Cluster Mechatronik & Automation

News

13.01.2014

Fachbeitrag

Integration standardisierter sicherer Antriebs- und Sicherheitsfunktionen in Produktionsmaschinen

Anforderungen bei der Entwicklung

Der Schutz von Umwelt und Mensch hat aus moralischen und gesetzlichen Gründen einen hohen Stellenwert bei der Entwicklung von Produktionsmaschinen. Alle Anlagen, die unter die Maschinenrichtlinie 2006/ 42/ EG fallen, müssen auch den Anforderungen dieser gerecht werden. Diese Anforderungen beinhalten, dass sicherheitstechnische Maßnahmen nach dem Stand der Technik ausgeführt werden und durchgängig dokumentiert sein müssen [1]. Der Stand der Technik wird in der Sicherheitstechnik durch harmonisierte Normen in der Europäischen Union (EU) verkörpert. Das Beachten der normativen Vorgaben hat den Vorteil, dass sich die Beweispflicht zu Gunsten des Herstellers in allen EU Mitgliedsstaaten umkehrt. Die Abbildung 1 zeigt das Vorgehen für die erforderliche Risikobeurteilung nach der harmonisierten Sicherheitsgrundnorm DIN EN ISO 1200 für Produktionsmaschinen.

 

 

Abbildung1: Darstellung des Prozesses zur Risikominimierung aus Sicht des Konstrukteurs nach

DIN EN ISO 12100, Bildquelle [2]

 

Schritt 1 der Drei-Stufen-Methode ist die erste und zugleich wichtigste Maßnahme zur Risikominimierung. Inhärent sichere Konstruktionen stellen die langfristige Wirksamkeit getroffener Schutzmaßnahmen am ehesten sicher und sollten in einer frühen Phase der Konstruktion bedacht werden. Die Risiken, die sich durch einen konstruktiven Weg nicht beseitigen lassen, werden in Schritt 2 mit technischen und ergänzenden Schutzmaßnahmen weiter reduziert. Bei den ergänzenden Maßnahmen handelt es sich z.B. um NOT-HALT. Technische Schutzmaßnahmen umfassen trennende sowie nicht trennendende Schutzmaßnahmen, Verriegelungen und das Auswerten von Bedienelementen. Der letzte Schritt ergänzt die vorangegangene Risikominderungen mit optischen bzw. akustischen Signalen, Sicherheitskennzeichnungen und der Betriebsanleitung [2].

 

Vorteile der Standardisierung von Sicherheitsfunktionen 

Auf der Grundlage der Normen DIN EN 62061 und DIN EN ISO 13849-1 ergeben sich neue und flexible Möglichkeiten die technischen Schutzmaßnahmen aus Schritt 2 zu realisieren. Mit ausschließlich elektronmechanischen Betriebsmitteln sind die normativen Anforderungen unter technischen und wirtschaftlichen Gründen oftmals nicht mehr zu erreichen. Über programmierbare Antriebs- und Sicherheitsfunktionen ergeben sich weitaus größere Möglichkeiten bei der Gestaltung. Die PLCopen arbeitet mit namhaften Herstellern von Automatisierungstechnik zusammen und treibt so die Standardisierung voran. Die Hochschule Augsburg ist als Mitglied der PLCopen u.a. bei der Ausarbeitung von Sicherheitsfunktion im Bereich Safety (Abbildung 2) aktiv tätig. Als Resultat daraus entstehen praxisrelevante herstellerübergreifende Spezifikationen - grafisch programmierbarer Funktionsbausteine (FUB), die anschließend in Funktionsbibliotheken für Antriebs- und Steuerungssysteme umgesetzt werden.

 

Abbildung 2: Komponenten mit diesem Logo unterstützen die standardisierten programmierbaren sicheren Antriebs- und Steuerungsfunktionen der PLCopen, Bildquelle [3] 

 

 

Evaluierung des aktuellen Abdeckungsgrades 

Die derzeitigen Potentiale und Einschränkungen der Einsatzmöglichkeiten der standardisierten Funktionen werden am Technologietransferzentrum Donau-Ries und an der Hochschule Augsburg evaluiert. Durch die Zusammenarbeit mit Industriepartnern und im Labor werden für konkrete Aufgabenstellungen Lösungen erarbeitet. Im Fokus stehen dabei Prozessabläufe und die Bedienung der Produktionsmaschine. So kann an der Demonstrationsmaschine (Abbildung 3) im Labor für Automatisierungstechnik die Interaktion unterschiedlicher Bediensituationen, nicht trennender Schutzmaßnahmen und deren Implementierung praxisnah untersucht werden. Diese Ergebnisse fließen auch unmittelbar in die Ausbildung zukünftiger Ingenieure ein.

 

 

Abbildung 3: Demonstrator zur Evaluierung der derzeitigen Möglichkeit zur Umsetzung von Betriebsarten

 

Durch die zunehmende Automatisierung von Anlagen überschneiden sich beim Rüsten, Einrichten und Warten die Arbeitsbereiche zwischen Mensch und Maschine. Die Integration dieser Betriebsarten in eine Sicherheitssteuerung mittels grafisch programmierbarer Sicherheitsfunktionen gestaltet sich heute noch aufwendig. Die Untersuchungen an der Demonstrationsmaschine zeigen aber auch, dass sich die Integration und Verknüpfung von aktueller sicherheitsrelevanter Sensorik, wie Zustimmungstaster, NOT-Halt, Sicherheitsschalter und sicherer Antriebsfunktion durchgängig integrieren lässt. Einen großen Betrag zur Wirksamkeit sicherheitstechnischer Maßnahmen stellen antriebsintegrierte Sicherheitsfunktionen, wie z.B. Sicher abgeschaltetes Moment (STO), Sicherer Stopp 1 (SS1) und Sicher begrenzte Geschwindigkeit (SLS), dar. Nicht nur bei komplexen Aufgaben der Bedienung und Antriebsüberwachung sondern auch z.B. bei der Überwachung des Abwickelns von Materialien, wie Stahl, Folien und Papier können Lücken im Bereich standardisierter sicherheitsrelevanter Steuerungsfunktionen festgestellt werden. Die sicherheitsrelevante Kontrolle eines sich veränderbaren Rollendurchmessers und der daraus resultierenden Oberflächengeschwindigkeit ist mit aktuellen Bausteinen nicht zufriedenstellend abbildbar. Diese und weitere Sicherheitsfunktionen werden bei der Weiterentwicklung standardisierter sicherer Antriebs- und Sicherheitsfunktionen aktiv vorangetrieben.

 

Resumé

Durch die zunehmende Mensch-Maschinen-Interaktion gewinnt die Sicherheitstechnik weiter an Bedeutung bei der Entwicklung von Produktionsmaschinen. Die fachliche Auseinandersetzung mit der effizienten Gestaltung der Sicherheitstechnik der Maschine in der Entwicklung stellt einen nicht zu unterschätzenden Wettbewerbsfaktor für Unternehmen dar. Durch den Einsatz von standardisierten sicheren Antriebs- und Steuerungs-funktionen reduziert sich der Aufwand in Entwicklung und Herstellung deutlich und erhöht sich die Wirtschaftlichkeit.

 

 

Autoren:

Christoph Berger B. Eng.

       

Prof. Dr.-Ing Wolfgang Zeller

    

Kontakt:

An der Hochschule 1

86161 Augsburg
Germany
Tel.: +49(0)821/55863342
Fax.: +49(0)821/55863360

 

Literatur
[1] RICHTLINIE 2006/42/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES: Maschinenrichtlinie, 2006.
[2] Sicherheit von Maschinen - Allgemeine Gestaltungsleitsätze - Risikobeurteilung und Risikominderung (ISO 12100:2010); Deutsche Fassung EN ISO 12100:2010, DIN EN ISO 12100, 2011.
[3] PLCopen, Part 1: Concepts and Function Blocks for Safety Functions: PLCopen - Technical Committee 5: PLCopen, 2006.


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