Sichere Drehzahlüberwachung
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Die höheren Sicherheitsanforderungen der europäischen Maschinenrichtlinie auf der einen Seite - der permanent wachsende Zeit- und Kostendruck auf der anderen: Von diesen beiden Entwicklungen werden die Fertigungsverantwortlichen moderner Industriebetriebe regelrecht in die Zange genommen. Einen effizienten Ausweg versprechen flexible Lösungen für die sichere Drehzahlüberwachung, mit deren Hilfe sich teure Stillstandszeiten reduzieren lassen.
Bild: Bihl+Wiedemann GmbHWaren das noch Zeiten, als die Stoppuhren der Kostenrechner in den Herstellungsbetrieben noch keine Minuten-, geschweige denn Sekundenzeiger hatten. Damals konnte man bei manuellen Eingriffen in eine Fertigungsanlage - z.
Bild: Bihl+Wiedemann GmbH
Effizienz nur mit Sicherheit
Dass Verbesserungen in der Effizienz nicht zu Lasten der Sicherheit gehen dürfen, versteht sich nicht nur von selbst - es steht auch schwarz auf weiß in der europäischen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Deren Vorgaben verpflichten den Maschinenbauer, eine Risikobeurteilung vorzunehmen, um alle mit seiner Anlage verbundenen Risiken zu ermitteln. Unter anderem heißt es in der aktuellen Fassung: "Die Maschine ist so zu konstruieren und zu bauen, dass sie ihrer Funktion gerecht wird und unter den vorgesehenen Bedingungen - aber auch unter Berücksichtigung einer vernünftigerweise vorhersehbaren Fehlanwendung der Maschine - Betrieb, Einrichten und Wartung erfolgen kann, ohne dass Personen einer Gefährdung ausgesetzt sind." Was dies für Anlagen mit drehzahlgeregelten Antrieben bedeutet, damit hat sich das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung in seinem IFA-Report 'Sichere Antriebssteuerungen mit Frequenzumrichtern' konkret auseinandergesetzt. Dort heißt es: "Genau wie bei ungeregelten Antrieben löst die drehzahlveränderliche Bewegung eines Maschinenteils häufig eine Gefährdung aus, vor der die Bedienpersonen geschützt werden müssen. Die einfachste Lösung zur Vermeidung von Bewegungen bei manuellen Eingriffen in Gefahrstellen ist das (sichere) Abschalten der Antriebsenergie der jeweiligen Motoren. Dies ist jedoch häufig nicht möglich, zum Beispiel wenn zur Störungsbeseitigung, zum Einrichten, im Probebetrieb usw. Eingriffe bei laufender Maschine notwendig sind. In diesen Fällen ist der Maschinenbetrieb bei aufgehobener Schutzwirkung von Schutzeinrichtungen erforderlich. Um trotzdem die Sicherheit der Beschäftigten zu gewährleisten, werden die gefahrbringenden Bewegungen dann bei sicher begrenzten Geschwindigkeiten, Drehzahlen, Drehmomenten...ausgeführt."
Bild: Bihl+Wiedemann GmbHProduktionsausfälle vermeiden
Kurz und bündig lässt sich die aktuelle Situation in den Produktionsbetrieben also etwa so skizzieren: Bei einer gewissen Anzahl von manuellen Eingriffen kann man die Anlage gar nicht abschalten, weil sonst die auszuführende Tätigkeit gar nicht möglich wäre. Und bei einer vermutlich noch größeren Anzahl der Fälle will man es nicht, um unnötige Kosten für Produktionsausfälle zu vermeiden. Damit ist die Frage, warum sichere Drehzahlüberwachung immer wichtiger wird, weitgehend geklärt. Jetzt geht es darum, wie sie am besten funktioniert - und darauf gibt es je nach Applikation unterschiedliche Antworten. Bihl+Wiedemann hat den steigenden Stellenwert des Themas früh erkannt und während der vergangenen Jahre an der Entwicklung effizienter Lösungen gearbeitet. Dabei entstanden ist ein Sortiment, das vielfältige technische Möglichkeiten zur Realisierung der sicheren Funktion umfasst: Das Unternehmen bietet Drehzahlwächter sowohl für Sensoren als auch für Drehgeber. Dabei reicht das Produktspektrum von Lösungen für kleine Applikationen bis hin zu Konzepten für große, verzweigte Anlagen.
Bild: Bihl+Wiedemann GmbHDrehzahlüberwachung für Sensoren/Initiatoren
Der Safety Basis Monitor, der für die sicheren Drehzahlüberwachung von Sensoren und Initiatoren eingesetzt werden kann, misst nur 22,5mm, aber er beherbergt vier sichere zweikanalige Eingänge oder Standardeingänge und Meldeausgänge und übernimmt damit die Aufgabe einer autarken sicheren Kleinsteuerung. Außerdem verfügt er über zwei sichere elektronische Ausgänge, USB- oder Ethernet-Schnittstelle für die Konfiguration und detaillierte Diagnose samt Abschalthistorie. Die integrierten Drehzahlwächter sitzen an den lokalen Eingängen und können zwei Achsen zweikanalig bis SIL2 bzw. PLd oder vier Achsen einkanalig bis SIL1 bzw. PLc überwachen. Die Stillstandswächter behalten sogar vier Achsen zweikanalig bis SIL2 / PLd im elektronischen Auge.
Drehzahlüberwachung für Drehgeber
Um eine Sicherheitsanforderungsstufe höher geht es bei den sicheren Drehzahlwächtern für Drehgeber von Bihl+Wiedemann, die sich ebenfalls durch die Baubreite von 22,5mm auszeichnen. Sie können bis zu zwei Achsen bis SIL3 bzw. PLe überwachen und eignen sich für alle gängigen Drehgeber: von Sinus/Cosinus- über SSI- und TTL- bis zu HTL-Ausführungen. Inzwischen ist der elektronische Aufpasser auch in einer Variante mit zwei lokalen sicheren Ausgängen erhältlich, die Abschaltzeiten von weniger als 5ms realisiert und beliebig viele projektierbare Sicherheitsfunktionen bietet. Dient der Geber lediglich zur sicheren Überwachung einer Achse, kann der Drehzahlwächter direkt angeschlossen werden. In vielen Fällen ist der Encoder aber bereits mit einem Umrichter verbunden, der das Signal zur Drehzahlregelung benötigt. Dann erfolgt der Abgriff des Signals zwischen Drehgeber und Umrichter ganz einfach über den passenden Adapter wie zum Beispiel einen Sub-D-Kabeladapter zum Aufstecken zwischen Umrichter und Geberleitung oder ein Adaptermodul zum Abgriff von zwei Drehgebersignalen.
Bild: Bihl+Wiedemann GmbHDrehzahlüberwachung im Antrieb
Mit den Safety Gateways des AS-Interface-Spezialisten Bihl+Wiedemann lässt sich die Drehzahl aber auch ganz unkompliziert direkt im Antrieb sicher überwachen: z.B. im Zusammenspiel mit CIP Safety über Sercos als Protokoll zur Übertragung sicherheitsrelevanter Signale, bei dem eine zusätzliche Verkabelung für einen Sicherheitsbus entfällt. Die Integration von Antriebs-, Peripherie- und Sicherheitsbus sowie Standard-Ethernet in einem Netzwerk vereinfacht die Handhabung und reduziert Hardware- und Installationskosten. Integrierte Sicherheitssteuerungen und homogene Safety-Lösungen lassen sich so einfach umsetzen. Es stehen auch Safety Gateways für die Kombination mit einer Sicherheits-SPS (F-CPU) zur Verfügung: Profisafe über Profibus, Profisafe über Profinet und CIP Safety über Ethernet/IP.
Drehzahlüberwachung im Gateway oder Modul
Alle Drehzahlwächter des Mannheimer Unternehmens, egal ob die Drehzahl direkt im Gateway oder im Modul überwacht wird, lassen sich über die Gateways an die gängigen Feldbussysteme anschließen: von Profibus und Profinet über Ethernet/IP, Modbus und CC-Link bis Canopen und Ethercat. Dabei sind zwölf Klemmen des integrierten Sicherheitsmonitors frei konfigurierbar - z.B. als sechs sichere Ausgänge plus drei sichere zweikanalige Eingänge, als sechs sichere zweikanalige Eingänge, als Standard E/As oder als Kombination daraus. Die Drehzahlwächter befinden sich an den lokalen Eingängen der Gateways und überwachen drei Achsen zweikanalig bis SIL2 / PLd oder sechs Achsen einkanalig bis SIL1 / PLc. Die Konfiguration sämtlicher sicherer AS-Interface-E/A-Module und Drehzahlwächter erleichtert die Software Asimon 3 G2, mit der sich die notwendigen Einstellungen komfortabel und ohne großen Aufwand erstellen lassen. Features wie Abschalthistorie und Online-Diagnose sowie die Option zur Fernwartung sind in diesem Programm ebenfalls integriert. Für die Entscheidung, welche der hier skizzierten Lösungen zur sicheren Drehzahl- bzw. Antriebsüberwachung für welche Anlage die richtige ist, lässt sich pauschal eigentlich nur eine Faustregel formulieren: Für kleinere Maschinen mit geringem Sicherheitsbedarf stellen in der Regel induktive Näherungsschalter oder optische Sensoren eine kostengünstige und einfache Methode dar, bei höheren Sicherheitsanforderungen sind Drehgeber gefragt und in Anlagen, in denen leistungsfähige Antriebe komplexe Regelungs- oder Positionierungsaufgaben übernehmen, bietet sich die sichere Drehzahlüberwachung im Antrieb an. Abschließend beantworten lässt sich die Frage aber natürlich nur anhand der konkreten Applikation.
Die höheren Sicherheitsanforderungen der europäischen Maschinenrichtlinie auf der einen Seite - der permanent wachsende Zeit- und Kostendruck auf der anderen: Von diesen beiden Entwicklungen werden die Fertigungsverantwortlichen moderner Industriebetriebe regelrecht in die Zange genommen. Einen effizienten Ausweg versprechen flexible Lösungen für die sichere Drehzahlüberwachung, mit deren Hilfe sich teure Stillstandszeiten reduzieren lassen.
Bild: Bihl+Wiedemann GmbHWaren das noch Zeiten, als die Stoppuhren der Kostenrechner in den Herstellungsbetrieben noch keine Minuten-, geschweige denn Sekundenzeiger hatten. Damals konnte man bei manuellen Eingriffen in eine Fertigungsanlage - z.Bild: Bihl+Wiedemann GmbH
Effizienz nur mit Sicherheit
Dass Verbesserungen in der Effizienz nicht zu Lasten der Sicherheit gehen dürfen, versteht sich nicht nur von selbst - es steht auch schwarz auf weiß in der europäischen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Deren Vorgaben verpflichten den Maschinenbauer, eine Risikobeurteilung vorzunehmen, um alle mit seiner Anlage verbundenen Risiken zu ermitteln. Unter anderem heißt es in der aktuellen Fassung: "Die Maschine ist so zu konstruieren und zu bauen, dass sie ihrer Funktion gerecht wird und unter den vorgesehenen Bedingungen - aber auch unter Berücksichtigung einer vernünftigerweise vorhersehbaren Fehlanwendung der Maschine - Betrieb, Einrichten und Wartung erfolgen kann, ohne dass Personen einer Gefährdung ausgesetzt sind." Was dies für Anlagen mit drehzahlgeregelten Antrieben bedeutet, damit hat sich das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung in seinem IFA-Report 'Sichere Antriebssteuerungen mit Frequenzumrichtern' konkret auseinandergesetzt. Dort heißt es: "Genau wie bei ungeregelten Antrieben löst die drehzahlveränderliche Bewegung eines Maschinenteils häufig eine Gefährdung aus, vor der die Bedienpersonen geschützt werden müssen. Die einfachste Lösung zur Vermeidung von Bewegungen bei manuellen Eingriffen in Gefahrstellen ist das (sichere) Abschalten der Antriebsenergie der jeweiligen Motoren. Dies ist jedoch häufig nicht möglich, zum Beispiel wenn zur Störungsbeseitigung, zum Einrichten, im Probebetrieb usw. Eingriffe bei laufender Maschine notwendig sind. In diesen Fällen ist der Maschinenbetrieb bei aufgehobener Schutzwirkung von Schutzeinrichtungen erforderlich. Um trotzdem die Sicherheit der Beschäftigten zu gewährleisten, werden die gefahrbringenden Bewegungen dann bei sicher begrenzten Geschwindigkeiten, Drehzahlen, Drehmomenten...ausgeführt."
Bild: Bihl+Wiedemann GmbHProduktionsausfälle vermeiden
Kurz und bündig lässt sich die aktuelle Situation in den Produktionsbetrieben also etwa so skizzieren: Bei einer gewissen Anzahl von manuellen Eingriffen kann man die Anlage gar nicht abschalten, weil sonst die auszuführende Tätigkeit gar nicht möglich wäre. Und bei einer vermutlich noch größeren Anzahl der Fälle will man es nicht, um unnötige Kosten für Produktionsausfälle zu vermeiden. Damit ist die Frage, warum sichere Drehzahlüberwachung immer wichtiger wird, weitgehend geklärt. Jetzt geht es darum, wie sie am besten funktioniert - und darauf gibt es je nach Applikation unterschiedliche Antworten. Bihl+Wiedemann hat den steigenden Stellenwert des Themas früh erkannt und während der vergangenen Jahre an der Entwicklung effizienter Lösungen gearbeitet. Dabei entstanden ist ein Sortiment, das vielfältige technische Möglichkeiten zur Realisierung der sicheren Funktion umfasst: Das Unternehmen bietet Drehzahlwächter sowohl für Sensoren als auch für Drehgeber. Dabei reicht das Produktspektrum von Lösungen für kleine Applikationen bis hin zu Konzepten für große, verzweigte Anlagen.
Bild: Bihl+Wiedemann GmbHDrehzahlüberwachung für Sensoren/Initiatoren
Der Safety Basis Monitor, der für die sicheren Drehzahlüberwachung von Sensoren und Initiatoren eingesetzt werden kann, misst nur 22,5mm, aber er beherbergt vier sichere zweikanalige Eingänge oder Standardeingänge und Meldeausgänge und übernimmt damit die Aufgabe einer autarken sicheren Kleinsteuerung. Außerdem verfügt er über zwei sichere elektronische Ausgänge, USB- oder Ethernet-Schnittstelle für die Konfiguration und detaillierte Diagnose samt Abschalthistorie. Die integrierten Drehzahlwächter sitzen an den lokalen Eingängen und können zwei Achsen zweikanalig bis SIL2 bzw. PLd oder vier Achsen einkanalig bis SIL1 bzw. PLc überwachen. Die Stillstandswächter behalten sogar vier Achsen zweikanalig bis SIL2 / PLd im elektronischen Auge.
Drehzahlüberwachung für Drehgeber
Um eine Sicherheitsanforderungsstufe höher geht es bei den sicheren Drehzahlwächtern für Drehgeber von Bihl+Wiedemann, die sich ebenfalls durch die Baubreite von 22,5mm auszeichnen. Sie können bis zu zwei Achsen bis SIL3 bzw. PLe überwachen und eignen sich für alle gängigen Drehgeber: von Sinus/Cosinus- über SSI- und TTL- bis zu HTL-Ausführungen. Inzwischen ist der elektronische Aufpasser auch in einer Variante mit zwei lokalen sicheren Ausgängen erhältlich, die Abschaltzeiten von weniger als 5ms realisiert und beliebig viele projektierbare Sicherheitsfunktionen bietet. Dient der Geber lediglich zur sicheren Überwachung einer Achse, kann der Drehzahlwächter direkt angeschlossen werden. In vielen Fällen ist der Encoder aber bereits mit einem Umrichter verbunden, der das Signal zur Drehzahlregelung benötigt. Dann erfolgt der Abgriff des Signals zwischen Drehgeber und Umrichter ganz einfach über den passenden Adapter wie zum Beispiel einen Sub-D-Kabeladapter zum Aufstecken zwischen Umrichter und Geberleitung oder ein Adaptermodul zum Abgriff von zwei Drehgebersignalen.
Bild: Bihl+Wiedemann GmbHDrehzahlüberwachung im Antrieb
Mit den Safety Gateways des AS-Interface-Spezialisten Bihl+Wiedemann lässt sich die Drehzahl aber auch ganz unkompliziert direkt im Antrieb sicher überwachen: z.B. im Zusammenspiel mit CIP Safety über Sercos als Protokoll zur Übertragung sicherheitsrelevanter Signale, bei dem eine zusätzliche Verkabelung für einen Sicherheitsbus entfällt. Die Integration von Antriebs-, Peripherie- und Sicherheitsbus sowie Standard-Ethernet in einem Netzwerk vereinfacht die Handhabung und reduziert Hardware- und Installationskosten. Integrierte Sicherheitssteuerungen und homogene Safety-Lösungen lassen sich so einfach umsetzen. Es stehen auch Safety Gateways für die Kombination mit einer Sicherheits-SPS (F-CPU) zur Verfügung: Profisafe über Profibus, Profisafe über Profinet und CIP Safety über Ethernet/IP.
Drehzahlüberwachung im Gateway oder Modul
Alle Drehzahlwächter des Mannheimer Unternehmens, egal ob die Drehzahl direkt im Gateway oder im Modul überwacht wird, lassen sich über die Gateways an die gängigen Feldbussysteme anschließen: von Profibus und Profinet über Ethernet/IP, Modbus und CC-Link bis Canopen und Ethercat. Dabei sind zwölf Klemmen des integrierten Sicherheitsmonitors frei konfigurierbar - z.B. als sechs sichere Ausgänge plus drei sichere zweikanalige Eingänge, als sechs sichere zweikanalige Eingänge, als Standard E/As oder als Kombination daraus. Die Drehzahlwächter befinden sich an den lokalen Eingängen der Gateways und überwachen drei Achsen zweikanalig bis SIL2 / PLd oder sechs Achsen einkanalig bis SIL1 / PLc. Die Konfiguration sämtlicher sicherer AS-Interface-E/A-Module und Drehzahlwächter erleichtert die Software Asimon 3 G2, mit der sich die notwendigen Einstellungen komfortabel und ohne großen Aufwand erstellen lassen. Features wie Abschalthistorie und Online-Diagnose sowie die Option zur Fernwartung sind in diesem Programm ebenfalls integriert. Für die Entscheidung, welche der hier skizzierten Lösungen zur sicheren Drehzahl- bzw. Antriebsüberwachung für welche Anlage die richtige ist, lässt sich pauschal eigentlich nur eine Faustregel formulieren: Für kleinere Maschinen mit geringem Sicherheitsbedarf stellen in der Regel induktive Näherungsschalter oder optische Sensoren eine kostengünstige und einfache Methode dar, bei höheren Sicherheitsanforderungen sind Drehgeber gefragt und in Anlagen, in denen leistungsfähige Antriebe komplexe Regelungs- oder Positionierungsaufgaben übernehmen, bietet sich die sichere Drehzahlüberwachung im Antrieb an. Abschließend beantworten lässt sich die Frage aber natürlich nur anhand der konkreten Applikation.
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Bihl+Wiedemann GmbH
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 4 2015 - 19.03.15.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
