Sicher mit Funk

Datenübertragung - Von den Vorteilen der Wireless-Technologien in der automatisierten Produktion waren Sicherheits-Schaltgeräte lange Zeit ausgenommen. Inzwischen gibt es jedoch ein sicheres Funkprotokoll für die industrielle Automation, und es liegen auch bereits erste Praxiserfahrungen von Anwendern vor.

02. August 2007

Von der TV-Fernbedienung über die Mobiltelefonie bis zu Funkfernsteuerungen an Lkw-Ladekranen und Hallenkranen: Die kabellose Signalübertragung ist weit verbreitet. Gerade in der Industrieautomation sind ihre Vorteile besonders deutlich, weil die Wireless-Technologien den Verzicht nicht nur aufs Kabel, sondern auch auf weitere verschleißanfällige Komponenten wie Energie- oder Drehdurchführungen erlauben. Zudem wird der Konstrukteur sehr viel flexibler in der Anordnung, beispielsweise von Schaltgeräten. Auch lassen sich »Last minute«-Änderungen in der Konstruktion von Maschinen und Anlagen schneller realisieren, wenn man keine Zuleitungen für die Signale vorsehen muss.

Dass diese Vorteile bei sicherheitsgerichteten Komponenten in der industriellen Automation bislang nicht genutzt werden konnten, hat seinen Grund: Die Maschinenrichtlinie und die ihr nachgeordneten Normen stellen hohe Anforderungen an die Ausfallwahrscheinlichkeit und Verfügbarkeit sowie an die Geschwindigkeit, mit der die Signale übertragen werden ? Anforderungen, die deutlich höher sind als bei den Kranen, die nicht als Maschinen im Sinne der Maschinenrichtlinie gelten.

Deshalb mussten die Entwickler der Schmersal Gruppe bei der Konzeption eines sicherheitsgerichteten Datenfunks für Maschinen und Anlagen grundsätzlich andere Wege beschreiten.

Ein Beispiel: Während sich die Funkfernsteuerung von Kranen jeweils eine freie Frequenz sucht, wenn ein Befehl gesendet wird, steht beim ESALAN-Wireless-System die Funkverbindung kontinuierlich an. Nur so lassen sich die geforderten kurzen Abschaltzeiten von unter 200 Millisekunden realisieren.

Die Verbindung wird dabei auf einer von zwei definierten Frequenzen im lizenzfreien 433-MHz- und 869-MHz-Band hergestellt. Dieses »zweigleisige« Übertragungsverfahren ist eines von mehreren Sicherheitsmerkmalen: Da die industrielle Produktion mit zahlreichen Wireless- und HF-Systemen, Verschattungen und Abstrahlungen ? zum Beispiel durch Maschinengehäuse ? eher ungünstig für die Signalübertragung ist, kann man nicht ausschließen, dass es zu einer Störung kommt. Das System erkennt eine solche Störung sofort und wechselt dann auf die andere Frequenz.

Eine zweite Maßnahme, die wesentlich zur hohen Verfügbarkeit beiträgt, ist die Fehlertoleranz von sieben nicht oder nicht konsistent empfangenen Sendetelegrammen. Darüber hinaus wurden vier unterschiedliche Kanalpaarungen und eine einstellbare Sendeleistung vorgesehen. So wird vermieden, dass sich mehrere ESALAN-Wireless-Systeme wechselseitig beeinflussen. Zusätzlich sind Hardware-Identifier installiert, die eine klare Zuordnung von Sender und Empfänger gewährleisten.

Mit dem System lassen sich Lösungen bis zur Steuerungskategorie 4 gemäß DIN EN 954-1 beziehungsweise bis SIL-Level 3 (EN 61508) und Performance Level »e« nach prEN 13849-1 realisieren. Auch die Anforderungen, welche die IEC EN 60204-1 für kabellose Steuerungen definiert, werden erfüllt: Die BG-Baumusterprüfung liegt vor. Somit bestehen für den Maschinenbauer keinerlei Einschränkungen auch bei höchsten Anforderungen an das Sicherheitsniveau. Und die Praxiserprobungen zeigen, dass das System auch unter sehr ungünstigen Bedingungen eine zuverlässige Signalübertragung gewährleistet.

Vorteile im Einrichtbetrieb

Maschinen- und Anlagenbauer sparen durch die Wireless-Technologie zwar Kosten für Kabel, Verbindungs- sowie Leitungsführungselemente. Auch ist die Installation weniger aufwendig. Allerdings müssen für die kabellosen Sicherheits-Schaltgeräte und die Empfangseinheiten im Schaltschrank auch höhere Kosten veranschlagt werden als für kabelgebundene Komponenten. Dafür gibt es in vielen Anwendungen Vorteile ? zum Beispiel beim Einrichtbetrieb von Maschinen und Anlagen.

Bei dieser Sonderbetriebsart kann man eine Maschine mit geöffneter Schutzeinrichtung und verlangsamten Bewegungen betreiben. Dabei ist für den Bediener die Nähe zum Prozess, den er beobachten und in den er unter Umständen eingreifen muss, entscheidend. Mit einem kabellosen Not-Halt-Gerät ist diese Nähe gewährleistet. Deshalb hat ein Anwender von hydraulischen Pressen seine Anlagen kürzlich auf solche Geräte mit ESALAN Wireless umgerüstet. Ein Anwender aus der Papierindustrie nutzt das System für den kabellosen Zustimmungsbetrieb während des Auswechselns von tonnenschweren Papierrollen an den Verarbeitungsmaschinen.

Zustimmungsschalter ohne »Stolperfalle«

Auch bei einer zweiten Sonderbetriebsart bewährt sich ESALAN Wireless ? zum Beispiel bei einem führenden Hersteller von Haushaltgeräten, der in einem seiner Werke eine hoch automatisierte Fertigungsstraße für die Spülräume von Geschirrspülmaschinen betreibt. Bei der Prozessbeobachtung von Schweißvorgängen mussten die Mitarbeiter bislang temporär wirkende, kabelgebundene Zustimmungsschalter einsetzen. Nun sind sie vollkommen ortsungebunden und es gibt keine »Stolperfallen« mehr durch herumliegende Kabel. Das Bedienpult funktioniert nämlich kabellos. Diese Technologie verbessert also Ergonomie und Arbeitssicherheit.

Denselben Vorteil nutzt ein Hersteller von Druckmaschinen. Hier mussten die Bediener bei der Betriebsart »Prozessbeobachtung« bislang ein Zweihand-Bedienpult mitführen, das über eine bis zu 30 Meter lange Schleppleitung mit der Maschine verbunden war. Darauf kann man nun verzichten ? dank ESALAN Wireless. Die »Ortsbindung« der Hände des Beobachters wird über einen Zustimmungsschalter und einen Tipptaster sichergestellt. So ist gewährleistet, dass er nicht mit der Hand ins Druckwerk gerät und stets freie Sicht auf den Prozess hat.

Mit diesen Anwendungen ist das Potenzial der sicherheitsgerichteten Funkstrecke aber noch nicht erschöpft. Die Schmersal Gruppe arbeitet ? in Kooperation mit Kunden aus dem Maschinen- und Anlagenbau ? an zahlreichen konkreten Projekten. Da das Interesse auch aus Amerika und Asien groß ist, plant man die Nutzung weiterer Frequenzbereiche: In den USA beispielsweise sind die 433-MHz- und 869-MHz-Bereiche nicht nutzbar. Ein ESALAN-Wireless-System, das auf 2,4 GHz sendet, ließe sich hingegen weltweit einsetzen. Wenn man dann auf die aktive Frequenzumschaltung verzichtet, würde man auch nochmals kürzere Reaktionszeiten realisieren.

Auf der Produktseite werden neben mobilen Not-Halt-Einrichtungen und Fußschaltern in Kürze auch weitere Bauarten von Sicherheits-Schaltgeräten mit ESALAN-Wireless-Modulen ausgerüstet.

Zudem sind als aktuelle Neuheit Module mit integrierter Antenne verfügbar, die mechanisch außerordentlich robust sind und aus EMV-Sicht eine bessere Abstrahlcharakteristik aufweisen. Somit wird sich ? davon sind die Konstrukteure bei Schmersal überzeugt ? die kabellose Verbindung zum Sicherheits-Schaltgerät ebenso durchsetzen wie die zur nicht-sicherheitsgerichteten Sensorik und Aktorik.

Siegfried Wolf, Schmersal/ml

Fakten:

ESALAN-Wireless-Systemkomponenten:

? mobile Steuergehäuse mit Sende-Elektronik, Akkus und Sende-Antenne,

? parametrierbares Auswerte- und Steuergerät mit Empfangselektronik, 2 Antennenbuchsen, 6 sicherheitsgerichteten Ausgängen (Steuerungskategorie 4 gemäß EN 954-1), drei Meldekontakten und 4 sicherheitsgerichteten Eingängen (beziehungsweise zweimal einen Eingang bei SK-4-Anforderungen gemäß EN 954-1),

? zwei Empfangsantennen ? je eine für 433 und für 869 MHz ? zur externen Anordnung bis zu 20 m Entfernung vom Auswertegerät,

? Ladegerät, Zubehör

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007