Integrierte Sicherheitsfunktionen nach EN ISO 13849 senken die Kosten in der Hydraulik

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Föhrenbach GmbH

Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

JUNG Hebe- und Transporttechnik GmbH

Institut f. Fluidtechnik der TU-Dresden

Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA)

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Das Forschungsvorhaben verfolgt den Ansatz, die Informationen bereits vorhandener Sensoren in hydraulischen Komponenten und Systemen miteinander zu verknüpfen, um dadurch Informationen zur sicheren Bestimmung des Zustands der Antriebskomponenten zu gewinnen. Zusätzliche redundante Sensoren sind aus Platz- und Kostengründen zu vermeiden. Die Attraktivität eines fluidtechnischen Antriebs für den Einsatz in sicherheitsbezogenen Anwendungen lässt sich dann erheblich steigern, wenn der Maschinenhersteller auf eine sicherheitstechnische Komplettlösung zurückgreifen kann. Auf diese Weise ist es möglich, den Entwicklungsaufwand zur Umsetzung von Sicherheitsmaßnahmen für den Maschinenhersteller beträchtlich zu reduzieren.

Gefahrenanalyse und -beurteilung am Mehrspindel-Drehautomat

Die Sicherheitsanforderungen sind stark mit der Anwendung verknüpft. Für das Forschungsprojekt wurde ein CNC-Mehrspindel-Drehautomat des Herstellers Schütte, Köln, als Beispielanwendung ausgewählt (Bild 2) [5]. Die Maschine dient zur automatischen, mehrstufigen Bearbeitung komplexer Drehteile. Die Vorschubbewegung der Werkzeugschlitten wird über elektrohydraulische Achsen gesteuert (Bild 3).

Anhand der ausgewählten Maschine wurde exemplarisch eine Gefahrenanalyse und Risikobeurteilung durchgeführt. Dazu wurde die noch im Entwurf befindliche prEN ISO 23125 [6] herangezogen. Die Norm bezieht sich bei der Gestaltung der sicherheitsbezogenen Teile der Steuerung bereits auf die EN ISO 13849-1. Mit der Spezifikation der Sicherheitsanforderungen wurden die Rahmenbedingungen für die Entwicklung eines sicherheitsrelevanten Antriebs festgelegt.

Arbeitsraum der Maschine ist der größte Gefahrenbereich

Je nach Betriebsart und Eingriffsmöglichkeit können sich die gefahrbringenden Situationen für die an der Maschine arbeitenden Personen ändern. Hauptgefahrenbereich am Mehrspindel-Drehautomat ist der Arbeitsbereich. Dort verursachen die Drehung der Spindeln und der Spindeltrommel, aber auch die elektrohydraulischen Vorschubantriebe gefahrbringende Bewegungen (Bilder 3 und 4).

Im Automatikbetrieb der Maschine ist der Eingriff des Bedieners in den Gefahrenbereich nicht notwendig. Die verriegelte, trennende Schutzeinrichtung mindert das Risiko hinsichtlich der genannten Gefährdungen hinreichend.

Sichere Begrenzung von Vorschub- und Drehbewegung mindert Risiken

Im Einrichtbetrieb kann es jedoch erforderlich sein, entweder Einstellungen und Vermessungen zur Optimierung von Bearbeitungsprozessen vorzunehmen oder manuell Störungen bei geöffneter Schutzeinrichtung zu beseitigen, ohne dabei die Antriebssteuerung von der Energiezufuhr zu trennen. Dazu sind ersatzweise Sicherheitsmaßnahmen notwendig. Eine hinreichende Risikominderung kann bei der Beispielanwendung durch eine sichere Begrenzung von Vorschub- und Drehbewegung erreicht werden.

Die prEN ISO 23125 schreibt eine maximale Vorschubgeschwindigkeit von 2 m/min vor. Für die Sicherheitsfunktion „Sicher begrenzte Vorschubgeschwindigkeit“ hat man am Institut für Fluidtechnik ein Konzept zur Gestaltung der sicherheitsbezogenen Teile der Steuerung auf Basis der EN ISO 13849-1 entworfen. Anhand der beispielhaften Berechung des Performance-Levels wurde dargelegt, dass sich auf Basis dieses Lösungsvorschlags die erforderliche Sicherheitsanforderung erreichen lässt [7]. Außerdem wurde gezeigt, dass die Umsetzung von Sicherheitsfunktionen in einem elektrohydraulischen Antrieb heutzutage noch mit einem erheblichen gerätetechnischen Aufwand verbunden ist.

Methoden zur Fehlererkennung ersetzen redundante Wegmesssysteme

Zur Realisierung von Sicherheitsfunktionen in einem geregelten fluidtechnischen Antrieb sind sichere Informationen über die sich stetig ändernden Zustände der hydraulischen Komponenten wie dem Proportionalventil, erforderlich. Um dabei auf ein redundantes Wegmesssystem verzichten zu können, wurden innerhalb des Forschungsprojekts unterschiedliche Fehlererkennungsmethoden auf ihre Einsetzbarkeit in sicherheitsbezogenen Anwendungen geprüft.

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