Unsichtbare Sicherheit

Sensoren - Die Sicherheitstechnik verändert sich: Sie verlagert sich in die Steuerungstechnik, an Schutztüren von Werkzeug- und Verpackungsmaschinen wird die Überwachung unsichtbar. Berührungslos wirkende Sicherheitssensoren ersetzen konventionelle Sicherheitsschalter.

24. August 2005

Ein weiterer Trend ist die Integration der Sicherheitsschaltsysteme z. B. in ergonomische Türgriffe: Das spart Kosten bei der Montage und verbessert die Ergonomie. All diese integrierten Lösungen bieten Vorteile für den Maschinenbauer, aber auch für den Anwender der Anlage, der von dem hohen Sicherheitsniveau bei verbessertem Bedienkomfort und hoher Produktivität dank optimaler Integration in die Arbeitsabläufe profitiert. Ein Roboter, der ohne trennenden Schutzzaun arbeitet und dabei sogar mit einem Bediener kooperiert: Das entspricht nicht den gängigen Vorstellungen von Maschinensicherheit, nach denen der Roboter seine Arbeit ›hinter Gittern‹ verrichtet, um den Menschen zu schützen. Dennoch ist der Verzicht auf den Schutzzaun keine Utopie und kein Gedankenspiel, sondern Realität. Mehrere Forschungsprojekte, die sowohl von namhaften Industrieunternehmen als auch von den Berufsgenossenschaften betrieben bzw. gefördert werden, befassen sich mit entsprechenden Projekten.

Hand in Hand mit dem Roboter

Daß in der Industrie Interesse besteht, bei Roboterarbeitsplätzen Alternativen zum Schutzzaun zu nutzen, bedarf keiner großen Erklärung: Auf diese Weise werden ganz neue Formen der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine möglich. So kann ein Roboter zum Beispiel ein Bauteil festhalten, das ein Werker bearbeitet. Oder das Bedienpersonal kann Schweißnähte, die ein Roboter setzt, sofort inspizieren. Denkbar ist auch, Einlege- und Montageplätze ergonomischer zu gestalten. Wie aber kann man an solchen Arbeitsplätzen die erforderliche Sicherheit gewährleisten? Dazu hat Elan Schaltelemente Lösungen erarbeitet. Das zur Schmersal-Gruppe gehörende Unternehmen entwickelt sicherheitsgerichtete Steuerungen, die anhand von sogenannten kartesischen Nocken die Realposition des Roboterarms im Raum erkennen und zugleich prüfen, ob der Roboter innerhalb der einprogrammierten Sicherheitszone bleibt. Damit dient der Schutzzaun nur noch dazu, den Bediener vom Roboter fernzuhalten. Der Roboter selbst wird durch die integrierte Sicherheitssteuerung überwacht, die sozusagen als ›virtueller Schutzzaun‹ dient. Diese Lösung, die der ›Esalan‹ Safety Controller ermöglicht, befindet sich bereits im Serieneinsatz zum Beispiel an Lackierrobotern.

Sicherheit wird unsichtbar

Ziel der erwähnten Forschungsprojekte ist es, zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen zu realisieren, die den Bediener schützen. Dies kann beispielsweise durch verlangsamte Achsbewegungen in Verbindung mit zusätzlichen Sicherheitseinrichtungen wie z. B. Sicherheits- Laserscannern geschehen. Wenn der Roboter ohne Schutzzaun arbeitet, ist die Sicherheitstechnik unsichtbar geworden, und vormals mechanische Funktionen wurden in die Software verlagert. Eben diesen Trend der ›unsichtbaren‹ Sicherheitstechnik kann man auch an den Schutztüren von Maschinen und Anlagen erkennen. Üblicherweise installiert man an der Schließkante dieser Schutztüren elektromechanische Sicherheitsschalter, die die Stellung der Schutztür überwachen und ein entsprechendes Signal an den dazugehörigen Sicherheitsbaustein geben. Allerdings gibt es zu dieser ›klassischen‹ Variante Alternativen, die zunehmend in den Blick der Konstrukteure geraten. Die erste: Man verwendet Sicherheitsscharnierschalter, die an der Scharnierseite der Schutztür angebracht werden und den Vorteil bieten, daß man Platz spart und das Schalter gerät dort unterbringen kann, wo es keinesfalls stört. Hier profi tiert der Maschinenbauer vom Prinzip der Bauteilintegration, denn Scharnier und Stellungsüberwachung der Schutztür sind in einer Komponente zusammengefaßt. Diese Lösung bietet sich auch dann an, wenn das Sicherheitsniveau zwei prinzipverschieden wirkende Sicherheits- Schaltgeräte erfordert, denn es gibt Sicherheits- Scharnierschalter wie die Baureihe TV8S von Schmersal, bei denen zwei Sicherheitsschalter in einem Gehäuse untergebracht sind. Eine ganz neue Baureihe erlaubt darüber hinaus erstmals die Einstellung des Schaltwinkels - d. h. derjenigen Schutztürstellung, bei der der Scharnierschalter ein Signal ausgibt - im eingebauten Zustand. Dafür verwendet man aus Gründen der Manipulationssicherheit einen speziellen Schlüssel, anschließend wird diese Einstellmöglichkeit versiegelt. Eine weitere Alternative zu den elektro mechanischen Sicherheitsschaltern kommt seit vielen Jahren vor allem in der Nahrungsmittelindustrie zum Einsatz. Da man es hier häufig mit hygiene- sensiblen Prozessen zu tun hat, ist es zwingend erforderlich, daß die Maschine keine Totzonen aufweist, in denen sich Schmutz festsetzen könnte. Daher muß man auf Sicherheitsschalter mit mechanischem Betätiger verzichten und verwendet berührungslos wirkende Sicherheits-Sensoren, die man genauso montieren kann wie die Sicherheitsschalter oder aber - und das ist die elegantere Variante - verdeckt hinter nichtmagnetischen Abdeckungen aus Edelstahl oder Kunststoff.

Vielfalt der Bauformen

Diese Vorteile - zu denen noch die prinzipbedingte Verschleißfreiheit der Sensoren gehört - werden zunehmend auch in anderen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus genutzt. Dazu leistet die Norm EN 60947-5-3 einen wichtigen Beitrag, denn sie beschreibt die Anforderungen an die sogenannten »Proximity Devices with defined behaviour under fault conditions« (PDF). Zur Verbreitung der Sicherheits-Sensoren hat aber auch die große Variantenvielfalt der lieferbaren Ausführungen beigetragen. Es stehen unterschiedlichste Bauformen zur Verfügung, die sich u. a. durch die Gehäuseabmessungen und die Schaltabstände unterscheiden. Auch Varianten mit integrierter AS-i-SaWSchnittstelle stehen zur Verfügung. Ganz neu ist eine Baureihe zur Absicherung von Doppeltüren: Der BNS 16 LR verfügt über zwei aktive Flächen an der linken und rechten Seite des Sensorkopfes. Die Freigabe erfolgt, wenn beide Flächen betätigt werden - d. h. wenn beide Seiten einer Doppeltür, an der die Betätigungsmagnete angebracht sind, geschlossen werden. Dies gilt für dreh bare, abnehmbare und seitlich verschiebbare Schutztüren. Somit benötigt man für die Stellungsüberwachung von Schutztüren nur noch ein einziges Sicherheits- Schaltgerät und kann die Systemkosten entsprechend verringern. Da sich der Sicherheits-Sensor durch einen hohen Schaltabstand auszeichnet und ein hoher axialer Versatz möglich ist, vereinfachen sich Montage und Justage der Schutztür.

Türgriff mit Sicherheits-Sensorik

An konventionellen Metall-Schutztüren können die Sicherheits-Sensoren nicht verdeckt montiert werden. Man verwendet dann Baureihen mit codierten Betätigermagneten - d. h. der Sensor reagiert nicht auf handelsübliche Magneten und ist somit manipulationssicher. Ganz einfach läßt sich dieses Wirkprinzip nutzen, wenn man den Türgriffschalter BNS-B20 einsetzt. Bei ihm ist der Sensor zur Stellungsüberwachung der Schutztür direkt in dem ergonomisch geformten Türgriff untergebracht. Auch hier ist das eigentliche Sicherheitselement also unsichtbar. Diese Komplettlösung bietet u. a. den Vorteil der vereinfachten Montage. Zusätzlich sind auch Rastmagnete mit einer Zuhaltekraft von 100 N vorgesehen, die leichte Schutztüren zuhalten, so daß man auf einen zusätzlichen Riegelmechanismus verzichten kann. Üblicherweise gehören Sicherheits-Sensoren zur Gruppe der Magnetschalter, die Reedkontakte als Schaltelemente nutzen. Bei der CSS-180-Baureihe kommt hingegen ein neuartiges Puls- Echo-Verfahren zum Einsatz, das die Kommunikation zwischen Sensor und Betätiger in beide Richtung erlaubt. Dies ermöglicht nicht nur das Generieren zusätzlicher Diagnose-Informationen, sondern es löst auch das Problem, daß ein Versatz der Schutztür, der in der Praxis oft unvermeidlich ist, zum Stillsetzen der Maschine führt. Der CSS 180 erkennt den Schutztürversatz frühzeitig und gibt eine Warnmeldung aus, so daß der Anwender reagieren kann, bevor die Maschine stillgesetzt wird. Weil die Sensorik zudem einen Versatz von +/- 5 mm erlaubt, vereinfacht sich nicht nur die Justage der Schutztüren, sondern auch die Montage der Schutzeinrichtung. Die Signalauswertung wird ebenfalls einfacher und kostengünstiger: Mehrere CSS 180 können im ›Daisy chain‹- Prinizip in Reihe geschaltet und - bei gleichbleibender Steuerungskategorie - von einer einzigen Auswerteeinheit ausgewertet werden. Somit gibt es für den Konstrukteur gute Gründe, den Einsatz von Sicherheits- Sensoren als Alternative zu elektromechanischen Sicherheitsschaltern zumindest in Erwägung zu ziehen. Aber nicht nur aus pragmatischen Erwägungen der Montagefreundlichkeit, Verschleißfreiheit und Verfügbarkeit sind Sicherheits-Sensoren in vielen Fällen die bessere Wahl. Es ist auch im Sinne der Maschinensicherheit, bei der Schutztürüberwachung berührungslose Wirkprinzipien einzusetzen. Denn es gehört zu den sicherheitsgerichteten Konstruktionszielen, ein ›Umgehen (der Schutzeinrichtung) mit einfachen Mitteln‹ unmöglich zu machen. Genau das - der Schutz vor Manipulation - ist Grund für die Revision der EN-Norm 1088, die zurzeit überarbeitet wird. Diesen Schutz kann man z. B. dadurch erhöhen, daß die Sicherheitsschaltgeräte an unzugänglichen Stellen montiert werden. Denn je unzugänglicher die Schaltgeräte, desto schwieriger wird es, sie zu manipulieren. Somit tragen Sicherheitssensoren auch zu einem hohen Sicherheitsstandard von Maschinen und Anlagen sowie zur Verwirklichung von manipulationssicheren Schutzeinrichtungen bei.

Frank Schmidt, K. A. Schmersal

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2005