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Funktionale Sicherheit

Sicherheitsnormen für Sensoren an Stand der Technik anpassen

| Autor/ Redakteur: Simon Davis / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Neue Techniken erfordern geänderte Sicherheitsnormen, damit ein Rahmen für ihren Einsatz in den sicherheitsrelevanten Teilen einer Steuerung geschaffen wird. Das gilt besonders für Sicherheitssensoren.

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Bild 1: Sicherheitssensoren und -schalter werden in Maschinen und Industrieanwendungen genutzt, um Personen und Maschinenanlagen zu schützen.
Bild 1: Sicherheitssensoren und -schalter werden in Maschinen und Industrieanwendungen genutzt, um Personen und Maschinenanlagen zu schützen.
(Bild: Phoenix Contact)

Auf einen Blick:

  • Sicherheitssensoren sollen Menschen sowie Maschinen und Anlagen schützen.
  • B-Normen befassen sich mit spezifischen Aspekten der Sensoren, Funktionsprinzipien oder mit bestimmten Arten von Sicherheitsvorkehrungen, nicht aber mit den elektrischen Eigenschaften.
  • Ein Positionspapier des ZVEI beschreibt nun die elektrischen Eigenschaften der Schnittstellen und soll es dem Anwender ermöglichen, die Kompatibilität zwischen den zu verwendenden Geräten sicherzustellen.

Sicherheitssensoren (Bild 1) und -schalter werden in Maschinen und Industrieanwendungen genutzt, um zu verhindern, dass sich Personen verletzen und um die Maschinenanlagen zu schützen. Dazu wird hauptsächlich die Position von Schutzeinrichtungen – wie Zugangstüren und Klappen – sowie die Anwesenheitserkennung von Bedienern über optische oder druckempfindliche Geräte überwacht. Für Sicherheitssensoren gibt es harmonisierte Normen, die einen gemeinsamen Ansatz festlegen sowie bewährte Verfahren zur Auswahl, Installation, Einrichtung und Verwendung des betreffenden Produkts definieren. In der europäischen Maschinenrichtlinie sind die Informationen zu Sicherheitssensoren in B2-Normen detailliert beschrieben. B-Normen befassen sich mit spezifischen Aspekten der Maschinensicherheit oder mit bestimmten Arten von Sicherheitsvorkehrungen, die sich für ein breites Spektrum von Maschinenkategorien einsetzen lassen. Ihre Anwendung begründet die Vermutung der Konformität mit den grundlegenden Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen (EHSR) der Maschinenrichtlinie, sofern eine maschinenspezifische C-Norm oder die Risikobewertung zeigt, dass eine in der B-Norm festgelegte technische Lösung ausreichend ist. Tabelle 1 führt eine nicht abschließende Liste von B-Normen für Sicherheitssensoren auf.

Tabelle 1: Liste der B-Normen für Sicherheitssensoren.
Tabelle 1: Liste der B-Normen für Sicherheitssensoren.
(Bild: Phoenix Contact)

Die vollständige Liste kann auf der Homepage der Europäischen Kommission eingesehen werden.

Probleme zwischen Sensor und Steuerung

Die B-Normen decken viele Aspekte des spezifischen Sensors ab, einschließlich der Funktionsprinzipien, Designaspekte zum Schutz vor Umwelteinflüssen, Installation zur Minimierung von Manipulationen sowie der elektrischen Aspekte. In den B-Normen nicht enthalten sind die Eigenschaften der elektrischen Schnittstelle zwischen Sensor und Überwachungslogik, also Sicherheitssteuerung oder Sicherheitsrelais. Durch die zunehmende Nutzung von dynamischen Testimpulsen zur Erreichung der Diagnoseabdeckung (DC) nach DIN EN ISO 13849-1 können dort Probleme der elektrischen Kompatibilität zwischen Quelle (Sensor) und Senke (Steuerung) auftreten. Eine Fehlanpassung kann zu Anwendungsproblemen führen und die Verfügbarkeit der Sicherheitsfunktion lange nach Abschluss der Validierung verringern.

Die dargestellte Problematik ist nun in einem Positionspapier des ZVEI (Zentralverband der Elektro- und Elektronikindustrie) behandelt worden. Das entsprechende Dokument hat den Titel „Klassifizierung von binären 24-V-Schnittstellen – mit Testung im Bereich der Funktionalen Sicherheit“. Das Papier erläutert vier verschiedene Schnittstellenarten, die in Tabelle 2 aufgelistet werden.

Tabelle 2: Binäre Schnittstellenklassen für 24 V mit dynamischer Prüfung.
Tabelle 2: Binäre Schnittstellenklassen für 24 V mit dynamischer Prüfung.
(Bild: Phoenix Contact)

Das Dokument zielt darauf ab, die Beschreibung der elektrischen Eigenschaften der Schnittstelle zu standardisieren. Auf diese Weise soll der Anwender einfacher zu einer bestmöglichen Kompatibilität zwischen den Geräten gelangen. Darüber hinaus sind die Hersteller von Sicherheitskomponenten aufgefordert, die elektrischen Eigenschaften der Schnittstelle zu kategorisieren und die Ergebnisse in der Produktdokumentation zu veröffentlichen.

Manipulationssichere und robustere Ausführung

Als weiterer Trend bei Sicherheitssensoren zeigt sich die Verwendung von Technologie zur Unterstützung der Ziele der sich ändernden Sicherheitsnormen. Als Beispiel sei die RFID-Transpondertechnik angeführt, deren Wurzeln in militärischen Anwendungen liegen. Der Sender (Sensor) mit niedriger Leistung übermittelt einer Empfängereinheit (Betätiger), die eine codierte RFID-Antenne enthält, ein elektromagnetisches Signal. Typischerweise wird der im RFID-Chip integrierte Code nach der Installation des Sensors über einen Teach-in-Vorgang programmiert. Erkennt der Sensor den verschlüsselten Code, werden die sicheren Ausgänge des Schalters aktiviert und die Maschine kann arbeiten. Im Vergleich zu herkömmlichen Reed-Kontakten erweist sich diese Technik beim Einsatz in vibrierenden Maschinen als erheblich robuster. Ferner reduziert sie die Möglichkeit, den Sensor zu manipulieren, indem zum Beispiel durch das Anlegen eines Magnets eine geschlossene Tür vorgetäuscht wird (Bild 2).

Bild 2: Neue Techniken ermöglichen es, viele Funktionen in Sensoren mit kleinster Bauform unterzubringen.
Bild 2: Neue Techniken ermöglichen es, viele Funktionen in Sensoren mit kleinster Bauform unterzubringen.
(Bild: Phoenix Contact)

Weil sich der Platzbedarf von Mikroprozessoren verringert hat, lässt sich 32-Bit-Rechenleistung nun einfacher in kleinste Sensoren einbinden. So verfügen moderne Schalter heute neben sicher OSSD-getakteten Ausgängen (Output Signal Switching Device) ebenfalls über sichere digitale Eingänge zur Unterstützung einer Reihenschaltung oder Verkettung. Die Verlagerung der I/O-Gerätefunk- tionen vom Schaltschrank auf das Feldgerät eröffnet dem Elektrokonstrukteur die Möglichkeit, den Platzbedarf der Sicherheitssteuerung zu reduzieren.

Bessere Nutzung vorhandener Daten

Die Migration der Technik auf die Ebene der Sicherheitssensoren beschränkt sich nicht nur auf die Umsetzung von Sicherheitskonzepten. Vielmehr wird immer deutlicher, dass die auf der Sensor­ebene vorliegenden Daten im Rahmen einer Digitalisierungsstrategie genutzt werden können. Durch die Implementierung eines Kommunikationskanals vom mikroprozessorgesteuerten Sensor lassen sich nicht-sichere Datenpakete an ein IoT-Gateway oder eine kompatible Sicherheitslogik übertragen. Das bedeutet, dass der Anwender während des Betriebs seiner Maschine oder Anlage automatisch Daten über alle Arten von sensorbezogenen Ereignissen sammeln kann. Die Speicherung und Auswertung der Informationen zielt darauf ab, unnötige Ausfallzeiten zu verringern oder sogar ganz zu vermeiden.

Betrachtet man die Entwicklung der Sicherheitssensoren über die letzten zehn Jahre, zeigt sich, dass die Erfüllung der geltenden Sicherheitsanforderungen nicht mehr nur eine Frage der mechanischen Konstruktion sowie der korrekten Installation ist. Während dieses Zeitraums haben sich die in Kraft gesetzten Sicherheitsstandards grundlegend geändert, was zur Entwicklung neuer Techniken geführt hat. Die Übertragung nicht-sicherer Diagnoseinformationen vom Sensor an die Steuerung und von dort weiter an eine Cloud-Plattform ist ein Trend, der viel Potenzial bietet, Systemausfallzeiten zu reduzieren.

Sicherheitsschalter kombiniert mit IO-Link-Sicherheitsrelais

Lange Zeit war die Funktion von Sicherheitsrelais auf das Abschalten gefahrbringender Bewegungen beschränkt. Erweiterte Komfortfunktionen, wie eine intelligente Diagnose, wurden lediglich von höherwertigen Systemen angeboten. In Kombination mit dem RFID-kodierten Sicherheitsschalter PSRswitch stellt Phoenix Contact nun das erste Sicherheitsrelais mit integriertem IO-Link-Device vor, das eine Baubreite von 17,5 mm hat. Aufgrund der seriellen Verschaltungsmöglichkeit wertet das Sicherheitsrelais PSR-MC42 jedes einzelne Türsignal über ein proprietäres Übertragungsprotokoll aus und bereitet die Daten für die IO-Link-Kommunikation auf. Auf diese Weise lassen sich die Detailinformationen – wie „Türposition“, „Warten auf Reset“, „Warnbereich“ oder „Peripheriefehler“ – jedes Türschalters beurteilen.

Mit dem Schaltersystem können maximal 30 Schalter bis zum höchsten Sicherheits-Level PL e seriell verschaltet werden. Darüber hinaus stellt die Lösung Geräteinformationen des Sicherheitsrelais über IO-Link bereit. Umgekehrt kann der Antrieb vom IO-Link-Master über das Sicherheitsrelais nicht-sicherheitsgerichtet gesteuert respektive freigegeben werden. Das Sicherheitsrelais PSR-MC42 von Phoenix Contact umfasst zwei unabhängige Sensorkreise, von denen der eine typischerweise für die Schutztürkaskade und der andere zum Beispiel für die Not-Halt-Abschaltung verwendet werden kann. Mit den ausgangsseitig zur Verfügung stehenden Freigabepfaden lassen sich Lasten bis zu 6 A sicher abschalten (Bild 3).

Bild 3: Mit dem RFID-codierten Sicherheitsschalter PSRswitch gibt es nun ein Sicherheitsrelais mit integriertem IO-Link-Device.
Bild 3: Mit dem RFID-codierten Sicherheitsschalter PSRswitch gibt es nun ein Sicherheitsrelais mit integriertem IO-Link-Device.
(Bild: Phoenix Contact)

* Simon Davis ist Product Marketing Manager Safety bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont

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