Antriebsregler

Vertikal abgesichert

Sicherheitstechnik gehört für Maschinenbauer zu den komplexesten Themen der Automatisierung. So ist etwa beim Bremsenmanagement schwerkraftbelasteter Vertikalachsen einiges zu beachten. Für den Antriebsregler SD6 hat Stöber nun gemeinsam mit Pilz das Sicherheitsmodul SE6 für antriebsbasierte Sicherheitstechnik entwickelt.

05. November 2018
Bild: Stöber Antriebstechnik GmbH + Co. KG
(Bild: Stöber Antriebstechnik GmbH + Co. KG)

Müssen Mitarbeiter den Bearbeitungsraum einer Maschine betreten, sind die Antriebsachsen in einen gefahrlosen Zustand zu versetzen. Hängen an den vertikalen Achsen schwere Lasten, können diese aufgrund der Schwerkraft herabfallen und damit das Personal gefährden. Um das zu verhindern, sind die Vertikalachsen in der Regel durch Bremsen gesichert. Verschmutzungen oder mechanischer Verschleiß können deren Wirkung allerdings stark beeinträchtigen. Deshalb gilt es, den Zustand der Bremsen sicher zu überwachen und ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten. Konstrukteure und Maschinenbauer setzen dafür bislang in der Regel auf Lösungen, die auf einer programmierbaren Sicherheitssteuerung basieren. Diese steuert über Schütze die Bremsen und überwacht während des Bremsentests den Stillstand. Dadurch entstehen spezielle Anforderungen an den Motor-Encoder und seine Montage. An der Motorwelle angebracht, erfasst er primär deren Lage und schickt Ist-Werte an den Regler. Die Anbindung an die Sicherheitssteuerung erfolgt in der Regel über analoge 1-Vss-Signale. 

Reparatur benötigt Spezialisten

Der Nachteil: Diese erfordern spezielle Encoder, besondere Adapter, um die Analogsignale für die Stillstandserkennung herauszuführen, sowie Kabel, die die analogen Signale auch über längere Strecken störungsfrei übertragen können. Dazu kommen Stillstands- und Drehzahlwächter. »Ein weiterer Punkt ist der aufwendige FMA-Anbau«, erläutert Markus Frei, Product Manager Drive Controller Accessories bei Stöber Antriebstechnik. FMA steht für Fehlerausschluss der mechanischen Ankopplung und bedeutet: Der Encoder wird so an der Motorwelle angebaut, dass das ungewollte Lösen der Wellenverbindung ausgeschlossen werden kann. »Im Service-Fall kann das zu einem unerwarteten Problem werden«, weiß Frei. Die aufwendige Reparatur lässt sich nicht einfach von einem Mitarbeiter vor Ort erledigen. Sie muss von einem Spezialisten durchgeführt werden.

Bis alles verschraubt, verklebt, getrocknet, geprüft und dokumentiert ist, steht die Maschine für mindestens 48 Stunden still. Je nach Standort der Maschine kann dies aber auch deutlich länger dauern, wenn der Motor zur Reparatur versendet werden muss. Ein weiterer Nachteil: »Die geeigneten Encoder passen nicht auf alle Motortypen und bieten nicht die Performance, die von einem leistungsfähigen Servosystem benötigt wird – das schränkt Maschinenbauer deutlich ein.« 

Die allgemeinen Anforderungen der EG-Maschinenrichtlinie nehmen Hersteller dabei in die Pflicht, nur sichere Maschinen zu konstruieren. Der Weg führt über die Risikobeurteilung, was die Projektierung entsprechend aufwendig macht. Denn der Konstrukteur muss mögliche Gefahren abschätzen, geeignete Gegenmaßnahmen treffen und vor Restrisiken warnen. 

Partnerschaft für Sicherheit

Ihm steht jedoch keine spezielle Norm zur Verfügung, nach der er die Gefahren an Vertikalachsen beurteilen kann. »Die Beurteilung erfolgt meist mittels Risikograf nach DIN EN ISO 13849-1. Diese ist abhängig von der Schwere der Verletzung, der Häufigkeit oder der Dauer der Gefährdung sowie der Möglichkeit, Gefährdungen zu vermeiden oder Schäden zu begrenzen.

Doch was ist häufig und welche Möglichkeiten gibt es, Gefahren zu vermeiden?«, so Frei rhetorisch. »Wir wollen mit unserem SD6 einen Schritt weitergehen und Konstrukteure und Maschinenplaner bei der Sicherheitstechnik noch umfassender unterstützen«, sagt Frei. Das Unternehmen bietet mit dem Stand-alone-Antriebsregler SD6 einen Einzelachsregler mit einem Ausgangsnennstrom bis 85 Ampere, der vorwiegend in antriebsbasierenden Anwendungen zum Einsatz kommt. Dazu gehört zum Beispiel der Synchronbetrieb von bis zu 32 Achsen in elektronischen Getrieben oder fliegenden Sägen ohne überlagerten Motion-Controller.

Konstrukteure und Maschinenplaner »stehen oft vor der Herausforderung, hoch automatisierte und flexible Fertigungsabläufe umzusetzen, bei denen gleichzeitig Menschen, Maschinen und Anlagen geschützt sein müssen«, verdeutlicht der Produktmanager. Der Antriebsregler SD6 erfüllt laut dem Hersteller diese Anforderungen in sicherheitsrelevanten Anwendungen bis SIL 3 nach DIN EN 61800-5-2 oder PL e (Kategorie 4) nach DIN EN ISO 13849-1. 

Damit der Regler diese Ansprüche praxisorientiert und zuverlässig meistern und im Notfall unmittelbar einschreiten kann, hat Stöber Antriebstechnik gemeinsam mit dem Sicherheitsexperten Pilz das Sicherheitsmodul SE6 entwickelt. Damit lässt sich der SD6 optional ausstatten. Ihm stehen neben der grundlegenden Sicherheitsfunktion Safe Torque Off (STO) weitere Funktionen auf höchstem Sicherheitsniveau zur Verfügung – unter anderem umfangreiche Stopp- und Überwachungsfunktionen. 

Und warum Pilz? »Wer würde sich besser als Partner eignen?«, fragt Frei. »Das Unternehmen gehört zu den führenden Herstellern in der sicheren Automation und ist Innovationstreiber in seinem Marktumfeld.« Für das Sicherheitsmodul SE6 konnte Stöber eigenen Angaben zufolge gemeinsam mit Pilz für nahezu alle der identifizierten Schwachstellen praktikable Lösungen erarbeiten und umsetzen. Im ersten Schritt haben die Entwickler die am meisten von den Kunden nachgefragten Sicherheitsfunktionen realisiert. 

Integriertes Bremsenmanagement

So ist die Funktion »Sicher abgeschaltetes Drehmoment« (STO) integriert, die die Energieversorgung zum Motor direkt im Antriebsregler unterbricht. Dazu kommt die Stoppfunktion »Safe Stop 1« (SS1), die den Antrieb geregelt herunterfährt und danach erst die Energiezufuhr zum Motor unterbricht. Außerdem enthalten ist die Stoppfunktion »Safe Stop 2« (SS2), die nach dem geregelten Herunterfahren einen Sicheren Betriebshalt (SOS) einleitet. Dabei bleiben die Regelfunktionen des Antriebs erhalten.

Die Funktion »Sicher begrenzte Drehzahl« (SLS) wacht darüber, dass der Antrieb eine bestimmte Geschwindigkeit nicht überschreitet, während die Funktion »Sicherer Drehzahlbereich« (SSR) diese innerhalb eines definierten Korridors im Auge behält. Durch eine »Sicher begrenzte Position« (SLP) ist es möglich, dass der Motor auch hier vorgegebene Grenzwerte nicht überschreitet.

Mit den Funktionen SS1 und SS2 lassen sich auch die Bremsrampen überwachen. Damit kann etwa ein Achsverbund kontrolliert stillgesetzt werden. Die Funktion »Sichere Bewegungsrichtung« (SDI) lässt die Bewegung eines Antriebs nur in eine Richtung zu. Die Funktion »Sicher begrenztes Schrittmaß« (SLI) überwacht nach Aktivierung die Position innerhalb eines zuvor definierten Bereichs. Falls doch ein Grenzwert verletzt wird, wird der Motor vom Antriebsregler sicher stillgesetzt.

»Wir haben das Modul zudem mit der Funktion Sicheres Monitoring für nahezu alle Sicherheitsfunktionen ausgerüstet«, erklärt Frei. »Dieses Feature überwacht den Antrieb lediglich und meldet Grenzwertüberschreitungen sicher an die überlagerte Sicherheitssteuerung, statt einen Stopp zu erzwingen.« Dies gibt dem Maschinenbauer bei der Störungsreaktion, besonders bei synchronisierten Antrieben, viele Freiheiten zurück. Das Besondere an dem neuen Sicherheitsmodul ist das integrierte Bremsenmanagement von bis zu zwei Bremsen, betont der Hersteller.

Denn damit erfüllt der SD6 die Anforderungen der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) an schwerkraftbelastete Vertikalachsen. Die DGUV ist der Spitzenverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften (BG) und der Unfallversicherungsträger der öffentlichen Hand. Die Entwicklung orientierte sich am Informationsblatt »Schwerkraftbelastete Achsen«, das die BG herausgegeben hat. »Dies beschreibt praxisgerecht die Anforderungen an das Absichern von Vertikalachsen, da es derzeit keine harmonisierte Norm gibt, in der dieses Thema behandelt wird«, hebt Frei hervor.

Bremsen sicher angesteuert

Das Bremsenmanagement im SE6 beinhaltet die Funktion »Sichere Bremsenansteuerung« (SBC), die sicherstellt, dass die Bremsen auf Anforderung einfallen. Dazu kommt das Feature »Safe Brake Test« (SBT). Es überprüft bei Bedarf das definierte Bremsmoment und deckt Abweichungen aufgrund von Verschmutzungen oder Defekten an der Mechanik auf, bevor das Bremsmoment einen kritischen Zustand erreicht.

Zusätzlich wird das vorgeschriebene Prüfintervall überwacht. Das kann je nach Anwendung und Forderung aus der Gefahrenanalyse einmal in jedem Produktionszyklus sein oder zum Beispiel alle acht Stunden zu Schichtbeginn. Ist das Haltemoment der Bremse nicht mehr gegeben, steht im Antriebsregler die Funktion »Bremsen einschleifen« zur Verfügung, welche die Anforderungen der Bremsen von Stöber-Motoren berücksichtigt. Anschließend kann das System erneut überprüfen, ob das geforderte Test-Moment gehalten werden kann.

Weil das Bremsenmanagement des SE6 die Ansteuerung von bis zu zwei Bremsen unterstützt, deckt es damit alle Anwendungsfälle des Fachbereichsinformationsblatts zu Vertikalachsen ab. »Befindet sich der Bediener mit dem ganzen Körper unter der Last, ist das Risiko sehr hoch zu bewerten. Sowohl im Automatikbetrieb als auch beim Einrichten wird deshalb eine redundante Absturzsicherung nach DIN EN ISO 13849-1 empfohlen«, berichtet Frei.

Das Komplettpaket SD6 mit SE6 ist laut Hersteller für Maschinenbauer technisch und wirtschaftlich interessant. SD6 lässt sich mit Synchron-Servo-, Asynchron-, Linear- oder Torque-motoren kombinieren. Das gibt dem Konstruk-teur mehr Spielraum. Auch beim Encoder hat er freie Wahl. Koppelschütze, teure Kabel, spezielle Adapter, Stillstands- und Drehzahlwächter entfallen. Zudem ist das Bremsenmanagement unabhängig vom Bremsentyp. Der Anwender könne somit ein sicheres Brems- und Haltesystem gemäß DIN EN ISO 13849-1 bis Kategorie 4 aufbauen – mit überschaubarem Aufwand, so der Hersteller weiter.

Schnelle Reaktion

»Weil die Überwachung des Motors durch die Sicherheitsfunktionen antriebsintern erfolgt, ermöglicht unser SD6 eine sehr schnelle Worst-Case-Fehlerreaktion von unter zehn Millisekunden«, beschreibt Frei. Das integrierte Sicherheitsmodul kann dabei unmittelbar in die Achsbewegung eingreifen und im Fall einer Grenzwertüberschreitung oder bei einem Not-Halt den Antrieb stillsetzen. »Das funktioniert deutlich schneller als bei einem externen Drehzahlwächter«, ist er sich sicher.

»Bis dieser die benötigten Informationen erfasst, ausgewertet und über die Sicherheitssteuerung den Befehl zum Abschalten an den Regler weitergegeben hat, können bis zu 100 Millisekunden vergehen. In der Welt der Antriebstechnik ist das eine Ewigkeit.« Im Service-Fall muss beim Gerätetausch nur die SD-Karte mit der gespeicherten Sicherheitskonfiguration getauscht, der neue Regler gestartet und mit einem Tastendruck der Wechsel bestätigt werden. Dafür benötigt der Mitarbeiter keine speziellen Kenntnisse.

Nach Gerätestart kann er am Display des Reglers die Checksumme der Sicherheitskonfiguration validieren. Schnell in Betrieb nehmen lässt sich die Lösung mit der Projektierungs- und Inbetriebnahme-Software DriveControlSuite. Die integrierte PASmotion-Software unterstützt den Bediener dabei, die Sicherheitskonfiguration zu erstellen. »Unser Sicherheitsmodul SE6 eignet sich zudem sehr gut für Retrofit-Projekte«, betont Frei abschließend. Der Betreiber kann unter anderem auch seine bestehende Mechanik beibehalten.

SPS IPC Drives: Halle 3A, Stand 451

Erschienen in Ausgabe: 07/2018