Modulare Sicherheitssteuerungen – ideal auch für die Nachrüstung

Von der Hardware in die Software

Immer häufiger verlagern sich sicherheitsgerichtete Funktionen von der Hardware- auf die Software-Ebene. Die Voraussetzung dafür schaffen Sicherheitssteuerungen, die sich flexibel an den individuellen Anwendungsfall anpassen lassen.

Das gilt besonders für das neue PROTECT PSC System der Schmersal Gruppe, das sich dank seines modularen Aufbaus sowohl für relativ einfache Einsatzfälle als auch für komplexe Aufgaben eignet. Neue Betriebsarten wie „Einrichtbetrieb“ und „Prozessbeobachtung“ lassen sich mit dieser Steuerung in den Kombination mit dem Antriebsüberwachungssystem PDMS ebenfalls sehr einfach realisieren, wie ein aktuelles Anwendungsbeispiel zeigt: Ein Kranhersteller hat ein altes Großbohrwerk mit neuester Sicherheitstechnik nachgerüstet.

Die Sicherheitssteuerung PROTECT PSC wurde von Elan – dem Kompetenzzentrum der Schmersal Gruppe für programmierbare elektronische Sicherheitssysteme – speziell für die Anforderungen von modernen Fertigungssystemen und komplexen Einzelmaschinen entwickelt. Und auch wenn die Funktionen moderner Elektroniksysteme zumeist nicht von außen sichtbar sind, so kann man eine wichtige Eigenschaft der PROTECT PSC-Familie (Bild 1) doch auf den ersten Blick erkennen: Sie ist vollständig modular aufgebaut

Breites Einsatzspektrum
Zum System gehören neben einer CPU-Zentraleinheit (Bild 2) Ein- /Ausgangsmodule in unterschiedlichen Kombinationen. Ein Powermodul zur Spannungsversorgung des Backplanebusses bietet eine Programmierschnittstelle und eine Schnittstelle zur Anbindung von Gateways.

Die CPU kann bis zu 15 Module ansteuern, so dass bei Bedarf zusätzliche Ein- und Ausgangsmodule nachträglich ergänzt und mit geringem Aufwand ins Gesamtsystem integriert werden können. Damit kann der Anwender die Ausbaustufe des Systems und damit auch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Ein- und Ausgänge frei bestimmen. Das Spektrum reicht von acht Eingängen und sechs Ausgängen in der einfachsten Version bis zu über 250 Ein-/ Ausgängen bei vollem Ausbau des Systems.

Externe Gateways bieten vielfältige Integrationsmöglichkeiten
Es stehen verschiedene Systemmodule z.B. für potenzialfreie und potenzialbehaftete Eingangssignale sowie Module mit Halbleiter- und Relaisausgängen zur Verfügung. Auf diese Weise können die Signale aller gängigen Bauarten von Sicherheits-Schaltgeräten wie elektromechanische Schaltgeräte, Sicherheits-Sensoren und optoelektronische Schutzeinrichtungen über PROTECT PSC ausgewertet und an die Aktorebene weitergegeben werden. Darüber hinaus bietet die Sicherheitssteuerung Anschlussmöglichkeiten für externe Gateways zum Datenaustausch mit der Standardsteuerung über alle gängigen Busprotokolle


Flexible Programmierung oder Betrieb im Hardwired-Modus
Die Sicherheitssteuerung kann mit zwei Betriebsmodi arbeiten. Höchste Flexibilität und optimale Anpassungsfähigkeit erhält man durch den frei programmierbaren Betriebsmodus von PROTECT PSC, bei dem sämtliche Ein- und Ausgänge des Systems über KOP-Programmierung nach IEC 61131 frei zugewiesen werden können. Logische Funktionen wie „Und“, „Oder“ sowie andere Abhängigkeiten können so leicht programmiert werden. Zusätzlich kann der Anwender über eine Bibliothek auf Funktionsbausteine wie „NOT-AUS“, „Schutztürüberwachung“, „Zweihand“, „Muting“, etc. zurückgreifen. Diese zertifizierten Sicherheitsmakros erleichtern die Programmierung sicherheitsrelevanter Funktionen.

Auch völlig ohne Programmiersoftware deckt PROTECT PSC für alle Standardfunktionen mit dem „Hardwired“-Betriebsmodus umfangreiche Applikationen ab. In diesem Fall ergeben sich die Systemfunktionen ganz einfach aus der Anordnung bzw. der Reihenfolge der einzelnen Module am Master- oder Sub-Master-Modul.

Auch für betriebsmäßige Anwendungen
Eine weitere Besonderheit von PROTECT PSC ist die Fähigkeit, Standard-SPS-Funktionalitäten zu integrieren. Für diese Aufgabe stehen Systemmodule mit betriebsmäßigen Ein- und Ausgängen zur Verfügung, die ebenfalls über die Programmierung nach IEC 61131 frei zugewiesen werden können. Das schafft die Möglichkeit, einfache SPS-Funktionalitäten auf der gleichen Hard- und Softwareplattform zu integrieren.

Geprüfte Schaltungsbeispiele
PROTECT PSC ist für Applikationen der Steuerungskategorie 4 nach EN 954-1, Performance Level „e“ nach EN ISO 13849-1 bzw. SIL 3 nach IEC 61508 geeignet. Das System wurde – einschließlich der Software und der Dokumentation – durch die Berufsgenossenschaften zertifiziert. In die Dokumentation wurden Beispiele für die Programmierung aufgenommen, die ebenfalls geprüft wurden. Der Maschinenbauer ist dann in der Lage, für definierte Anwendungen ein zertifiziertes Schaltungsbeispiel zu verwenden. Seine eigenen Programm-Module kann er auch der zuvor erwähnten Bibliothek zufügen und bei Bedarf abrufen. Die Kombination aus flexibler KOP-Programmierung und komfortablem parametrieren mit Funktionsbaustein ist ein besonderes Merkmal von PROTECT PSC.

Der Anwender kann also sichergehen, dass er keine überdimensionierte Steuerung „von der Stange“ einsetzt. Statt dessen steht ihm eine Sicherheitssteuerung zur Verfügung, die exakt den jeweiligen Anforderungen entspricht und sich optimal an den individuellen Anwendungsfall anpassen lässt

Zusatzfunktion: Sichere Geschwindigkeitsüberwachung
Die neue Maschinenrichtlinie schafft die Voraussetzung zur Benutzung von Sonderbetriebsarten, die bislang nur in C-Normen für einzelne Maschinengruppen wie z.B. in der DIN EN 12417 für Bearbeitungszentren beschrieben wurde. Somit kann der Konstrukteur jetzt generell Anwendungen wie Einrichtarbeiten oder komplexe Bearbeitungsprozesse vorsehen, wenn er entsprechende sicherheitstechnische Voraussetzungen schafft und es notwendig ist, eine solche Sonderbetriebsart vorzusehen.

Eine Hilfe zur Realisierung dieser Sonderbetriebsarten bietet das „Protect Drive Monitoring System“, kurz PDMS, das die sichere Geschwindigkeitsüberwachung z.B. von Spindel- oder Achsantrieben erlaubt (Bild 3). Diese Funktion kann man sowohl in Automatikbetrieb (BA1) und Einrichtbetrieb (BA2) sowie Prozessbeobachtung mit (BA3) und ohne Zustimmungseinrichtung (BA4) nutzen. Die letztgenannten Betriebsarten erlauben einen Betrieb von Maschinen bei geöffneter Schutzeinrichtung unter streng definierten Sicherheitsvorkehrungen. Sie erleichtern in vielen Fällen das Einrichten von Maschinen oder das Justieren einzelner Betriebsparameter.

Durch die Stillstandsüberwachung mit PDMS kann man gewährleisten, dass die Schutztür einer Maschine exakt dann zum Öffnen freigegeben wird, wenn die gefahrbringende Bewegung zum Stillstand gekommen ist bzw. so weit verlangsamt ist, dass sie kein Risiko mehr birgt. Im Vergleich zu einer zeitgesteuerten Überwachung, bei der man immer ein gewisses Zeitpolster vorsehen muss, wird die Schutztür somit früher freigegeben und die Maschine kann schneller ent- oder beladen bzw. wieder gestartet werden.

Außerdem erlaubt das PDMS-System die Einstellung und Überwachung der maximalen Geschwindigkeiten bei Sonderbetriebsarten. Dies gilt für Automatikbetrieb und Einrichtbetrieb sowie Prozessbeobachtung mit und ohne Zustimmeinrichtung. Diese Betriebsarten, die einen Betrieb von Maschinen bei geöffneter Schutzeinrichtung unter streng definierten Sicherheitsvorkehrungen erlauben, erleichtern in vielen Fällen das Einrichten von Maschinen oder das Justieren einzelner Betriebsparameter.

Praxiseinsatz in der Autokranfertigung
Wie sich die PROTECT PSC Steuerung einschließlich des PDMS-Moduls in der Praxis bewährt und welche Möglichkeiten sie bietet, zeigt ein Einsatz bei der Manitowoc Crane Group. Die Gruppe, die zu den weltweit größten Herstellern von Kranen gehört, entwickelt und produziert in Wilhelmshaven All-Terrain-Fahrzeugkrane der Marke Grove. Das Werk arbeitet mit hoher Fertigungstiefe und stellt zum Beispiel die Lenkhebel selbst her. In diese und andere Gussteile müssen Bohrungen eingebracht werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Tischbohrwerk, das schon älter ist, aber durchaus noch leistungsfähig und präzise arbeitet, zumal es zwischenzeitlich mit neuer Steuerungstechnik ausgestattet wurde. Sicherheitstechnisch war es jedoch nicht mehr auf dem neuesten Stand: Eine Umzäunung fehlte, der Arbeitsraum war frei zugänglich.

Vorgabe: Gute Sicht auf den Prozess erhalten
Dem Bediener bot das Freiheiten, die er gut nutzen konnte, denn beim Einrichten und Aufspannen hatte er ungehinderte Sicht auf den Prozess. Diesen Vorteil wollte man unbedingt behalten, als man sich zur Nachrüstung der Maschine mit moderner, normgerechter Sicherheitstechnik entschloss. Zunächst wurde ein Schutzzaun um die Anlage gebaut, der über insgesamt vier seitlich verschiebbare Schutztüren Zugang zur Anlage erlaubt (Bild 4). Abgesichert sind die Zugänge jeweils über Sicherheitszuhaltungen vom Typ AZM 161 aus dem Programm der Schmersal Gruppe.

Auf der Steuerungsseite wurde das ganz neue PROTECT PSC-System einschließlich des PDMS-Moduls installiert (Bild 5). Für die Istwert-Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit bzw. zur Überwachung des Stillstands wird in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart ein Encodersignal ausgewertet.

Neues Konzept bewährt sich
Der Bediener kann nun den Maschinenraum des Bohrwerks betreten, wenn er dabei einen Zustimmtaster (Bild 6) gedrückt hält, und kann den Einricht- bzw. Bohrvorgang aus nächster Nähe beobachten. Die Kabellänge des Zustimmtasters wurde so gewählt, dass ein Betreten des Gefahrenbereichs ausgeschlossen ist.

Im Einrichtbetrieb wird für die Achsen eine Maximalgeschwindigkeit von 1 m/min und für die Spindel eine Rotationsgeschwindigkeit von maximal 7 U/min nicht überschritten. Eine höhere Geschwindigkeit bzw. der Zugang ohne Betätigung des Zustimmtasters löst einen sofortigen Stillstand der Maschine aus. Auf diese Weise wird die Antriebsüberwachung in das gesamte Sicherheitskonzept der Maschine eingebunden.

Das Einrichten des Bohrwerks bei geöffneter Schutztür (Betriebsart 2) und die „Prozessüberwachung mit Zustimmungsschalter“ (BA 3) erlauben dem Anwender unter definierten Bedingungen einen erweiterten manuellen Eingriff in den Automatikablauf. Dieses Konzept, das letztlich neue Freiheiten ermöglicht, bewährt sich jetzt bei Grove – und mit ihm die neue, modulare Sicherheitssteuerung in Kombination mit der sicheren Antriebsüberwachung PDMS.