Antriebsregler mit Sicherheitsmodul für schwerkraftbelastete Vertikalachsen

Für Maschinenbauer gehört die Sicherheitstechnik zu den komplexesten und wohl auch unbeliebtesten Themen in der Automatisierung, denn sie müssen hochautomatisierte und flexible Fertigungsabläufe umsetzen und gleichzeitig Menschen, Maschinen und Anlagen schützen.

Betreten beispielsweise Mitarbeiter den Bearbeitungsraum einer Maschine, sind die Antriebsachsen in einen gefahrlosen Zustand zu versetzen. Hängen an den vertikalen Achsen noch schwere Lasten, können diese herabfallen und damit das Personal gefährden. Um das zu verhindern, sichern in der Regel Bremsen die Vertikalachsen. Allerdings können Verschmutzungen oder mechanischer Verschleiß die Bremswirkung stark beeinträchtigen. Deshalb gilt es, den Zustand der Bremsen sicher zu überwachen und ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten. Aufgrund fehlender normativer Anforderungen hat die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) die Problematik im Fachbereichsinformationsblatt Nr. 005 Ausgabe 09/2012 erläutert. Dieses enthält Empfehlungen, schwerkraftbelastete Vertikalachsen abzusichern.

Oft setzen Konstrukteure und Maschinenbauer dabei auf Lösungen, die auf einer programmierbaren Sicherheitssteuerung basieren. Diese steuert über Schütze die Bremsen und überwacht während des Bremsentests den Stillstand. Allerdings ist diese Herangehensweise teuer und stellt spezielle Anforderungen an den Motorencoder und seine Montage: An der Motorwelle angebracht, erfasst der Motorencoder deren Lage und schickt die Ist-Werte an den Regler. Die Anbindung an die Sicherheitssteuerung erfolgt üblicherweise über analoge 1-Vss-Signale. Deren Nachteil: Sie erfordern spezielle Encoder, besondere Adapter, um die Analogsignale für die Stillstandserkennung herauszuführen, sowie Kabel, die die Signale über längere Strecken störungsfrei übertragen. Auch der aufwendige FMA-Anbau bringt Nachteile. FMA steht für ‚Fehlerausschluss der mechanischen Ankopplung‘ und bedeutet: Der Encoder wird so an der Motorwelle angebaut, dass er sich nicht ungewollt lösen kann. Im Service-Fall ist das ein Problem, denn die Reparatur ist zeitintensiv und benötigt einen Spezialisten. Bis alles verschraubt, verklebt, getrocknet, geprüft und dokumentiert ist, steht die Maschine für mindestens 48 Stunden still.

Sicheres Bremsenmanagement

SD6 in Kombination mit SE6 eignet sich für sicherheitsrelevante Anwendungen bis SIL 3, PL e (Kategorie 4). Stöber Antriebstechnik

Eine Alternative zur programmierbaren Sicherheitssteuerung ist der Stand-Alone-Antriebsregler SD6 von Stöber Antriebstechnik. Er erfüllt die Anforderungen bis SIL 3 nach DIN EN 61800-5-2 oder PL e (Kategorie 4) nach DIN EN ISO 13849-1. Der Einzelachsregler mit einem Ausgangsnennstrom bis 85 Ampere kommt vorwiegend in antriebsbasierenden Anwendungen zum Einsatz. Dazu gehören zum Beispiel der Synchronbetrieb von bis zu 32 Achsen in elektronischen Getrieben oder fliegenden Sägen ohne überlagerten Motion-Controller.

Stöber Antriebstechnik wollte mit dem SD6 noch einen Schritt weitergehen und Konstrukteure und Maschinenplaner bei der Sicherheitstechnik umfassender unterstützen. Daher hat das Unternehmen gemeinsam mit der Firma Pilz aus dem schwäbischen Ostfildern das Sicherheitsmodul SE6 entwickelt. Das Besondere an dem Sicherheitsmodul ist das integrierte Bremsenmanagement von bis zu zwei Bremsen, denn damit erfüllt der SD6 die Anforderungen der DGUV an schwerkraftbelastete Vertikalachsen.

Dieses Bremsenmanagement beinhaltet die Funktion ‚Sichere Bremsenansteuerung‘ (SBC), die sicherstellt, dass die Bremsen auf Anforderung einfallen. Dazu kommt das Feature ‚Safe Brake Test‘ (SBT). Es überprüft bei Bedarf das definierte Bremsmoment und zeigt Abweichungen aufgrund von Verschmutzungen oder Defekten an der Mechanik an, bevor das Bremsmoment einen kritischen Zustand erreicht. Zusätzlich überwacht SBT das vorgeschriebene Prüfintervall. Je nach Anwendung und Forderung aus der Gefahrenanalyse kann das entweder einmal pro Produktionszyklus sein oder zum Beispiel alle acht Stunden zu Schichtbeginn. Ist das Haltemoment der Bremse nicht mehr gegeben, steht im Antriebsregler die Funktion ‚Bremsen einschleifen‘ zur Verfügung. Anschließend kann das System erneut überprüfen, ob die Bremsen das geforderte Test-Moment halten.

Wie das volle Paket Sicherheit aussieht

Das volle Paket Sicherheit

Neben SBC und SBT verfügt das Sicherheitsmodul über weitere Sicherheitsfunktionen:

• Etwa die von den Kunden meist nachgefragte Funktion, ‚Sicher abgeschaltetes Drehmoment‘ (STO), die die Energieversorgung zum Motor direkt im Antriebsregler unterbricht.
• Dazu kommen die Stoppfunktionen ‚Safe Stop 1‘ (SS1), die den Antrieb geregelt herunterfährt und danach erst die Energiezufuhr zum Motor unterbricht
• sowie ‚Safe Stop 2‘ (SS2), die nach dem geregelten Herunterfahren einen ‚Sicheren Betriebshalt‘ (SOS) einleitet. Dabei bleiben die Regelfunktionen des Antriebs vollständig erhalten.
• Mit den Funktionen SS1 und SS2 lassen sich auch die Bremsrampen überwachen, womit zum Beispiel ein Achsverbund kontrolliert stillgesetzt werden kann.
• ‚Sicher begrenzte Drehzahl‘ (SLS) wacht darüber, dass der Antrieb eine bestimmte Geschwindigkeit nicht überschreitet,
• während ‚Sicherer Drehzahlbereich‘ (SSR) diese innerhalb eines definierten Korridors überwacht.
• Durch eine ‚Sicher begrenzte Position‘ (SLP) ist es möglich, dass der Motor Grenzwerte nicht überschreitet.
• Die Funktion ‚Sichere Bewegungsrichtung‘ (SDI) lässt die Bewegung eines Antriebs nur in eine (definierte) Richtung zu.
• ‚Sicher begrenztes Schrittmaß‘ (SLI) überwacht die Position innerhalb eines zuvor definierten Bereichs. Wird doch ein Grenzwert verletzt, setzt der Antriebsregler den Motor sicher still.

Mit dem integrierten Bremsenmanagement erfüllt der Antriebsregler die Anforderungen der DGUV an schwerkraftbelastete Vertikalachsen. Stöber Antriebstechnik

Zudem hat das Unternehmen das Modul mit der Funktion ‚Sicheres Monitoring‘ für nahezu alle Sicherheitsfunktionen ausgerüstet. Dieses Feature überwacht den Antrieb lediglich und meldet Grenzwertüberschreitungen sicher an die überlagerte Sicherheitssteuerung, statt sofort einen Stopp zu erzwingen. Dies gibt dem Maschinenbauer bei der Störungsreaktion – insbesondere bei synchronisierten Antrieben – Freiheiten zurück.

Darüber hinaus können bei Sicherheitsfunktionen wie SLS Störimpulse mittels variabler Toleranzfenster gezielt ausgeblendet werden. Dadurch profitiert der Anwender von einer höheren Verfügbarkeit: Er kann normativ vorgegebene Grenzwerte besser nutzen, ohne dass es zu einem Fehlauslösen kommt.

Technische und wirtschaftliche Vorteile

Das Komplettpaket SD6 mit SE6 ist für Maschinenbauer technisch und wirtschaftlich interessant, denn der SD6 lässt sich mit Synchron-Servo-, Asynchron-, Linear- oder Torquemotoren kombinieren. Dies erhöht den Spielraum der Konstrukteure und auch beim Encoder haben sie die Wahl: Koppelschütze, teure Kabel, spezielle Adapter, Stillstands- und Drehzahlwächter entfallen. Zudem ist das Bremsenmanagement unabhängig vom Bremsentyp. Somit kann der Anwender ein sicheres Brems- und Haltesystem gemäß DIN EN ISO 13849-1 bis Kategorie 4 aufbauen – mit überschaubarem Aufwand.

Im Fall einer Grenzwertüberschreitung oder bei einem Not-Halt kann das integrierte Sicherheitsmodul unmittelbar in die Achsbewegung eingreifen und so den Antrieb in unter zehn Millisekunden stillsetzen – deutlich schneller als bei einem externen Drehzahlwächter. Bis dieser die benötigten Informationen erfasst, ausgewertet und über die Sicherheitssteuerung den Befehl zum Abschalten an den Regler weitergegeben hat, können bis zu 100 Millisekunden vergehen. In der Welt der Antriebstechnik ist das jedoch eine Ewigkeit. Zusätzlich ermöglicht das schnelle Abschalten dem Konstrukteur geringe Sicherheitsabstände.

Schnelle Inbetriebnahme durch SD-Karte und Software

Bei einem Gerätetausch kann der Betreiber die SD-Karte mit der gespeicherten Sicherheitskonfiguration tauschen, den neue Regler starten und mit einem Tastendruck den Wechsel bestätigen. Stöber Antriebstechnik

Im Service-Fall, etwa bei einem Gerätetausch, muss der Betreiber lediglich die SD-Karte mit der gespeicherten Sicherheitskonfiguration tauschen, den neue Regler starten und mit einem Tastendruck den Wechsel bestätigen. Dafür benötigt der Mitarbeiter keine speziellen Kenntnisse. Nach dem Gerätestart kann er einfach am Display des Reglers die Checksumme der Sicherheitskonfiguration validieren.

Mit der Projektierungs- und Inbetriebnahme-Software DriveControlSuite lässt sich die Lösung schnell in Betrieb nehmen. Die integrierte PASmotion-Software unterstützt den Bediener dabei, die Sicherheitskonfiguration mit wenig Aufwand zu erstellen. Zudem eignet sich das Sicherheitsmodul SE6 sehr gut für Retrofit-Projekte, denn Anwender können ihre Mechanik beibehalten.

SPS IPC Drives 2018: Halle 3A, Stand 451

(ml)