Funktionen zur Drehzahlüberwachung sicher realisieren

Funktionen zur Drehzahlüberwachung sicher realisieren

Stillstands- und Drehzahlüberwachung zählen zu den sicheren Funktionen. Realisieren lässt sich dies heute entweder über eine antriebsintegrierte Variante oder aber mit externen Schaltgeräten, bei denen die Abschaltung des Antriebs durch extern verdrahtete Schütze geschieht.

Nach der Maschinenrichtlinie muss der Betriebszustand einer Maschine oder Anlage bei Stillsetzung des Antriebs sicher überwacht und aufrecht erhalten werden. Für die Realisierung sicherer Drehzahlüberwachungsfunktionen gibt es für den Konstrukteur in der Praxis jedoch einige Punkte, die selbst vier Jahre nach Veröffentlichung der EN 13849 noch Schwierigkeiten bereiten. Diese betreffen sowohl die antriebsintegrierten Drehzahlüberwachungsfunktionen als auch externe Lösungen, bei denen die Drehzahlüberwachung mit Einzelkomponenten realisiert wird.

Ermittlung des Performance Levels

Je nach Umfang der Applikation können unterschiedliche Ansätze zu einer optimalen Lösung führen, da sich die erforderliche Kategorie der jeweiligen Sicherheitsfunktionen aus der Risikobeurteilung ergibt. Dabei leitet sich die Realisierung einer Kategorie nach der EN 954 aus der strukturellen Anordnung ihrer Teile beziehungsweise aus deren Zuverlässigkeit ab. Beim Einsatz eines Drehzahlüberwachungsgerätes für die Funktion Sichere Drehzahlüberwachung in Kategorie 3 beispielsweise werden neben einem Überwachungsgerät wie etwa dem Drehzahlwächter PNOZ s30 der entsprechenden Kategorie auch Sensoren zur Drehzahlerfassung benötigt. Die Verwendung eines Drehgebers und eines Sensors führt zu einer diversitären zweikanaligen Hardware-Struktur bei der Drehzahlerfassung. Damit lässt sich eine hohe Sicherheitskategorie für die Sicherheitsfunktionen erreichen. Bei Anwendung der EN 13849 muss für jede Sicherheitsfunktion der erforderliche Performance Level PLr aus der Risikobeurteilung der Applikation ermittelt werden. Während bei antriebsintegrierten Sicherheitsfunktionen der Hersteller schon für alle Sicherheitsfunktionen eine Sicherheitseinstufung durchgeführt hat, muss der Anwender bei der Realisierung externer Drehzahlüberwachungsfunktionen mit Hilfe von Einzelkomponenten die erforderlichen Sicherheitskennwerte der Komponenten in der Berechnung des PL berücksichtigen. Mit Blick auf Beschaffung und normgerechte Berücksichtigung der Sicherheitskennwerte muss der Anwender einige Punkte klären. Geberhersteller geben nicht zwingend alle Drehzahlüberwachungsfunktionen mit den gleichen Sicherheitskennwerten in Betriebsanleitung an. Dies ergab eine empirische Überprüfung. Die Funktion Sicher begrenzte Geschwindigkeit SLS wird beispielsweise mit PLe angegeben, während die Funktion Sicher begrenzte Position SLP bei Verwendung eines Drehgebers nur PLd erreicht.

Problem: keine Produktnormen für Drehgeber

Bei Verwendung von sicheren Drehgebern mit Herstellerangabe PLe, ist der PLe auch mit nur einem Drehgeber für die Funktion Drehzahlüberwachung realisierbar. Häufig basieren Sicherheitskonzepte für sichere Drehgeber darauf, dass die erforderlichen Überwachungsfunktionen nicht über den Drehgeber, sondern durch das Auswertegerät zur Verfügung gestellt werden müssen. Deshalb werden die für den Drehgeber angegebenen Sicherheitskennwerte der Sicherheitsfunktion nur dann erreicht, wenn die Anforderungen des Drehgeberherstellers durch das Auswertegerät komplett erfüllt werden. Dies kann im Einzelfall zu Schwierigkeiten führen, da für Drehgeber keine Produktnormen verfügbar sind und Hersteller von Drehgebern unterschiedliche Sicherheitskonzepte realisiert haben: Wird in der Betriebsanleitung des Geberherstellers die Auswertung des Z-Impuls eines Inkrementalgebers gefordert, dann sind die Sicherheitskennwerte des Gebers erst erreicht, wenn das Auswertegerät den Z-Impuls auch berücksichtigt.

Software-Modellierung von Sicherheitsfunktionen

Neben den genannten sicheren Drehgebern können auch Standarddrehgeber in Sicherheitsfunktionen eingesetzt werden. Hier wird jedoch, wenn keine weiteren technischen Maßnahmen dazukommen, häufig nur PLc erreicht. Höhere Sicherheitseinstufungen lassen sich dabei oft durch zusätzliche Überwachungskanäle und Abschaltpfade in Verbindung mit einer applikationsspezifischen detaillierten Fehler- und Einflussanalyse (FMEA) realisieren. Grundvoraussetzung ist jedoch auch in diesem Fall die Verfügbarkeit von Herstellerangaben wie MTTF und dem sich aus der FMEA ergebenden Diagnosedeckungsgrad DC. Der Diagnosedeckungsgrad wird ermittelt, indem per FMEA die Fehleraufdeckungsfunktionen an der Schnittstelle zwischen Geber und Auswertegerät betrachtet werden. Der Diagnosedeckungsgrad zeigt dann das Verhältnis der Ausfallrate der bemerkten gefährlichen Ausfälle zur Ausfallrate der gesamten gefährlichen Ausfälle auf. Die heute am Markt verfügbaren Software Tools wie etwa der Safety Calculator PAScal für die Modellierung von Sicherheitsfunktionen stellen dem Anwender diese Datenbanken mit den Sicherheitskennwerten verschiedener Komponenten zur Verfügung. Auch ermöglichen sie die Ergänzung der Datenbank um Sicherheitskennwerte weiterer Produkte. Diese Tools unterscheiden sich im Bedienkonzept und den Inhalten der Datenbanken. Das Beispiel der externen Drehzahlüberwachungsfunktionen mit sicheren Drehgebern zeigt in diesem Zusammenhang deutlich, wie wichtig eine exakte Umsetzung der in den Bedienungsanleitungen der Produkte beschriebenen Anforderungen an die Überwachungsgeräte ist. Nur dann werden auch die genannten Sicherheitskennwerte erreicht. Auch beim Einsatz von Standardgebern kann ein Performance Level d unter Berücksichtigung der Ergebnisse der FMEA erreicht werden. Der Vergleich der antriebsintegrierten mit der externen Lösung zeigt einerseits, dass antriebsintegrierte Lösungen weitaus einfacher diesen PL erreichen können. Andererseits bleibt die Möglichkeit, unter Berücksichtigung verschiedener Gebersysteme PLd umzusetzen. So stehen dem Anwender verschiedene Wege zur Realisierung offen.