Sichere Bewegung

Safe Motion – Integrierte Sicherheit in Antrieben ist ein Trend in der Automatisierung. So wird die Ergonomie, Verfügbarkeit und Produktivität von Maschinen erhöht.

11. November 2008

Sichere Antriebstechnik basiert auf einer Verzahnung von Standardantriebs- und Sicherheitskomponenten. Nach heutigem Stand der Technik führt die Bewegung stets eine nicht sichere Komponente aus. Die sichere Komponente garantiert, dass während des Einrichtbetriebs keine Gefahr bringenden Bewegungen entstehen.

Sicherheitsklassen

Sichere Antriebsfunktionen lassen sich in drei Klassen aufteilen: sichere Stopp-Funktionen, Funktionen zur sicheren Bewegungsüberwachung und sonstige Sicherheitsfunktionen. Die Integration der Sicherheit in den Antrieb eröffnet neue Perspektiven für die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine. So lassen sich Maschinen bei sicher reduzierter Geschwindigkeit und geöffneten Schutzgittern komfortabel einrichten. Die Realisierung der Sicherheitsfunktionen mit externen Komponenten ist am Markt etabliert und wird auch in Zukunft ihre Berechtigung haben. Die Basisfunktion von sicheren Antriebsfunktionen ist die sichere Abschaltung der Energiezufuhr. Die Nachteile von externen Lösung sind hinlänglich bekannt: zusätzliche Verdrahtung, langsame Reaktionszeit, zusätzliches Netzschütz und Entladen des Zwischenkreises. Die integrierte sichere Pulssperre ermöglicht eine Kategorie-3-Abschaltung nach DIN EN 954-1 oder SIL 2 nach DIN EN 61508.

Für die Funktionen der sicheren Bewegungsüberwachung existieren ebenfalls externe und integrierte Lösungen. Für die Entscheidung, ob eine Bewegung die vorgegebenen Grenzwerte einhält, sind Signale erforderlich, die einen eindeutigen Rückschluss auf die Bewegung des Aktors erlauben. Um die Bewegungsüberwachung sicher auszuführen gilt es, die Sensorsignale auf Plausibilität hin zu überprüfen.

Ein Beispiel hierfür ist das multifunktionale Sicherheitssystem PNOZmulti, mit dem sich Funktionen wie ›sicher reduzierte Geschwindigkeit‹ und ›sichere Drehrichtung‹ umsetzen lassen. Die Implementierung ist sehr einfach, da zur Überwachung das Feedbacksignal des Antriebes parallel ausgewertet wird. Bei der Detektion eines Fehlverhaltens wird der Antrieb über die heute übliche Impulssperre im Verstärker abgeschaltet. Das parallele Auswerten von Gebersignalen mittels einer Sicherheitskomponente ermöglicht die Realisierung einer sicheren Bewegungsüberwachung als externe Lösung. Zu berücksichtigen ist allerdings der höhere Verdrahtungsaufwand. Der Vorteil dieser Lösung zeigt sich in der einfacheren Nachrüstung bestehender Anlagen. Der Markt bietet im Bereich der Steuerungstechnik heute zwei Topologien:

Eine leistungsfähige Steuerung, zum Beispiel IPC mit Soft-SPS, ist über ein schnelles Bussystem direkt mit Feldgeräten verbunden und steuert somit zentral eine gesamte Anlage.

Zentrale Sicherheit

Oder eine Anlage ist in Zellen organisiert, die jede für sich mit einer eigenen Steuerung autark funktionsfähig ist. Diese dezentralen Steuerungen sind über ein Feldbus-System miteinander oder mit einer übergeordneten Steuerung verbunden. Verteilte Steuerungen können in Zukunft die Trennung zwischen beiden Welten aufheben. Ein zentrales Programm kann fast beliebig auf verschiedene Steuerungen verteilt werden. Eine zentrale Sicht der Anlage besteht, während die HW-Konfiguration unterschiedlich sein kann.

Was für Standardsteuerungen gilt, lässt sich auch auf die Sicherheitstechnik übertragen. Schnelle ethernetbasierte sichere Bussysteme lassen zentrale, dezentrale und verteilte Topologien zu. Diese ermöglichen die sichere Auswertung von Achsdaten – und damit die Überwachung – an einer zentralen Stelle. Für das sichere Ethernet-System SafetyNET p von Pilz stehen zwei Kommunikationsprinzipien zur Verfügung, um auch besonders zeitkritischen Applikationen Rechnung tragen zu können. Während die Variante Real time frame network (RTFN) vollständig kompatibel zu dem aus der Büroautomatisierung bekannten Standard-Ethernet ist und eine System-Zykluszeit von etwa 1 Millisekunde ermöglicht, lässt sich mit der Variante Real time frame line (RTFL) eine System- Zykluszeit bis zu 62,5 Mikrosekunden realisieren. Durch diese Optimierung der Zykluszeiten eignet sich das System auch für Antriebssteuerungen.

Maschinensicherheit

Grundlegend ist die Frage zu stellen, welche risikomindernden Maßnahmen für eine Applikation gefordert sind. So sind berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen wie Lichtvorhänge oder ortsgebundene Schutzeinrichtungen wie Zweihandbediengeräte an eine sicherheitsgerichtete Auswertung angeschlossen. Über die Ausgänge der Auswerteeinheit wie Sicherheitssteuerung werden nun sichere Antriebsfunktionen aktiviert. Bei einfachen Anwendungen macht es Sinn, die sicherheitsgerichtete Auswertung in den Antrieb zu integrieren und Sensorik direkt an den Servoverstärker anzuschließen. Aufgrund der begrenzten externen Schnittstellen wird bei größeren Applikationen eine separate konfigurierbare oder programmierbare sichere Auswerteinheit zum Einsatz kommen.

Safe Motion

Die Entwicklung von Safe-Motion- Lösungen steht erst am Anfang. Neue komplexe sichere Sensorsysteme wie Kameras oder Drehgeber in Kombination mit ethernetbasierten sicheren Bussystemen erschließen völlig neue Dimensionen bei der sicheren Bewegungsüberwachung. Antriebsintegrierte und externe Sicherheitskomponenten werden auch zukünftig noch ihre Berechtigung haben. Bei externen Lösungen werden die heute gerne angeführten Nachteile wie hoher Verdrahtungsaufwand und längere Reaktionszeiten durch eine schnelle sichere Buskommunikationen und leistungsfähigere sichere Steuerungen aufgehoben.

Roland Gaiser, Pilz/csc

FAKTEN

Pilz ist mit über 1.200 Mitarbeitern international agierender Technologieführer in der sicheren Automatisierungstechnik. Neben Deutschland ist Pilz mit 24 Außenstellen auf allen Kontinenten vertreten. Pilz bietet Produkte für die Steuer- und Überwachungstechnik, für die Steuerungstechnik sowie für die Sensorik. Weiterhin stehen Automatisierungslösungen mit Motion Control zur Verfügung.

Erschienen in Ausgabe: 08/2008