Eingebaute Sicherheit

Mechatronik – Die Integration der Sicherheitsfunktionen direkt in den Antrieb verkürzt die Reaktionszeit, erleichtert die Diagnose und bringt zudem Kostenvorteile. Steckbare Funktionsmodule ermöglichen eine maßgeschneiderte Anpassung ans jeweilige Einsatzgebiet.

23. Mai 2008

Die sichere Abschaltung einer Bewegung gehört zu den wichtigsten Sicherheitsfunktionen eines Antriebs, speziell, wenn sich Personen im Gefahrenbereich einer Maschine oder Anlage aufhalten. In vielen Anwendungen genügt dazu die sichere Trennung des Antriebs von seiner Leistung. Erreichen lässt sich dies grundsätzlich entweder durch externe Komponenten, also Schütze, die die Leistungsversorgung der Antriebe trennen, oder die Stillsetzung erfolgt direkt im Antrieb durch Abschaltung der Impulsmuster über Optokoppler. Die rein kontaktbehaftete Versorgungsunterbrechung arbeitet allerdings vergleichsweise träge und ist deshalb nicht mehr Stand der Technik. Ein deutlich schnelleres Abschalten gewährleistet die antriebsintegrierte Sicherheitstechnik mit der Unterbrechung der Impulsmuster, wie sie der Hamelner Antriebstechnikspezialist Lenze bei seinen Servoantrieben der Serie 9400 anbietet. Maßgeblich für eine funktionale Sicherheit ist jedoch nicht allein das bloße Abschalten des Antriebs, schließlich lässt sich ein stromloser Antrieb auch bei abgeschalteter Leistung durch äußere Einwirkung nach wie vor in Rotation versetzen. Bei einer Kran-Anwendung beispielsweise hätte dies verheerende Auswirkungen, wenn nicht eine gesonderte Bremse ein unkontrolliertes Fallen der Last verhindert. Auch erreichen Systeme mit hohen Trägheitsmomenten, wie beispielsweise Zentrifugen, den Stillstand deshalb erst nach vergleichsweise langer Zeit.

Unterschiedliche Anwendungen erfordern deshalb unterschiedliche Strategien zum Stopp eines Antriebs. Die zuständige Norm IEC 61 800 unterscheidet dazu drei unterschiedliche Funktionen: Safe Torque Off (STO) unterbindet als »Sicherer Halt« die Zuführung des Moments zum Antrieb und erfordert dabei generell keine Versorgungsunterbrechung. Die Funktion Safe Stop 1 (SS1) bremst den Antrieb als Stopp-Kategorie 1 nach EN 60 204 mit der Antriebsenergie ab und unterbricht die Zuführung des Moments, sobald die Ruhelage erreicht ist. Safe Stop 2, auch bekannt als »Sicherer Betriebshalt «, erweitert die Funktion des SS1. Nach dem geführten Stillsetzen des Antriebs verweilt dieser in Regelung und stabilisiert somit den Stillstand.

Moderne Antriebsregler mit integrierten Sicherheitsfunktionen bestehen aus dem Funktionsteil, das die eigentliche Antriebsregelung übernimmt, sowie einem zweikanalig aufgebauten Sicherheitsteil, das den Funktionsteil stetig daraufhin überwacht, ob die Abarbeitung auch wirklich richtig erfolgt und bei unzulässiger Funktion das sofortige Stillsetzen des Antriebs einleitet. Für die Antriebsregler 9400 von Lenze gibt es deshalb steckbare Optionskarten, mit denen sich die genannten drei Funktionen für die jeweilige Anwendung maßgeschneidert kombinieren lassen. In der maximalen Ausbaustufe bietet das Sicherheitsmodul die Funktionen STO, SS1, SS2, sicher begrenzte Geschwindigkeit (SLS), sichere Maximalgeschwindigkeit (SMS), sichere Geschwindigkeitsrückmeldung (SSM), Betriebsartenwahlschalter (OMS) mit Zustimmung (ES), das Sicherheitsbussystem Profisafe über Profibus und Profinet, sichere zweikanalige I/Os sowie die sichere Parametrierung zur Anpassung der sicheren Parameter.

Überwachung durch Mechatronik

Eine größere Herausforderung als reine Stopp-Funktionen ist die sichere Überwachung von Drehzahlen und Positionen zu jedem Zeitpunkt. In den Sicherheitsmodulen werden deshalb ständig zahlreiche Diagnosefunktionen ausgeführt. Entscheidend ist dabei das präzise Zusammenspiel zwischen Elektronik, Antriebsregler und Elektromechanik mit dem Motor einschließlich des Rückführsystems. Adäquat bewältigen lässt sich diese Aufgabe deshalb nur mit einer mechatronischen Lösung als Gesamtheit der Komponenten. Im Vergleich zu konventionellen Lösungen erleichtert die Integration der funktionalen Sicherheit in die Antriebsregler also die Realisierung der Sicherheitstechnik und vereinfacht zugleich die Systemstruktur. Zudem erspart sie die Kosten für externe Komponenten sowie für ein zweites Gebersystem bei sicher begrenzter Geschwindigkeit. Weil dabei alle Informationen über den Status der Sicherheitstechnik auch im Umrichter zur Verfügung stehen – und somit auch in der überlagerten SPS –, verbessern sich zudem die Diagnosemöglichkeiten.

Martin Grosser, Lenze AG

Erschienen in Ausgabe: 03/2008