Phoenix Contact PSRmodular: Sichere Bewegungsüberwachung

Die sichere Bewegungsüberwachung (Safe Motion) entwickelt sich zum festen Bestandteil in der Sicherheits- und Automatisierungstechnik.

Optimierung der Prozesse im Schaltschrankbau

Die Produktfamilien PSRmodular und PSRmini sind Bestandteil von Complete line. Dabei handelt es sich um ein System aus technologisch führenden, aufeinander abgestimmten Hard- und Softwareprodukten, Dienstleistungen und Systemlösungen für die Optimierung der Prozesse im Schaltschrankbau. Zum Complete line-Portfolio gehören neben der funktionalen Sicherheitstechnik auch Steuerungen und I/O-Systeme, Stromversorgungen und Geräteschutzschalter, Reihenklemmen und Verteilerblöcke, Relaismodule und Motorstarter, Trennverstärker, Überspannungsschutz sowie schwere Steckverbinder.

(h3)Complete line zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:
• intuitive Handhabung durch einheitliches Design, Haptik und Funktion
• weniger Zeitbedarf während des gesamten Engineering-Prozesses aufgrund einer durchgängigen Softwareunterstützung
• reduzierte Lagerkosten durch standardisiertes Zubehör und geringe Teilevielfalt
• verbesserte Prozesse im Schaltschrankbau aufgrund individueller Serviceleistungen und innovativer Fertigungslösungen.

Mit Safe-Motion-Funktionalitäten lässt sich sowohl die Verfügbarkeit als auch Effizienz von Maschinen und Anlagen steigern. So ist es häufig sinnvoller, den Antrieb bei geöffneter Schutztür zu bewegen, damit Einricht- und Wartungsarbeiten durchgeführt werden können. Um den Anwender zu schützen, übernimmt die Sicherheitstechnik die Überwachung der gefahrbringenden Bewegung. Die Produktivität lässt sich möglicherweise erhöhen, wenn das Freigabesignal beim Erkennen des tatsächlichen Stillstands an eine elektromechanische Zuhaltung ausgegeben wird. Gegenüber einer zeitgesteuerten Freigabe hat der Mitarbeiter auf diese Weise einen schnelleren und gleichzeitig sicheren Zugang zur Maschine.

Systeme zur sicheren Bewegungsüberwachung finden ebenfalls dort Anwendung, wo große Anlagen vor mechanischen Schäden durch überhöhte Geschwindigkeit abgesichert werden müssen. Durch Nutzung der Safe-Motion-Funktionen wird so die Rotordrehzahl bei Windenergieanlagen oder die Bewegung der Tragwerke bei beweglichen Brücken überwacht.

Das Safety-Portfolio von Phoenix Contact bietet den Anwendern echten Mehrwert.

Sicherheitsfunktionen gemäß EN 61800-5-2

Die Norm EN 61800-5-2 beschreibt die Anforderungen an die funktionale Sicherheit für Leistungsantriebe mit einstellbarer Drehzahl, auch Power Drive Systems Safety Related PDS(SR) genannt. Hierzu sind standardisierte Teilsicherheitsfunktionen als Basis für die weitere Validierung definiert worden. Die wichtigsten Funktionen dabei sind Safe Torque Off (STO), also das Abschalten des Antriebs durch unmittelbare Energietrennung (Stopp-Kategorie 0), sodass ein unerwartetes Anlaufen unterbunden wird. Weiters ist Safe Operating Stop (SOS) zur Verhinderung, dass ein Antrieb – unter Zufuhr von Energie – von einer festgelegten Position abweicht, entscheidend; SOS kommt zur Absicherung von Vertikalachsen zum Einsatz. Safely Limited Speed (SLS), um bei Überschreitung einer maximal zulässigen Geschwindigkeit den Antrieb stillzusetzen, ist ebenfalls wichtig. Es wird im Einrichtbetrieb an Werkzeugmaschinen in Verbindung mit dem Tippbetrieb verwendet.

Safe Speed Range (SSR) als Funktion, die bei Über- oder Unterschreitung eines zulässigen Geschwindigkeitsbereichs den Antrieb stillsetzt, ist darüber hinaus erwähnenswert. SSR wird in Lüftern und Ventilatoren zur Sicherstellung von Abluftprozessen in explosionsgefährdeten Bereichen genutzt. Safe Speed Monitor (SSM) zur Erzeugung eines sicheren, weiterverarbeitbaren Signals, sofern eine maximal zulässige Geschwindigkeit überstiegen wird, folgt weiters in der Auflistung. Ein Anwendungsbereich ist die Freigabe für eine Zuhaltung an einer Schutztür, bis die Geschwindigkeit unterhalb des zulässigen Bereichs liegt. Zuletzt ist Safe Direction (SDI) zu nennen. Damit wird vermieden, dass sich die Antriebswelle in die nicht vorgesehene Richtung bewegt. Es kommt zur Verhinderung der Richtungsumkehr an kraftbetriebenen Walzen zum Einsatz.

Die Auswahl an gängigen Sensorsystemen zur Stillstand- und Drehzahlüberwachung ist breit gefächert.

Encoder-Signale besser diagnostizierbar

Für die Aufnahme der Bewegung eines Antriebselements werden oftmals Näherungsschalter oder Drehgeber (Encoder) verwendet. Hat sich der Anwender zur Nutzung von Näherungsschaltern entschieden, sind für die Umsetzung einer redundanten Architektur zwei Sensoren an einem Zahnrad oder einer Lochscheibe anzubringen. Die durch die Bewegungsimpulse in Abhängigkeit von der Zeit entstehende Frequenz wird in der Logik des Safe-Motion-Moduls ausgewertet. Als Vergleichswert gegen die parametrierten Schaltschwellen zur Über- oder Unterdrehzahlüberwachung lässt sich die gemessene Frequenz heranziehen.

Die Bewegungsüberwachung durch einen am Antriebsstrang installierten Encoder funktioniert ähnlich. Zwar werden Drehgeber mit einer unterschiedlichen Ausprägung angeboten, doch häufig kommen Singleturn-Encoder mit HTL-, TTL- oder Sinus-/Cosinus-Schnittstelle zur Anwendung. Im Vergleich mit der Betrachtung von Näherungsschaltern lassen sich die Signale der Encoder noch genauer diagnostizieren. Abgesehen von einem Kreuzvergleich wird bei Sinus-/Cosinus-Signalen auch die 2,5-V-Offsetspannung, das 1-Vpp-Differenzsignal oder der resultierende Einheitskreis analysiert. Diese Diagnosen sind für die Auswertung von sogenannten Safety-Encodern erforderlich.

Alle Bilder in Folge: standardisierte Teilsicherheitsfunktionen gemäß EN 61800-5-2.

Sicherheitsniveaus in der Sensortechnologie

Der typische Aufbau eines Encoders zeigt, dass sich einige Funktionsteile einkanalig und andere Teile zweikanalig ausführen lassen. Mechanische Fehler an der Welle, Lagerung und Codescheibe können sich gleichzeitig auf zweikanalige Strukturen innerhalb des Encoders auswirken. Wenn sich nun die Geberwelle von der Motorscheibe löst, wird dieser Fehler nicht ohne zusätzliche Maßnahmen erkannt, da die Ausgangssignale des Gebers weiterhin im zulässigen Bereich liegen. Bauteilfehler in der internen Elektronik müssen beherrschbar sein, denn sie führen zu einer Verfälschung von Ausgangssignalen (siehe EN 61800-5-2).

Je nach Art der verwendeten Sensortechnologie lassen sich abhängig von den strukturellen Eigenschaften verschiedene Sicherheitsniveaus erreichen. Voraussetzung ist eine Auswerteeinheit, die die notwendigen Plausibilitätsprüfungen durchführt.

Stillstandsüberwachung ohne weitere Sensorik

Stand-alone-Sicherheitsmodule sind universell nutzbar, antriebsunabhängig sowie einfach in der Parametrierung und Handhabung. Die kompakten Stand-alone-Module der Baureihe PSRmotion zeichnen sich durch eine geringe Baubreite ab 12,5 mm aus. Es lassen sich auch Retrofit-Maßnahmen realisieren. Mit dem zweikanaligen Drehzahl- und Stillstandswächter PSR-MM30 aus der PSRmotion-Familie können neben dem Stillstand bis zu drei unterschiedliche Betriebsarten einer Maschine überwacht werden. Die PSRmotion-Software unterstützt den Anwender bei der Parametrierung, Inbetriebnahme und Diagnose des Safety-Moduls. Das kompakte Sicherheitsschaltgerät PSR-MM25 überwacht den Stillstand von ein- und dreiphasigen Wechselstrom- und Gleichstrommotoren – und das ohne zusätzliche Sensorik. Zur Erkennung eines Stillstands wird die durch die Motorwicklungen induzierte Remanenzspannung ausgewertet.

Anpassung des Sicherheitssystems

Das modulare Sicherheitssystem der Produktfamilie PSRmodular erlaubt die Umsetzung von Applikationen bis PL e (EN ISO 13849) und SIL 3 (IEC 61508 respektive EN 62061). Aufgrund des Tragschienenbusverbinders TBUS können Anwender das System flexibel an ihre jeweiligen Anforderungen anpassen und erweitern. Somit ist die Lösung sowohl für Kleinstanwendungen mit drei Sicherheitsfunktionen bis hin zu Applikationen mit 160 sicheren I/Os in einer Station einsetzbar.

Abgesehen vom Monitoring von klassischen digitalen Signalen stehen ebenfalls Module zur sicheren Bewegungsüberwachung zur Verfügung, die verschiedene Gebersignale wie Näherungsschalter, TTL, HTL oder SIN/COS analysieren können. Die Funktionsbaustein-Bibliothek umfasst dabei Sicherheitsfunktionen gemäß IEC 61800-5-2, wie sicherer Betriebshalt (SOS), sicher begrenzte Geschwindigkeit (SLS), sicherer Geschwindigkeitsbereich (SSR) oder sichere Bewegungsrichtung (SDI).