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Sichere Beleuchtung von Schleusen und Brücken

01 Unter die Maschinenrichtlinie fallen nicht nur die offensichtlich beweglichen Teile einer Schleuse, sondern auch deren Signalisierung

01 Unter die Maschinenrichtlinie fallen nicht nur die offensichtlich beweglichen Teile einer Schleuse, sondern auch deren Signalisierung

02 Mit dem RFC 470S PN 3TX von Phoenix Contact lassen sich Standard- und Sicherheitsfunktionen mit einem Gerät umsetzen

02 Mit dem RFC 470S PN 3TX von Phoenix Contact lassen sich Standard- und Sicherheitsfunktionen mit einem Gerät umsetzen

03 Die LED-basierten Signalleuchten zeichnen sich unter anderem durch ihre einfache Integration, umfassende Diagnose und hohe Robustheit aus

03 Die LED-basierten Signalleuchten zeichnen sich unter anderem durch ihre einfache Integration, umfassende Diagnose und hohe Robustheit aus

04 Die Safety-Bridge-Module lesen die sichere Diagnose der Leuchten ein und senden sie an die sichere Steuerung

04 Die Safety-Bridge-Module lesen die sichere Diagnose der Leuchten ein und senden sie an die sichere Steuerung

05 Die Signalleuchten sind integraler Bestandteil einer Gesamtlösung für die Schleusenautomatisierung

05 Die Signalleuchten sind integraler Bestandteil einer Gesamtlösung für die Schleusenautomatisierung

In Schleusen, Brücken und anderen Wasserwegeanlagen können gefährliche Situationen für den Menschen auftreten. Die einheitliche europäische Maschinenrichtlinie 2006/42/EG fordert deshalb, dass dies durch eine entsprechende Auslegung der dort verwendeten Automatisierungssysteme vermieden wird. Signalleuchten von Phoenix Contact mit LED-Technologie tragen durch ein spezielles Diagnosekonzept zu mehr Sicherheit bei.
Schleusen und Brücken stellen einen wesentlichen Bestandteil der Wasser- und Schifffahrtswege dar. Ohne die Hebewerke, die dem Ausgleich von Höhenunterschieden in Gewässern dienen, wären viele Flüsse und Seen gar nicht befahrbar. In einigen Küstenregionen beeinflussen zudem die Gezeiten den Wasserstand, weshalb Schleusen notwendig sind, um ständig in den oft im Hinterland liegenden Hafen einlaufen zu können. Derzeit werden zahlreiche der in Deutschland vorhandenen Wasserwege überarbeitet und modernisiert. Dies resultiert daraus, dass sie eine wichtige Rolle im Rahmen des Güterverkehrs spielen. Die Europäische Union (EU) fördert daher den weiteren Ausbau der Wasserwege. So soll der Warentransport per Schiff attraktiver gemacht und bis in das Hinterland ermöglicht werden, was den Verkehr auf der Straße entlastet (Bild 1).
Schritt 1: Bewertung der Sicherheit
Werden Schleusen und Brücken als wesentliche Elemente der Wasserwege genauer betrachtet, lassen sich viele typische Maschinenteile erkennen. Dazu gehören die beiden Tore, zwischen denen der Schleusungsvorgang stattfindet. Sie werden entweder elektromechanisch oder hydraulisch angetrieben. Aus diesem Grund handelt es sich bei der Schleuse um eine Maschine – und nicht um eine Anlage. Die Richtlinie 2006/42/EG definiert eine Maschine nämlich wie folgt:

  • sie besteht aus einer Gesamtheit miteinander verbundener Teile,
  • anders als Mensch oder Tier ist die Maschine mit einem Antriebssystem ausgestattet,
  • mindestens ein Teil der Maschine ist beweglich und
  • sie setzt sich für eine bestimmte Anwendung zusammen.

Aufgrund der aufgeführten Punkte muss die Maschinenrichtlinie auch für eine Schleuse angewendet werden. Doch was bedeutet das für die Betreiber des Hebewerks? Die Richtlinie 2006/42/EG verlangt den Schutz von Mensch und Maschine. Der Betreiber hat deshalb im ersten Schritt eine Sicherheitsbewertung durchzuführen. Aus ihr ergeben sich dann das umzusetzende Sicherheitslevel und die entsprechend zu realisierenden Schutzmechanismen.
Gefährliche Situationen auch ohne bewegliche Teile
Dem Systemintegrator kommt nun die Aufgabe zu, neben der Funktion der Schleuse alle erforderlichen Schutzmechanismen vorzunehmen. In der Regel werden Schleusen und Brücken durch einige Dutzend Sicherheitsfunktionen abgesichert. Standardfunktionen lassen sich über Standardsteuerungen ausführen. Für die Sicherheitsfunktionen wird jedoch eine spezielle, funktional sichere Steuerung (F-SPS) benötigt, die autark von der Standard-SPS arbeitet. Um den Anforderungen der Schleuse gerecht zu werden, hat Phoenix Contact ein System entwickelt, das eine optimierte Schleusenautomatisierung ermöglicht.
Kernelement der Lösung ist die Steuerung RFC 470S PN 3TX, welche die Standard- und F-SPS in einem Gehäuse vereint. Mit dem Gerät können also sowohl Standard- als auch Sicherheitsfunktionen programmiert und umgesetzt werden. In Kombination mit dem Safety-Bridge-System lassen sich sämtliche Gewerke der Schleuse selbst über unterschiedliche Netzwerkprotokolle mit den notwendigen Sicherheitsfunktionen versehen. Denn alle Gewerke müssen in die sicherheitstechnische Betrachtung einbezogen werden, weil die Schleuse oder Brücke als Einheit angesehen wird (Bild 2).
Das bedeutet, dass nicht nur die offensichtlich beweglichen Teile, beispielsweise die Schleusentore mit ihren Antrieben, zu berücksichtigen sind. Gleiches gilt für die dazu in Verbindung stehenden Funktionen, zu denen etwa die Signalisierung gehört. Sie ist in den internationalen Standards für die Schifffahrtswege genau festgelegt. Da ein falsches oder unzulässiges Signalbild zu einer Havarie führen kann, ist die Signalisierung als Ganzes in die Sicherheitsbetrachtung zu integrieren. Der Betreiber der Schleuse oder Brücke definiert so, bei welchem Signalbild die Schleusentore oder die Brücke bewegt werden darf und bei welchem Signalbild eine Bewegung unzulässig ist.
Vorteile durch LED-Technik
Eine genauere Untersuchung der Signalisierung zeigt einige Anforderungen, die zur Sicherheit und Verfügbarkeit des Schleusenbetriebs beitragen. Dazu zählen die Wetterbeständigkeit der Geräte, das Ausschließen von Phantomeffekten, eine gute Diagnose, einfache Wartung sowie Safety-Funktionen.
Die Schleusenleuchten sollten folglich in das funktional sichere System eingebunden werden. Bei der Signalisierung heißt die Realisierung von Safety-Funktionen, dass eine sichere Aussage darüber getroffen werden kann, ob die Leuchte an oder aus ist.
Im Umfeld der Signalisierung werden immer häufiger Leuchtdioden (LED) eingesetzt, weil sie sich durch einen geringen Stromverbrauch und eine lange Lebensdauer auszeichnen. Darüber hinaus eröffnet ihre Schalt- und Dimmfähigkeit neue Möglichkeiten. Der internationale Standard IALA (International Association of Lighthouse Authorities) legt die Standardfarben für die Signalleuchten fest, die heute direkt über LED realisierbar sind. Daraus ergibt sich weiterer Nutzen wie der Wegfall des Phantomeffekts, da keine farbigen Gläser mehr verwendet werden müssen. Der Phantomeffekt tritt auf, wenn die Signalleuchte von der Sonne angestrahlt wird und so den Anschein erweckt, als würde das Signal aufleuchten, obwohl dies nicht der Fall ist.
Zur optimalen Nutzung dieses und anderer Vorteile hat Phoenix Contact eine Produktfamilie von Signalleuchten entwickelt, die LED gemäß IALA-Standard einsetzen. Die Geräte zeichnen sich zudem durch ein Gehäuse in Schutzart IP65/67, umfassende Diagnosemöglichkeiten sowie ihre einfache Integration in die Schleusen- und Brückenautomatisierung aus. Die Entfernung zwischen Leuchte und Steuereinheit kann bis zu 400 m betragen. Zur Ankopplung an das Netzwerk wird eine Hybridleitung zu einer Signaltafel verlegt, die dann von Leuchte zu Leuchte weitergeführt wird. Auf diese Weise lässt sich der Verdrahtungsaufwand verringern (Bild 3).
Neue Diagnosemechanismen erforderlich
Um zu diagnostizieren, ob eine Signalleuchte eingeschaltet ist oder nicht, wurde in der Vergangenheit der zu ihr geleitete Strom gemessen. Doch reicht ein solches Vorgehen beim Einsatz von LED-Technologie aus? Diese Frage ist zu verneinen, denn deren Vorteil eines geringen Stromverbrauchs stellt die Messtechnik in puncto Genauigkeit vor Herausforderungen. Insbesondere das Aufteilen der Lichtleistung von einem Leuchtmittel (Glühlampe) auf viele Leuchtmittel (mehrere LED) erschwert eine genaue Diagnose von außen per Strommessung. Der Ausfall einer LED verändert in diesem Zusammenhang nicht nur die Lichtstärke, sondern es kann ebenfalls ein anderes Signalbild entstehen.
Wird lediglich der Strom ermittelt, lässt sich ferner keine Aussage über den Arbeitspunkt der LED als Leuchtmittel treffen. Wie aus zahlreichen Fällen bekannt ist, kann die LED sowohl einen Kurzschluss als auch eine Unterbrechung erzeugen. Laborversuche haben hier nachgewiesen, dass die LED im defekten Zustand möglicherweise einen beliebigen Arbeitspunkt einnimmt, ohne dabei Licht zu emittieren. Die Häufigkeit dieses Versuchsergebnisses ist nicht quantifizierbar und für die Sicherheitsbetrachtung außerdem nicht von Belang. In ihrem Rahmen erweist es sich als wichtig, dass die LED in einen solchen Zustand übergehen kann und dies daher sicher detektiert werden muss. Das lässt sich nur direkt an der LED realisieren, weshalb Phoenix Contact in den Signalleuchten über jede LED eine zweikanalige Diagnose aufgebaut hat.
Einfache Integration in vorhandene Schleusenautomatisierung
In den Leuchten sind die LED in Gruppen geschaltet, durch die ein gemeinsamer Strom fließt. Der Strom wird in jeder Gruppe sowie die Spannung über jede LED festgestellt. Die als Signal ausgegebene Diagnose hängt vom Arbeitspunkt für die entsprechende Farbe ab. Darüber hinaus erfassen Lichtsensoren das emittierte Licht, was ebenfalls in der Diagnoseauswertung berücksichtigt wird. Gemäß den Anforderungen ist die Diagnose zweikanalig ausgeführt, sodass eine Klassifizierung gemäß SIL2 respektive PL d erfolgt. Auf diese Weise lässt sich die sichere Diagnose der Leuchten durch die Safety-Bridge-Module einlesen und über die gleiche Kommunikationsverbindung wie bei den Standardsignalen an die F-SPS übertragen, wobei Entfernungen bis 400 m überbrückt werden können. Die Verdrahtungsart ändert sich nicht und der Anwender kann sichere und nicht sichere Leuchten mischen (Bild 4).
Die Signalleuchten, Steuereinheit, Safety-Bridge-Module und Verkabelung bilden eine Plug-and-play-Lösung, die sich auch in vorhandene Anlagen einfach integrieren lässt. In Kombination mit der sicheren Steuerung RFC 470S PN 3TX und den sicheren PSDO-/PSDI-Komponenten setzen die Signalleuchten somit die in der Maschinenrichtlinie geforderten Sicherheitsfunktionen um. Ausgebildete Safety Engineers von Phoenix Contact unterstützen die Betreiber, Anlagenplaner und Systemintegratoren ferner, indem sie die Schleuse oder Brücke sicherheitstechnisch bewerten (Bild 5). (ih)

Werner Pollmann ist System Manager Infrastructure bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. wpollmann@phoenixcontact.com

Werner Pollmann ist System Manager Infrastructure bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. wpollmann@phoenixcontact.com