RFID-Sicherheitssystem

So sparen Maschinenkonstrukteure mit neuen Verriegelungseinheiten

| Autor / Redakteur: Simon Davis* / Ines Stotz

Integrierte Lösungen setzen sich aus einer aufeinander abgestimmten Kombination aus intelligenter sicherer Sensorik und Steuerungstechnik zusammen.
Integrierte Lösungen setzen sich aus einer aufeinander abgestimmten Kombination aus intelligenter sicherer Sensorik und Steuerungstechnik zusammen. (Bild: Phoenix Contact)

Bei der sicherheitstechnischen Ausstattung von Maschinen kommt es nicht nur auf die einzelnen Komponenten an, sondern auch auf deren Zusammenspiel. Integrierte Lösungen, die sich aus einer aufeinander abgestimmten Kombination aus intelligenter sicherer Sensorik und Steuerungstechnik zusammensetzen, bieten dem Maschinenkonstrukteur erhebliches Einsparungspotenzial bei der Beschaffung und im Aufbau sowie eine höhere Verfügbarkeit im Betrieb.

In Maschinen müssen immer dann Schutzeinrichtungen verwendet werden, sofern sich die aus Gefährdungen resultierenden Risiken durch Konstruktionsmaßnahmen nicht auf ein akzeptables Maß verringern lassen. Sollte ein Eingriff in den Fertigungsprozess notwendig sein, werden bewegliche trennende Schutzeinrichtungen – beispielsweise Schutztüren, -verdecke oder -klappen – angebracht. Wenn die Mitarbeiter die Schutztür zu Bedien- oder Servicezwecken öffnen, müssen die gefahrbringenden, sich meist bewegenden Funktionen abgeschaltet werden. Zur Stellungsüberwachung der Schutztür kommt eine Verriegelungseinheit zum Einsatz, die aus sicheren Schaltern und Überwachungskomponenten besteht.

Ermittlung des PLr des Gesamtsystems

Gemäß der geltenden Produktnorm DIN EN 60497-5-3 „Anforderungen für Näherungsschalter mit definiertem Verhalten unter Fehlerbedingungen (PDDB – Proximity Device with Defined Behavior)“ können PDDBs aufgrund ihres Verhaltens unter Fehlerbedingungen als Verriegelungseinrichtung genutzt werden (siehe DIN EN ISO 14119). Eine Verriegelungseinheit umfasst die Elemente Erfassungseinheit, OSSD(s) (Output Signal Switching Device) sowie Steuerungs- und Überwachungsgerät. Bei den drei Bestandteilen kann es sich um separate Geräte handeln, sie dürfen aber ebenso in einer Komponente vereint werden. Da die Anwender üblicherweise Geräte unterschiedlicher Hersteller verwenden, ist die Auswahl der passenden Komponente(n) mit einem größeren Aufwand verbunden. So sind Betriebsanleitungen zu vergleichen und die elektrischen Schnittstellen aufeinander abzustimmen.

Um den PLr (Performance Level Required) für das Gesamtsystem zu ermitteln, müssen die sicherheitstechnischen Kenngrößen der einzelnen Geräte bestimmt und zu einem Gesamtwert gebildet werden. Dabei ist es unter anderem wichtig, dass eine Reihenschaltung mehrerer berührungsloser Schalter nicht zu einer Verringerung des Gesamt-PLr oder wegen einer unzureichenden Diagnose zu einer Maskierung gefährlicher Fehler führt. Eine große Bedeutung kommt darüber hinaus der Reaktionszeit des Gesamtsystems, nachdem der Betätiger vom Sensor entfernt wird, zu. Sie ist in der Nachlaufzeit des Gesamtsystems zu berücksichtigen und zu prüfen.

Einstufung in Kodierungskategorien

Die DIN EN ISO 14119 stellt für Maschinenkonstrukteure weitere Hinweise zur Verfügung. Außerdem unterstützt sie in Bezug auf die Gestaltung und Auswahl von Verriegelungseinrichtungen. Dazu beschreibt die Norm eine Reihe von Anforderungen, die bei der Anbringung mit oder ohne Zuhaltung zu beachten sind. Die seit 2014 im Amtsblatt harmonisierte DIN EN ISO 14119 enthält zahlreiche Angaben hinsichtlich der Entscheidung für den am besten geeignete Sicherheitsschalter. Ferner erläutert sie die verschiedenen Aspekte der Bauarten und deren Verwendbarkeit für unterschiedliche Einsatzbereiche.

Zur Minimierung von Manipulation sowie in Abhängigkeit der Bauart müssen Schutztürschalter so ausgesucht und montiert sein, dass sie nicht auf eine vernünftigerweise vorhersehbare Art umgangen werden können. Bei den zu treffenden Maßnahmen könnte es sich um die Installation außer Reichweite der Bediener oder einen verdeckten Einbau handeln. Betätiger dürfen also nicht auf einfache Weise demontiert oder weggedreht werden. Als weitere Maßnahme sind die Geräte in Kodierungskategorien eingestuft:

  • geringe Kodierungsstufe – für den kodierten Betätiger werden eine bis neun Kodierungsmöglichkeiten angeboten
  • mittlere Kodierungsstufe – der kodierte Betätiger umfasst 10 bis 1000 Kodierungsmöglichkeiten
  • hohe Kodierungsstufe – der kodierte Betätiger lässt sich mit mehr als 1000 Möglichkeiten kodieren.

Als gängige Praxis bei der Erarbeitung sicherheitstechnischer Systeme erweist sich die logische Reihenschaltung von mehreren Schutztürschaltern, wobei die Sicherheitsauswertung durch ein einziges Sicherheitsrelais oder eine Sicherheits-SPS erfolgt. Geht es um eine logische Reihenschaltung von Verriegelungseinrichtungen mit redundanten mechanischen Kontakten, kann die Erkennung eines Einzelfehlers verdeckt werden. Es ist somit vorhersehbar, dass mehrere Schutztüren gleichzeitig oder im Rahmen der Störungsbeseitigung in einer bestimmten Reihenfolge geöffnet werden. Bei diesem Vorgehen wird der Einzelfehler eines Schaltkontakts verdeckt, was unter Umständen zu einer Verkettung mehrerer Fehler und einem gefährlichen Ereignis führen kann. Bei einer Reihenschaltung sollte daher der maximale Diagnosedeckungsgrad DC gemäß DIN EN ISO 13849-1 berücksichtigt werden.

SEMINARTIPPNeue Methoden zur Bewertung von Sicherheitsfunktionen beschreibt die Norm ISO 13849. Wie diese Norm einzuhalten ist, dabei hilft das Seminar „Anwendung der Sicherheitsnorm DIN EN ISO 13849 beim Aufbau von Maschinensteuerungen“.
Weitere Informationen

Manipulationsschutz und höchste Sicherheit auch bei einer Reihenschaltung

Aufgrund ihrer hohen Manipulationssicherheit kommen zur Überwachung trennender Schutzeinrichtungen immer häufiger elektronische, berührungslose kodierte Sensoren zur Anwendung. Um Maschinenkonstrukteure bei der Umsetzung der Vorgaben für Verriegelungseinheiten zu unterstützen, hat Phoenix Contact sein Portfolio um ein neuartiges Sicherheitssystem erweitert. Bei PSRswitch handelt es sich um einen elektronischen, RFID-kodierten berührungslosen Sicherheitsschalter in kompakter Bauform. Durch die integrierte Intelligenz in Verbindung mit einem kompatiblen Auswertegerät wird dem Anwender auch bei einer Reihenschaltung größtmöglicher Manipulationsschutz und höchste Sicherheit geboten.

Schalter der Baureihe PSRswitch gehören zu den Bauart-4-Verriegelungseinheiten gemäß DIN EN ISO 14119. Ihre schmale Gehäuseabmessung erlaubt unterschiedliche Einbaumöglichkeiten in der Maschine und damit eine universelle Nutzung in vielfältigen Anwendungen. Neben der sicheren Position einer Schutztür eignen sich die Schalter zur Erfassung von linearen oder rotierenden Einbauten, wie ein Roboter.

Als Antwort auf den steigenden Kostendruck bei der Realisierung der Feldverdrahtung zeichnet sich der Schalter durch einen durchdachten Ansatz aus. Ein direkt am Gerät befindlicher achtpoliger M12-Anschluss ermöglicht ein durchgängiges SAC-Verdrahtungskonzept vom Sensor über Verteiler bis zu den sicheren EA-Baugruppen. Zur Vereinfachung der Verdrahtung lässt sich ein Startkreis (Reset-Taster) direkt am Schalter ausführen, sodass lange Verdrahtungswege zum Schaltschrank eingespart werden.

Einlernen nur des ersten Betätigers

Die RFID-Transpondertechnologie ist schon längst in die sichere Sensortechnik eingezogen und sorgt hier für den kodierten Austausch von Signalen zwischen dem Sensor und Betätiger. Deshalb setzen PSRswitch mit drei verschiedenen Sensoren und einem universellen Betätiger zwei Kodierungsstufen der DIN EN ISO 14119 um. Unicode- und Fixcode-Sensoren, die durch eine hohe Kodierungsstufe gekennzeichnet sind, unterscheiden sich dadurch, dass nach dem Einlernen des ersten Betätigers keine weiteren Betätiger am Fixcode-Sensor eingelernt werden können. Der Multicode-Sensor hat eine niedrigere Kodierungsstufe und akzeptiert jeden Betätiger.

Schalter dieser Art sind so auszuwählen und zu installieren, dass ein Umgehen auf vernünftigerweise vorhersehbare Art verhindert wird. Zu diesem Zweck können sie beispielsweise außer Reichweite der Anwender oder an einer verdeckten Position angebracht werden. Ein weiterer Vorteil der Technologie liegt in der Realisierung der logischen Reihenschaltung bei gleichbleibender Sicherheit über zwei sichere Ein- und Ausgänge. Die Ausgänge lassen sich direkt mit den Eingängen des nächsten Schalters in der Kette verknüpfen. Etwaige Fehler im Schalter oder in der Verdrahtung (Stuck-at-Fehler) werden sofort erkannt und dem Anwender zur schnelle Lokalisierung und Beseitigung angezeigt. Dieses Konzept hat den zusätzlichen Vorteil, dass sich sichere Eingänge an der im Schaltschrank montierten EA-Baugruppe einsparen lassen.

Diagnosekonzept auf Basis von IO-Link

Um eine hohe Verfügbarkeit im laufenden Betrieb sicherzustellen, erweist sich die Diagnose des Schaltzustands der Sensorik an den Türen als hilfreich. Bei einer konventionellen Verdrahtung lässt sich ein solcher Ansatz oft nur aufwändig oder gar nicht umsetzen. Die Informationen beschränken sich in der Regel auf einfache Betriebszustände wie zum Beispiel „Tür offen“ oder „Tür geschlossen“. Vor diesem Hintergrund stellt PSRswitch ein durchgängiges Diagnosekonzept zur Verfügung, das vom kompatiblen Sicherheitsrelais mit integrierter IO-Link-Gateway-Funktion an die Steuerung übermittelt wird. Jeder Sensor überwacht die Betriebszustände sowie die sicheren Ein- und Ausgänge ständig. Wird eine Tür geöffnet oder ein Verdrahtungsfehler entdeckt, werden die Sicherheitsausgänge umgehend abgeschaltet und die Diagnosedaten über einen parallelen Draht an das Sicherheitsrelais kommuniziert. Das Sicherheitsrelais, das gleichzeitig als IO-Link-Device konfiguriert ist, leitet die Prozessdaten zur Anzeige an einen IO-Link-Master oder als Warnmeldung an das Maschinendisplay weiter.

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Fazit:

Sollen Verriegelungseinheiten an Maschinen und Anlagen realisiert werden, ist die Auswahl der Komponenten, bestehend aus sicheren Schaltern und Überwachungsgeräten, mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Neue Technologien zur Positionsüberwachung mit RFID-Kodierung und definierten Schnittstellen sorgen selbst bei einer logischen Reihenschaltung für höchste Sicherheit. Die Lösungen eröffnen dem Maschinenkonstrukteur ein großes Einsparpotenzial bei der Beschaffung und im Aufbau, während neuartige Diagnosekonzepte die Verfügbarkeit im Betrieb erhöhen.

* Simon Davis, Product Marketing Manager Safety im Geschäftsbereich I/O and Networks, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont

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