Sicherheitssteuerung Für komplexe Sicherheitskonzepte sind intelligente Controller besser

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Mithilfe moderner Sicherheitscontroller lassen sich selbst komplexe maschinelle Sicherheitsanwendungen ohne großen Verkabelungsaufwand in-Time und in-Budget realisieren.

In industriellen Anlagen kommt häufig eine große Bandbreite an sicherheitstechnischen Bauteilen zum Einsatz. Erfolgt ihre logiktechnische Verknüpfung per Sicherheitscontroller, können sich die Sicherheitsfunktionen ergonomisch und flexibel in die Betriebsabläufe einfügen.
In industriellen Anlagen kommt häufig eine große Bandbreite an sicherheitstechnischen Bauteilen zum Einsatz. Erfolgt ihre logiktechnische Verknüpfung per Sicherheitscontroller, können sich die Sicherheitsfunktionen ergonomisch und flexibel in die Betriebsabläufe einfügen.
(Bild: Schneider Electric)

Jede Maschine muss sicher sein. Diese Selbstverständlichkeit ist in vielen Ländern rechtlich verankert. In Deutschland zum Beispiel durch die Umsetzung der EU-Maschinenrichtlinie in das Produktsicherheitsgesetz, auch Maschinenverordnung genannt. Darin wird ein einheitliches Schutzniveau für vollständige und unvollständige Maschinen gefordert.

Und das ist auch gut so. Denn trotz aller Sicherheitsvorkehrungen ist gerade in industriellen Produktionsumgebungen stets Vorsicht geboten. Laut

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Deutscher Gesetzlicher Unfallversicherung (DGUV) gab es 2019 insgesamt rund 872.000 meldepflichtige Arbeitsunfälle in Deutschland. Ganze 142.000 davon entfielen allein auf die Metall- und Holzindustrie. Zum Vergleich: Die ebenfalls risikoanfällige Bauwirtschaft hatte im selben Zeitraum fast 36.000 Unfälle weniger zu beklagen.

Herausforderung: sicherheitstechnische Verknüpfungen

So unstrittig der grundsätzliche Bedarf an Sicherheitsvorkehrungen also ist: die Bandbreite an möglichen Sicherheitsfunktionen ist riesig. In vielen Fällen sind elektrische Bauteile gefragt, die Bedienungsfehlern vorbeugen und eine Maschine im Notfall sofort abschalten können. Lichtgitter, Fußmatten, Zwei-Hand-Schalter, Not-Aus oder Positionsschalter zählen zu den typischen Elementen.

Insbesondere bei größeren und komplexeren Maschinen kommen mitunter sehr viele dieser sicherheitstechnischen Bauteile kombiniert zum Einsatz. Ihre logiktechnische Verknüpfung – untereinander oder mit den Aktoren zur Motoransteuerung – kommt in solchen Fällen einer Herausforderung gleich. Hier sind intelligente Sicherheitscontroller gefragt, die OEMs dabei unterstützen, auch komplexe Sicherheitskonzepte unkompliziert, kostenschonend und skalierbar zu realisieren.

Die Grenzen des Sicherheitsrelais

Klassische Sicherheitsrelais kommen bei komplexen und kombinierten Sicherheitsfunktionen schnell an ihre Grenzen. Nicht nur benötigt jede einzelne Sicherheitsfunktion ein eigenes Sicherheitsrelais, diese Relais müssen auch hart verdrahtet miteinander kombiniert werden. Nur so lässt sich ihre logiktechnische Interaktion sicherstellen.

Je mehr Sicherheitsfunktionen eine Maschine also hat und je komplexer diese miteinander verschachtelt werden sollen, desto größer wird der Drahtverhau an den Klemmen. Das beansprucht viel Platz im Schaltschrank, ist umständlich zu Planen und schränkt die Flexibilität einer Maschine deutlich ein. Möchte ein Kunde etwa weitere Sicherheitsfunktionen zu seiner Maschine hinzufügen, muss das gesamte Sicherheitskonzept neu durchdacht und neu aufgebaut werden.

Sicherheitscontroller lohnen bereits ab drei bis vier kombinierten Sicherheitsfunktionen

Moderne Sicherheitscontroller stellen da eine wesentlich elegantere Lösung dar. Bei ihnen treffen die Signale aller sicherheitstechnischen Bauteile zentral ein und die logische Verknüpfung der Funktionen erfolgt rein in der CPU des Controllers via Software. Draht-basierte Querverbindungen zwischen einzelnen Sicherheitselementen müssen nicht eigens gesetzt werden.

Bereits ab drei bis vier kombinierten Sicherheitsfunktionen zahlt sich der Einsatz solcher Sicherheitscontroller aus. Neben dem beschleunigten und flexibleren Engineering bieten sicherheitsgerichtete Controller, wie zum Beispiel Modicon MCM von Schneider Electric, wertvolle Möglichkeiten für Simulations- und Diagnoseverfahren.

Modulare Controller und virtuelle Querverdrahtung

Sie sind modular aufgebaut und bestehen in der Regel aus einer CPU-Einheit sowie dazugehörigen E/A-Modulen für die Anbindung der Sicherheitselemente. Bei kleineren Anwendungen genügt auch das reine CPU-Modul, da dieses bereits selbst über Ein- und Ausgänge verfügt.

Auch ein Kommunikationsmodul für die Verbindung zur Steuerung über beispielsweise Ethernet steht zur Verfügung.

Im Fall von weit ausgedehnten, großen Maschinen ist es möglich, die Module auch dezentral zu verbauen.

Während das CPU-Modul mit seiner Intelligenz und einigen E/A-Modulen im Hauptschaltschrank Platz findet, können weitere E/A-Module dann auf bis zu fünf verschiedene Schaltschränke entlang der Maschine verteilt werden.

Die logische Interaktion der einzelnen Sicherheitselemente wird in der Softwareoberfläche konfiguriert. Dabei kommen vorgefertigte Funktionsbausteine zum Einsatz, die grafisch durch das Ziehen von Linien miteinander kombinierbar sind. Eine Codierung im engeren Sinne ist also nicht erforderlich und die Umsetzung der virtuellen Querverdrahtung muss nicht durch IT-Experten vorgenommen werden.

Die Programm-Bedienung ist jedem, der über ein gewisses Basiswissen in den Bereichen Sicherheits- und Elektrotechnik verfügt, zugänglich. Eine spezielle Programmiersprache muss nicht erlernt werden.

Sicherheitsfunktionen per Mausklick kombinieren

Noch bevor Controller oder Sicherheitselemente gekauft und installiert werden, kann die virtuelle Konfiguration des Sicherheitskonzepts innerhalb der Softwareumgebung erfolgen. Die lizenzfreie Software „SoSafe Configurable“ steht dafür kostenlos als Download zur Verfügung.

Damit die erstellten Verbindungen später auch real umsetzbar sind, gibt die intelligente Software gewisse Grundbedingungen vor. So können einzelne Sicherheitsfunktionen nur dann kombiniert werden, wenn zuvor auch die passenden Controller-Module ausgewählt wurden.

Möchte ein Techniker also zum Beispiel weitere Not-Aus-Schalter hinzufügen, hat aber alle Eingänge bereits virtuell belegt, fordert ihn die Software zum Hinzufügen eines weiteren E/A-Moduls auf. Auf diese Weise bleibt sichergestellt, dass später auch die exakt richtige Hardware bestellt wird.

Auf Basis der korrekt ausgewählten Module können die eingehenden Sicherheitsfunktionen nahezu beliebig mit den sicheren Schaltausgängen kombiniert werden, die als Relais- oder Halbleiterausgänge zur Verfügung stehen. Mithilfe einfacher Linien wird die logische Verbindung zwischen den Funktionsblöcken etabliert.

Blöcke für „Boolesche“ UND / ODER Funktionen erlauben zudem die Realisierung von komplexeren Sicherheitskonzepten mit kombinierten Elementen – wenn zum Beispiel ein Not-Aus und ein Zwei-Hand-Schalter gemeinsam an einen Ausgang herangeführt werden müssen.

Ein weiteres Beispiel betrifft die Teil-Abschaltung einer Maschine: Kommt es etwa bei einer Verpackungsmaschine zu einem Papierstau, müssen Servicetechniker mitunter zwischen die Walzen greifen. Bei voller Maschinengeschwindigkeit ist das sehr gefährlich. Andererseits ist die komplette Abschaltung einer Maschine immer mit Produktionseinbußen und Ertragsverlust verbunden. Um sowohl Unfälle als auch Stillstandszeiten zu vermeiden, lassen sich mit einem Sicherheitscontroller Möglichkeiten für Teil-Abschaltungen oder sichere Geschwindigkeits-Reduzierungen einzelner Motoren vergleichsweise unkompliziert realisieren. Während Reparaturarbeiten an einem bestimmten Maschinenteil stattfinden, läuft der Rest der Maschine einfach weiter.

Änderungen im laufenden Betrieb sind einfach machbar

Egal wie komplex, einmal erstellte Konfigurationen lassen sich in der Software speichern und einfach per Mausklick auf weitere Maschinen übertragen. Im Fall von hart verdrahteten Sicherheitsrelais wäre das für den Maschinenhersteller jedes Mal ein aufwändiger und zeitfressender Prozess. Ebenso wären die Flexibilität und Skalierbarkeit des Sicherheitskonzepts erheblich eingeschränkt.

Hier eröffnen Sicherheitscontroller ganz neue Möglichkeiten: Änderungen oder Erweiterungen während der Planungsphase, aber auch im laufenden Betrieb sind jederzeit unkompliziert möglich. Zusätzliche oder ausgetauschte Sicherheitsbauteile können nahtlos in die bestehende Konfiguration eingefügt werden.

Simulation und Diagnose

Damit das virtuell erstellte Sicherheitskonzept auch real funktioniert, führt die Software eine selbstständige Plausibilitätsprüfung durch. So lässt sich sicherstellen, dass alle Ein- und Ausgänge richtig verbunden wurden und keine gravierenden Fehler vorliegen.

Außerdem ist es möglich, alle konfigurierten Sicherheitsanwendungen auf ihre Funktionsweise hin zu simulieren. Verschiedene Schaltzustände – zum Beispiel eines Not-Aus – können per Mausklick getestet werden. Das vermeidet Planungsfehler und erlaubt kosteneffiziente Bestellungen. Auch im Fall von Erweiterungen im laufenden Betrieb können neue Sicherheitselemente zunächst in der Software getestet werden. So lassen sich Investitionsentscheidungen besser absichern.

Neben den Simulationsfunktionen bietet ein Sicherheitscontroller wie Modicon MCM auch Möglichkeiten für die Diagnose. Bei einem Maschinenausfall kann sich der Servicetechniker per USB mit derselben Software, die schon für die Programmierung verwendet wurde, auf das CPU-Modul aufschalten. Hier sieht er auf einen Blick den Status von Eingängen und Verarbeitung. Der reale „Fluss“ zwischen den Funktionsblöcken wird farblich dargestellt und Fehlerursachen lassen sich somit leicht identifizieren.

Zusätzlich steht auch eine tabellarische Auswertung bereit. Das kann gerade während des Konstruktionsprozesses einer Maschine von Bedeutung sein und die Time-to-Market deutlich beschleunigen.

Über ein Fieldbus-Modul können die Diagnosedaten des Controllers zudem an eine Steuerung und damit an ein übergeordnetes Managementsystem weitergeleitet werden. So ist der Gang zum Schaltschrank nur noch notwendig, um eine Detailansicht des laufenden Sicherheitskonzepts zu erhalten. In vielen Situationen entfällt er komplett.

Fazit: Mehr Effizienz und Flexibilität in Sicherheitsfragen

Für die Umsetzung von Sicherheitskonzepten mit kombinierten Sicherheitselementen bringen moderne Sicherheitscontroller wie Modicon MCM von Schneider Electric Vorteile mit sich:

Deutlich schnelleres und weniger fehleranfälliges Engineering bedeutet für den Maschinenhersteller weniger Aufwand, weniger Kosten und eine verkürzte Time-to-Market – insbesondere dann, wenn einmal erstellte Programmstrukturen nur noch kopiert werden müssen. Außerdem lassen sich auf diese Weise elaborierte Sicherheitsmaßnahmen konzipieren, die sich noch ergonomischer in die Betriebsabläufe integrieren. Nachträgliche Änderungen und Erweiterungen sind unkompliziert möglich und für den Endkunden bieten sich zudem Vorteile hinsichtlich der Diagnose von sicherheitsbedingten Ausfällen.

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