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Funktionale Sicherheit mit modernen AC-Antrieben : Ausgabe 01/2013, 13.04.2013

Integrierte Sicherheit spart Kosten

Das Thema Maschinensicherheit spielt eine wichtige Rolle in der Fertigungs- und Prozessindustrie. Hatte man die Maschinensicherheit früher oft durch separate externe Systeme gewährleistet, zeichnet sich heute eine zunehmende Integration von Sicherheit, Steuerung und Überwachung ab.

Autor: Uwe Przywecki

In der Europäischen Union ist die Erfüllung grundlegender Sicherheitsanforderungen bei Maschinen in Gesetzen verankert. Alle Maschinen, die man in der EU erstmalig in den Verkehr bringt, müssen den Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG genügen, wofür die Maschinenhersteller bzw. Importeure verantwortlich sind. Grundlage für die Harmonisierung der nationalen Anforderungen ist die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Sie soll sicherstellen, dass Maschinen sicher und so konstruiert und gebaut sind, dass man sie in allen Phasen ihres Lebenszyklus mit minimalem Risiko für Mensch und Umwelt verwenden, konfigurieren und warten kann.

Integrierte Sicherheitsfunktionen eröffnen neue Perspektiven

Am wirksamsten lassen sich Risiken durch konstruktive Massnahmen mindern bzw. vermeiden. Ist dies nicht machbar, lässt sich die Sicherheit durch statische Sicherheitsmassnahmen oder durch funktionale Sicherheit gewährleisten. Letzteres bietet den zusätzlichen Vorteil, dass man mit ihr häufig auch eine höhere Produktivität und Verfügbarkeit der Maschine und ein weniger abruptes Verhalten des Sicherheitssystems erreichen kann.

Um die Risiken zu mindern, können beispielsweise Maschinen schnell und sicher angehalten werden oder sie lassen sich unter bestimmten Bedingungen mit einer geringen sicheren Geschwindigkeit betreiben.

Die Entwicklung von elektronischen Steue-rungssystemen hat sich auch auf die Sicherheitstechnik von AC-Antrieben ausgewirkt. Traditionell kommen in Automatisierungssystemen mit elektrischen Antrieben elektromechanische Sicherheitsrelais zum Einsatz. Diese überwachen verschiedene sicherheitsbezogene Eingabegeräte wie Endschalter und Not-Aus-Schalter und steuern Schütze an, die bei Überschreitung bestimmter Parameter die Stromversorgung zum Antriebssystem sicher abschalten.

Moderne Elektronik unterstützt Sicherheitssysteme

Moderne Sicherheitssysteme für AC-Antriebe arbeiten zunehmend elektronisch. Der nächste logische Schritt zur Realisierung einer antriebsbasierten Sicherheit nach dem Einsatz von externen Komponenten ist die Integration der Sicherheitsfunktionalität in den Frequenzumrichter selbst.

Auf die Schütze, die den Motor bisher im Notfall angehalten bzw. am Anlaufen gehindert haben, kann man nun dank der in den Leistungsteil des Frequenzumrichters integrierten Safe-Torque-Off-Funktion (STO) verzichten. Die Safe-Torque-Off-Funktion deaktiviert die Ausgangsmodulation des Frequenzumrichters und hindert so auf sichere Weise den Motor daran, ein Drehmoment zu erzeugen. Die Funktion entspricht einem ungesteuerten Stillsetzen gemäss Kategorie 0 der Norm EN 60204-1 – Sicherheit von Maschinen, elektrische Ausrüstung von Maschinen, Teil 1: Allgemeine Anforderungen. Die STO-Funktion trägt zu einer höheren Produktivität der Prozesse bei, da sich das Motordrehmoment sicher verhindern lässt, ohne dass man die Stromversorgung oder den Gleichspannungszwischenkreis des Frequenz- umrichters trennen muss. So lässt sich der Antrieb schnell ohne Zuschalten der Schütze und erneute Aufladung des Gleichspannungszwischenkreises wieder starten.

Sicherheitsfunktionalität lässt sich in den Umrichter integrieren

Die STO-Funktion des AC-Frequenzumrichters AB-Industrial-Drive-ACS 880 erfüllt die hohen Anforderungen der Sicherheitsstufe SIL3 nach IEC 61508 und PL e nach EN ISO 13849-1. Der Safety-Integrity-Level (SIL) bzw. der Performance-Level (PL) ist ein Mass dafür, wie hoch eine Sicherheitsfunktion eingestuft ist, in anderen Worten, wie zuverlässig sie ist.

Selbst wenn die gesamte Sicherheitskette nur niedrigen Anforderungen genügen muss, kann für die einzelnen Komponenten der Schaltung die höhere SIL- bzw. PL-Einstufung notwendig sein, um mit dem Gesamtsystem die erforderliche Sicherheitskategorie zu erreichen.

Überwachungsfunktionen sind erweiterbar

Die Summe aller Komponenten ist massgebend und mit dem ACS 880 verringern sich der Gesamtaufwand und letztendlich die Kosten. Auch ein «Downgrade» der STO-Funktion ist ohne Zusatzaufwand machbar.

Bei Bedarf lässt sich die STO-Funktion mit erweiterten Überwachungsfunktionen kombinieren, um zusätzliche Funktionalität zu erlauben. Zu den externen Massnahmen gehören zum Beispiel Zeitverzögerungsrelais oder sogenannte konfigurierbare Sicherheitssysteme. Diese liegen typischerweise zwischen speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und elektronischen Sicherheitsrelais. Der Hersteller hat zahlreiche Sicherheitskomponenten und Lösungen wie beispielsweise die Sicherheitssteuerung AC 500-S oder die Baureihe Pluto im Portfolio.

Die Safety-Funktionalität lässt sich integrieren

Beim leistungsstarken modernen Industrial Drive ACS 880, der in industriellen Anwendungen zum Einsatz kommt, ist die Safety-Funktionalität integrierbar. Die Geräte sind derzeit mit Leistungen von 0,55 bis 250 kW und Spannungen von 380 bis 500 V verfügbar. Die integrierte Lösung antriebsnaher Sicherheitsfunktionen im Frequenzumrichter bringt viele Vorteile mit sich. Sie hat einen geringeren Bedarf an externen Sicherheitseinrichtungen zur Folge, sie vereinfacht die Konfiguration, erfordert weniger Einbauraum und reduziert den Verkabelungsaufwand. Die Konfiguration lässt sich über eine einzige Hardwareverbindung mit dem Inbetriebnahme-Tool «Drive Composer pro» durchführen. Da integrierte Sicherheitsfunktionen antriebsspezifisch sind, geht es beim Inbetriebnahmeprozess im Wesentlichen um das Einstellen von Parameterwerten und Verhaltensoptionen. Die eigentliche Programmierung der Grundfunktionalität ist nicht mehr erforderlich. Dies ist eine Verbesserung gegenüber externen Systemen, bei denen man die Funktionslogik per Blockprogrammierung definieren muss.

Eine Schnittstelle zum Sicherheits-modul ist vorhanden

Die integrierte Schnittstelle des Sicherheitsmoduls zum Umrichter wird standardmässig überwacht und somit entfällt der Zusatzaufwand der Schnittstellenüberwachung für den Anwender. Sind jedoch eine sehr hohe Flexibilität und zahlreiche E/As für die Sicherheitsfunktionen gefordert, ist eine Sicherheitssteuerung wie die ACS 500-S eine gute Lösung.

Das sicher abgeschaltete Drehmoment (STO) ist eine Standardfunktion im Umrichter, die sich durch Optionen wie sichere Bremsenansteuerung, sicherer Stopp 1, sicherer Not-Stopp, sichere maximale Drehzahl und andere Sicherheitsfunktionen ergänzen lässt. Die funktionale Sicherheit der Umrichter erfüllen die Anforderungen der EU-Maschinenricht-linie 2006/42/EC.

Das Sicherheitsmodul erweitert die Funktionalität

Das aufsteckbare Sicherheitsmodul für den Industrial Drive ACS 880 verfügt über zahlreiche Diagnosefunktionen und umfangreiche Sicherheitsfunktionen und erfüllt die heutigen Sicherheitsanforderungen und -standards in einem kompakten integrierbaren Modul. Im Vergleich zu externen Sicherheitseinrichtungen stellt es eine attraktive kostengünstige Lösung dar. Viele Sicherheitsfunktionen sind ohne Geber-rückführung machbar, erhöhen somit die Verfügbarkeit des Systems und verrin- gern den Verkabelungsaufwand und die Kosten.

Das Modul beinhaltet die aktuellsten Sicherheitsdaten, um funktionale Sicherheitssysteme effizienter planen und aufbauen zu können, und lässt sich einfach im Frequenz-umrichter montieren. Die Einbindung der Sensoren und Aktoren geschieht über die sicheren Ein- und Ausgänge. Das Sicherheitsmodul unterstützt dabei folgende Sicherheitsfunktionen, die mindestens IEC 61508 oder EN ISO 13849-1 erreichen. «Sicherer Stop 1» (Safe Stop 1) leitet den Rampenstopp bei einer Notbremsung (Stoppkategorie 1) ein, überwacht die Drehzahlrampe und aktiviert dann automatisch das sicher abgeschaltete Drehmoment (STO). Die «Sicher begrenzte Drehzahl» (Safe Limited Speed) bewahrt den Motor davor, die vorgegebene sichere Drehzahl zu überschreiten.

Sensoren und Aktoren sind in das Sicherheitsmodul eingebunden

Eine «Sichere Bremsenansteuerung» (Safe Brake Control) stellt einen sicheren Ausgang zur Steuerung der mechanischen Bremsen zur Verfügung. Die «Sichere maximale Drehzahl» (Safety Maximum Speed) überwacht die Ausgangsfrequenz und Dreh- zahl des Antriebs, damit dieser die fest- gelegte Grenze nicht überschreitet. Diese Funktion ist kontinuierlich aktiv, um einen Schutz vor z. B. bautechnisch bedingter maximaler Motorfrequenz/-drehzahl zu gewährleisten. Der «Sichere Not-Stopp» (Safe Stop Emergency) leitet den Rampenstopp für eine Notbremsung ein (Stoppkategorie 1). Nach dem Stopp ist die Safe-Torque-Off-Funktion aktiviert.

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In vielen Applikationen zeichnet sich heute eine zunehmende Integration von Sicherheit, Steuerung sowie Überwachung ab


Das Sicherheitsmodul für den ACS 880 verfügt über umfangreiche Sicherheitsfunktionen