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Schwerkraftbelastete Vertikalachsen effizient absichern

01 Der flexible Stand-alone-Antriebsregler SD6 eignet sich für komplexe Anforderungen und Aufgaben in der Automatisierungstechnik und im Maschinenbau

01 Der flexible Stand-alone-Antriebsregler SD6 eignet sich für komplexe Anforderungen und Aufgaben in der Automatisierungstechnik und im Maschinenbau

02 Mit dem integrierten Bremsenmanagement erfüllt der Antriebsregler die Anforderungen der DGUV an schwerkraftbelastete Vertikalachsen

02 Mit dem integrierten Bremsenmanagement erfüllt der Antriebsregler die Anforderungen der DGUV an schwerkraftbelastete Vertikalachsen

03 Der Wechseldatenspeicher Paramodul ermöglicht eine schnelle Inbetriebnahme und einen effizienten Service, da man ihn im Servicefall einfach austauschen kann

03 Der Wechseldatenspeicher Paramodul ermöglicht eine schnelle Inbetriebnahme und einen effizienten Service, da man ihn im Servicefall einfach austauschen kann

Neben der grundlegenden Sicherheitsfunktion Safe Torque Off (STO) enthält der Stand-alone-Antriebsregler SD6 weitere Funktionen auf höchstem Sicherheitsniveau – unter anderem umfangreiche Stopp- und Überwachungsfunktionen. Mit dem Sicherheitsmodul SE6 und dem integrierten Bremsenmanagement erfüllt er sogar die Anforderungen der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) an schwerkraftbelasteten Vertikalachsen. Das macht die Projektierung von Maschinen mit Vertikalachsen zum Kinderspiel.
Entsprechend den allgemeinen Anforderungen der EG-Maschinenrichtlinie stehen Hersteller in der Pflicht, ausschließlich sichere Maschinen zu konstruieren. Der Weg führt über die Risikobeurteilung, was die Projektierung entsprechend aufwendig macht. Denn dazu muss der Konstrukteur mögliche Gefahren abschätzen, geeignete Gegenmaßnahmen treffen und vor Restrisiken warnen. Ihm steht jedoch keine spezielle Norm zur Verfügung, nach der er die Gefahren an Vertikalachsen beurteilen kann.
Müssen Mitarbeiter den Bearbeitungsraum einer Maschine betreten, sind die Antriebsachsen in einen gefahrlosen Zustand zu versetzen. Hängen an den vertikalen Achsen schwere Lasten, können diese aufgrund der Schwerkraft herabfallen und damit das Personal gefährden. Um das zu verhindern, werden die Vertikalachsen in der Regel durch Bremsen gesichert. Verschmutzungen oder mechanischer Verschleiß können deren Wirkung allerdings stark beeinträchtigen. Deshalb ist der Zustand der Bremsen sicher zu überwachen und ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten. Aufgrund nicht vorhandener normativer Anforderungen hat die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) die Problematik im Fachbereichsinformationsblatt Nr. 005 Ausgabe 09/2012 erläutert. Dieses beschreibt Empfehlungen, schwerkraftbelastete Vertikalachsen abzusichern.
Aufwendige Absicherung vor herabfallenden Achsen
Bislang setzen Konstrukteure und Maschinenbauer dafür in der Regel auf Lösungen, die auf einer programmierbaren Sicherheitssteuerung basieren. Diese steuert die Bremsen über Schütze und überwacht während des Bremsentests den Stillstand. Dadurch entstehen spezielle Anforderungen an den Motorencoder und seine Montage. An der Motorwelle angebracht, erfasst er primär deren Lage und schickt die Ist-Werte an den Regler. Die Anbindung an die Sicherheitssteuerung erfolgt in der Regel über analoge 1-Vss-Signale. Dafür sind spezielle Encoder und besondere Adapter erforderlich, um die Analogsignale für die Stillstandserkennung herauszuführen, sowie Leitungen, die die analogen Signale auch über längere Strecken störungsfrei übertragen können. Dazu kommen Stillstands- und Drehzahlwächter – insgesamt ein kostenintensives Equipment.
Zudem ist der Encoder so an der Motorwelle anzubauen, dass das ungewollte Lösen der Wellenverbindung ausgeschlossen werden kann. Im Servicefall kann das zu einem unerwarteten Problem werden. Die aufwendige Reparatur lässt sich nicht einfach von einem Mitarbeiter vor Ort ausführen. Bis alles verschraubt, verklebt, getrocknet, geprüft und dokumentiert ist, steht die Maschine für mindestens 48 h still und kann in dieser Zeit nicht produzieren. Je nach Standort der Maschine kann dies aber auch deutlich länger dauern, wenn der Motor zur Reparatur versendet werden muss.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die geeigneten Encoder nicht auf alle Motortypen passen und nicht die Performance bieten, die von einem leistungsfähigen Servosystem benötigt wird – das schränkt Maschinenbauer deutlich ein.
Umfangreiche Sicherheitsfunktionen integriert
Konstrukteure und Maschinenplaner stehen oft vor der Herausforderung, hoch automatisierte und flexible Fertigungsabläufe umzusetzen, bei denen gleichzeitig Menschen, Maschinen und Anlagen geschützt sein müssen. Der Standalone-Antriebsregler SD6 (Bild 1) von Stöber erfüllt diese Anforderungen auch in sicherheitsrelevanten Anwendungen bis SIL3 nach DIN EN 61800-5-2 (VDE 0160-105-2) oder PL e (Kategorie 4) nach DIN EN ISO 13849-1. Damit der Antriebsregler diese Anforderungen praxisorientiert und zuverlässig meistern und im Notfall unmittelbar einschreiten kann, hat Stöber gemeinsam mit Pilz das Sicherheitsmodul SE6 entwickelt, mit dem sich der Antriebsregler SD6 optional ausstatten lässt.
Für das Sicherheitsmodul SE6 konnte Stöber gemeinsam mit Pilz für nahezu alle der identifizierten Schwachstellen praktikable Lösungen erarbeiten und umsetzen. Im ersten Schritt haben die Entwickler die am meisten von den Kunden nachgefragten Sicherheitsfunktionen realisiert. So ist die Funktion „Sicher abgeschaltetes Drehmoment“ (STO) integriert, die die Energieversorgung zum Motor direkt im Antriebsregler unterbricht. Dazu kommen die Stoppfunktionen „Safe Stop 1“ (SS1), die den Antrieb geregelt herunterfährt und danach erst die Energiezufuhr zum Motor unterbricht, sowie „Safe Stop 2“ (SS2), die nach dem geregelten Herunterfahren einen „Sicheren Betriebshalt“ (SOS) einleitet. Dabei bleiben die Regelfunktionen des Antriebs vollständig erhalten. „Sicher begrenzte Drehzahl“ (SLS) wacht darüber, dass der Antrieb eine bestimmte Geschwindigkeit nicht überschreitet, während „Sicherer Drehzahlbereich“ (SSR) diese innerhalb eines definierten Korridors überwacht. Durch eine „Sicher begrenzte Position“ (SLP) ist es möglich, dass der Motor auch hier vorgegebene Grenzwerte nicht überschreitet. Mit den Funktionen SS1 und SS2 lassen sich auch die Bremsrampen überwachen. Damit kann zum Beispiel ein Achsverbund kontrolliert stillgesetzt werden. Die Funktion „Sichere Bewegungsrichtung“ (SDI) lässt die Bewegung eines Antriebs nur in eine (definierte) Richtung zu. Die Funktion „Sicher begrenztes Schrittmaß“ (SLI) überwacht nach der Aktivierung die Position innerhalb eines zuvor definierten Bereichs. Falls doch ein Grenzwert verletzt wird, wird der Motor vom Antriebsregler sicher stillgesetzt.
Zudem erhält das Modul die Funktion „Sicheres Monitoring“ für nahezu alle Sicherheitsfunktionen. Dieses Feature überwacht den Antrieb lediglich und meldet Grenzwertüberschreitungen sicher an die überlagerte Sicherheitssteuerung, statt einen Stopp zu erzwingen. Dies gibt dem Maschinenbauer bei der Störungsreaktion – insbesondere bei synchronisierten Antrieben – viele Freiheiten zurück.
Darüber hinaus können bei Sicherheitsfunktionen, wie SLS, Störimpulse mittels variabler Toleranzfenster gezielt ausgeblendet werden. Dadurch profitiert der Anwender von einer höheren Verfügbarkeit: Er kann normativ vorgegebene Grenzwerte besser nutzen, ohne dass es zu einem Fehlauslösen kommt.
Sicheres Bremsenmanagement
Das Besondere an dem Sicherheitsmodul SE6 ist das integrierte Bremsenmanagement von bis zu zwei Bremsen (Bild 2). Damit erfüllt der Antriebsregler die Anforderungen der DGUV an schwerkraftbelasteten Vertikalachsen. Die Entwicklung des Moduls orientierte sich an dem Informationsblatt „Schwerkraftbelastete Achsen“ der DGUV. Dies beschreibt praxisgerecht die Anforderungen an das Absichern von Vertikalachsen, da es derzeit keine harmonisierte Norm gibt, in der dieses Thema behandelt wird.
Das Bremsenmanagement im SE6 enthält die Funktion „Sichere Bremsenansteuerung“ (SBC), die sicherstellt, dass die Bremsen auf Anforderung einfallen. Dazu kommt das Feature „Safe Brake Test“ (SBT). Dieses überprüft bei Bedarf das definierte Bremsmoment und deckt Abweichungen aufgrund von Verschmutzungen oder Defekten an der Mechanik auf, bevor das Bremsmoment einen kritischen Zustand erreicht. Zusätzlich wird das vorgeschriebene Prüfintervall überwacht. Das kann je nach Anwendung und Forderung aus der Gefahrenanalyse entweder einmal in jedem Produktionszyklus sein oder zum Beispiel alle 8 h zu Schichtbeginn. Ist das Haltemoment der Bremse nicht mehr gegeben, steht im Antriebsregler die Funktion „Bremsen einschleifen“ zur Verfügung, welche die Anforderungen der Bremsen von Stöber-Motoren berücksichtigt. Anschließend kann das System erneut überprüfen, ob das geforderte Test-Moment gehalten werden kann.
Stillsetzen in 10 ms
Der Antriebsregler SD6 liefert einen Ausgangsnennstrom bis 85 A. Er regelt sowohl lineare als auch rotative Synchron-Servo- sowie Asynchronmotoren und eignet sich zum Beispiel für den Synchronbetrieb von bis zu 32 Achsen in elektronischen Getrieben oder fliegenden Sägen ohne überlagerten Motion-Controller. Durch sein modulares Schnittstellenkonzept und sein umfangreiches Zubehör lässt er sich passgenau konfigurieren.
Er bietet Konstrukteuren eine große Flexibilität, da man ihn mit Synchron-Servo-, Asynchron-, Linear- oder Torquemotoren kombinieren kann. Auch beim Encoder haben sie die freie Wahl. Zudem sparen sie zusätzliche Komponenten, da weder Koppelschütze noch spezielle Adapter, teure Kabel, Stillstands- und Drehzahlwächter benötigt werden. Da das Bremsenmanagement unabhängig vom Bremsentyp ist, kann der Anwender mit dem System ein sicheres Brems- und Haltesystem gemäß DIN EN ISO 13849-1 bis Kategorie 4 aufbauen – mit überschaubarem Aufwand.
Weil die Überwachung des Motors durch die Sicherheitsfunktionen antriebsintern erfolgt, ermöglicht der SD6 eine schnelle Worst-Case-Fehlerreaktion innerhalb von 10 ms. Das integrierte Sicherheitsmodul kann unmittelbar in die Achsbewegung eingreifen und im Fall einer Grenzwertüberschreitung oder bei einem Not-Halt den Antrieb stillsetzen. Bis ein externer Drehzahlwächter die benötigten Informationen erfasst, ausgewertet und über die Sicherheitssteuerung den Befehl zum Abschalten an den Regler weitergegeben hat, können bis zu 100 ms vergehen.
Auch im Servicefall profitiert der Betreiber: Bei einem Gerätetausch muss lediglich die SD-Karte mit der gespeicherten Sicherheitskonfiguration getauscht, der neue Regler gestartet und mit einem Tastendruck der Wechsel bestätigt werden (Bild 3). Dafür benötigt der Servicemitarbeiter keine speziellen Kenntnisse. Nach dem Gerätestart kann er am Display des Reglers die Checksumme der Sicherheitskonfiguration validieren.
Die Lösung lässt sich mit der Projektierungs- und Inbetriebnahme-Software Drivecontrolsuite schnell in Betrieb nehmen. Die integrierte Pasmotion-Software unterstützt den Bediener dabei, die Sicherheitskonfiguration mit minimalem Aufwand zu erstellen. Das Sicherheitsmodul SE6 eignet sich zudem für Retrofit-Projekte. Der Betreiber profitiert dabei von der schnellen Projektierung und kann seine bestehende Mechanik beibehalten. (no)

Markus Frei ist Product Manager Drive Controller Accessories bei der Stöber Antriebstechnik GmbH + Co. KG in Pforzheim. markus.frei@stoeber.de

Markus Frei ist Product Manager Drive Controller Accessories bei der Stöber Antriebstechnik GmbH + Co. KG in Pforzheim. markus.frei@stoeber.de