Phoenix Contact Deutschland GmbH

Bild: iStock, Christian Horz

LED-basierte Signalleuchten für Wasserwege Sicherheit durch Diagnosekonzept

13.07.2018

Die Europäische Maschinenrichtlinie (MRL) gilt auch für Schleusen, Brücken und andere Wasserwege-Anlagen. Ihre Steuerung ist so auszulegen, dass keine Gefährdungssituationen auftreten. Signalleuchten mit langlebiger und sparsamer LED-Technologie tragen durch ein ausgeklügeltes Diagnosekonzept dazu bei. Besonders bei schlechter Sicht und diffusen Lichtverhältnissen ist ein Signalsystem essentiell.

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Als Wasserwege kommt den Binnengewässern mit ihren Schleusen sowie Sperr- und Wehrtoren eine wichtige Bedeutung im Rahmen des Güterverkehrs zu. Insbesondere die Europäische Union setzt zunehmend auf den Ausbau der Kanäle, um Güter und Waren in das sogenannte Hinterland zu transportieren. Zu diesem Zweck hat die EU einige Förderprogramme auf den Weg gebracht, die eine entsprechende Ausweitung vorantreiben. Parallel dazu sind verschiedene Richtlinien verabschiedet worden, welche für die Sicherheit auf den Wasserwegen sorgen sollen. Im Europäischen Wirtschaftsraum (EWR) ist unter anderem die Europäische Maschinenrichtlinie (MRL) gültig. Sie zielt darauf ab, dass im EWR lediglich sichere Maschinen in den Verkehr gebracht werden. Unter den Begriff „Maschine“ fallen in diesem Zusammenhang auch Schleusen, Brücken und Wehranlagen. Denn als Maschinen der Wasserwege erfüllen sie folgende Kriterien aus der Maschinenrichtlinie:

  • Eine Maschine besteht aus einer Gesamtheit miteinander verbundener Teile.

  • Anders als Mensch oder Tier ist sie mit einem Antriebssystem ausgestattet.

  • Mindestens ein Teil der Maschine ist beweglich.

  • Die Maschine setzt sich für eine bestimmte Anwendung zusammen.

Standard- und Safety-SPS in einem Gehäuse

Alle oben aufgeführten Anlagen müssen somit den grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen aus der Maschinenrichtlinie entsprechen. Eine wesentliche Konsequenz der MRL ist, dass die Steuerungen der Schleusen und Brücken so konzipiert sein müssen, dass es nicht zu Gefährdungssituationen kommen kann. Da die Schleuse oder Brücke als eine Einheit betrachtet wird, findet dies für sämtliche Teilanlagen Anwendung. Das bedeutet, dass nicht nur die offensichtlich beweglichen Teile – beispielsweise die Schleusentore mit ihren Antrieben –, sondern ebenso die dazu in Verbindung stehenden Funktionen – etwa die Signalisierung – zu berücksichtigen sind.

Im Regelfall werden Brücken und Schleusen durch einige Dutzend Sicherheitsfunktionen abgesichert. Die notwendigen Sicherheitsfunktionen führt eine spezielle, funktional sichere Steuerung (F-SPS) aus. Die F-SPS arbeitet autark von der Standard-SPS, die zum Beispiel lediglich für die Steuerung des normalen Brückenprozesses zuständig ist. Phoenix Contact bietet mit dem RFC 470S PN 3TX unter anderem eine Steuerungslösung, welche die Standard- und die F-SPS komplett unabhängig voneinander in einem Gehäuse vereint. Der Betreiber der Brücke könnte beispielsweise als Sicherheitsfunktionen definieren, dass das Senken der Brücke so lange gesperrt wird, bis das rote Schiffssignal in beide Richtungen aktiviert ist.

Kommunikationsverbindung mit Hybridkabel

Es stellt sich nun die Frage, wie eine sichere Signalisierung auf den Wasserwegen ausgelegt sein muss. Als erstes ist dazu die Leuchtdiode (LED) als neue Technologie genauer zu untersuchen, die im Umfeld der Signalisierung eingesetzt wird. Als große Vorteile der mit LEDs ausgerüsteten Signalleuchten erweisen sich die Langlebigkeit und der geringe Stromverbrauch der Leuchtdioden. Darüber hinaus profitiert der Anwender vom schnellen Ein- und Ausschalten sowie der Möglichkeit des einfachen Dimmens. LEDs stehen in unterschiedlichen Farben zur Verfügung, die die Anforderungen der Standards erfüllen. Als Frontglas werden jetzt keine farbigen Gläser mehr benötigt, sodass der sogenannte Phantomeffekt nicht mehr auftreten kann. Er entsteht, wenn die Signalleuchte beispielsweise von der Sonne angestrahlt wird und so den Anschein erweckt, als würde das Signal aufleuchten, obwohl dies gar nicht der Fall ist.

Um diese und weitere Vorteile optimal nutzen zu können, hat Phoenix Contact eine Produktfamilie von Signalleuchten entwickelt, die zusätzlich über eine Kommunikationsverbindung an eine Steuereinheit angekoppelt sind. Die Entfernung zwischen der Leuchte und der Steuereinheit kann bis zu 400 m betragen. So lassen sich die Signalleuchten schnell in eine bestehende oder neue Anlage integrieren und die oben aufgeführten Vorteile können optimal an die Anlage angepasst werden. Dazu wird über ein Hybridkabel eine standardisierte Kommunikationsverbindung mit den Leuchten aufgebaut. Es ist nur eine Leitung zu einer Signaltafel zu verlegen, die dann von Leuchte zu Leuchte weitergeführt wird. Auf diese Weise lässt sich der Verdrahtungsaufwand ebenfalls verringern.

Rücksicht auf die Besonderheiten von LEDs

Mit neuen Technologien, wie den LEDs, haben sich die Leuchten und damit auch ihr Verhalten in Bezug auf die Sicherheitsaspekte verändert. In der Vergangenheit wurde der zur Signalleuchte geleitete Strom gemessen und auf Basis dieses Wertes entschieden, ob die Leuchte an- oder ausgeschaltet ist. Hier stellt die LED die Betreiber nun vor neue Herausforderungen. Neben dem geringeren Strom, der eine adaptierte Messtechnik erfordert, müssen weitere Rahmenbedingungen beachtet werden. Außerdem wird in einer Signalleuchte nicht nur ein Leuchtmittel verwendet, wie dies in der Vergangenheit der Fall war, sondern mehrere LEDs. Fallen jetzt Leuchtdioden aus, verändert sich die abgegebene Lichtmenge und somit möglicherweise das Erscheinungsbild der Signalleuchte aus der Ferne, was sich kaum im Stromverbrauch widerspiegelt, also für den Betreiber nicht erkennbar ist.

Unter dem Aspekt der Sicherheit muss auf eine Besonderheit der LED-Technologie speziell hingewiesen werden. Eine LED kann im defekten Zustand einen beliebigen Arbeitspunkt einnehmen. In den meisten Fällen ist bekannt, dass die Leuchtdiode einen Kurzschluss oder eine Unterbrechung als Fehler produziert. Ferner kann die LED in einen Zustand übergehen, in dem an ihr eine Spannung anliegt und Strom durch sie fließt, jedoch kein Licht emittiert wird. Leider gibt es keine genauen Aussagen über die Häufigkeit dieses Szenarios, es ist jedoch vor dem Hintergrund der Sicherheit zu berücksichtigen. Denn nur wenn sich die Leuchtdiode im vorgegebenen Arbeitspunkt befindet, ist sichergestellt, dass Licht ausgestrahlt wird.

Überwachung von allen LED-Arbeitspunkten

Als Konsequenz aus diesen Erkenntnissen hat Phoenix Contact Leuchten entwickelt, in denen der Arbeitspunkt jeder LED überwacht wird. Um dies zu erreichen, müssen der Strom und die Spannung an allen Leuchtdioden gemessen werden. Abhängig vom Arbeitspunkt für die entsprechende Farbe wird dann die Diagnose durchgeführt und als Signal ausgegeben. Zudem ermitteln Lichtsensoren das emittierte Licht, was ebenfalls in die Diagnoseauswertung einfließt. Gemäß den Anforderungen ist die Diagnose zweikanalig ausgeführt, sodass eine Klassifizierung gemäß SIL 2 respektive PL d erfolgt. Die Diagnose kann von den Safety-Bridge-Modulen von Phoenix Contact eingelesen und über die gleiche Kommunikationsverbindung wie bei den Standardsignalen über eine Distanz von 400 m übertragen werden. Die Art der Verdrahtung ändert sich dabei nicht, und es lassen sich darüber hinaus sichere und nicht sichere Leuchten mischen.

Die Signalleuchten, Steuereinheit, Safety-Bridge-Module und Verkabelung sind so aufeinander abgestimmt, dass es sich um eine Plug-and-Play-Lösung handelt, die sich selbst in vorhandene Anlagen einfach integrieren lässt. In Kombination mit der sicheren Steuerung RFC 470S PN 3TX und den sicheren PSDO-/PSDI-Komponenten setzen die Signalleuchten somit die in der Maschinenrichtlinie geforderten Sicherheitsfunktionen um. Außerdem können die Betreiber ihre Schleusen, Brücken oder anderen Wasserwege-Anlagen durch ausgebildete Safety Engineers von Phoenix Contact sicherheits­technisch bewerten lassen.

Bildergalerie

  • Je größer die Schiffe sind, desto wichtiger ist der zuverlässige Betrieb der Signalleuchten – denn Fehler führen schnell zu Kollisionen.

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  • In den Signalleuchten von Phoenix Contact wird der Arbeitspunkt jeder LED überwacht, indem der Strom und die Spannung an jeder Leuchtdiode gemessen werden.

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  • Signalisierungssystem zur einfachen Integration in Anlagen

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  • Sicherheitsgerichtete Automatisierungsprodukte von Phoenix Contact

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