Sicherheitsmodul zur Stillstands- und Drehzahlüberwachung

Ein grundlegender Anspruch der ­europäischen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG ist der Schutz der ­Mitarbeiter vor den beweglichen ­Teilen
einer Maschine. Auf der ­anderen Seite sollen Stillstands­zeiten reduziert werden, um die ­Produktivität der Anwendung zu ­erhöhen. Durch die ­Integration ­moderner Sicherheitstechnik lassen sich beide Zielsetzungen erfüllen. Ein Beitrag von Udo Tappe, Mitar­beiter im Produktmarketing Safety, Phoenix Contact Electronics.

War es bis vor einiger Zeit noch üblich, den Antrieb durch das Öffnen der Schutzeinrichtung über einen Netz- oder Motorschütz abzuschalten, kann der Konstrukteur heute auf verschiedene sichere Alternativen zurückgreifen. So sind beispielsweise die Verwendung eines Handbediengeräts, Bewegungen im Zustimm-/Tippbetrieb, das Verfahren einzelner Achsen oder Bewegungen mit reduzierter Geschwindigkeit möglich.

Komplexität der Applikation als Entscheidungskriterium
Damit eine Gefahr bringende Bewegung auch im Fehlerfall beherrschbar ist, werden entweder Antriebssteuergeräte mit eingebauten Sicherheitsfunktionen - zum Beispiel sichere Frequenz- oder Servoumrichter - oder Sicherheitsmodule zur Stillstands- und Drehzahlüberwachung eingesetzt. Welche Technologie genutzt wird, hängt von der jeweiligen Anforderung ab. Sicherheitsmodule sind dabei universell verwendbar, antriebsunabhängig sowie einfach in der Handhabung und Parametrierung. Dagegen zeichnen sich elektrische Antriebe mit integrierten Sicherheitsbausteinen oftmals durch erweiterte Überwachungsfunktionen, schnelle Reaktionszeiten im Fehlerfall sowie die Möglichkeit zur Vernetzung aus.

Die Wahl der passenden Technologie ergibt sich aus der Komplexität der Applikation sowie den Wünschen der Konstrukteure. Der Trend der sicheren Antriebe wird sich hier weiter fortsetzen. Unbestreitbar ist allerdings auch, dass sich die vom Antrieb abgesetzten Lösungen in vielen Anwendungsbereichen gegenüber sicheren Antrieben behaupten. So vereinen neuste Stand-Alone-Lösungen wesentliche Vorteile beider Technologien wie Einfachheit, Schnelligkeit und Sicherheit. Die zu integrierenden Sicherheitsfunktionen, die mit einer Bewegungsüberwachung umgesetzt werden sollen, sind vom jeweiligen Einsatzbereich und der durchzuführenden Risikobewertung abhängig. In der für die funktionale Sicherheit in elektrischen Antriebssystemen relevanten Norm EN 61800-5-2 werden Anforderungen festgelegt und Empfehlungen ausgesprochen, die der Konstrukteur übernehmen kann. Aktuelle Systeme sind gemäß der EN 61800-5-2 zertifiziert und bieten eingebaute Sicherheitsfunktionen.

Parametrierung über abnehmbare Bedien- und Anzeigeeinheit
Der Anwender sollte seine Sicherheitslösung einfach in Betrieb nehmen und bedienen können. Vor diesem Hintergrund wird der 35 Millimeter schmale Stillstands- und Drehzahlwächter PSR-Motionstop von Phoenix Contact über eine Bedien- und Anzeigeeinheit, die so genannte PSR-OP-Unit, parametriert. Mit Hilfe von Navigationstasten und einer intuitiven Menüführung lassen sich alle applikationsrelevanten Parameter wie Sensortyp und Drehzahlschwellen problemlos einstellen. Auf dem beleuchteten LCD-Display werden sowohl Parametrierungsdaten und Istwerte als auch Diagnoseinformationen angezeigt. Da PSR-Motionstop selbst ohne die Bedien- und Anzeigeeinheit voll funktionsfähig ist, kann sie vom Anwender nach erfolgreicher Inbetriebnahme entfernt werden. Auf diese Weise ist ein maximaler Manipulationsschutz gegeben. Die Copy-and-Paste-Funktion des Displays erlaubt darüber hinaus ein fehlerfreies und schnelles Kopieren der eingestellten Parameter auf beliebig viele Basisgeräte. Werden mehrere PSR-Motionstop-Module in der Applikation genutzt, lässt sich so ein Kostenvorteil erzielen.

Einstellung von bis zu drei Geschwindigkeitsschwellen
Weil häufig verschiedene Betriebszustände einer Maschine überwacht werden sollen, kann der Anwender bis zu drei Geschwindigkeitsschwellen individuell am Stillstands- und Drehzahlwächter einstellen und kontrollieren. Mit dieser Option wird neben der aus der Antriebsnorm EN 61800-5-2 bekannten Sicherheitsfunktion SLS (sicher begrenzte Geschwindigkeit) auch die Funktion SSM (sichere Geschwindigkeitsüberwachung) für mehrere Betriebsarten realisiert. Durch die Einbindung der Funktion SDI (sichere Drehrichtung) lässt sich eine zulässige Bewegungsrichtung für jede Betriebsart festlegen. Diese Art der Antriebsüberwachung wird oftmals bei Vertikalachsen oder Walzantrieben verwendet. Bewegt sich der Antrieb in eine nicht erlaubte Richtung, schalten die Ausgänge des Moduls sicherheitsgerichtet ab. Außer den beschriebenen Überdrehzahl-Funktionen stellt PSR-Motionstop eine Stillstandsüberwachung zur Verfügung. Wird der definierte Grenzwert einer Bewegung unterschritten, schalten die Stillstandskontakte des Moduls beispielsweise eine Schutztürzuhaltung frei.

Reaktionszeit von wenigen Millisekunden
Insbesondere bei der Antriebsüberwachung kommt der Reaktionszeit im Fehlerfall eine große Bedeutung zu. Bei hochdynamischen Bewegungen sind meist Reaktionszeiten im Bereich weniger Millisekunden erforderlich, denn nur durch schnellstmögliches Erkennen und Abschalten der Gefahr bringenden Bewegung lassen sich Personen- und Anlagenschäden vermeiden. Um die sichere Stopp-Funktion STO (sicher abgeschalteter Moment) auszulösen, verfügt der Stillstands- und Drehzahlwächter PSR-Motionstop über vier sichere zwangsgeführte Relaiskontakte sowie zwei sichere digitale Halbleiterausgänge. Die digitalen Ausgänge können zur weiteren Verarbeitung an die Eingänge einer sicheren Steuerung oder an STO/Enable-Eingänge eines Frequenz- oder Servoumrichters geführt werden. Im Vergleich zu Relaiskontakten erweisen sich bei Einsatz der sicheren Halbleiterausgänge die Abschaltzeit, Verschleißfreiheit und Schaltsicherheit als vorteilhaft.

Breites Einsatzspektrum bei neuen Applikationen und Modernisierungsmaßnahmen
Der sichere Stillstands- und Drehzahlwächter PSR-Motionstop erfüllt die höchsten Standards der funktionalen Sicherheit. In Abhängigkeit vom genutzten Sensor- und Aktorsystem kann das Sicherheitsmodul in Applikationen bis Performance Level (PL) e oder Safety Integrity Level (SIL) 3 verbaut werden. Dabei sind alle gängigen Inkrementalgeber (HTL- und TTL-Typen) sowie Sin/Cos-Geber und Näherungsschalter anschließ- und damit auswertbar. Aufgrund einer integrierten Diagnosefunktion für sichere (zertifizierte) SIL-Drehgeber lassen sich diese Geräte ebenfalls ankoppeln, um die höchste Sicherheitskategorie SIL 3 oder PL e zu erreichen.

Das Sicherheitsmodul PSR-Motionstop bietet sich sowohl bei der Konstruktion neuer Maschinen und Anlagen als auch bei Modernisierungsmaßnahmen an. Durch die Flexibilität des Stand-Alone-Geräts reichen die Anwendungsmöglichkeiten von einfachen Bearbeitungsmaschinen bis zu komplexen Applikationen wie Windenergieanlagen, Werkzeugmaschinen, Förderanlagen, holzbearbeitenden Maschinen, Logistiksystemen oder Verpackungsmaschinen.