Sicher ein gutes Gefühl

Kübler bietet mit der Kombination aus Drehgebern und Sicherheitsmodulen ein Gesamtpaket für Funktionale Sicherheit. Auch die notwendigen Kabel und die Software gehören dazu. Bei den mechanischen Schnittstellen verfügt der Hersteller über einen zertifizierten Anbau, bei der elektronischen Variante über bewährte Standard-Protokolle.

Autor: Jonas Urlaub, Produktmanager Funktionale Sicherheitstechnik, Branchenmanager Antriebstechnik


Das Thema Funktionale Sicherheit steht schon seit Jahren ganz oben auf der Agenda der Kübler Gruppe. Bereits 2009 brachte der Sensorik-Spezialist den ersten zertifizierten SIL-Drehgeber für Anwendungen bis SIL3 oder PLe auf den Markt. Wie richtig diese Strategie für das Unternehmen war, zeigen die immer steigenden Anforderungen in fast allen Branchen und Betriebsabläufen. Auch durch die Ablösung der Norm EN954-1 durch die EN ISO13849-1 werden Maschinen und Anlagen noch genauer unter die Lupe genommen. Die Folge: Funktionale Sicherheit gewinnt an Bedeutung. Küblers Drehgeber für Funktionale Sicherheit verfügen nun auch über die Atex-Zulassung gemäß der Gerätegruppe II, Kategorie 2 und 3 (Zone 1, 21 und 2, 22). Dabei kristallisiert sich immer stärker heraus, dass allein mit zertifizierten Komponenten kein Höchstmaß an Sicherheit zu erreichen ist. Dafür ist die Materie zu vielschichtig. So verlangt der Anwender immer mehr nach Systemen aus einer Hand. Küblers Paket 'Sicherheitstechnik im System' beinhaltet Telefonsupport, die Unterstützung bei der Inbetriebnahme und die Reparatur bei etwaigen Störungen, inklusive der Lieferung von Ersatzgeräten. Schulungen vor Ort und ein individuelles Training mit klarem Bezug zur Kundenanwendung bilden eine weitere Säule dieses Angebotskomplexes. Der Anwender wird also in jeder Situation betreut. Dadurch soll der Anwender einen Mehrwert erhalten, den er an den Endkunden weiterreichen kann.

Chancen dank Funktionaler Sicherheit


Funktionale Sicherheit darf nicht als zusätzlicher Aufwand für den Betreiber einer Anlage gesehen werden. Im Gegenteil: Es eröffnen sich ihm ganz neue Möglichkeiten, effektiver zu wirtschaften. Zweifelsohne kann man von Chancen dank Funktionaler Sicherheit sprechen. So können durch die Überwachung der Position und Bewegung mit entsprechenden Drehgebern herkömmliche Sensoren wie Näherungsschalter und/oder Endschalter eliminiert werden. Das spart Kosten, denn der Installationsaufwand reduziert sich markant. Dadurch sinken auch die Materialkosten und der Aufwand für die Wartung. Wichtig bei einer neuen Sicherheitstechnik ist die Vorgabe, dass diese leicht in das bestehende Maschinenkonzept integriert werden kann. Kübler bietet modulare Lösungen an, die einen kosteneffizienten Einsatz ermöglichen und zudem adaptierbar auf andere Anwendungen sind. Ist die Technik installiert, muss sie einfach zu bedienen sein, wobei ungeplante Ausfallzeiten der Maschine verhindert werden müssen. Für die Anlagen- und Prozesssicherheit ist ein Notbetrieb in jeder 'Lebenslage' ebenfalls Pflicht.

Sicherheitsanforderungen bei Kranen


Zu den Bereichen, in denen Funktionale Sicherheit eine immer wichtigere Rolle spielt, gehören unter anderem Windenergieanlagen, Regalbediengeräte, Spritzgießmaschinen oder eben Krane. Gerade bei Letzteren sind die Sicherheitsanforderungen hoch. So muss bei Brücken- oder Portalkranen die Last gemessen und mögliche Überlast erfasst werden. Ein Muss ist auch die Nachlaufmessung bei Not-Halt und der Notbetrieb zum Absenken der Last. Ein Applikationsvorteil ist die Kontrolle der Absetzgeschwindigkeit im Verhältnis zur Absetzhöhe. So lassen sich zykluszeitoptimierte Verfahrprofile generieren. Gehören zu einem Anlagenkomplex mehrere Krane, dann müssen Kollisionen verhindert werden. Eine überwachte Synchronfahrt der Brücke verhindert ein herabstürzen und das Aufspüren mechanischer Defekte sind gleichfalls Bestandteil eines funktionierenden Sicherheitskonzepts.

Neun Drehgeber, dreizehn Module


Bei Kübler kann der Anwender aus neun Drehgebern der Safety-Familie und dreizehn Sicherheitsmodulen seine passgenaue Lösung zusammenstellen. Bei der Wahl des richtigen Drehgebers für Funktionale Sicherheit entscheidet das 'Miteinander', denn Sicherheit wird durch das intelligente Zusammenspiel von Drehgeber, Steuerung und Aktuator erreicht. Mit SIL3/PLe-Zertifzierung sind die Sendix SSI/BiSS Absolut-Drehgeber mit zusätzlichem Sinus-Cosinus-Inkrementalausgang und Sendix Inkremental-Drehgeber in Sinus-Cosinus-Ausführung verfügbar.

Sicherer absoluter Drehgeber


Die Drehgebertypen der 58x3SIL-Familie liefern ein Absolut- und ein Inkrementalsignal. Die Absolutposition wird in Form eines digitalen SSI- oder BiSS- Datenworts übertragen. Bei den Singleturn-Varianten 5853SIL und 5873SIL beträgt die Auflösung je nach Variante zwischen 10 und 17Bit. Die Multiturn-Varianten 5863SIL/5883SIL haben im Vergleich zu den Singleturn-Varianten 5853SIL/5873SIL zusätzlich ein Getriebe zur Erfassung der absoluten Positionen größer 360°. Die Anzahl zur Erfassung der Umdrehungen beträgt 12Bit. Die Inkrementalposition wird in Form eines analogen Sinus-Cosinus- Signals bereitgestellt. Die Auflösung beträgt pro Umdrehung 2.048 Sinus-Cosinus-Perioden. Die sichere Information über die absolute Position erreichen die Absolut-Drehgeber Sendix SIL, indem die Steuerung die Inkrementalimpulse zählt und das Ergebnis mit der - ebenfalls vom Drehgeber bereitgestellten - Absolutposition vergleicht. Durch den Vergleich der digitalen Positionsdaten mit den Sinus-Cosinus-Signalen, welche von der Steuerung ständig mitgezählt und verglichen werden, wird die gemeldete Position verifiziert. Vor dem Abschalten der Anlage wird der absolute Positionswert von der Steuerung gespeichert. Beim Wiedereinschalten vergleicht die Steuerung den abgespeicherten Wert mit dem nach dem Einschalten neu gemessenen absoluten Wert. Sind beide Werte identisch, ist die Position sicher. Sind die Positionswerte nicht identisch, muss sie neu verifiziert werden. Die Drehgebertypen der 58x4SIL-Familie liefern ein Inkrementalsignal. Die Inkrementalposition wird in Form eines analogen Sinus-Cosinus-Signals bereitgestellt. Die Auflösung beträgt pro Umdrehung 1.024 oder 2.048 Sinus-Cosinus Perioden.

Sicherheit durch mechanischen Aufbau


Mechanische Fehler, wie z.B. ein Bruch der starren Drehmomentstütze mit Drehmomentstift oder das Abfallen des Drehgebers von der Motorwelle, werden durch mechanische Überdimensionierung der Bauteile der Safety-Geber von Kübler ausgeschlossen. Der Hersteller bietet zahlreiche mechanische Varianten an, beginnend bei einer Hohlwelle bis hin zu einer Vollwelle mit Abflachung oder mit Nutstein. Über Funktionale Sicherheit hinaus bieten die Sendix SIL-Drehgeber zusätzlichen Schutz. Sie zeichnen sich durch ihre robuste und zuverlässige Schnittstelle und eine hohe mechanische wie auch elektronische Belastbarkeit aus. Sowohl die inkrementalen als auch die absoluten Drehgeber für Funktionale Sicherheit sind nur in Verbindung mit einer sicheren Steuerung sicher, die die genannten Funktionen überwachen kann. Beide Geber verfügen über eine Zertifizierung der IFA (Institut für Arbeitssicherheit, früher BGIA) für Applikationen bis SIL3 bzw. PLe.

Safety-M-Module mit Sendix-SIL-Drehgebern


Mit diesen Drehgebern lassen sich in Kombination mit den Safety-M-Modulen umfangreiche Sicherheitsfunktionen umsetzen. Auch diese Module weisen hohe Sicherheitsstandards und Integrationsfähigkeit auf. So sind sie geeignet für Anwendungen bis PLe nach EN13849 bzw. SIL3 nach EN61508 und entsprechen als sichere, baumustergeprüfte Logiksteuerung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EC. Außerdem verfügen die Module über vordefinierte Funktionsblöcke, welche den Sicherheitsfunktionen zur Antriebsüberwachung nach EN 61800-5-2 entsprechen. Durch einen modularen Aufbau und ein Interface für alle gängigen Feldbussysteme können sie universell und genau den jeweiligen Anforderungen angepasst eingesetzt werden. Um den höchst möglichen Fehlererkennungsgrad (Diagnostic Coverage = DC) zu gewährleisten, besitzen die Module tiefgehende Diagnosefunktionen für Gebersysteme. Sie überwachen unter anderem z.B. die Sinus-Cosinus-Signale mittels der Funktion sin2+cos2=1. Maschinen sind mit einer Vielzahl von drehzahl- oder positionsgeregelten Antrieben ausgestattet. Diese Bewegungen haben teilweise ein erhebliches Gefährdungspotenzial, vor dem der Anwender zu schützen ist. Abgrenzungen durch Lichtgitter oder Schutzeinhausungen und Begrenzungen der Bewegung durch Endschalter verbunden mit der Abschaltung des Antriebs sind hauptsächliche Maßnahmen. Ein stillstehender energieloser Antrieb bedeutet im einfachsten Fall den sicheren Zustand. Jedoch kann es erforderlich/hilfreich sein, dass der Mensch sich im Gefahrenbereich der Maschine im laufenden Betrieb aufhält, z.B. zur Störungsbeseitigung. Dies erfordert eine Ausweitung der Sicherheitsfunktion auf die Bewegungen der Maschine - in Form von sicher reduzierter Geschwindigkeit, sicherem Arbeitsbereich oder Drehmomentbeschränkung. Dies ermöglicht dem Anwender einen erheblichen Nutzengewinn für seine Anlage. In Verbindung mit einem sicheren Positionieren können Endschalter und deren Verdrahtung und Wartung eingespart werden. Dies kann neben Funktionsgewinn auch noch eine Kosteneinsparung bedeuten. Natürlich werden damit dann auch zusätzliche Anforderungen an das Gebersystem gestellt. Dies führt vielfach zu der Verwendung eines weiteren Gebers, redundant zu dem Motorgeber, was wiederum einer aufwendigen und teuren Lösung entspricht. Optimal ist die Ausgestaltung des Motorgebers als sicherer Geber, verwendbar bis Performance-Level d oder e. Ein weiterer separater Geber kann entfallen und der Platzbedarf bleibt gleich. Ein erheblicher Kosten- und Installationsvorteil für den Anwender.

Sichere Antriebsüberwachung


Vordefinierte Sicherheitsfunktionen zur Sensor-/Aktorverarbeitung bieten eine erhebliche Vereinfachung in der Programmierung. So kann beispielsweise der Programmieraufwand zum logischen/zeitlichen Vergleich von Mehrfacheingängen der Sicherheitssensorik entfallen. Anstelle dessen wird die nötige Verarbeitung über das Peripheriekonfigurations-Menü ausgewählt. Im Programmeditor erscheint jedes Eingangs- und Ausgangselement nur als Funktionsblock. Sie sind bereits auf ein einzelnes Logiksignal reduziert. Die grafische Programmieroberfläche der Kübler-Lösung lässt intuitiv und sicher vorgehen. Makros für Eingangselemente wie Scanner, Lichtgitter oder Not-Halt und für Sicherheitsfunktionen (SS1, SLS, SLP, SLI, SOS usw.) sorgen für zusätzliche Bedienerfreundlichkeit. Konventionelle Sicherheitssteuerungen beschränken sich auf Logikverarbeitung bzw. auf reduzierte Wordverarbeitung von Daten. Eine sichere Antriebsüberwachung, wie sie die europäische Maschinenrichtlinie per Gesetz fordert, lässt sich so nur schwer umsetzen. Dagegen hat das Unternehmen Kübler großen Wert darauf gelegt, mit seinen Safety-M Modulen Zukunftssicherheit zu gewährleisten. Die neuen Aufgabenstellungen lassen sich mittels in der Firmware integrierter Sicherheitsunktionen zur Antriebsüberwachung umsetzen. Unabhängig von der Antriebstechnologie bieten sie alle Funktionen nach EN61800-5-2 zur Antriebsüberwachung und darüber hinaus praxisgerechte Funktionserweiterungen an. Das gilt für Ein- oder Mehrachsbetrieb, einfache Umrichter oder hochwertigen Servoantrieb, Elektro-, Hydraulik- oder Pneumatikantrieb.

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