Antriebe mit Safety-Integrated-Funktion Sicherheit als Zusatznutzen

Autor / Redakteur: Johanna Gebhardt* / Reinhard Kluger

Wo auf engem Raum und mit vorhandenem Personal immer mehr Leistung gefordert wird, da müssen Maschinen nicht nur sehr performant und zuverlässig sein, sondern auch extrem kompakt und sicher. Modular ausbaubare Antriebe erleichtern das Auslegen solcher Antriebe, indem Sicherheitsfunktionen einfach „dazugebucht“ werden können. Dann, wenn zum Beispiel Produktionsänderungen zusätzlichen Schutz von Mensch und Maschine verlangen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Eine Forderung aus der Praxis: Schon im Antrieb sollten umfassende Sicherheitsfunktionen verfügbar sein und: Sie sollten ohne Geber nutzbar sein. Ganz einfach realisiert der Frequenzumrichter Sinamics G120 sicherheitstechnischer Maschinenfunktionen, er bringt sie in seiner fehlersicheren Ausführung nämlich gleich mit. Neben der sicheren Bremsenansteuerung, Safe Brake Control (SBC), sind auch die Funktionen Safe Torque Off (STO), Safe Stop 1 (SS1) und Safely Limited Speed (SLS) in den Umrichter integriert. Diese Sicherheitsfunktionen sind nach Kategorie 3 der EN 954-1 und nach SIL2 der IEC 61508 zertifiziert und kommen ohne galvanische Trennung oder externe Schütze aus – auch ohne Geber. Ein derartiges Angebot an Sicherheitsfunktionen suchte man bisher nicht nur in dieser Leistungs- und Preisklasse vergebens. Weltweit ist derzeit kein Antriebssystem bekannt, das Ähnliches zu bieten hat.

Einfach realisiert: Projektieren mit wenigen Klicks

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Das funktionsstarke Paket sofort nutzbarer antriebsbasierter Sicherheitsfunktionen eröffnet wichtige Chancen, den Betrieb einer Maschine auf einfache und kostengünstige Art sicher zu machen – und den Einrichtbetrieb vieler Maschinen durch zertifiziert abgesicherte Automatikfunktionen rationeller, effizienter und komfortabler zu gestalten.

Die Control Units mit fehlersicherer Funktionalität der Sinamics-G120-Reihe bieten dabei zwei Wege für das Auslösen der Funktionen STO, SS1, SLS: Zum einen können zwei unabhängige lokale sichere Digitaleingänge (F-DI) zum Anschluss eines fehlersicheren Sensors genutzt werden, zum anderen lässt sich der Umrichter über Profisafe via Profibus ansteuern. Für Letzteres ist eine fehlersichere Steuerung Simatic F nötig. Es kann bei Verwendung der lokalen sicheren Digitaleingänge eine Auswahl von zwei voneinander unabhängigen Funktionen und bei Profisafe eine Funktion aus den implementierten Sicherheitsfunktionen aus (STO/SS1/SLS) projektiert werden.

Befinden sich Menschen (z. B. in Anlagen der Fertigungs- oder Fördertechnik) in der Nähe von Maschinen, müssen diese durch Komponenten (Not-Halt, Schutztüren), durch technische Einrichtungen geschützt werden. Die Vorteile der Sicherheitstechnik zu herkömmlichen Schutzmaßnahmen sind dabei:

• geringere Verdrahtungsaufwände und weniger Komponenten,

• Platz sparender Aufbau durch Verwendung von Sicherheitskomponenten und

• einfache Erweiterbarkeit.

Die sichere Bremsenansteuerung (SBC) und das sicher abgeschaltete Moment (STO) wird in der Regel zum sicheren Stillsetzen von Antrieben in Maschinen oder Anlagen genutzt, z. B. zum Stillsetzen von Motoren beim Öffnen einer Schutztür. Wird die Funktion STO projektiert, dann wird beim Auslösen der Umrichterausgang pulsfrei geschaltet, das heißt drehmomentfrei, und er trudelt aus. Ein Austrudeln des Antriebs nach Öffnen der Schutztür kann jedoch je nach angeschlossener mechanischer Schwungmasse am Motor sehr lange dauern. In diesem Falle wird empfohlen, den Motor durch Verwendung einer Motor-Haltebremse mithilfe eines optionalen, externen SBC-Moduls zu verwenden. Die Ansteuerung des SBC-Moduls übernimmt die Control Unit (nicht in allen CUs enthalten). Dieses sogenannte Safe Brake Modul steuert die Bremse sicher an, überwacht also die Bremsenansteuerung. Es ist aber dabei zu beachten, dass die mechanische Bremse selbst nicht sicher ist.

Beim Safe Stop 1 wird der Motor im Rahmen der Sicherheitsreaktion vom Umrichter entlang einer sicher überwachten Bremsrampe bis zum Stillstand elektrisch abgebremst, bevor er dann nach Erreichen einer parametrierbaren Mindestgeschwindigkeit durch STO sicher drehmomentfrei geschaltet wird. Der Motor kommt hierbei sehr viel schneller zum Stehen. Und im Gegensatz zu externen Sicherheitslösungen erfolgt die Drehzahlüberwachung dabei im Antrieb unmittelbar und kontinuierlich selbst. So ist systembedingt eine sehr schnelle, definierte Reaktion möglich, sowohl um die Drehzahl zu jedem Zeitpunkt aktiv innerhalb des Toleranzbandes der Bremsrampe zu halten, als auch um die Sicherheitsreaktion bei einem eventuellen Verletzen des Toleranzbandes sofort erweitern zu können.

Praxisgerechte Module als konkrete Vorteile

Diese schnelle interne Sicherheitsreaktion des Antriebs ermöglicht den Einsatz des Sinamics G120 z. B. zusammen mit Lichtgittern und sie erlaubt kleinere Abstände zwischen Gefahr bringender Bewegung und Lichtgitter bzw. Schutztür – wobei letztere zudem früher freigegeben und geöffnet werden kann.

Das Stillsetzen des Antriebs entlang einer definierten Bremsrampe erleichtert in vielen Fällen auch die direkte, komplikationslose Wiederaufnahme der Produktion nach einer Sicherheitsreaktion (Beispiel: Das Kippen oder Rutschen von Waren auf einem Band lässt sich vermeiden). Deshalb erschließt bereits die Differenzierung der geforderten Stopp-Reaktion nach Safe Torque Off und Safe Stop 1 erhebliche Produktivitätsvorteile. Und zwar ohne Mehrkosten, weil die fehlersichere Variante des neuen Antriebs ja beide Stopp-Varianten schon von Haus aus unterstützt.

Die Funktion Safely Limited Speed (SLS, sicher begrenzte Geschwindigkeit) ist ein Instrument, um Einricht- und Wartungsarbeiten an einer Maschine oder Anlage durch Automatikfunktionen zu vereinfachen und zu beschleunigen. Die Drehzahl des Motors wird dabei auf eine sicher überwachte Geschwindigkeit heruntergefahren. Auch hier überwacht der Antrieb selbst die Drehzahl – und das ohne nötige Geberunterstützung. Die Sicherheitsfunktion kann die Drehzahl also präzise und kontinuierlich überwachen und bei Verletzungen des projektierbaren sicheren Drehzahltoleranzbereiches sofort mit einem „Safe Torque Off“ oder „Safe Stop 1“ reagieren. In der fehlersicheren Ausführung des neuen Sinamics G120 steht die Funktion SLS dazu in drei Modi zur Verfügung, von denen einer sogar die Veränderung der Drehzahl innerhalb des überwachten Toleranzbandes erlaubt. Dies vereinfacht die Realisierung sicherer automatikgestützter oder auch manueller Einrichtfunktionen, bei denen die Drehzahl des Antriebs innerhalb sicherer Grenzen variiert wird.

Die neuen Siemens-Antriebe werden mit verschiedenen Kommunikationsschnittstellen angeboten. Standardmäßig sind sie für die Kommunikation mit der Steuerungsebene über den Profibus ausgerüstet. So fügen sich die neuen Umrichter einfach in moderne Automatisierungstopologien ein, und sie können von jedem Punkt der Maschine oder Anlage, an dem ein Profibus-Anschluss zur Verfügung steht, in Betrieb genommen, gewartet und diagnostiziert werden. Mit dem weit verbreiteten Feldbus steht optional das Profisafe-Protokoll für die fehlersichere Kommunikation zur Verfügung (F-CPU erforderlich). Der G120 beinhaltet auch ein nach Profidrive spezifiziertes Standardtelegramm 20, das den Antrieb der in der Chemie- und Pharma-Industrie bevorzugten VIK-Namur-Variante anwendet.

Praxisgerechte Modularisierung für ...

Parallel oder alternativ dazu können die Sicherheitsfunktionen des Antriebs auch von direkt am Umrichter aufgeschalteten Signalen aktiviert werden. Damit ist eine von der Steuerungsebene unabhängige, sehr schnelle Sicherheitsreaktion möglich. Dank der sicherheitsgerichteten digitalen Eingänge der fehlersicheren Regelungsbaugruppe kommen sogar Einfachst-Applikationen ohne überlagerte Steuerung in den Genuss moderner, effizienter Sicherheitsfunktionen.

Überhaupt wird der Aufbau von sicherheitsgerichteten Antriebslösungen durch die in den Antrieb integrierten, umfassenden Sicherheitsfunktionen sehr vereinfacht: Standard-Technologien und sicherheitsgerichtete Systemkomponenten lassen sich innerhalb einer Automatisierungslösung sowohl auf der Steuerungs-, Kommunikations- als auch auf der Antriebsebene nebeneinander einsetzen, so, wie es gerade benötigt wird. Sobald ein fehlersicherer Antrieb projektiert wird, werden im Engineering-System die Sicherheitsfunktionen zur Parametrierung angeboten – mit wenigen Mausklicks sind die Vorgaben für die geforderte Sicherheitsreaktion und die auslösenden Ereignisse gemacht.

Selbst im Nachhinein bleibt die Ergänzung von Sicherheitsfunktionen durch das modulare Konzept einfach. Gesonderte Steckplätze? Geänderte Verkabelung? Zusätzliche Geber? Beim neuen Antrieb ist dies extrem einfach: eine fehlersichere Control Unit auf das entsprechende G120-Leistungsteil stecken, Projektierung und Programmierung anpassen, fertig.

Das bedeutet letztlich auch, dass Maschinen mit dem Sinamics G120 grundsätzlich zukunftssicher ausgerüstet sind: Anpassungen an kundenspezifische Forderungen oder funktionale Erweiterungen sind sogar im sicherheitstechnischen Bereich sehr einfach und innerhalb einer überschaubaren Palette von Umrichterkomponenten zu leisten. So sind ja z. B. die Leistungsteile bei Standardanwendungen und sicherheitsgerichteten Antriebslösungen die Gleichen. Letzteres bietet auch Vorteile im Ersatzteilfall zum Vorteil des Distributors und seiner Lagerhaltung und bei kurzfristigen Änderungen/Erweiterungen der Anlage: es sind weniger verschiedene Komponenten am Lager zu halten.

... Entwicklung, Maschinenbau und Betreiber

Ihre praxisgerechte Modularisierung macht die neue Umrichterreihe Sinamics G120 zu einer universellen Antriebslösung für eine Vielzahl von Applikationen und Branchen. Die gute Skalierbarkeit in Leistung und Funktion erlaubt den wirtschaftlichen Einsatz in der Fördertechnik bei Pumpen und Lüftern, in Produktionsmaschinen, im Anlagenbau, in der Verpackungs- oder Textilindustrie ebenso wie in der chemischen Industrie. Dabei wirken die Sicherheitsfunktionen, die bei Bedarf für jeden Antrieb durch einfache Auswahl in der Projektierung bereitgestellt werden können, als Synergieturbo: Einfacher und flexibler sind Sicherheitsfunktionen kaum noch in eine Maschine zu integrieren. Und die mit der Antriebsreihe Sinamics G120 zur Verfügung gestellte zukunftsweisende Technologie fortgeschrittener Sicherheitsfunktionen wird die Verbreitung produktivitätssteigernder Einricht- und Wartungsfunktionen massiv fördern. Die benötigten Ressourcen zur rationellen und sicheren Automatisierung sind mit wenigen Mausklicks aktiviert.

Siemens A&D, Fax +49(0)911 9783282

Standpunkt - Katrin Mickan, Promotion Manager, Siemens AG, A&D, Erlangen:

„Betrachtet man die aktuellen Entwicklungen in der Industrieautomatisierung wie zum Beispiel das Industrial Ethernet oder neuerdings auch Wireless Communication, sieht man, dass auch Umwälzungen bei der Sicherheitstechnik im Gange sind. Nicht weil sie gänzlich neu ist, sondern aufgrund der immer stärkeren Verschmelzung von Standardkomponenten und Sicherheitstechnik. In konventioneller Technik werden – bei strikter Trennung beider Aspekte – unterschiedliche Hardware-Systeme und Engineering-Methoden und -Werkzeuge angewandt. In der Praxis müssen die Standardkomponenten und die Sicherheitstechnik jedoch recht aufwändig verdrahtet werden. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es also nahe liegend, Sicherheitstechnik und Betriebsautomatisierung zusammenwachsen zu lassen. Mit der Integration von Sicherheitslösungen in die Automatisierungstechnik werden konsequenterweise auch die sicherheitsgerichteten Signale über die etablierten Feldbusse übertragen. Mit diesem Konzept wachsen sowohl die Standardkomponenten als auch alle Sicherheitskomponenten zu einem einheitlichen, transparenten wirtschaftlichen Gesamtsystem zusammen, das heißt zu integrierter Sicherheit: Safety Integrated.“

Johanna Gebhardt, Manager Marketing Communication, Siemens AG, A&D, Erlangen.

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