheren Feldbussen, wie Profisafe, realisieren. Dieser dritte Schritt ist der höchste Grad der Integration in den Frequenzumrichter.

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Autor: Oliver Jäger ist Manager Functional Safety bei Danfoss VLT Antriebstechnik in Offenbach.