Servoantriebe mit integrierten Safety-Funktionalitäten

Bedienerfreundliche Sicherheit im Maschinenbau

Kompakte Portal-Schneidmaschine aus dem Hause ESAB. Bei seinen Maschinen hat das Unternehmen schon immer großen Wert auf Personen- und Sachschutz gelegt und sieht sich in der Branche als Vorreiter der „Integrierten Safety Technologie“. Bild: ESAB

Von den Bewegungen praktisch jeder im industriellen Umfeld eingesetzten Maschine gehen Gefahren für das Bedien- und Wartungspersonal aus. Typische Situationen, die sichere Maschinenzustände erfordern, sind die Inbetriebnahme, das Einrichten, die Störungsbehebung oder prinzipiell, wenn sich Menschen in der Nähe des Produktionsprozesses aufhalten. Servoantriebe mit entsprechend zugelassenen und zertifizierten Verstärkern vereinfachen dem Maschinenbauer das Einhalten der geltenden Sicherheitsbestimmungen. In die Antriebstechnik integrierte Safety-Funktionalitäten sorgen für bestmöglichen Schutz der Mitarbeiter in kritischen Situationen und entlasten obendrein noch die Steuerung. Die im folgenden beschriebene Anwendung liefert dafür ein gutes Beispiel.

Die ESAB GmbH mit Stammsitz in Solingen und weltweit etwa 30 Produktionsstätten produziert Schweiß-Ausrüstungen und -Zusätze sowie Schneidanlagen für nahezu jeden Schweiß- und Schneidprozess und erreicht mit ihrem breiten Produktprogramm praktisch den gesamten Bereich der Stahl herstellenden und verarbeitenden Industrie. Der Geschäftsbereich Schneidanlagen hat seinen Hauptsitz in Karben bei Frankfurt am Main. Die Portalmaschinen mit verfahrbarer Brücke gibt es für Laser-, Autogen und Plasma-Schneiden. Je nach Auslegung eignen sie sich für unterschiedlichste Bleche insbesondere aus den Bereichen Baustahl, Edelstahl und Aluminium. Die Brennschneidmaschinen werden sehr präzise auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmt; in der Regel bestimmt ESAB anhand von Probenmaterial des Anwenders sämtliche Schneidparameter, also das passende Schneidverfahren ebenso wie die Bearbeitungsgeschwindigkeit, den Düsentyp, die Prozessgase etc.

Ein wichtiges Thema: Personen- und Sachschutz

Die Sigma-5 Servoverstärker sind vom TÜV Süd zertifiziert und erfüllen die in der Tabelle angeführten Sicherheitsstandards. Bild: Yaskawa

Die Sigma-5 Servoverstärker sind vom TÜV Süd zertifiziert und erfüllen die in der Tabelle angeführten Sicherheitsstandards.
Bild: Yaskawa

Bei seinen Maschinen hat das Unternehmen schon immer großen Wert auf Personen- und Sachschutz gelegt und sieht sich in der Branche als Vorreiter der „Integrierten Safety Technologie“. Dazu tragen auch die in den Brennschneidmaschinen eingesetzten Servoantriebe bei. Hier arbeiten die Karbener schon seit über zehn Jahren erfolgreich mit den Antriebsspezialisten aus dem Hause Yaskawa zusammen, und das soll auch in Zukunft so bleiben. Die Antriebslösungen haben bis heute nicht nur in puncto Zuverlässigkeit und Langlebigkeit überzeugt, sondern die Antriebe der jüngsten Generation bieten durch ihre integrierten Safety-Funktionen ein Höchstmaß an Sicherheit, ohne die Bedienerfreundlichkeit einzuschränken. Aufgrund der veränderten Rahmenbedingungen durch die neue Maschinenrichtlinie haben sich zwar die sicherheitstechnischen Anforderungen geändert, das Plus an Sicherheit soll aber dem Maschinenanwender das Handling nicht verkomplizieren. Gleichzeitig wird die Steuerung von allen antriebsspezifischen Sicherheitsaufgaben entlastet, denn die Yaskawa Sigma-5 Antriebe haben alle Eigenschaften, die die einschlägigen Sicherheitsnomen fordern und wurden vom TÜV Süd entsprechend zertifiziert. Die bei der Konstruktion von sicheren Maschinen verwendeten Steuerungskomponenten werden mit Inkrafttreten der Norm EN ISO 13489- 1:2008 „Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen” nun entweder gemäß Performance Level (PL a – e) oder Safety Integrity Level (SIL 1 – 4) beurteilt. Die sicherheitstechnischen Funktionen für drehzahlveränderbare Antriebe sind in der IEC 61800-5-2 definiert.

Sichere Abläufe im praktischen Betrieb

ESAB nutzt bei den Brennschneidmaschinen zwei dieser erweiterten Safety-Funktionen: SLS (Safely Limited Speed, d.h sicher reduzierte Geschwindigkeit) und SS1 (Safe Stop 1, d.h. sicherer Stopp nach Stoppkategorie 1).  STO (Safe Torque Off, also sicheres Stromlosschalten) ist bei allen Servoverstärkern der Sigma-5 Baureihe bereits standardmäßig an Bord. Die Sicherheitsfunktionen SS1 und SLS können durch eine Optionskarte integriert werden. Letzteres trift auch auf SS2 zu (Safe Stop 2, sicherer Stopp mit Lageüberwachung), was beispielsweise bei Pressen und Stanzen unerlässlich ist. Das Werkzeug muss hier im Fall der Fälle nicht nur sicher gestoppt, sondern auch sicher in Position gehalten werden, um Sach- oder Personenschäden auszuschließen.

Ein Beispiel aus der Praxis: Überwachung einer Sicherheitstür. Bild: Yaskawa

Ein Beispiel aus der Praxis: Überwachung einer Sicherheitstür.
Bild: Yaskawa

Wie man bei den Brennschneidmaschinen ganz konkret von der integrierten Sicherheitstechnik nutzt, zeigt am besten ein Beispiel: Wird für Einricht- oder Wartungsarbeiten eine Sicherheitstür geöffnet, begrenzt der im Servoverstärker integrierte Motion Controller die Verfahrgeschwindigkeit auf eine sichere Geschwindigkeit. Das Sigma-5 Sicherheitsmodul überwacht dann die Einhaltung der vorgegebenen Drehzahl (SLS = Sicher begrenzte Geschwindigkeit). Bei Überschreitung der sicher begrenzten Geschwindigkeit wird der Antrieb direkt z.B. mittels STO (Sicher abgeschaltetes Moment) abgeschaltet. Ähnliches passiert, wenn z.B aufgrund eines Lichtschrankensignals oder durch Betätigen eines Notausschalters die Maschine stillgesetzt wird. Die Sicherheitsfunktion SS1 überwacht das kontrollierte Herunterfahren. Dank der Funktion STO wird die Bestromung der Antriebe sicher getrennt und das Wartungs- oder Einrichtpersonal kann gefahrlos an der Maschine arbeiten. All diese sicherheitsrelevanten Funktionen übernimmt der Sigma-5 Servoregler; die übergeordnete Steuerung der Maschine ist davon nicht betroffen.

Insgesamt sind je nach Größe der jeweiligen Brennschneidmaschine mindestens drei Servoantriebe eingesetzt, zwei zum Verfahren der beweglichen Brücke in Richtung der x- Achse und ein weiterer zum Verfahren des Schneidwerkzeugs in Richtung der y-Achse. Die verwendeten Motoren müssen in der beschriebenen Anwendung bei kleinen Brennschneidmaschinen jeweils 400 W Leistung liefern. Sie sind, um größere Massenträgheitsmomente zu überwinden, jedoch für eine Maximalleistung von 800 W ausgelegt. Prinzipiell sind für die Sigma-5 Servoantriebe aber auch andere Leistungsbereiche kein Problem; die komplette Serie deckt Motorleistungen von 50 W bis 15 kW ab, so dass auch die für große Brennschneidmaschinen erforderlichen Leistungen problemlos abgedeckt werden können. Für eine einfache Anbindung in übergeordnete Steuerungsnetzwerke stehen alle üblichen Bussysteme zur Auswahl. Dazu gehören z.B. Ethernet/IP, EtherCat, Powerlink, CANopen und PROFINET. Dadurch fügt sich die Antriebstechnik nahtlos in die moderne Automatisierungsumgebung des Anwenders ein. Dem Maschinenbau erschließen sich dadurch interessante Möglichkeiten.

Titelbild: ESAB

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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Elmar Lohkampff

Key Account Manager bei Yaskawa

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