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Sicherheitssteuerung Mit modularer Sicherheitstechnik Antriebe und Achsen überwachen

Autor / Redakteur: Sinan Uygur* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Eine zunehmende Dynamik industrieller Prozesse im digitalen Zeitalter stellt immer höhere Anforderungen an die Sicherheit von Mensch und Maschine. Der Bamberger Safety-Spezialist Wieland Electric hält es dabei einfach und effizient – und setzt auf eine Kombination aus kompakter Sicherheitstechnik und intuitiver Programmiersoftware.

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Programmierbar und modular: Die Sicherheitssteuerung Samos Pro Motion verfügt bereits in ihrem Basismodul über alle Funktionen für eine umfassende Drehzahl-, Drehrichtungs- und Positionsüberwachung.
Programmierbar und modular: Die Sicherheitssteuerung Samos Pro Motion verfügt bereits in ihrem Basismodul über alle Funktionen für eine umfassende Drehzahl-, Drehrichtungs- und Positionsüberwachung.
(Bild: Wieland Electric)

Ob Maschinen, Pressen, fahrerlose Transportsysteme, Aufzüge oder Windkraftturbinen – überall, wo Bewegung im Spiel ist, darf der Faktor Sicherheit nicht fehlen. Im Zuge zunehmend automatisierter Prozesse wird dabei die Überwachung von Antrieben und Achsen immer wichtiger. Ein Weg führt über programmierbare und modulare Sicherheitstechnik wie sie Wieland Electric mit der kompakten Sicherheitssteuerung Samos Pro Motion bereithält. Diese verfügt in ihrem Basismodul über alle Funktionalitäten für eine umfassende Drehzahl-, Drehrichtungs- und Positionsüberwachung, ohne dass ein zusätzliches Motion-Modul nötig ist. Ein Gateway-Modul für Profinet I/O, Ethernet/IP oder Modbus TCP ist dank der Industrial-Ethernet-Integration ebenfalls nicht notwendig, was Platz, Material und damit Kosten einspart.

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Mit sechs Grundfunktionen Bewegungen überwachen

Mit einer Breite von 45 mm umfasst die Samos Pro Motion sechs Grundfunktionen für die sichere Geschwindigkeits-, Positions- und Richtungsüberwachung. Über Bewegungssensoren werden die Impulse bis zu 70 kHz erfasst, welche die Steuerung in Geschwindigkeit, Winkel, Position und Richtung wandelt. Die Bewegungsfunktionen, die gemäß EN 61800-5-2 implementiert sind, vergleichen die Istwerte mit Grenzwerten: Wird ein zulässiger Grenzwert oder Bereich überschritten, greifen entsprechende Sicherheitsmaßnahmen. So kann der Motor sicher gestoppt, Türen verschlossen und entriegelt oder auch ein zusätzlicher Alarm ausgelöst werden.

Vorteil der kompakten Steuerung: Mit nur einem Sensorelement lassen sich viele Sicherheitsfunktionen realisieren. So umfasst jeder Funktionsbaustein bis zu vier Bereiche. Weil in einer Steuerung 25 Drehzahlüberwachungsfunktionen aufrufbar sind, können bis zu 100 Drehzahl- oder Positionsbereiche mit dem Basismodul überwacht werden. Besonders praktisch für den internationalen Einsatz erweisen sich zudem die flexiblen Einheiten für Grenzwerte. Sowohl das internationale Einheitssystem als auch das angloamerikanische Maßsystem sind anwendbar.

Ergänzendes zum Thema
Sicherheitssteuerung Samos Pro Motion
Fahrerlose Transportsysteme (FTS): Sicherheit fährt mit

Die Logistikbranche erfindet sich im Zuge der Digitalisierung neu und setzt zunehmend auf die Automatisierung von Prozessen. Eine Schlüsselrolle spielen dabei fahrerlose Transportsysteme (FTS). Die Sicherheitssteuerung Samos Pro Motion bietet hierfür die integrierten Motion-Funktionen: „Sicherer Geschwindigkeitsbereich“ (SSR), „Sichere Drehrichtung“ (SDI) und „Sicher begrenzte Position (SLP). Sie ist mit allen Sensoren und Laserscannern kompatibel und dennoch kompakt – ein Vorteil bei der Anwendung in autonomen Fahrzeugen.

Dank Motion-Funktionalität, kompakter Bauweise und einfacher Anbindung des Inkrementalgebers SENC eignet sich die Steuerung auch für den Einsatz in fahrerlosen Transportsystemen.
Dank Motion-Funktionalität, kompakter Bauweise und einfacher Anbindung des Inkrementalgebers SENC eignet sich die Steuerung auch für den Einsatz in fahrerlosen Transportsystemen.
( Bild: Wieland Electric )

Zudem ist eine Anbindung des Inkrementalgebers SENC an die Steuerung möglich, ohne aufwändige Verkabelungen. Der robuste HTL-Encoder misst Geschwindigkeit und Winkel an den Achsen, bis Sicherheitsniveau bis PL e. Dies ist vor allem vor dem Hintergrund wichtig, dass mit der DIN EN ISO 3691-4 bald eine europäische Sicherheitsnorm in Kraft tritt, die das Sicherheitslevel PL d für FTS fordert.

Auch der Faktor Zeit spielt für FTS-Hersteller eine wichtige Rolle. Durch den Einsatz der Samos Pro Motion lässt sich der Aufwand bei der Serienproduktion, Wartung und beim Update von Systemen stark verringern, da Projekte per SD-Karte mit einem herkömmlichen PC oder Laptop vervielfältigt, kopiert oder bei Bedarf auch per E-Mail kommuniziert werden können, ohne dafür eine spezielle Software einzurichten.

Sichere Bewegungsüberwachung trotz Vibrationen

Vibrationen sind eine Herausforderung bei der sicheren Bewegungsüberwachung. Diese lassen sich in Makro- und Mikro-Vibrationen einteilen. Bei den Makro-Vibrationen kann der Bewegungssensor – zum Beispiel ein Encoder oder Initiator-Paar – den Richtungswechsel auf beiden Spuren erkennen. Da eine Vibration aber letztlich nichts anders als ein sehr schneller Richtungswechsel in einem bestimmten Raum ist, löst Wieland dies nicht mehr mit einem Drehzahl-, sondern einem Positionsfenster. Darüber hinaus können die Anwender auch beide Bedingungen parallel aktivieren, so dass weder eine gewisse Drehzahl überschritten noch ein bestimmtes Positionsfenster verlassen wird.

Mikro-Vibration tritt auf, wenn Sensoren oder Encoder einen Flankenwechsel auf Spur A beobachten, während Spur B konstant bleibt. Solche Mikro-Vibrationen können aufgrund von mechanischen Schockwellen oder Werkzeugwechselprozessen entstehen, die nicht unbedingt etwas mit der Lageregelung zu tun haben müssen. Die Kunst dabei ist, die Vibration im Stillstand von einer echten Bewegung mit einem Sensorfehler zu unterscheiden.

Dafür wird Wieland Anfang 2020 im Rahmen seines Samos Pro-Portfolios eine professionelle Anti-Vibrationslösung bereithalten, mit der sich die Anlagenverfügbarkeit maximieren lässt, ohne dass Abstriche bei den Sicherheitsfunktionen gemacht werden müssen.

Das gleiche Prinzip wie bei den oben genannten Makro-Vibrationen gilt auch bei den vertikalen Achsen, bei denen die Last aufgrund der Schwerkraft über lange Zeit sehr langsam rutschen und dadurch eine Gefahr verursachen kann. In solchen Applikationen ist das Geschwindigkeitsfenster nicht nützlich, da die Geschwindigkeit nahe Null ist. Stattdessen wird ein Positionsfenster definiert.

Sicherheitssteuerung überwacht auch bei Unwetter

Für einen reibungslosen Betrieb von Maschinen, Anlagen oder auch Windkraftturbinen sollten sich zudem gravierende Schäden wie Wellenbrüche oder Überdrehzahl bei Unwetter erkennen lassen. Dies ist mit der Sicherheitssteuerung anhand eines Geschwindigkeitsvergleichs möglich. Die Samos Pro Motion enthält Skalierungsfaktoren zur Synchronisation zweier Sensoren oder Achsen und stellt flexible Vergleichsmethoden von zwei Bewegungssensoren zur Verfügung. Dazu gehören die absolute Toleranz für die Positionsüberwachung, die relative Toleranz in Abhängigkeit von der Ist-Drehzahl und eine Kombination beider Methoden für Anfangsbeschleunigungen. Darüber hinaus lässt sich optional ein Vergleich mit und ohne Richtung durchführen, beispielsweise für gegenläufig drehende Walzen.

Fehlerdiagnose ohne zusätzliche Software möglich

Um Fehler zu quittieren und den Anwender zu informieren, dass Fehler behoben sind, bietet jede Bewegungsfunktion der Samos Pro Motion einen komfortablen Reset. Optional können zudem die Fehlerausgänge angezeigt werden, so dass erkennbar ist, ob es sich um einen pauschalen, sensorbezogenen oder funktionsbezogenen Fehler handelt. Durch die Weiterleitung der Fehlermeldung zu Lampen kann selbst ein ungeschulter Mitarbeiter das Fehlerbild erkennen, aufnehmen und entsprechend Bericht erstatten.

Dank der Kommunikation von sämtlichen Diagnosebits an HMI-Panels, wie beispielsweise die HMI Eco Panels von Wieland, sowie an SPS von Drittanbietern ist eine schnelle und lokale Fehlerdiagnose möglich, was Stillstandszeiten reduziert und die Produktivität der Anlage erhöht. Eine spezielle Software oder ein Sondertool ist für die Fehlerdiagnose und Fehlerfindung nicht nötig.

Anwendertreff Maschinensicherheit

Die Maschinensicherheit ist ein wichtiges Thema: Die richtigen Normen müssen berücksichtigt und die Anforderungen der Maschinenrichtlinie müssen eingehalten werden. Der Anwendertreff Mascinensicherheit unterstützt Entwickler und Konstrukteure, die funktionale Sicherheit von Maschinen und Anlagen zu gewährleisten.

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Höchste Sicherheitslevel mit sicheren Encodern

Als Zubehör steht der sichere Inkrementalgeber SENC mit HTL-Schnittstelle zur Verfügung. Damit lassen sich Geschwindigkeit und Winkel an den Achsen sicher messen, so dass ein einzigartiges Sicherheitsniveau bis PLe und SIL3 erreicht wird. Er eignet sich für die sichere Geschwindigkeits-, Richtungs- und Positionsüberwachung bei allen Maschinen mit Referenzfahrt sowie bei fahrerlosen Transportsystemen (FTS/AGVs). Der Inkrementalgeber ist in den Größen 58 und 90 mm mit Hohl- und Vollwelle und mit dem passenden Zubehör verfügbar. Zudem kann die Steuerung auch mit 3rd-Party-Encodern mit HTL-Schnittstelle die Bewegungsüberwachung realisieren, die in der Anlage bereits vorhanden sind.

Ebenfalls als Zubehör erhältlich sind Näherungssensoren, die eine Geschwindigkeitsüberwachung von zwei Achsen bis PLd ermöglichen. Sie sind für Einzel- und Mehrachsen skalierbar und lassen sich zur Nachrüstung kostengünstig installieren.

Ergänzendes zum Thema
Samos Pro Motion
Die Sicherheitsfunktionen im Überblick:
  • Stillstandsüberwachung
  • SLS – Sichere begrenzte Geschwindigkeit
  • SSR – Sicherer Geschwindigkeitsbereich
  • SSM – Sichere Drehzahlüberwachung
  • SDI – Sichere Richtung
  • SLP – Sichere begrenzte Position

Die Funktionen SOS, SS1 oder SS2 lassen sich in einem Samos Plan 6-Projekt leicht realisieren, da separate Funktionsbausteine nicht notwendig sind. Für ein schnelles Vorankommen unterstützt Wieland Electric den Anwender hier außerdem mit konkreten Beispielen.

Sichere Bewegungsüberwachung einfach programmieren

Mit durchdachten Hardware-Komponenten allein ist es bei der sicheren Bewegungsüberwachung jedoch nicht getan. Schließlich müssen Sicherheitsfunktionen auch programmiert, verifiziert und dokumentiert werden. Aus diesem Grund stellt Wieland Electric mit Samos Plan 6 eine intuitive und flexible Programmiersoftware lizenzfrei zur Verfügung. Das benutzerfreundliche Tool unterstützt SPS-Programmierer, Elektrokonstrukteure und Entwickler bei der einfachen und zeitsparenden Konfiguration, Parametrierung, Validierung und Inbetriebnahme.

Eine intuitive Programmierung auch ohne detaillierte Produktkenntnisse ermöglicht hierbei die automatische Hardware-Konfiguration, die mit Features statt Modulen arbeitet und den Engineering-Aufwand deutlich reduziert. Sowohl im Offline- als auch im Online-Modus mit Oszillloskop-Funktion können zudem Sicherheitsfunktionen direkt vor Ort schnell validiert, verifiziert und dokumentiert werden. Darüber hinaus befähigt eine umfangreiche Bibliothek mit TÜV-zertifizierten Funktionsblöcken, darunter auch Motion-Funktionen gemäß EN61800-5-2, zum fehlerfreien Parametrieren und unterstützt eine schnelle Abnahme durch Zulassungsstellen. Über das sogenannte Forcing lassen sich Maschinen trotz fehlenden Sensoren schneller in Betrieb nehmen. Praxisorientiert liefert das Softwaretool auch eine konfigurierbare Projekt-Dokumentation auf Knopfdruck.

* Sinan Uygur, Produktmanager Motion / Feldbus bei Wieland Electric

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