Sichere Sache

Antriebssicherheit - Am Anfang standen die Integration von Steuerungselementen und die Dezentralisierung an der Spitze der Innovation in der Antriebstechnik. Jetzt hat die Integration von Sicherheitsstandards in die elektrische Antriebstechnik höchste Priorität.

02. August 2007

Konventionelle Antriebslösungen arbeiten überwiegend nach dem Ansatz, funktionale Sicherheitskomponenten zusätzlich zum elektrischen Antriebsregler anzuordnen. Beispiele sind Sicherheitsschaltgeräte, Lichtgitter- Auswertegeräte, Drehzahlwächter und sichere Steuerungen.

Heute gibt es sie kaum noch, diese Trennung zwischen nicht sicheren und sicheren Aufgaben in einer Maschine, von SPS über das Bussystem bis hin zum Antriebsregler. Sicherheitssteuerungen können sowohl sichere als auch nicht sichere Logik in einem Gerät ausführen.

Sicherheitsbussysteme sind in der Lage, sowohl sichere, als auch nicht sichere Daten gleichzeitig auf nur einem physikalischen Bus auszutauschen. Heute können auch elektrische Antriebe ihren Teil zur funktionalen Sicherheitstechnik im Maschinenbau beitragen. Es werden anspruchsvolle Funktionen im Antrieb bereits vom Hersteller bereitgestellt:

• sicher begrenzte Geschwindigkeit (SLS),

• sichere Bewegungsrichtung (SDI),

• sichere Maximalgeschwindigkeit (SMS),

• sicher begrenztes Schrittmaß (SLI),

• Betriebsartenwahlschalter (OMS) mit Zustimmtaster- Funktional,

• sicher abgeschaltetes Moment (STO), Sicherer Stopp 1 (SS1) & sicherer Stopp 2 (SS2),

• sichere Kaskadierung,

• sichere zweikanalige Eingänge und Ausgänge,

• direkter Anschluss von Sicherheitsbussystemen wie Profisafe - wahlweise über Profibus oder Profinet.

Durch die Integration dieser Funktionen in den Antrieb ergeben sich für den Maschinenbauer Einsparungspotenziale. Die komplexe Thematik der Sicherheitstechnik wird zudem übersichtlicher, die Systemstruktur vereinfacht.

Bisher notwendige Hardware, wie Sicherheitsschaltgeräte, Drehzahlwächter, Netz- und Motorschütze, kann häufig entfallen. So wird die Systemstruktur übersichtlicher, der Verdrahtungsaufwand geringer, die Kosten sinken.

Außerdem lässt sich die Sicherheitskategorie in der gesamten Maschine leichter einhalten, weil die einzelnen Sicherheitsfunktionen im Antrieb bereits durch eine Prüfstelle zertifiziert sind. Der Anwender kann Funktionen je nach Anforderung durch skalierbare Sicherheitsmodule auswählen.

Antriebsspezialist Lenze aus Ärzen will mit seiner »Drive-based Safety« den künftigen Entwicklungen gerecht werden. Sollten in einer Anlage später weitere Sicherheitsfunktionen benötigt werden, lässt sich das vorhandene Sicherheitsmodul problemlos gegen ein anderes austauschen. Ein Standbein dabei ist die verbesserte Diagnose: Alle Informationen über die herrschenden Stati des Sicherheitsmoduls stehen auch im Antriebsregler zur Verfügung.

Nach Maß skalierbar

Mit den Servo Drives 9400 nimmt sich Lenze des Themas der integrierten Sicherheitstechnik im Antrieb an. Das Grundgerät besitzt insgesamt vier Einsteckplätze, von denen einer ausschließlich für die Sicherheitstechnik reserviert ist. Es stehen vier verschiedene Module zur Verfügung, mit einer Abstufung von Sicherheitsfunktionen. Wird in der Anwendung keine Sicherheitstechnik benötigt, steckt der Bediener einfach das SM0 (Sicherheitsmodul 0) ein und der Antriebsregler kann in Betrieb gehen. Das SM301 deckt den vollen Umfang an Sicherheitsfunktionen ab. Somit lässt sich für die jeweilige Anwendung das passende Modul auswählen.

Sollte ein späterer Ausbau der Maschine weitere Sicherheitsfunktionen erforderlich machen, dann ist der Tausch gegen ein höherwertiges Modul problemlos möglich. Da die Module steckbar ausgeführt sind, kann der Anwender das Sicherheitsmodul im Servicefall mit wenigen Handgriffen ausbauen und in einen neuen Regler stecken. Dieses Konzept steigert somit die Verfügbarkeit der Maschine, weil sich diese schnell wieder anfahren lässt. Durch die modulare Ausführung ist das Konzept offen für die Zukunft.

Sichere Parametrierung

Die Parametrierung der Sicherheitsfunktionen erfolgt in der Engineering-Umgebung des Antriebsreglers. In einem separaten Dialogfeld lassen sich die sicherheitstechnisch relevanten Parameter für die jeweilige Anwendung anpassen. Diese Eingabe erfolgt offline im Engineering Tool. Die Daten des kompletten Parametersatzes werden anschließend auf das Sicherheitsmodul gespielt. Dies dürfen nur autorisierte Mitarbeiter. Sie können nur nach Passworteingabe die sicherheitsrelevanten Daten verändern und auf das Modul laden.

Im Engineering Tool wird vor dem Download auf das Modul eine Checksumme gebildet. Der Datensatz ist im Antriebsregler zweimal gesichert - auf dem Sicherheitsmodul und zusätzlich auf dem Speichermodul, das alle Parameter des Antriebes und die eigentliche Applikation vorhält. Sind die sicheren Parameter im Sicherheitsmodul angekommen, wird im Modul erneut eine Checksumme gebildet und zum Engineering Tool zurückgesendet. Stimmt dieser Wert mit der anfangs gebildeten CRC im Engineering Tool überein, war die Parametrierung erfolgreich und wird wirksam.

Strikt getrennt

Wie in Bild 5 dargestellt, sind das Sicherheitsmodul (gelb) und der Servo-Umrichter (blau) im Antrieb strikt getrennt.

Das Sicherheitsmodul ist mit zwei Mikrocontrollern ausgestattet, die sich fortlaufend gegenseitig überwachen und Diagnosefunktionen durchführen. Der Mikrocontroller des Grundgeräts ist nicht in die sicherheitsrelevanten Vorgänge mit einbezogen, sodass jegliche Änderungen und Erweiterungen am Betriebssystem des Grundgeräts rückwirkungsfrei auf die Sicherheitstechnik bleiben.

Für Sicherheitsfunktionen, die eine Drehzahlauswertung benötigen, kommt einzig und allein der vorhandene Motorgeber zum Einsatz. Die Drehzahlauswertung findet auf mehreren Wegen statt. Während das Sicherheitsmodul selbst diesen Wert aufbereitet und im Mikrocontroller 1 vorhält, stellt der Servo-Umrichter eine zweite Auswertung über eine interne Schnittstelle dem Mikrocontroller 2 auf dem Sicherheitsmodul zur Verfügung. Kommt es zu einer Abweichung, schlägt die Fail-Safe-Logik zu und schaltet zweikanalig die Spannungsversorgung für die Optokoppler der IGBTs vom Wechselrichter ab. So kann kein Drehmoment bildendes Wechselfeld an den Motorklemmen mehr ausgegeben werden. Der Antrieb ist sicher stillgesetzt.

Die Sicherheitstechnik gewinnt in Zukunft mit steigendem Automatisierungsgrad und sich verschärfenden Anforderungen durch Normen weiter an Bedeutung. Die Nachfrage nach vereinfachenden Konzepten zur Erfüllung der Anforderungen an die funktionale Sicherheit in Maschinen und Anlagen steigt. Schnellere Zykluszeiten, geringere Komponentenkosten und schnellere Installation führen unter dem Strich zu sinkenden Maschinenkosten bei gleichzeitig steigender Produktivität im Betrieb.

Martin Grosser, Lenze AG/ps

Fakten

Drive-based Safety:

• Sicherheitsmodule lassen sich gegen höherwertige austauschen - jederzeit.

• Verbesserte Diagnose: Alle Informationen über die herrschenden Stati im Antriebsregler abrufbar.

• Integriert in den Servo Drives 9400.

• Parametrierung erfolgt in Engineering-Umgebung des Antriebsreglers.

• Strikte Trennung von Sicherheitsmodul und Servo-Umrichter.

• Abschaltung durch Fail-Safe-Logik.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007