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Bei der Drehzahlüberwachung für Sensoren/Initiatoren sitzen die integrierten Drehzahlwächter an lokalen Eingängen. Bild: Bihl+Wiedemann
Drehzahlüberwachung

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Sicher drehen

Text: Thomas Rönitzsch, Bihl+Wiedemann
Lange Stillstandszeiten von Anlagen will und kann sich heute kaum noch jemand leisten. Der Zeit- und Kostendruck wächst permanent und die europäische Maschinenrichtlinie stellt die Unternehmen vor höhere Sicherheitsanforderungen. Vor diesem Hintergrund gewinnen flexible Lösungen zur sicheren Drehzahlüberwachung von Antrieben für unterschiedlichste Applikationen zunehmend an Bedeutung.

Früher konnte bei manuellen Eingriffen in eine Fertigungsanlage, zum Beispiel zu Wartungszwecken, noch in aller Ruhe die ganze Maschine heruntergefahren werden. Inzwischen führt der permanent wachsende Kostendruck auch zu einem immer höheren Zeitdruck. Denn es lässt sich genau beziffern, was ein Unternehmen der Stillstand einer Maschine kostet.

Durch eine sichere Drehzahlüberwachung von Antrieben kann heute – etwa im Einricht- und Probebetrieb oder zum Beseitigen von Störungen – meistens auf das Herunterfahren der kompletten Anlage verzichtet werden, oft reicht schon der Stillstand der Bewegung. So lassen sich Produktionsabläufe vor allem in Bereichen, in denen Mensch und Maschine Hand in Hand zusammenarbeiten, deutlich verbessern.

Europäische Maschinenrichtlinie

Die europäische Maschinenrichtlinie 2006/42/EG sorgt dafür, dass das Verbessern der Effizienz nicht zu Lasten der Sicherheit geht. Sie verpflichtet den Maschinenbauer, eine Risikobeurteilung vorzunehmen, um alle mit seiner Anlage verbundenen Risiken zu ermitteln. Dort heißt es unter anderem: „Die Maschine ist so zu konstruieren und zu bauen, dass sie ihrer Funktion gerecht wird und unter den vorgesehenen Bedingungen – aber auch unter Berücksichtigung einer vernünftigerweise vorhersehbaren Fehlanwendung der Maschine – Betrieb, Einrichten und Wartung erfolgen kann, ohne dass Personen einer Gefährdung ausgesetzt sind.“

Was das für Anlagen mit drehzahlgeregelten Antrieben konkret bedeutet, beschreibt der Report Sichere Antriebssteuerungen mit Frequenzumrichtern vom Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA): „Genau wie bei ungeregelten Antrieben löst die drehzahlveränderliche Bewegung eines Maschinenteils häufig eine Gefährdung aus, vor der die Bedienpersonen geschützt werden müssen. Die einfachste Lösung zur Vermeidung von Bewegungen bei manuellen Eingriffen in Gefahrstellen ist das (sichere) Abschalten der Antriebsenergie der jeweiligen Motoren. Dies ist jedoch häufig nicht möglich, zum Beispiel wenn zur Störungsbeseitigung, zum Einrichten, im Probebetrieb und so weiter Eingriffe bei laufender Maschine notwendig sind. In diesen Fällen ist der Maschinenbetrieb bei aufgehobener Schutzwirkung von Schutzeinrichtungen erforderlich. Um trotzdem die Sicherheit der Beschäftigten zu gewährleisten, werden die gefahrbringenden Bewegungen dann bei sicher begrenzten Geschwindigkeiten, Drehzahlen, Drehmomenten…ausgeführt.“

Drehzahlüberwachung von Anlagen

Die Möglichkeiten zur sicheren Drehzahlüberwachung sind heutzutage vielfältig und Anwender können aus einem breiten Spektrum an Systemen, Funktionen und Sensorik wählen. Darin liegt allerdings auch die Schwierigkeit: Welche Lösung ist für die jeweilige Applikation am besten geeignet? Die Spannweite reicht hier von kleinen Maschinen mit geringerer Anforderung an Sicherheit und Funktionalität bis hin zu großen verzweigten Anlagen mit höchsten Sicherheitsanforderungen und komplexen Funktionen.

Die kostengünstigste und einfachste Methode, eine Bewegung zu erfassen, ist über induktive Näherungsschalter oder optische Sensoren. Die sichere Drehzahlüberwachung mit Standard-Sensoren wird zum Beispiel bei Separatoren, Zentrifugen, Gasturbinen oder in Verbindung mit der Abluft bei thermischen Prozessen eingesetzt. Sichere Drehzahlwächter erreichen bei der Nutzung von zwei Standard-Sensoren typischerweise ein Sicherheitslevel bis SIL2 beziehungsweise PLd, bei der Verwendung eines Standard-Sensors SIL1/PLc.

Sind die Anforderungen an das Sicherheitslevel oder die Funktionalität größer, bietet sich aufgrund ihrer hohen Auflösung die sichere Drehzahlüberwachung mit Drehgebern an. Diese können entweder im Antrieb integriert oder an der Achse montiert sein.

Unterschieden wird hier zwischen Inkrementalgebern zum Erfassen der Geschwindigkeit und Absolutwertgebern zum Erfassen der Position. Sichere Drehzahlwächter für Drehgeber können unterschiedliche Sicherheitsfunktionen realisieren und erreichen dabei ein Sicherheitslevel bis SIL3 beziehungsweise PLe. Eingesetzt werden sie zum Beispiel bei Abfüllanlagen, Bearbeitungsmaschinen, Krananlagen, Regalbediengeräten oder fahrerlosen Transportsystemen.

Die im Antrieb integrierte sichere Drehzahlüberwachung wird vor allem dann eingesetzt, wenn Antriebe schon komplexe Regelungs- und Positionierungsaufgaben übernehmen und bereits ein sicheres Bussystem wie etwa Profisafe oder CIP Safety eingesetzt wird – etwa beim Sieb- und Offsetdruck.

Ein System für alle Applikationen

Bihl+Wiedemann hat für die sichere Positions- und Drehzahlüberwachung ein flexibles System entwickelt, das sowohl für die Überwachung für Standard-Sensoren und Drehgebern als auch für die Überwachung im Antrieb geeignet ist. Damit lässt sich die ganze Spannweite der oben genannten Anforderungen abdecken. Zu diesem System gehören unter anderem Schnittstellen zu allen gängigen Feldbussystemen, die in der Steuerung zur Verfügung stehenden Diagnosedaten und die Safety- und Standard-Signale auf derselben Leitung. Zudem stehen bis zu 62 sichere Module pro Kopfstation und die Möglichkeit einer sicheren Kopplung von bis zu 31 Kopfstationen über Standard-Ethernet zur Verfügung – dezentral erweiterbar über ungeschirmte zweiadrige Leitungen.

Die sichere Drehzahlüberwachung für Sensoren/Initiatoren lässt sich mit dem Safety Basis Monitor realisieren – einer nur 22,5 mm breiten, autarken sicheren Kleinsteuerung mit vier sicheren zweikanaligen Eingängen; optional können diese auch als Standardeingänge und Meldeausgänge verwendet werden. Das Modul beinhaltet außerdem zwei sichere elektronische Ausgänge, USB- oder Ethernet-Schnittstelle für die Konfiguration und eine detaillierte Diagnose samt Abschalthistorie. Die integrierten Drehzahlwächter sitzen an den lokalen Eingängen und können zwei Achsen zweikanalig bis SIL2 beziehungsweise PLd oder vier Achsen einkanalig bis SIL1/PLc überwachen, als reine Stillstandswächter sogar vier Achsen zweikanalig bis SIL2 beziehungsweise PLd.

Die sichere Drehzahlüberwachung im Antrieb kann über Safety Gateways mit CIP Safety über Sercos umgesetzt werden. Für die Kombination mit einer Safe PLC (F-CPU) gibt es Safety Gateways in den Varianten Profisafe über Profibus, Profisafe über Profinet und CIP Safety über EtherNet/IP.

Noch eine Sicherheitsstufe höher erreichen lässt sich mit den Drehzahlwächtern für Drehgeber/Encoder. Die ebenfalls nur 22,5 mm breiten Geräte können bis zu zwei Achsen bis SIL3 beziehungsweise PLe überwachen und eignen sich für alle gängigen Drehgeber: von Sinus/Cosinus- über SSI- und TTL- bis zu HTL-Ausführungen. Dient der Drehgeber lediglich zur sicheren Überwachung einer Achse, kann er direkt angeschlossen werden. In vielen Fällen ist der Drehgeber aber bereits mit einem Umrichter verbunden, der das Signal zur Drehzahlregelung benötigt. Dann erfolgt der Abgriff des Signals zwischen Drehgeber und Umrichter über einen passenden Adapter. Mit der aktuellsten Variante mit zwei lokalen sicheren Ausgängen können Abschaltzeiten von weniger als fünf Millisekunden realisiert werden. Das Modul bietet darüber hinaus beliebig viele projektierbare Sicherheitsfunktionen nach EN 61800-5-2 und verfügt über zusätzliche Funktionen wie sichere Positions- und Bereichsüberwachung oder Überwachung von Rampen. Allen Lösungen gemein ist, dass die Konfiguration sämtlicher sicherer I/O-Module und Drehzahlwächter über eine intuitive Software vorgenommen werden kann, mit der sich die notwendigen Einstellungen ohne großen Aufwand erstellen lassen.

Sicher auch bei Kostendruck

Die sichere Drehzahlüberwachung von Antrieben zeigt, dass sich höhere Sicherheitsanforderungen auch bei permanent wachsendem Zeit- und Kostendruck realisieren lassen: nämlich dann, wenn die Lösung aus einem System besteht, das flexibel auf die verschiedenen Anforderungen an Sicherheit und Funktionalität unterschiedlichster Applikationen reagieren kann.

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