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Integriertes Bremsenmanagement

Für Maschinenbauer gehört die Sicherheitstechnik zu den komplexesten und wohl auch unbeliebtesten Themen in der Automatisierung. STÖBER Antriebstechnik hat gemeinsam mit der Pilz GmbH & Co. KG das Sicherheitsmodul SE6 für antriebsbasierte Sicherheitstechnik entwickelt. Damit lässt sich der vielseitige Stand-Alone-Antriebsregler SD6 von STÖBER optional ausstatten. Diesem stehen nun neben der grundlegenden Sicherheitsfunktion Safe Torque Off (STO) weitere Funktionen auf höchstem Sicherheitsniveau zur Verfügung – unter anderem umfangreiche Stopp- und Überwachungsfunktionen.


STÖBER Antriebstechnik bietet mit dem Stand-Alone-Antriebsregler SD6 einen Einzelachsregler mit einem Ausgangsnennstrom bis 85 Ampere, der vorwiegend in antriebsbasierenden Anwendungen zum Einsatz kommt. Dazu gehört zum Beispiel der Synchronbetrieb von bis zu 32 Achsen in elektronischen Getrieben oder fliegenden Sägen ohne überlagerten Motion-Controller. Er regelt lineare und rotative Synchron-Servo- als auch Asynchronmotoren.

Durch sein modulares Schnittstellenkonzept und sein umfangreiches Zubehör lässt er sich passgenau konfigurieren. „Wir wollen mit unserem SD6 einen Schritt weitergehen und Konstrukteure und Maschinenplaner bei der Sicherheitstechnik noch umfassender unterstützen„, sagt Markus Frei, Product Manager Drive Controller Accessories bei STÖBER Antriebstechnik. „Sie stehen oft vor der Herausforderung, hochautomatisierte und flexible Fertigungsabläufe umzusetzen, bei denen gleichzeitig Menschen, Maschinen und Anlagen geschützt sein müssen.„ Der Antriebsregler SD6 erfüllt diese Anforderungen auch in sicherheitsrelevanten Anwendungen bis SIL 3 nach DIN EN 61800-5-2 oder PL e (Kategorie 4) nach DIN EN ISO 13849-1.

Damit der Antriebsregler diese Anforderungen praxisorientiert und zuverlässig meistern und im Notfall unmittelbar einschreiten kann, hat STÖBER gemeinsam mit der Firma Pilz aus dem schwäbischen Ostfildern das Sicherheitsmodul SE6 entwickelt. Damit lässt sich der Antriebsregler SD6 optional ausstatten – und bietet dem Anwender im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten sowohl technisch als auch wirtschaftlich deutliche Vorteile. Warum Pilz? „Wer würde sich besser als Partner eignen?„, fragt Frei. „Das Unternehmen gehört zu den führenden Herstellern in der sicheren Automation und ist Innovationstreiber in seinem Marktumfeld.„

Vorsicht herabfallende Achse!

Müssen Mitarbeiter den Bearbeitungsraum einer Maschine betreten, sind die Antriebsachsen in einen gefahrlosen Zustand zu versetzen. Hängen an den vertikalen Achsen schwere Lasten, können diese aufgrund der Schwerkraft herabfallen und damit das Personal gefährden. Um das zu verhindern, werden die Vertikalachsen in der Regel durch Bremsen gesichert. Verschmutzungen oder mechanischer Verschleiß können deren Wirkung allerdings stark beeinträchtigen. Deshalb gilt es, den Zustand der Bremsen sicher zu überwachen und ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten. Aufgrund nicht vorhandener normativer Anforderungen hat die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) die Problematik im Fachbereichsinformationsblatt Nr. 005 Ausgabe 09/2012 erläutert. Dieses beschreibt Empfehlungen, schwerkraftbelastete Vertikalachsen abzusichern.

Konstrukteure und Maschinenbauer setzen dafür bislang in der Regel auf Lösungen, die auf einer programmierbaren Sicherheitssteuerung basieren. Diese steuert über Schütze die Bremsen und überwacht während des Bremsentests den Stillstand. Dadurch entstehen spezielle Anforderungen an den Motorencoder und seine Montage. An der Motorwelle angebracht, erfasst er primär deren Lage und schickt die Ist-Werte an den Regler. Die Anbindung an die Sicherheitssteuerung erfolgt in der Regel über analoge 1-Vss-Signale. Nachteil: Sie erfordern spezielle Encoder, besondere Adapter, um die Analogsignale für die Stillstandserkennung herauszuführen, sowie Kabel, die die analogen Signale auch über längere Strecken störungsfrei übertragen können. Dazu kommen Stillstands- und Drehzahlwächter – insgesamt ein kostenintensives Equipment.

„Ein weiterer Punkt ist der aufwendige FMA-Anbau„, erläutert Frei. FMA steht für ‚Fehlerausschluss der mechanischen Ankopplung‘ und bedeutet: Der Encoder wird so an der Motorwelle angebaut, dass das ungewollte Lösen der Wellenverbindung ausgeschlossen werden kann. „Im Service-Fall kann das zu einem unerwarteten Problem werden„, weiß Frei. Die aufwendige Reparatur lässt sich nicht einfach von einem Mitarbeiter vor Ort ausführen. Die Reparatur ist sehr zeitintensiv und muss von einem Spezialisten durchgeführt werden. Bis alles verschraubt, verklebt, getrocknet, geprüft und dokumentiert ist, steht die Maschine für mindestens 48 Stunden still und kann in dieser Zeit nicht produzieren. Je nach Standort der Maschine kann dies aber auch deutlich länger dauern, wenn der Motor zur Reparatur versendet werden muss.

Ein weiterer Nachteil: Die geeigneten Encoder passen nicht auf alle Motortypen und bieten nicht die Performance, die von einem leistungsfähigen Servosystem benötigt wird – das schränkt Maschinenbauer deutlich ein.

Entsprechend den allgemeinen Anforderungen der EG-Maschinenrichtlinie stehen Hersteller in der Pflicht, ausschließlich sichere Maschinen zu konstruieren. Der Weg führt über die Risikobeurteilung, was die Projektierung entsprechend aufwendig macht. Denn dazu muss der Konstrukteur mögliche Gefahren abschätzen, geeignete Gegenmaßnahmen treffen und vor Restrisiken warnen. Ihm steht jedoch keine spezielle Norm zur Verfügung, nach der er die Gefahren an Vertikalachsen beurteilen kann. „Die Beurteilung erfolgt meist mittels Risikograf nach DIN EN ISO 13849-1. Diese ist abhängig von der Schwere der Verletzung, der Häufigkeit oder der Dauer der Gefährdung sowie der Möglichkeit, Gefährdungen zu vermeiden oder Schäden zu begrenzen. Doch was ist häufig und welche Möglichkeiten gibt es, Gefahren zu vermeiden?„, fragt Frei rhetorisch.

Ein volles Paket Sicherheit

Für das Sicherheitsmodul SE6 konnte STÖBER gemeinsam mit Pilz für nahezu alle der identifizierten Schwachstellen praktikable Lösungen erarbeiten und umsetzen. Im ersten Schritt haben die Entwickler die am meisten von den Kunden nachgefragten Sicherheitsfunktionen realisiert. So ist die Funktion ‚Sicher abgeschaltetes Drehmoment‘ (STO) integriert, 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.

‚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 auch hier vorgegebene Grenzwerte nicht überschreitet. Mit den Funktionen SS1 und SS2 lassen sich auch die Bremsrampen überwachen. Damit kann zum Beispiel ein Achsverbund kontrolliert stillgesetzt werden. Die Funktion ‚Sichere Bewegungsrichtung‘ (SDI) lässt die Bewegung eines Antriebs nur in eine (definierte) Richtung zu. Die Funktion ‚Sicher begrenztes Schrittmaß‘ (SLI) überwacht nach der Aktivierung die Position innerhalb eines zuvor definierten Bereichs. Falls doch ein Grenzwert verletzt wird, wird der Motor vom Antriebsregler sicher stillgesetzt.

„Wir haben das Modul zudem mit der Funktion ‚Sicheres Monitoring‘ für nahezu alle Sicherheitsfunktionen ausgerüstet. Dieses Feature überwacht den Antrieb lediglich„, beschreibt Frei, „und meldet Grenzwertüberschreitungen sicher an die überlagerte Sicherheitssteuerung, statt einen Stopp zu erzwingen.„ Dies gibt dem Maschinenbauer bei der Störungsreaktion – insbesondere bei synchronisierten Antrieben – viele 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.

Sicheres Bremsenmanagement

Das Besondere an dem neuen Sicherheitsmodul ist das integrierte Bremsenmanagement von bis zu zwei Bremsen. Denn damit erfüllt der SD6 die Anforderungen der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung an schwerkraftbelastete Vertikalachsen. Die DGUV ist der Spitzenverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften (BG) und der Unfallversicherungsträger der öffentlichen Hand. Die Entwicklung orientierte sich am Informationsblatt „Schwerkraftbelastete Achsen„, das die BG herausgegeben hat. „Dies beschreibt praxisgerecht die Anforderungen an das Absichern von Vertikalachsen, da es derzeit keine harmonisierte Norm gibt, in der dieses Thema behandelt wird„, erläutert Frei.

Das Bremsenmanagement im SE6 beinhaltet die Funktion ‚Sichere Bremsenansteuerung‘ (SBC), die sicherstellt, dass die Bremsen auf Anforderung einfallen. Dazu kommt das Feature ‚Safe Brake Test‘ (SBT). Dieses überprüft bei Bedarf das definierte Bremsmoment und deckt Abweichungen aufgrund von Verschmutzungen oder Defekten an der Mechanik auf, bevor das Bremsmoment einen kritischen Zustand erreicht. Zusätzlich wird das vorgeschriebene Prüfintervall überwacht.

Das kann je nach Anwendung und Forderung aus der Gefahrenanalyse entweder einmal in jedem 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, welche die Anforderungen der Bremsen von STÖBER Motoren berücksichtigt. Anschließend kann das System erneut überprüfen, ob das geforderte Test-Moment gehalten werden kann.

Weil das Bremsenmanagement des SE6 die Ansteuerung von bis zu zwei Bremsen unterstützt, deckt es damit alle Anwendungsfälle des Fachbereichsinformationsblatts zu Vertikalachsen ab. „Befindet sich der Bediener mit dem ganzen Körper unter der Last, ist das Risiko sehr hoch zu bewerten. Sowohl im Automatikbetrieb als auch beim Einrichten wird deshalb eine redundante Absturzsicherung nach DIN EN ISO 13849-1 empfohlen„, erläutert Frei.

Technische und wirtschaftliche Vorteile

Das Komplettpaket SD6 mit SE6 ist für Maschinenbauer technisch und wirtschaftlich sehr interessant. SD6 lässt sich mit Synchron-Servo-, Asynchron-, Linear- oder Torquemotoren kombinieren. Das gibt dem Konstrukteur deutlich mehr Spielraum. Auch beim Encoder hat er freie Wahl. Koppelschütze, teure Kabel, spezielle Adapter, Stillstands- und Drehzahlwächter entfallen. Zudem ist das Bremsenmanagement unabhängig vom Bremsentyp. Der Anwender kann somit ein sicheres Brems- und Haltesystem gemäß DIN EN ISO 13849-1 bis Kategorie 4 aufbauen – mit überschaubarem Aufwand.

„Weil die Überwachung des Motors durch die Sicherheitsfunktionen antriebsintern erfolgt, ermöglicht unser SD6 eine sehr schnelle Worst-Case-Fehlerreaktion von unter zehn Millisekunden„, beschreibt Frei. Das integrierte Sicherheitsmodul kann unmittelbar in die Achsbewegung eingreifen und im Fall einer Grenzwertüberschreitung oder bei einem Not-Halt den Antrieb stillsetzen. „Das funktioniert deutlich schneller als bei einem externen Drehzahlwächter„, erläutert Frei. „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 eine Ewigkeit.„ Das Sicherheitsmodul ermöglicht ein schnelles Abschalten und erlaubt dem Konstrukteur geringe Sicherheitsabstände.

Auch im Service-Fall profitiert der Betreiber: Bei einem Gerätetausch muss lediglich die SD-Karte mit der gespeicherten Sicherheitskonfiguration getauscht, der neue Regler gestartet und mit einem Tastendruck der Wechsel bestätigt werden. Dafür benötigt der Service-Mitarbeiter keine speziellen Kenntnisse. Nach dem Gerätestart kann er am Display des Reglers die Checksumme der Sicherheitskonfiguration validieren.

Schnell in Betrieb nehmen lässt sich die Lösung mit der Projektierungs- und Inbetriebnahme-Software DriveControlSuite. Die integrierte PASmotion-Software unterstützt den Bediener dabei, die Sicherheitskonfiguration mit minimalem Aufwand zu erstellen. „Unser Sicherheitsmodul SE6 eignet sich zudem sehr gut für Retrofit-Projekte„, sagt Frei. Auch hier profitiert der Betreiber von der schnellen Projektierung. Zudem spart er auf ganzer Linie – denn er kann seine bestehende Mechanik beibehalten.

Mehr Informationen:

Kontakt  Herstellerinfo 
STÖBER Antriebstechnik GmbH + Co. KG
Kieselbronner Str. 12
75177 Pforzheim
Tel.: +49 7231 582-0
E-Mail: sales@stoeber.de
www.stoeber.de

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