Leider sind viele der heute verfügbaren Sicherheitslösungen in der Praxis weniger effektiv, als erhofft. Dies liegt daran, dass sie meist Allround-Lösungen darstellen, was dazu führen kann, dass sich ihre Handhabung in der Anlage sehr viel komplexer gestaltet, als in der Projektierungsphase vermutet. So existieren häufig nur Antriebe mit sehr umfangreichen Sicherheitsfunktionen in geringer Variantenvielfalt. Dies bedingt aber bei den Antriebsreglern aufwändige – und damit teure – Steuerkarten oder Optionen. Mehrheitlich benötigen Maschinenbauer in ihren Anwendungen jedoch nur einen Bruchteil der Funktionen, müssen aber dennoch die teurere Hardware für ihre einfachen Anforderungen mit erwerben.Gleichzeitig erfordern Sicherheitsfunktionen und ihre sichere Konfiguration bei Konstrukteuren, Inbetriebnehmern und Anlagenbetreibern herstellerspezifisches Wissen, das den Schulungsaufwand in die Höhe treibt. Denn bei der (Wieder-) Inbetriebnahme von Antrieben mit Sicherheitsfunktionen sind typischerweise Installations- und Bedienmodi einzuhalten, die einen Nachweis der korrekten Funktion der Sicherheitseinrichtungen beinhalten. Dazu zählt häufig auch der Einsatz spezieller Inbetriebnahmesoftware, um die Sicherheitsfunktionen überhaupt nutzen und konfigurieren zu können. Teilweise ist diese Software sehr komplex oder sogar kostenpflichtig. Im Servicefall können integrierte Lösungen den Betreiber vor ungeahnte Probleme stellen und damit Anlagenstillstände verlängern. Beispielsweise kann bei einem notwendigen Austausch eines Frequenzumrichters die einfache Übertragung der Parameter, sei es durch Bedienfeldkopie, auf separaten Speichermodulen oder in einer PC-gestützten Software, nicht mehr ausreichen. Da die Antriebe nun auch Funktionen für die Maschinensicherheit übernehmen, können je nach Fabrikat im Austausch individuell vorgegebene Freigabe- oder Akzeptanzprüfungen mit verschiedenen Passwortebenen vorgeschrieben sein. Dies erfordert wie bei der Erstinbetriebnahme eine sehr genaue Kenntnis des jeweiligen Gerätes. In manchen Fällen muss der Betreiber auch Instandhaltungspersonal speziell qualifizieren.
Vorteil bei Funktion und Aufwand
Ein zeitgemäßes Antriebskonzept sollte dem Anlagenbauer die Freiheit geben, selbst zu bestimmen, wie viel Sicherheitsfunktionalität er in den Antrieb verlagern will. Eine Verlagerung muss zu einer Vereinfachung des Aufwandes führen oder für die Maschinenfunktion Vorteile bieten. Gleichzeitig sind selbstverständlich die gültigen Anforderungen für die Maschinensicherheit zu erfüllen. Wichtig dabei ist, dass eine solche flexible und modulare Lösung sich einfach in bestehende Maschinenkonzepte ohne aufwändige Neukonstruktionen oder Änderungen integrieren lässt. Denn eine solche Anpassung der Maschine ist mit hohen Kosten verbunden und meist fehlen dafür die Ressourcen.Vor der Verlagerung von funktionaler Sicherheit in die elektrischen Antriebe ist es ratsam, sich bewusst zu machen, wie die Maschinensicherheit selbst, aber auch der Umgang mit den relevanten Baugruppen bisher gehandhabt wird. Welche Komponenten kommen zum Einsatz und welche Bedienergruppen kommen direkt oder indirekt mit den Komponenten in Berührung? Dies ist für die verschiedenen Stufen der Planung, Entwicklung, für Bau und Inbetriebnahme sowie später für den Betreiber oder Instandhalter von ausschlaggebender Bedeutung.
Skalierbar und modular
Moderne, meist modular aufgebaute Antriebssysteme sollten deshalb möglichst all diesen Anforderungen Rechnung tragen. Für die Mehrheit der Maschinenanwendungen sind meist die in der EN 61800-5-2 definierten Funktionen sicher abgeschaltetes Moment (STO), sichere Drehzahl (SLS) oder sichere Bremsrampe (SS1) vollkommen ausreichend. Im Verhältnis dazu erfordert eine deutliche geringere Anzahl der Antriebe weitere Sicherheitsfunktionen. Aus den genannten Anforderungen ergibt sich prinzipiell ein skalierbares – meist dreistufiges – Konzept für die Verlagerung der Sicherheitsfunktionen in den Antrieb. Die Skalierbarkeit sollte sich dabei nicht nur im Umfang der Sicherheitsfunktionen unterscheiden, sondern auch in der Datenhaltung der sicherheitsrelevanten Parametrierung. Als Standard und ohne weitere Kosten bieten die meisten Frequenzumrichter das sicher abgeschaltete Moment (STO) an. Der Maschinen- und Anlagenbauer kann durch eine variantenreiche Beschaltung mit externen Sicherheitskomponenten auf eine große Bandbreite an Lösungen zurückgreifen. Sie reduzieren den Einsatz von (verschleißbehafteten) Bauteilen, wie Schütze, Schalter oder ähnliche Schaltelemente. Auf den Produktionsablauf wirkt sich positiv aus, dass der Antrieb auch bei ausgelöstem STO am Netz bleibt. Monitoring und Steuerung werden dabei erhalten. Der Grad der Integration von funktionaler Sicherheit in den Antrieb ist gering. Die Parametrierung der Sicherheitsfunktionen erfolgt außerhalb des Antriebes und bleibt bei Austausch des Antriebes erhalten.
Sicherheit integriert und dennoch klar getrennt
Die Aufgabe, funktionale Maschinensicherheit bei gleichzeitiger Beibehaltung der Handhabung bisheriger, diskret aufgebauter Sicherheitskonzepte in den Antrieb zu verlagern, führt zu einem vollständig neuen Ansatz. Den Kern bildet dabei die vollständige Trennung der Sicherheits- und Antriebsparameter, sowie der internen Prozessorarchitektur zum Antrieb hin. Dadurch verhält sich diese Lösung quasi wie ein externes Sicherheitsbauteil, das jedoch durch die Integration in den Umrichter die platz- und kostensparenden Vorteile einer antriebsbasierten Sicherheitstechnik bietet. In der Praxis sollten derartige Lösungen unter anderem mehrere sichere Ein- und Ausgänge, die Funktionen sichere Rampe (SS1), sichere Drehzahl (SLS) sowie sichere Stillstands- oder maximale Drehzahlüberwachung als Minimalfunktionen bieten.Der Grad der Integration von funktionaler Sicherheit in den Antrieb in diesem zweiten Schritt ist geringer als bei einer vollständigen Verlagerung in die Antriebssteuerung, jedoch für einen Großteil der Anwendungen ausreichend. Die Parametrierung der Sicherheitsfunktionen sollte auf der Sicherheitsbaugruppe selbst erfolgen, von den Antriebsparametern klar getrennt sein und bei Austausch des Antriebes erhalten bleiben.
Vollständige Integration in die Antriebslogik
Die dritte Stufe der Integration antriebsbasierter Sicherheitsfunktionen verschmilzt auch die Sicherheitskonfiguration und -parametrierung mit der Antriebslogik. Der dritte Schritt ist der höchste Grad der Integration in den Antrieb und ermöglicht auch komplexe Sicherheitsfunktionen bei reduziertem Verdrahtungsaufwand bis hin zum Einsatz sicherer Feldbusse. Die Parametrierung der Sicherheitsfunktionen erfolgt direkt über die Bedienschnittstellen und Programmier-Software des Frequenzumrichters und muss bei Austausch auf den Ersatzantrieb übertragen werden. Eine Verlagerung von funktionaler Sicherheit in den Antrieb ist dann optimal, wenn die Lösung genau den Grad an Funktionalität bietet, der in der Anlage aufgrund der Risikobeurteilung erforderlich ist. Ist der Umfang an Sicherheitsfunktionen überdimensioniert, so überwiegen meist in der Komplettbetrachtung die Nachteile, welche der zusätzliche Safety-Overhead mit sich bringt. Antriebsintegrierte Sicherheit, die nicht nur im Funktionsumfang sondern auch in der Integrationstiefe skalierbar ist, bietet hier klare Vorteile und fördert den Investitionsschutz. Daher sollten Konstrukteure und Anlagenbetreiber genau analysieren, was im Einzelfall tatsächlich benötigt ist. Eine Integration um jeden Preis kann auch später einen hohen Preis in der täglichen Anwendung bedeuten.☐
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