Antriebs- und Maschinensicherheit gewährleisten: Engineering Controls & Schutzmaßnahmen

Nach einer häufig konsultierten Hierarchie von Schutzmaßnahmen ist die Sicherheit von Menschen am Arbeitsplatz von verschiedenen Arten von Schutzmaßnahmen abhängig. Die effektivste davon wird als Gefahrenbeseitigung eingestuft – offensichtlich genug. Am anderen Ende der Skala steht das Tragen persönlicher Schutzausrüstung. Mittendrin liegt der Bereich der Engineering Controls – das Design oder die Anpassung von Maschinen, um den Arbeiter vom Risiko zu isolieren.

Diese Kategorie umfasst eine breite Vielfalt an Engineering-Ideen. Aufzüge und Plattformen helfen, Menschen vor Stürzen zu schützen (oder davor, dass etwas auf sie fällt). Opferteile wie Sicherungen oder Berstscheiben sind darauf ausgelegt, Maschinen durch Versagen unter Belastung zu schützen. Lüftungssysteme sorgen dafür, dass Atmosphären sauber und atembar sind.

Maschinensicherheitssysteme in der Fertigung

Maschinen mit schnell bewegten Teilen wie Schwungrädern, Antriebsriemen und Ventilatorflügeln stellen eine besondere Gefahr dar, und wo sie machbar sind, sind Schutzvorrichtungen zum Verhindern von Körperkontakt gesetzlich vorgeschrieben. Diese Schutzvorrichtungen reichen von entsprechend gefertigten Hauben und Schildern bis hin zu Drahtumzäunungen im Perimeter bei Robotern und anderen größeren Maschinen.

Wenn menschliches Eingreifen in die Ausrüstung erforderlich ist, um Inspektion oder Reparatur durchzuführen, ist es essenziell, dass gefährliche Maschinen deaktiviert und sicher ausgeschaltet gehalten werden. Eine Reihe von Geräten wird traditionell verwendet, um dieses Verfahren durchzuführen. Am häufigsten deaktivieren elektrische Verriegelungen an Zugangstoren die Maschinen automatisch, wenn Tore geöffnet werden.

Lichtschranken und -vorhänge erfüllen dieselbe Funktion für kleinere Maschinen oder dort, wo Maschendrahtkäfige unangemessen wären. (Der elektrische Stromkreis wird unterbrochen, wenn eine Person ein Lichtfeld zwischen zwei Punkten durchbricht.) Druckmatten sind ein weiteres häufig verwendetes Anwesenheitserkennungssystem.

Ein solches Sicherheitssystem arbeitet konventionell mittels einer Reihe hartverdrahteter elektromechanischer Komponenten: Schalter, Relais, Schütze, Encoder usw. Zunehmend werden jedoch die Sicherheitssteuerungen, die durch diese externen Geräte erlassen werden, in die Programmierung von Frequenzumrichtern integriert.

Antriebsbasierte Sicherheitssysteme sind weniger kompliziert und zeitaufwändig zu installieren als ihre nicht-digitalen Vorgänger. Sie vermeiden die zusätzlichen elektronischen Strukturen, die von traditionellen Fail-Safe-Mechanismen erforderlich sind, und sind weniger anfällig für Teileausfälle. Mit einfacheren und schnelleren Reset-Prozeduren können zudem teure Ausfallzeiten minimiert werden.

Antriebsbasierte Sicherheitssysteme in Fertigungsmaschinen

Wie alle Aspekte des Maschinenbaus müssen antriebsbasierte Sicherheitsfunktionen ein bestimmtes Zuverlässigkeitsniveau erreichen. Standards, die von Gremien wie der Internationalen Elektrotechnischen Kommission entwickelt wurden, informieren die Gesetzgebung, die von der Europäischen Union und anderen Behörden weltweit erlassen wird. Um die Sicherheitskriterien der EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG zu erfüllen, muss die funktionale Sicherheit von Frequenzumrichtern der Produktnorm EN/IEC 61800-5-2 entsprechen.

Die Sicherheitsmaßnahmen, die ein antriebsbasiertes System für Operationen bringen kann, decken eine Reihe von Gefahrenreaktionen ab. Die grundlegendste und am häufigsten verwendete Funktion ist das Safe Torque Off (STO)-Signal. Dies schaltet einfach die Drehmoment-erzeugende Energieversorgung zum Motor ab. Wie schnell die Maschine stoppt, hängt von Last oder Reibung ab, und ein unerwarteter Neustart ist ausgeschlossen.

Wenn mechanische Aktionen kontrolliert zum Stillstand gebracht werden müssen, weist die Safe Stop 1 (SS1)-Funktion den Antrieb an, die Drehzahl schnell auf Stillstand abzusenken, bevor automatisch STO aktiviert wird. Dies entspricht den Not-Aus-Anforderungen schwerer rotierender Geräte wie Sägen, Schleifmaschinen und Walzwerken.

Safe Stop 2 (SS2) funktioniert同様, außer dass nach dem Bremsen der Motor in einem sicheren Betriebszustand gehalten wird. Die Verwendung dieser Funktion, um volles Drehmoment vom Motor verfügbar zu halten, kann notwendig sein, um Geräteteile stabil zu halten, die sonst aus der Position fallen würden.

Im Fall von Maschinen wie Kränen und Hebezeugen, die mit sehr schweren Lasten umgehen, wird eine Safe Brake Control (SBC) verwendet, um eine mechanische Haltebremse gleichzeitig mit der Deaktivierung des Hauptantriebs durch das STO-Signal zu aktivieren.

Dank der Safely-Limited Speed (SLS)-Funktion können Maschinen so betrieben werden, dass sie unter einem spezifizierten Limit laufen. Wie vom Antrieb überwacht, löst eine Geschwindigkeit, die dieses Limit überschreitet, automatisch einen Not-Aus über ein STO- oder SS1-Signal aus.

Die SLS-Funktion ist besonders nützlich bei der Einrichtung und Wartung von Geräten, wo beispielsweise Kabel manuell über drehende Räder oder Trommeln geführt werden müssen. Es ist auch generell ein Weg, Arbeitsverlust zu minimieren. Anstatt eine Maschine komplett abzuschalten, wenn ein Bediener in der Nähe von Geräten ist, kann sie verwendet werden, um mit reduzierter, sicherer Rate weiterzuproduzieren, bis der Bediener eine spezifische Gefahrenzone betritt (an welchem Punkt die Stromversorgung unterbrochen wird).

Und weil scharfe Abfälle ebenso wie Leistungsspitzen manche Maschinen gefährlich verhalten lassen können, kann eine untere Geschwindigkeitsbegrenzung in Verbindung mit einer oberen über die Safe Speed Range (SSR)-Funktion programmiert werden.

Diese Bandbreite an Sicherheitssteuerungen, einzeln oder in Kombination über Plug-in-Module und Feldbus-Module verfügbar, gibt dem Automatisierungsdesigner deutlich mehr Flexibilität und Freiheit als zuvor. Und mit Statusinformationen, die in der Antriebsschnittstelle verfügbar sind, hat der Bediener einen zuverlässigen Systemüberblick, der sich bis zu zeitnaher und genauer Diagnostik erstreckt.

Sein intelligenter und anpassungsfähiger Charakter bedeutet letztlich, dass ein antriebsbasiertes Sicherheitssystem genauso fähig ist, mechanische Gefahren vorzubeugen, wie es effektiv auf sie reagiert. Die daraus resultierenden Vorteile für den Arbeitsplatz, nicht nur in Bezug auf Sicherheit, sondern auch in denen der Designstraffung und der Steigerung der Gesamteffizienz, machen es zu einer natürlichen Komponente der automatisierten Industrie.