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Sichere Bewegungsüberwachung

01  Die sichere Überwachung von ­Bewegungen ist durch die Drehzahlüberwachung realisierbar und dient zum Schutz des Bedien- und Wartungspersonals. Außerdem dient die Drehzahlüberwachung dem ­Anlagenschutz, um mechanische Schäden durch zu schnelle Bewegungen oder konstanten Produktions­ablauf zu vermeiden

01  Die sichere Überwachung von ­Bewegungen ist durch die Drehzahlüberwachung realisierbar und dient zum Schutz des Bedien- und Wartungspersonals. Außerdem dient die Drehzahlüberwachung dem ­Anlagenschutz, um mechanische Schäden durch zu schnelle Bewegungen oder konstanten Produktions­ablauf zu vermeiden

02  Ob antriebsintegriert oder extern: Als Komplettanbieter für die sichere Automation bietet Pilz für jede Anwendung und Anforderung im Bereich sichere Bewegungsüberwachung das passende System

02  Ob antriebsintegriert oder extern: Als Komplettanbieter für die sichere Automation bietet Pilz für jede Anwendung und Anforderung im Bereich sichere Bewegungsüberwachung das passende System

03  Das kompakte E/A-Modul „PSSu K F EI“ mit lokaler Schnellabschaltung ermöglicht erweiterte Motion-Monitoring-Funktionen mit den Steuerungen PSS-Universal PLC und PSS-Universal Multi. Das Kompaktmodul überwacht ­sichere Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Stopp-Funktionen

03  Das kompakte E/A-Modul „PSSu K F EI“ mit lokaler Schnellabschaltung ermöglicht erweiterte Motion-Monitoring-Funktionen mit den Steuerungen PSS-Universal PLC und PSS-Universal Multi. Das Kompaktmodul überwacht ­sichere Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Stopp-Funktionen

Hauptaufgabe der sicheren Bewegungsüberwachung ist das Vermeiden von Unfällen. Die optimale Umsetzung einer sicheren Bewegungsüberwachung zielt aber auch auf eine erhöhte Produktivität und verkürzte Rüstzeiten. Grundsätzlich wird zwischen einem antriebsintegrierten und einem externen Messsystem ­unterschieden. Die Bewegung intern oder extern überwachen? Die Antwort auf diese Frage hängt im Detail von der jeweiligen Applikation ab.

Eine hohe Produktivität in der Fertigung ist eng verknüpft mit einer sicheren Drehzahl- und Bewegungsüberwachung – beispielsweise bei bewegten Achsen. Dabei geht es heute nicht mehr um die statische, sondern vermehrt um die dynamische Sicherheit. Dafür stehen in der Praxis verschiedene Betriebsarten bereit. Gemäß Maschinenrichtlinie muss der Betriebszustand bei Stillsetzung des Antriebs sicher überwacht und aufrechterhalten werden. Wurde früher beim Öffnen einer Sicherheitstür während des Betriebs sofort die Energiezufuhr unterbrochen, dürfen sich Achsen heute, beispielsweise bei geöffneter Tür und horizontaler Bewegung, auch kontrolliert von der Person weg oder mit begrenzter Geschwindigkeit auf sie zu bewegen (Bild 1).
Die Bewegung intern oder extern überwachen? Welche Variante die richtige ist, hängt vom Maschinentyp, der Applikation sowie dem geforderten Sicherheitslevel ab. Denn gemäß der Maschinenrichtlinie muss der Betriebszustand bei Stillsetzung des Antriebs sicher überwacht und aufrechterhalten werden. Auch die Sicherheitsfunktionen der Bewegungsüberwachung – ob extern oder antriebsintegriert – müssen gewährleistet sein. Der Begriff „sicher“ ist dabei im Sinne der funktionalen Sicherheit der einschlägigen Sicherheitsnormen der Reihe DIN EN 61508 VDE 0803 und der DIN EN ISO 13849-1 für Maschinen zu verstehen.
Grundsätzlich haben integrierte Safe-Motion-Lösungen den Vorteil, dass sie nicht nur schneller, sondern auch ­regelnd in die Achsbewegung eingreifen. Mit einem externen Überwachungsgerät dagegen wird ein sicheres Motion ­Monitoring separat von der Maschinen- und Antriebssteuerung realisiert. Das kann beispielsweise im Falle eines Retrofits die kostengünstigere Lösung sein (Bild 2).

Antriebsintegrierte Überwachung
Zu den integrierten Safe-Motion-Lösungen zählt PMC-Protego DS von Pilz, ein Servoregler mit Sicherheitskarte, der neben Profinet für alle gängigen Feldbussysteme ausgelegt ist. Der Anwender muss nur die Schnittstellenkarte in den Servoverstärker einstecken. Safe Motion beinhaltet umfangreiche Sicherheitsfunktionen, die alle Anforderungen der Maschinenrichtlinie nach DIN EN 61800-5-2 VDE 0160-105-2 erfüllen und bis PL e nach DIN EN ISO 13849-1 bzw. SIL CL 3 nach DIN EN 62061 VDE 0113-50 ausgelegt sind. Zudem reduziert Safe Motion die Rüstzeiten sowie den Wartungsaufwand und erhöht damit die Produktivität.
Ein effizienter Einsatz der sicheren Antriebslösung mit integrierten Sicherheitsfunktionen ist das Motion Monitoring einer Vertikalachse. Ist beispielsweise das Gefährdungspotenzial beim Einrichten niedrig und die Aufenthaltsdauer unter der Last eher gering, so ist ein „Sicherer Bremsentest“ (SBT) in Verbindung mit einem zugangsgesicherten Bereich eine mögliche risikomindernde Maßnahme. Andere relevante Funktionen für Vertikalachsen sind die „Sichere Bremsenansteuerung“ (SBC), die den Absturz hängender Lasten verhindert und die „Sicher begrenzte Position“ (SLP) zur Überwachung vorab definierter Endlagen. Eine weitere ­Anwendung der integrierten Safe-Motion-Lösung „PMC­protego DS“ ist die Sicherheit an Pressen. Funktionen wie „Sicher begrenzte Geschwindigkeit“ (SLS) und „Sicher ­begrenztes Schrittmaß“ (SLI) überwachen den Walzenvorschub und ermöglichen in Kombination einen sicheren Tippbetrieb der Achsen beim Einrichten.

Externes Motion Monitoring
Im Vergleich zu antriebsintegrierten Systemen realisiert ein externes Überwachungsgerät ein sicheres Motion Monitoring separat von der Maschinen- und Antriebssteuerung. Es erkennt zwar nur, dass sich eine Achse zu schnell oder in die falsche Richtung bewegt und kann nicht aktiv in die Bewegungssteuerung eingreifen. Es bietet aufgrund unterschiedlicher Ansätze aber andere Vorteile, wie die folgenden externen Lösungen von Pilz zeigen: Mit dem Drehzahlwächter „PNOZs30“ ist beispielsweise die Überwachung einer Achse ohne eine spezielle Software möglich. Alle Sicherheitsfunktionen sind direkt am Gerät über einen Drehschalter einstellbar. Das Motion Monitoring bis PL e/SIL CL 3 umfasst Stillstand, Wellenbruch, Drehzahl und -richtung. Diese Stand-alone-Lösung für kleine Applikationen ist ideal für die Drehzahl- und Stillstandüberwachung einer einzigen Achse.
Für die Drehzahl- und Stillstandüberwachung von bis zu max. 12 Achsen ist das konfigurierbare Steuerungssystem „PNOZmulti 2“ ausgelegt. Das Basisgerät kann mit einer Vielzahl von Modulen ergänzt werden und erfüllt dadurch unterschiedliche Anforderungen im Maschinen- und An­lagenbau. Dazu gehören Module zur sicheren Bewegungsüberwachung von einer oder zwei Antriebsachsen, zum ­Anschluss dezentraler Einheiten nach Schutzart IP67 sowie verschiedene Ein- und Ausgangsmodule. Das Basisgerät „PNOZ m B1“ erweitert die „PNOZmulti 2“-Familie. Es bietet nicht nur mehr Leistung für Maschinen mit größerem Funktionsumfang, sondern ermöglicht dank entsprechender Erweiterungsmodule auch den Anschluss an alle gängigen Feldbussysteme.
Hauptmerkmale dieses konfigurierbaren Steuerungssystems sind eine offene Kommunikation, eine durchgängige Diagnose und ein sicheres Motion Monitoring aus dem ­Sicherheitssystem heraus, da die Antriebsüberwachung in einem externen System und nicht im Antrieb zusammengeführt ist. „PNOZmulti 2“ erlaubt den Anschluss an alle gängigen Inkrementalgeber über die bewährte Industrieschnittstelle Mini IO. Konfiguriert werden die Module beziehungsweise Überwachungsfunktionen schnell und ­einfach über die Software „PNOZmulti Configurator“.

Programmierbare Komplettlösung
Das Automatisierungssystem PSS 4000 für die sichere Bewegungsüberwachung mit den Steuerungen PSS-Universal PLC und PSS-Universal Multi ist die High-End-Variante der externen Bewegungsüberwachung. Die voll programmierbare Komplettlösung ist für Maschinen und verkettete Anlagen konzipiert. Sie stellt dem Anwender verschiedene Editoren, Bausteine und Module zur Verfügung. Der grafische Programm-Editor PAS-Multi ermöglicht beispielsweise eine intuitive Konfigurierung der Maschinen. Für die Programmierung der Steuerung PSS-Universal PLC stehen die SPS-Editoren „Strukturierter Text“, „Anweisungsliste“ und „Kontaktplan-Darstellung“ zur Verfügung. Alle Editoren sind im Umfeld der industriellen Automatisierung als LVL (Limited Variability Language) eingestuft und erfüllen damit die Anforderungen an die Erstellung einer sicherheitsbezogenen Anwendersoftware („SRAWS“) von Normen wie DIN EN 62061 und DIN EN ISO 13849-1.
Ein Beispiel für ein innovatives Modul des Automatisierungssystems PSS 4000 ist das E/A-Modul „PSSu K F EI (Encoder Interface)“. Es überwacht sichere Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Stopp-Funktionen (Bild 3). Dies ermöglicht Sicherheitsfunktionen zur Drehzahlüberwachung nach DIN EN 61800-5-2 mit nur einem Sin/Cos-Drehgeber oder in der Kombination von Drehgeber und Initiator mit zusätzlicher Getriebeüberwachung. Der Einsatz von nur einem Drehgeber minimiert den Installationsaufwand. Und da sich das Modul an alle gängigen Drehgeber/Feedbacksysteme (sin/cos, TTL, HTL, Initiatoren) anschließen lässt, kann der Anwender vorhandene Gebersysteme weiter nutzen. Pro Steuerung können bis zu acht Achsen bis Performance Level PL e überwacht werden. Hinzu kommt die komfortable Handhabung, denn die sichere Überwachungsfunktion ist komplett in die Anwendersoftware integriert. Aktualwerte stehen im Anwenderprogramm zur Verfügung und können zur Prozesssteuerung benutzt werden. Grenzwerte lassen sich variabel aus dem Anwenderprogramm umschreiben bzw. auf die Applikation anpassen. Dadurch lassen sich Projekte schneller umsetzen und einfacher ­anpassen. Auch Änderungen zum Beispiel von Schwellenwerten sind während des Betriebs möglich. (hz)

Marcel Wöhner ist Bereichsleiter Produktmanagement Operating & Monitoring & Software/Tools bei der Pilz GmbH & Co. KG in Ostfildern. m.woehner@pilz.de

Marcel Wöhner ist Bereichsleiter Produktmanagement Operating & Monitoring & Software/Tools bei der Pilz GmbH & Co. KG in Ostfildern. m.woehner@pilz.de