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Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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AntriebstechnikAntriebsintegrierte ­Sicherheitsfunktionen

Je schneller, flexibler und komplexer Maschinen werden, desto mehr gewinnt die Sicherheit der Bediener und des Wartungspersonals an Bedeutung. Neue Konzepte verbessern den Arbeitsschutz und verbessern gleichzeitig die Produktivität. Ein in dieser Konsequenz und Durchgängigkeit bisher einmaliges Konzept hat Rexroth mit den intelligenten Sicherheitsfunktionen in der neuen Antriebsgeneration IndraDrive realisiert. Die nach EN 954-1, Kategorie 3, zertifizierten Funktionen bringen Sicherheit direkt an den Ort des Geschehens. Dabei beherrscht die integrierte Sicherheit nicht nur sicheren Halt, sondern auch eine Vielzahl weiterer sicherer Bewegungen.

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Techno-SCOPE: Antriebsintegrierte ­Sicherheitsfunktionen

Die europäische Maschinenrichtlinie duldet keine Ausnahmen: Um den Personenschutz bei Gefährdung durch unkontrollierte Maschinenbewegungen zu gewährleisten, müssen alle Maschinen und Anlagen bestimmte Sicherheitsanforderungen erfüllen. Wurden bis vor wenigen Jahren diese Sicherheitsfunk­tionen ausschließlich durch zusätzliche Hardware oder über den Umweg der Steuerung realisiert, bietet Rexroth in der neuen Antriebsgeneration jetzt eine elegantere Alternative: Die Sicherheitsfunktionen werden unabhängig von einer übergeordneten Steuerung direkt am Antrieb zweikanalig angewählt und überwacht. Der Anwender spart Kosten und kann aufgrund von kurzen internen Reaktionszeiten auch hochdynamische Bewegungen überwachen.

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Bei bisherigen Maschinenkonzepten werden beispielsweise Schütze in die Netz- oder Motorzuleitungen für den sicheren Halt geschaltet. Nachteile: Wartezeiten beim Wiedereinschalten, Verschleiß und Platzprobleme. Beim Roboter führt das Anfahren einer Sicherheitsposition zu Zeitverlusten. Andere Konzepte mit einer zweikanaligen Unterbrechung der Energieversorgung im Antrieb (Anlaufsperre) können ausschließlich für den sicheren Halt eingesetzt werden. Sollen einzelne Achsen im Sonderbetrieb verfahren werden können, erfordert eine sicher reduzierte Geschwindigkeit oder ein sicher begrenztes Schrittmaß konventioneller Weise separate Messsysteme und Überwachungsgeräte. Bei einem Roboter könnte eine sicher reduzierte Geschwindigkeit über eine verminderte Spannung ermöglicht werden, die von einem Transformator umgesetzt wird. Dies hat allerdings – neben den Kosten für den Transformator – den Nachteil, dass allen Achsen nur eine kleine Leistung zur Verfügung steht. Ein Handhabungsroboter könnte beispielsweise kein größeres Gewicht halten.

Durchgängige ­Antriebslösung

Mit der dezentralen Sicherheitstechnik von Rexroth können Maschinenhersteller solche Nachteile vermeiden. Die Baureihe IndraDrive bietet eine durchgängige Antriebslösung über den ­gesamten Leistungsbereich von 1,5 bis 120 kW. Die Sicherheitstechnik kann wahlweise in den kompakten Einachs-Umrichtern IndraDrive C oder bei Mehrachsanwendungen in modularen Wechselrichtern IndraDrive M integriert werden. Alle Antriebe des Unternehmens verfügen über vielfältige Kommunikationsmöglichkeiten wie SERCOS interface, Profibus, DeviceNet, Interbus, CANopen oder das klassische Analog-interface. Für autarke Anwendungen bieten die intelligenten Antriebe umfangreiche integrierte Steuerungsfunktionen wie beispielsweise eine Antriebsintegrierte SPS nach IEC 61131-3.

Eine Sicherheitsfunktion gemäß EN 954-1, Kategorie 3, erfordert eine redundante Überwachung im Antrieb. Ein einzelner Fehler darf demnach nicht zum Ausfall der Sicherheitsfunktion führen und muss außerdem durch zyklische Tests erkannt werden. Hierzu sind im Antrieb zwei getrennte Kanäle mit diversitären Prozessoren aufgebaut, die ihre jeweiligen Überwachungsergebnisse miteinander vergleichen. Folgende Sicherheitsfunktionen können direkt am Antrieb angewählt werden und wurden von einer akkreditierten Stelle für Maschinensicherheit, der Zertifizierungsstelle SIBE Schweiz, bezüglich der Konformität zur europäischen Maschinenrichtlinie geprüft und zertifiziert:

•Sicherer Halt

•Sicherer Betriebshalt

•Sichere Antriebssperre

•Sicher reduzierte Geschwindigkeit/ Drehzahl

•Sicher begrenzte Maximalgeschwindig­keit

•Sicher begrenztes Schrittmaß

•Sicher begrenzter Absolutlagebereich

•Sicher begrenzte absolute Endlage

•Sichere Drehrichtung

•Sicheres Bremsenmanagement

•Sichere Schutztürzuhaltung

Die Aufdeckung schlafender Fehler wird durch die zweikanalige Datenverarbeitung mit diversitärer Struktur, dem kreuzweisen Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten sowie einer Dynamisierung erreicht. Im Vergleich zu anderen Systemen, bei denen die Reglerfreigabe weggenommen werden muss, läuft die Dynamisierung beim IndraDrive online, das heißt, ohne die Bearbeitung zu unterbrechen. Die Dynamisierung ist im Minutentakt programmierbar. Wird beispielsweise eine sicher reduzierte Geschwindigkeit im Einrichtbetrieb gefahren, überwachen beide Kanäle die gefahrene Geschwindigkeit mit einem parametrierten maximalen Geschwindigkeitsgrenzwert, der beispielsweise von einer maschinenspezifischen C-Norm vorgegeben ist. Aufgrund der schnellen Zykluszeiten im Antrieb wird ein Überschreiten dieses Grenzwertes innerhalb von nur zwei Millisekunden erkannt und eine parametrierte Stoppreaktion eingeleitet.

Wirksamer Personenschutz

Durch die autarke Überwachung im Antrieb werden sehr kurze Reaktionszeiten im Fehlerfall erreicht. Dies ist bei hochdynamischen Servoantrieben und insbesondere bei Linearmotoren Voraussetzung für wirksamen Personenschutz. Solche Antriebe können bereits in weniger als 100 Millisekunden auf ihre Maximalgeschwindigkeit beschleunigen, so dass externe Überwachungsgeräte aufgrund von Schaltverzögerungen in der gleichen Größenordnung überfordert sind. Bei konventioneller Sicherheitstechnik muss der Bediener im Fehlerfall einen dreilagigen Zustimmungstaster in die Panikstellung durchdrücken. Messungen mit unterschiedlichen Personen haben ergeben, dass hierbei mit durchschnittlichen Reaktionszeiten von 200 bis 400 Millisekunden zu rechnen ist, in denen die Achse schon unkontrolliert weiter beschleunigen könnte. Insbesondere bei hochdynamischen Linearantrieben mit entsprechend hohen Beschleunigungen und Verfahrgeschwindigkeiten kann der Schutz der Person im Gefahrenbereich mit dieser Methode unter Umständen nicht mehr sichergestellt werden.

Üblicherweise wird mit dem Umschalten des Betriebsartenschalters von Normal- in Sonderbetrieb – bei den zu der Schutzzone gehörigen Antrieben – der sichere Halt oder der sichere Betriebshalt direkt am Antrieb zweikanalig angewählt. Sobald sich alle angewählten Antriebe selbstständig in den sicheren Zustand gebracht haben, gibt ein zum Master definierter Antrieb die Schutztürzuhaltung frei und der Anwender kann zu Test- oder Kontrollzwecken den Schutzraum ungefährdet betreten. Beim Roboter entfällt damit die Notwendigkeit, eine bestimmte Sicherheitsposition anzufahren, bevor der Bearbeitungsbereich betreten werden darf. Der Bediener kann von jeder Position aus in den Sonderbetrieb schalten. Die Antriebe bleiben in Lageregelung.

Befinden sich schwerkraftbelastete Achsen im Zutrittsbereich, sorgt das sichere Bremsenmanagement für zweikanalige Sicherheit. Nach Zutrittsanforderung überprüft der Antrieb zunächst die zugehörige Haltebremse auf Funktion bevor die Freigabe der Schutztürzuhaltung gegeben wird. Während des Aufenthaltes unter den Achsen bleiben der sichere Betriebshalt und die überprüfte Haltebremse parallel in Betrieb, so dass redundante Haltesysteme ein unkontrolliertes Fallen der Achse unterbinden. Über Zustimmungssignale, die redundant an den Antrieben angeschlossen werden, können im Sonderbetrieb mehrere sicher reduzierte Geschwindigkeiten oder sicher reduzierte Schrittmaße gefahren werden. Die Überwachung der über Passwort eingestellten Grenzen erfolgt durch redundante Soft- und Hardwarebausteine im Antrieb. Dazu wird kein zweites Drehzahl-Messsystem benötigt. Der Anwender spart den Einsatz externer Messsysteme und Überwachungsgeräte.

Durch die autarke Realisierung der Sicherheitsfunktionen im Antrieb ist der Anwender unabhängig von einer übergeordneten Steuerung. Darüber hinaus spart der Maschinenhersteller bisher notwendige Komponenten. Die Vielseitigkeit der Sicherheitsfunktionen erhöht darüber hinaus die Produktivität, da Bediener und Wartungspersonal wesentlich mehr Möglichkeiten bei manuellen Eingriffen haben und die Maschine anschließend schneller wieder den Betrieb aufnehmen kann.

Zum Thema

Eine antriebsintegrierte Sicherheitstechnik reagiert unabhängig von menschlicher Reaktionszeit oder kontaktbehafteten Schaltgliedern wie beispielsweise Relais. Bei dem hier vorgestellten System können die Sicherheitsfunktionen unabhängig von einer übergeordneten Steuerung direkt am Antrieb zweikanalig angewählt und auch überwacht werden. Die Kontrolle findet also genau statt, wo auch die Bewegung erzeugt wird. Damit kann ein Fehler innerhalb von zwei Millisekunden erkannt und ein entsprechender Stopp eingeleitet wird. Darüber hinaus spart der Anwender auch noch Kosten und kann aufgrund der kurzen internen Reaktionszeiten sogar hochdynamische Bewegungen überwachen.st

Autor

Gerhard Kobs

Bosch Rexroth AG

64711 Erbach

Tel. 06062/78-379

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