Sichere Vertikalachsen Antriebsintegrierte Sicherheit als Maßnahme der Risikoreduzierung gemäß EN ISO 13849-1

Autor / Redakteur: Andreas Hahn / Reinhard Kluger

Mit der EN ISO 13849-1 kommen neue Herausforderungen auf die Hersteller von Maschinen und Anlagen zu. Denn jetzt müssen sie den rechnerischen Beweis antreten, dass der erreichte Sicherheitslevel ihrer Anwendung auch tatsächlich dem in der Norm geforderten entspricht. Als Maßnahmen zur Risikominderung kommen dabei vermehrt antriebsintegrierte Sicherheitsfunktionen zum Einsatz.

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Bestimmung des erforderlichen Performance Levels (PLr)
Bestimmung des erforderlichen Performance Levels (PLr)
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Bewertung von Risiken geschieht in der EN ISO 13849-1 anhand eines Risikographen. Relevante Faktoren sind dabei unter anderem die Schwere von möglichen Verletzungen, die Häufigkeit der Risikoexposition und die Vermeidbarkeit von Risiken in der Applikation. Das Ergebnis für die Einschätzung der einzelnen Risiken ist der erforderliche Performance Level (PL).

Vorgehen bei der Risikoeinschätzung von Vertikalachsen

Betrachtet man die potenziellen Risiken an Servoachsen, dann ist eine Vertikalachse gut als Beispiel zur Veranschaulichung geeignet.

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Die Abschaltung der Energieversorgung reicht nicht aus, um eine Achse in einen sicheren Zustand zu bringen. Denn in vielen Fällen genügt das Eigengewicht der Last, um die Achse absinken zu lassen. Masse und Reibung bestimmen die dabei auftretende Geschwindigkeit. Im Rahmen der Risikoanalyse werden die potenziellen Gefahren in den verschiedenen Betriebsarten der Maschine und bei den durch die Werker durchzuführenden Arbeiten analysiert. Daraus lassen sich anschließend die notwendigen Maßnahmen ableiten. Bei Vertikalachsen hängen die zu treffenden Maßnahmen im Wesentlichen davon ab, ob ein Werker mit seinem kompletten Körper unter die Vertikalachse treten kann oder ob sich nur Arme und Hände unter der Vertikalachse befinden. Ein weiterer Aspekt ist die Häufigkeit, mit der sich das Bedienpersonal im Gefahrbereich aufhalten muss. Aus der Summe dieser Faktoren ergibt sich der für die Sicherheitsfunktionen erforderliche Performance Level.

Ermittlung des Performance Levels nicht intelligenter Bauteile

Die EN ISO 13849-1 ermöglicht nicht nur die Betrachtung des elektrischen Teils der Sicherheitsfunktion, sondern auch des mechanischen, hydraulischen und pneumatischen Anteils. Im Beispiel der Vertikalachse wird zusätzlich eine Haltebremse verwendet, die jedoch über keinen Performance Level verfügt, da dieser nur für intelligente Bauteile angegeben werden kann. Der Hersteller der Bremse kann nur den sogenannten B10d-Wert zur Verfügung stellen. Er kennt den genauen Einsatz seiner Komponenten in den Applikationen nicht und kann deshalb nur eine Aussage machen, nach wie vielen Schaltzyklen mit einem Ausfall seiner Komponente gerechnet werden muss. Der Konstrukteur, der den sicherheitsrelevanten Teil der Steuerung plant, muss jetzt die Zeit berechnen, die bis zu einem gefährlichen Ausfall des Bauteils (MTTFd) verstreicht. Bei dieser Berechnung ist neben dem B10d-Wert die mittlere Zeit, die zwischen zwei aufeinander folgenden Zyklen vergeht, der wesentliche Faktor, der den Wert des MTTFd beeinflusst. Die erwähnten Werte, MTTFd oder B10d,Werte sind dabei nur zwei Eingangsgrößen von mehreren. Hinzu kommen der sogenannte Diagnosedeckungsgrad (DC), die Betrachtung von Fehlern mit gemeinsamer Ursache (CCF) und die Nutzungsfrequenz von verschleißbehafteten Teilen (wie z. B. Schaltern, Relais). Um alle Werte zu einem Resultat, sprich dem Performance Level, zusammenzuführen, sind solide Kenntnisse der Norm erforderlich.

Der Aufwand für die im Rahmen der 13849 erforderlichen Berechnungen lässt sich durch den Einsatz eines geeigneten Software-Tools, wie beispielsweise des Safety Calcualtor PAScal von Pilz, erheblich verringern.

Maßnahmen zur Risikominderung an Vertikalachsen

Auf die Ermittlung der Risiken der Applikation in der Risikoeinschätzung folgt die Auswahl geeigneter Maßnahmen zur Risikominderung. Geht man von den im Zusammenhang mit der Vertikalachse beschriebenen Risiken aus, liegt es nahe, die Funktion „sicherer Bremsentest“ als mögliche risikomindernde Maßnahme einzusetzen. Mit diesem Test können Fehler in der Ansteuerung und an der Mechanik der Bremse aufgedeckt werden. Je nach Einsatzfall und Forderung aus der Gefahrenanalyse wird der Bremsentest entweder in jedem Produktionszyklus oder auch nur alle 24 Stunden durchgeführt. Die sichere Ansteuerung von Bremsen, auch als Funktion „sichere Bremsansteuerung“ (Safe Brake Control) bekannt, verhindert unerwünschten Verschleiß und ist für eine normgerechte Berechnung des erreichten Sicherheitsniveaus einer Bremse erforderlich. Sie schafft die Basis, um das System Bremse, bestehend aus der Ansteuerung und der Bremse, nach EN 13849-1 berechnen zu können.

Sichere Bremsfunktionen führen durch automatische Tests der Bremswirkung zu reduzierten Wartungsaufwendungen, erhöhter Produktivität, Verfügbarkeit und zu höherer Sicherheit. Sie werden in Verbindung mit den Sicherheitsfunktionen „sicher abgeschaltetes Moment“ (Unterbrechung der Energieversorgung zum Motor) und „sicherer Stopp 1“ (geregeltes Herunterfahren des Antriebs) eingesetzt.

Die sicheren Bremsfunktionen sind Bestandteil der sicheren Antriebslösung von Pilz. In Verbindung mit den Servoverstärkern PMCprotego D gewährleistet die Sicherheitskarte PMCprotego S die Überwachung der Bewegung genau dort, wo sie entsteht – direkt im Antrieb. Das verkürzt Reaktionszeiten und erhöht die Sicherheit bei der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine. Gleichzeitig verringert sich auch die Anzahl von zusätzlichen externen Sicherheitskomponenten, was sowohl den Verdrahtungsaufwand als auch die Kosten reduziert.

Tools unterstützen den Konstrukteur

Die beschriebenen sicheren Antriebsfunktionen stellen nur eine Auswahl an möglichen Maßnahmen dar, um die von Vertikalachsen ausgehenden Risiken zu mindern. Darüber hinaus existieren noch weitere sichere Antriebsfunktionen als auch zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen aus den Bereichen Sensorik und sichere Steuerungstechnik.

Experten wie Pilz unterstützen einerseits durch Tools wie den Safety Calculator PAScal und aggregierten Informationen, wie sie im Sicherheitskompendium (www.pilz.de/sicherheitskompendium) dargestellt werden, andererseits auch durch spezielle, auf die Anforderungen der EN ISO 13849-1 abgestimmte Dienstleistungen. Hinzu kommen sicherheitsgerichtete Produkte aus den Bereichen Sensorik, Steuerungstechnik und Antriebstechnik, die als risikomindernde Maßnahmen im Sinne der EN ISO 13849-1 eingesetzt werden können.

Andreas Hahn, Produktmanagement, Pilz GmbH & Co. KG

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