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Servoantrieb

Sicherheit für schwerkraftbelastete Achsen

| Autor/ Redakteur: Markus Frei / Stefanie Michel

Schwerkraftbelastete Vertikalachsen stellen ein Sicherheitsrisiko dar, das Konstrukteure vor Herausforderungen stellt. Bisherige Lösungen sind teuer und im Störungsfall sehr aufwendig und langwierig. Für einen Antriebsregler steht nun ein Sicherheitsmodul zur Verfügung, mit dem der Regler die Anforderungen der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung erfüllt.

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Mit dem flexiblen Stand-alone-Antriebsregler SD6 lassen sich komplexe Anforderungen und Aufgaben in der Automatisierungstechnik und im Maschinenbau umsetzen.
Mit dem flexiblen Stand-alone-Antriebsregler SD6 lassen sich komplexe Anforderungen und Aufgaben in der Automatisierungstechnik und im Maschinenbau umsetzen.
(Bild: Stöber Antriebstechnik)

Für Maschinenbauer gehört die Sicherheitstechnik zu den komplexesten und wohl auch unbeliebtesten Themen in der Automatisierung. Stöber Antriebstechnik hat gemeinsam mit der Pilz GmbH & Co. KG das Sicherheitsmodul SE6 für antriebsbasierte Sicherheitstechnik entwickelt.

Stöber Antriebstechnik bietet mit diesem Antriebsregler einen Einzelachsregler mit einem Ausgangsnennstrom bis 85 A, der vorwiegend in antriebsbasierenden Anwendungen zum Einsatz kommt. Dazu gehört zum Beispiel der Synchronbetrieb von bis zu 32 Achsen in elektronischen Getrieben oder fliegenden Sägen ohne überlagerten Motion Controller. Er regelt lineare und rotative Synchronservo- wie auch Asynchronmotoren. Durch sein modulares Schnittstellenkonzept und sein umfangreiches Zubehör lässt er sich passgenau konfigurieren.

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Konstrukteure und Maschinenplaner stehen oft vor der Herausforderung, hochautomatisierte und flexible Fertigungsabläufe umzusetzen, bei denen gleichzeitig Menschen, Maschinen und Anlagen geschützt sein müssen. Der Antriebsregler SD6 erfüllt diese Anforderungen auch in sicherheitsrelevanten Anwendungen bis SIL 3 nach DIN EN 61800-5-2 oder PL e (Kategorie 4) nach DIN EN ISO 13849-1.

Damit der Antriebsregler diese Anforderungen praxisorientiert und zuverlässig meistern und im Notfall unmittelbar einschreiten kann, entstand das Sicherheitsmodul SE6. Mit diesem Modul lässt sich der Antriebsregler SD6 optional ausstatten – und bietet dem Anwender im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten sowohl technisch als auch wirtschaftlich deutliche Vorteile. Für Pilz entschied man sich, weil das Unternehmen zu den führenden Herstellern in der sicheren Automation gehört und als Innovationstreiber in seinem Marktumfeld gilt.

Vorsicht herabfallende Achse!

Müssen Mitarbeiter den Bearbeitungsraum einer Maschine betreten, sind die Antriebsachsen in einen gefahrlosen Zustand zu versetzen. Hängen an den vertikalen Achsen schwere Lasten, können diese aufgrund der Schwerkraft herabfallen und damit das Personal gefährden. Um das zu verhindern, werden die Vertikalachsen in der Regel durch Bremsen gesichert. Verschmutzungen oder mechanischer Verschleiß können deren Wirkung allerdings stark beeinträchtigen. Deshalb gilt es, den Zustand der Bremsen sicher zu überwachen und ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten. Aufgrund nicht vorhandener normativer Anforderungen hat die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) die Problematik im Fachbereichsinformationsblatt Nr. 005 Ausgabe 09/2012 erläutert. Dieses beschreibt Empfehlungen, schwerkraftbelastete Vertikalachsen abzusichern.

Download des „SISTEMA-Kochbuch“ der DGUV

Konstrukteure und Maschinenbauer setzen dafür bislang in der Regel auf Lösungen, die auf einer programmierbaren Sicherheitssteuerung basieren. Diese steuert über Schütze die Bremsen und überwacht während des Bremsentests den Stillstand. Dadurch entstehen spezielle Anforderungen an den Motor-Encoder und seine Montage. An der Motorwelle angebracht, erfasst er primär deren Lage und schickt die Ist-Werte an den Regler. Die Anbindung an die Sicherheitssteuerung erfolgt meist über analoge 1-Vss-Signale. Allerdings erfordern sie spezielle Encoder, besondere Adapter, um die Analogsignale für die Stillstandserkennung herauszuführen, sowie Kabel, die die analogen Signale auch über längere Strecken störungsfrei übertragen können. Dazu kommen Stillstands- und Drehzahlwächter – insgesamt ein kostenintensives Equipment. Ein weiterer Punkt ist der aufwendige FMA-Anbau. FMA steht für „Fehlerausschluss der mechanischen Ankopplung“ und bedeutet: Der Encoder wird so an der Motorwelle angebaut, dass das ungewollte Lösen der Wellenverbindung ausgeschlossen werden kann. Im Servicefall kann das zu einem unerwarteten Problem werden. Die aufwendige Reparatur lässt sich nicht einfach von einem Mitarbeiter vor Ort ausführen, sie ist sehr zeitintensiv und muss von einem Spezialisten durchgeführt werden. Bis alles verschraubt, verklebt, getrocknet, geprüft und dokumentiert ist, steht die Maschine für mindestens 48 Stunden still und kann in dieser Zeit nicht produzieren. Je nach Standort der Maschine kann dies aber auch deutlich länger dauern, wenn der Motor zur Reparatur versendet werden muss.

Ein weiterer Nachteil: Die geeigneten Encoder passen nicht auf alle Motortypen und bieten nicht die Performance, die von einem leistungsfähigen Servosystem benötigt wird – das schränkt Maschinenbauer deutlich ein.

Entsprechend den allgemeinen Anforderungen der EG-Maschinenrichtlinie stehen Hersteller in der Pflicht, ausschließlich sichere Maschinen zu konstruieren. Der Weg führt über die Risikobeurteilung, was die Projektierung entsprechend aufwendig macht. Denn dazu muss der Konstrukteur mögliche Gefahren abschätzen, geeignete Gegenmaßnahmen treffen und vor Restrisiken warnen. Ihm steht jedoch keine spezielle Norm zur Verfügung, nach der er die Gefahren an Vertikalachsen beurteilen kann. Die Beurteilung erfolgt meist mittels Risikograf nach DIN EN ISO 13849-1. Diese ist abhängig von der Schwere der Verletzung, der Häufigkeit oder der Dauer der Gefährdung sowie der Möglichkeit, Gefährdungen zu vermeiden oder Schäden zu begrenzen. Doch das zu quantifizieren ist schwer.

Ein volles Paket Sicherheit

Für das Sicherheitsmodul SE6 konnte Stöber gemeinsam mit Pilz für nahezu alle der identifizierten Schwachstellen praktikable Lösungen erarbeiten und umsetzen. Im ersten Schritt haben die Entwickler die am meisten von den Kunden nachgefragten Sicherheitsfunktionen realisiert. So ist die Funktion „Sicher abgeschaltetes Drehmoment“ (STO) integriert, die die Energieversorgung zum Motor direkt im Antriebsregler unterbricht. Dazu kommen

  • die Stoppfunktionen „Safe Stop 1“ (SS1), die den Antrieb geregelt herunterfährt und danach erst die Energiezufuhr zum Motor unterbricht,
  • sowie „Safe Stop 2“ (SS2), die nach dem geregelten Herunterfahren einen „Sicheren Betriebshalt“ (SOS) einleitet. Dabei bleiben die Regelfunktionen des Antriebs vollständig erhalten.
  • „Sicher begrenzte Drehzahl“ (SLS) wacht darüber, dass der Antrieb eine bestimmte Geschwindigkeit nicht überschreitet,
  • während „Sicherer Drehzahlbereich“ (SSR) diese innerhalb eines definierten Korridors überwacht.
  • Durch eine „Sicher begrenzte Position“ (SLP) ist es möglich, dass der Motor auch hier vorgegebene Grenzwerte nicht überschreitet. Mit den Funktionen SS1 und SS2 lassen sich auch die Bremsrampen überwachen. Damit kann zum Beispiel ein Achsverbund kontrolliert stillgesetzt werden.
  • Die Funktion „Sichere Bewegungsrichtung“ (SDI) lässt die Bewegung eines Antriebs nur in eine (definierte) Richtung zu.
  • Die Funktion „Sicher begrenztes Schrittmaß“ (SLI) überwacht nach der Aktivierung die Position innerhalb eines zuvor definierten Bereichs. Falls doch ein Grenzwert verletzt wird, wird der Motor vom Antriebsregler sicher stillgesetzt.
  • Das Modul ist zudem mit der Funktion „Sicheres Monitoring“ für nahezu alle Sicherheitsfunktionen ausgerüstet. Dieses Feature überwacht den Antrieb lediglich und meldet Grenzwertüberschreitungen sicher an die überlagerte Sicherheitssteuerung, statt einen Stopp zu erzwingen.

Darüber hinaus können bei Sicherheitsfunktionen wie SLS Störimpulse mittels variabler Toleranzfenster gezielt ausgeblendet werden. Dadurch profitiert der Anwender von einer höheren Verfügbarkeit: Er kann normativ vorgegebene Grenzwerte besser nutzen, ohne dass es zu einem Fehlauslösen kommt.

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