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Zukunftsweisendes Sicherheitskonzept voll integriert

01  Seit Jahren liefert Schneider Electric mit der Steuerungsplattform Pacdrive 3 die Automatisierungs- und Antriebstechnik  für die Kartonier-Maschinen von Brunner Engineering – beispielsweise den Horizontal-Kartonierer Typ HCI

01  Seit Jahren liefert Schneider Electric mit der Steuerungsplattform Pacdrive 3 die Automatisierungs- und Antriebstechnik für die Kartonier-Maschinen von Brunner Engineering – beispielsweise den Horizontal-Kartonierer Typ HCI

Sichere, normenkonforme und effiziente Maschinen sind das A und O für einen reibungslosen Produktionsalltag. Die Sicherheit von Maschinen und Anlagen hat direkte Auswirkungen auf die Produktivität der Anwender und den Ruf des Unternehmens. Insbesondere ganzheitliche Safety-Konzepte mit voll integrierter Sicherheit spielen in der Praxis ihre Stärke aus. Mit Pacdrive 3 Safety von ­Schneider Electric sind Maschinenhersteller wie Brunner Engineering und Renner Etikettiertechnik auf der sicheren Seite.

Trotz der großen Risiken ist die Manipulation – also das Unwirksam-Machen – von Schutzeinrichtungen im ­Produktionsalltag ein weitverbreitetes Phänomen. Rund 37 % aller Schutzeinrichtungen sind manipuliert, so das alarmierende Ergebnis einer Studie des Hauptverbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften (HVGB). Durch hohe Achsengeschwindigkeiten und -drehzahlen beziehungsweise weitgehende Automatisierung verbunden mit schnellen und unvorhersehbaren Bewegungen bergen moderne Maschinen und Fertigungsstraßen ein erhebliches Verletzungsrisiko. Dementsprechend haben Arbeitgeber und Führungskräfte dafür zu sorgen, dass Manipula­tionen nicht stattfinden. Im Ernstfall haften sie für Personen- und Anlagenschäden. Daher wird der Ruf nach mehr Sicherheit von Maschinen und Anlagen lauter. „Mit steigendem Automatisierungsgrad wächst der Bedarf an Safety-Lösungen. Beispielsweise möchten unsere Kunden auch bei offener Tür einen Prozess beobachten, um das Feintuning für ­eine Störungsanalyse zu betreiben. Dazu war es in der Vergangenheit immer notwendig, entgegen geltenden Sicherheitsbestimmungen einen Maschinenschutz zu überbrücken. Das ist nicht nur illegal, sondern auch mit enormen Gefahren für die Maschinenbediener verbunden“, warnt Ralf Mohr, Geschäftsführer von Brunner Engineering [1]. Der Unternehmen hat über 30 Jahre Erfahrung in der Verpackungsindustrie und setzt als langjähriger Kunde von Schneider Electric auch in Safety-Fragen auf Lösungen des Automatisierungsspezialisten. Seine Kartoniermaschinen und Verpackungsanlagen liefert er serienmäßig mit voll ­integrierter Sicherheitsfunktion aus (Bild 1). Seine Kunden sind damit auf der sicheren Seite.

Integrierte Sicherheitsfunktionen

Alle in Pacdrive 3 enthaltenen Sicherheitsfunktionen sind für den Performance-Level „e“ (hoch) konzipiert:

  • STO: Safe Torque Off (Sicheres Drehmoment Aus),
  • SOS: Safe Operating Stop (Sicherer Betriebshalt),
  • SS1: Safe Stop 1 (Sicherer Halt 1),
  • SS2: Safe Stop 2 (Sicherer Halt 2),
  • SLS: Safely Limited Speed (Sicher begrenzte ­Geschwindigkeit),
  • SDI p/n: Safe Direction positive/negative (Sichere Richtung positiv/negativ),
  • SMS: Safe Maximum Speed (Sichere Höchstgeschwindigkeit),
  • Breites Spektrum an sicheren E/A (digital, analog, Thermo, Zähler, Relais).

02  Pacdrive 3 basiert auf einer seit Jahren erfolgreichen Logic-Motion-Technologie, die SPS-, Motion- und Robotik-Steuerungsfunktionen auf einer Hardware-Plattform vereint

02  Pacdrive 3 basiert auf einer seit Jahren erfolgreichen Logic-Motion-Technologie, die SPS-, Motion- und Robotik-Steuerungsfunktionen auf einer Hardware-Plattform vereint

03  Als Stand-alone-Lösung ist der SLC (Safety Logic ­Con­troller) von Schneider Electric komplett in Sercos ­integriert. In der Somachine-Motion-Software werden  alle Komponenten – Motion, EA-System und Safety – ­aufgerufen und die Programmierung direkt via Sercos  in den SLC übertragen

03  Als Stand-alone-Lösung ist der SLC (Safety Logic ­Con­troller) von Schneider Electric komplett in Sercos ­integriert. In der Somachine-Motion-Software werden alle Komponenten – Motion, EA-System und Safety – ­aufgerufen und die Programmierung direkt via Sercos in den SLC übertragen

04  Mit der sicherheitsbezogenen Programmiersoftware Sosafe ist die Erstellung  IEC-61131-3-konformer Programme für Pacdrive-Sicherheitssteuerungen ebenso ­integraler Teil der Workbench wie die Parametrierung der Sicherheitsfunktionen  von Systemkomponenten

04  Mit der sicherheitsbezogenen Programmiersoftware Sosafe ist die Erstellung IEC-61131-3-konformer Programme für Pacdrive-Sicherheitssteuerungen ebenso ­integraler Teil der Workbench wie die Parametrierung der Sicherheitsfunktionen von Systemkomponenten

Embedded-Safety: Integrierte Sicherheit im Detail

Mit der skalierbaren Automatisierungsplattform Pacdrive 3 für Motion-Control-basierte Maschinen mit Sercos III von Schneider Electric (Bild 2) lässt sich ein breites Spektrum von Produktions- und Verpackungsmaschinen sowie Handling-Automaten steuern. Eines der Kernelemente von Pacdrive 3 ist die integrierte Safety-Lösung. Sie vereint die sichere Kommunikation mit der E/A- und der Antriebskommunikation auf dem Sercos-Automation-Bus. Dieser bildet das Rückgrat für die gesamte Bus-Kommunikation einer Automatisierungslösung – auch die der sicherheitsgerichteten Kommunikation. Der Vorteil: Ein Sicherheitsprotokoll über Sercos erlaubt die vollständige Integration der sicheren Kommunikation in die Standardkommunikation, ohne dass eine zusätzliche spezielle Verkabelung notwendig ist. Um Safety-Anwendungen zu implementieren, wird ein Safe ­Logic Controller (SLC) eingesetzt (Bild 3). Die Sicherheitssteuerung am Sercos-Ring ermöglicht die Programmierung der Sicherheitsfunktionen. Die Ein- und Ausgänge werden mit dem Sercos-Netzwerk unter Verwendung von Modicon-T5-Sercos-Interface-Modulen verbunden. Darüber ­hinaus verfügen die Servo-Drives und integrierten Antriebe der Produktreihen Lexium 62 und Lexium 62 ILM über die Safe-Motion-Funktion. So können Anwender der Motion-Control-Technologie bei Pacdrive 3 differenzierte Konzepte der sicherheitsgerichteten Automation bis Kat. 4/PL e nach DIN EN ISO13849-1 [3] und SIL3 nach DIN EN 61508-1 (VDE 0803-1) [4] umsetzen. Gegenüber den Standard-­Drives verfügen sie über einen erweiterten Umfang an ­sicherheitsrelevanten Funktionen (Erläuterung im Kasten). Der gleiche Funktionsumfang ist durch ein Optionsmodul auch für die integrierten Servoantriebe der Reihe Lexium 62 ILM verfügbar. Durch Verlagerung der Regelelektronik eines Servo-Drives ins Feld sind so Konzepte der schaltschrank­losen Automation möglich. Das Optionsmodul wird einfach an die Standardelektronik der Antriebe angeflanscht. Für die integrierte Gesamtlösung steht mit Somachine-Motion ein Engineering-Tool zur Erstellung des Programms und zur Parametrierung der Konfiguration zur Verfügung.

Hauptanwendung „sicher reduzierte Geschwindigkeit“

Für Brunner Engineering spielt vor allem die Funktion ­„Sicher reduzierte Geschwindigkeit“ als Teilaspekt der inte­grierten Sicherheit eine tragende Rolle. So war es früher nicht möglich, bei geöffneter Schutztüre zu fahren. Der Sicherheitsschutzschalter sorgte dafür, dass die Maschine bei Öffnung der Türe sofort stillgesetzt wird, damit keine Gefahr für den Bediener entsteht. Ob beim Einrichten und Einstellen, beim Programmieren oder beim Testlauf, beim Umbauen, Rüsten oder Justieren – zahlreiche Tätigkeiten erfordern aber die direkte Sicht auf den Produktionsprozess. Damit die ­Produktivität nicht leidet, führte dies vermehrt zu Manipulationen, indem der Schalter elektrisch oder mithilfe eines Dummys überbrückt wurde – ein klarer Verstoß gegen die Unfallverhütungsvorschriften. Das gehört mit der Funktion „Sicher reduzierte Geschwindigkeit“ der Vergangenheit an.

Betreibern verschafft das Fahren mit offenen Schutztüren durch sicher reduzierte Geschwindigkeit neue Möglich­keiten bei maximaler Maschinensicherheit. OEM sind wiederum in der Lage, komplett neue Maschinenkonzepte zu realisieren. Die Vorteile intelligenter Safety-Lösungen in der Steuerungstechnik liegen auf der Hand: Neben dem Plus an Sicherheit minimieren sie den Verdrahtungsaufwand und reduzieren die Engineering-Kosten. Zusätzliche Hardwarekomponenten wie Schütze und Sicherheitsrelais werden überflüssig. So entstehen leistungsfähige ­Sicherheitskonzepte mit kurzen Reaktionszeiten.

„Aus diesem Grund haben wir uns für voll integrierte Safety entschieden. Sie fällt zwar im Schnitt etwas teurer aus als herkömmliche Sicherheitslösungen, bietet unseren Kunden aber einen deutlichen Mehrwert. Sie sind sich der Tat­sache bewusst, dass in ihrer Produktion häufig Sicherheitseinrichtungen vom Bedien- und Instandhaltungspersonal umgangen werden. Auch für Großkonzerne wird dies zu­nehmend zum Problem. Da kommt das Safety-Feature von Schneider wie gerufen. Hiermit lassen sich Unfälle vermeiden, die in der täglichen Produktion durch solcherlei Manipulationen immer wieder passieren“, unterstreicht R. Mohr.

Entwicklungspotenzial

Auch Renner Etikettiertechnik [5] setzt bei den Etikettiermaschinen seit Anfang 2017 auf Safe Motion von Schneider Electric. Das Unternehmen setzt den SLC mit seinen ­Zusatzkomponenten bei Etikettiermaschinen für den Getränke- und Nahrungsmittelbereich ein. Er wird zentral im Schaltschrank verbaut, der direkt an der Maschine oder ­separat abgesetzt von der Maschine aufgestellt sein kann. Hierbei zeigt die dezentrale Anbindung der Komponenten über Sercos III ihre Vorteile: Die dezentralen Komponenten – sichere E/A-Teilnehmer über Modicon-TM5-Sercos-Inter­face-Module sowie sichere Optionsmodule für ILM-Motoren – werden direkt an den einzelnen Baugruppen der Maschine verbaut. Der SLC überwacht mit den am Sercos III angebundenen Komponenten die einzelnen Arbeitsbe­reiche der Maschine: die Not-Halt-Komponenten, den ­Maschinenschutz sowie die Motorgeschwindigkeiten mit den dazugehörigen Rampen. Auch die betriebsartabhängige sicherheitsgerichtete Freigabe der Maschine und die Abschaltung im Notfall wird gerne genutzt. „Der Grundgedan­ke der Lösung ist durchweg positiv. Die Einbindung direkt in den Motion-Bus Sercos III stellt einen sehr großen Vorteil für die direkte Verarbeitung, Überwachung und Diagnose dar. Wie bei allen komplexen Systemen in der heutigen Zeit stellt die Diagnosefähigkeit des Systems die größten Herausforderungen an die Nutzer und die Entwickler – hier besteht noch Entwicklungsbedarf, um das System besser diagnostizieren zu können“, bilanziert Andreas Biber, Fachmann für Elek­trokonstruktion bei Renner Etikettiertechnik.

In der Entwicklungsumgebung von Sosafe (Bild 4), einer in Somachine-Motion integrierte Software zur Programmierung des SLC, sieht der Experte in folgenden Punkten Verbesserungspotenzial: Import/Export von Logikteilen und Bausteinen sei ein Thema, an dem noch gearbeitet werden muss. Die Möglichkeit, zwei Sosafe-Instanzen gleichzeitig zu öffnen, um Projektteile kopieren zu können, fehle ebenfalls. Wünschenswert sei weiterhin eine Vergleichsmöglichkeit mit direkter Kopierfunktion, eine robustere Entwicklungsumgebung und die Projektspeicherung auch bei geöffneter Sosafe-Entwicklungsumgebung. „Diese Punkte würden eine Entwicklung von Maschinenprojekten deutlich verein­fachen“, ist sich der Experte sicher. Seine Bilanz fällt aber grundsätzlich positiv aus: „Grundlegend ist aus meiner Sicht jedoch der Einstieg in die Safe Motion mit dem SLC sehr gut gelungen.“

Der Aufbau mit dezentralen Komponenten, die direkt über die TM5-Busköpfe eingelesen werden, ist nach A. Bibers Erfahrung eine deutliche ­Vereinfachung des Maschinenaufbaus und der Softwareentwicklung. Positiv hervorzuheben seien vor allem die ­Einsparung hinsichtlich des Verdrahtungsaufwands und der Verzicht auf lange Kabelwege. Baugruppenorientierte und modulare Umsetzung in Entwicklung, Konstruktion, Softwareentwicklung, Montage und Inbetriebnahme seien sehr einfach möglich. Signale seien nicht nur im Safe-Teil, sondern auch in der nicht sicheren Pacdrive-Steuerung vorhanden.

Fazit

Maschinenhersteller suchen ständig nach Wegen, die Sicherheit zu verbessern, ohne in dynamischen industriellen Umgebungen Kompromisse bezüglich der Produktionsziele eingehen zu müssen. Dabei kommt Sicherheit gepaart mit Produktivität längst nicht mehr einer Quadratur des Kreises gleich. Safe-Motion-Funktionen, die über sichere Abschaltung (STO) hinausgehen, können, in einem griffigen Konzept berücksichtigt, Manipulationen effizient entgegenwirken. Auch lässt sich die Produk­tivität mit solchen Funktionen um bis zu 30 % steigern. So eröffnen sich Maschinenherstellern mit Pacdrive 3 Safety völlig neue Möglichkeiten für zukunftsweisende Maschinenkonzepte. Es ist nicht länger notwendig, in puncto Sicherheit mit Einzelkomponenten und Sensorik aufzurüsten, diese umständlich zu verdrahten und aufwendig zu programmieren. Wer sich für ein voll integriertes Safety-Konzept entscheidet, spart Zeit. Er nutzt Bausteine, in welchen die gewünschte Funktionalität bereits hinterlegt und vorprogrammiert ist und muss nur noch parametrieren. (no)


Literatur

[1] Brunner Engineering GmbH & Co. KG, Durmersheim: www.brunner-kartonierer.de
[2] Schneider Electric GmbH, Ratingen: www.schneider-electric.de
[3] DIN EN ISO13849-1:2016-06 Sicherheit von Maschinen – ­Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen – Teil 1:
Allgemeine Gestaltungsleitsätze. Berlin: Beuth
[4] DIN EN 61508-1 (VDE 0803-1):2011-02 Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme – Teil 1: Allgemeine ­Anforderungen. Berlin: VDE VERLAG
[5] Renner Etikettiertechnik GmbH, Günzburg: www.renner-label.de


Autor:
Reinholt Schlechter ist OEM Segment Manager Material Handling & Packaging bei der Schneider Electric GmbH in Ratingen.