Eine Risikominderung kann durch technische Schutzmaßnahmen erreicht werden (z. B. Schutztüren oder Lichtvorhänge). Wenn die Wirksamkeit einer technischen Schutzmaßnahme vom korrekten Funktionieren des Steuerungssystems abhängt, muss das System funktional sicher ausgeführt werden.

Dabei wird für jede Gefahr eine entsprechende Sicherheitsfunktion definiert und das erforderliche Sicherheitsniveau gemäß den harmonisierten Normen EN/IEC 62061 oder EN/ISO 13849-1 bestimmt. Sicherheitsfunktionen, die Maschinenbewegungen - Geschwindigkeit, Position, Weg oder Beschleunigung - überwachen und steuern, werden unter dem Begriff „Safe Motion“ zusammengefasst.

Wie kann „Safe Motion“ realisiert werden?

Traditionell wurden „Safe Motion“-Funktionen durch den Einsatz externer Geräte erreicht, wie Sicherheitssensoren und Aktoren. Moderne Antriebe (Servoverstärker und frequenzgeregelte Antriebe) und Steuerungen verfügen jedoch in der Regel über integrierte Sicherheitsfunktionen, die den Bedarf an zusätzlichen Sensoren und Überwachungsgeräten oftmals nicht mehr erforderlich machen. Derartige sichere Antriebsfunktionen gelten heute als Stand der Technik.

Welche „Safe Motion“-Funktionen gibt es?

Die DIN EN 61800-5-2 nennt die Anforderungen an die Sicherheit bei elektrischen Leistungsantriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl. Sie listet insgesamt rund 20 Safe-Motion-Funktionen auf, die neben den kinematischen Größen Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg auch Momente und Kräfte abdecken. Zudem definieren manche Hersteller darüber hinaus eigene „Safe Motion“-Funktionen.

Was bewirkt die Funktion SS1?

Beim Safe Stop 1 (SS1) wird der Motor definiert abgebremst. Sobald der Motor im Stillstand ist, wird die STO-Funktion ausgelöst. Dazu führt der Frequenzumrichter eine dieser Funktionen aus:

• entweder Auslösen und Steuern der Größe der Motorverzögerung innerhalb festgelegter Grenzen und Auslösen der STO-Funktion, wenn die Motordrehzahl unter einen festgelegten Grenzwert fällt, oder

• Auslösen und Überwachen der Größe der Motorverzögerung innerhalb festgelegter Grenzen und Auslösen der STO-Funktion, wenn die Motordrehzahl unter einen festgelegten Grenzwert fällt, oder

• Auslösen der Motorverzögerung und nach einer anwendungsspezifischen Zeitverzögerung Auslösen der STO-Funktion.

Diese „Safe Motion“-Funktion entspricht einem Stopp der Kategorie 1 (gesteuertes Stillsetzen) nach IEC 60204-1. Um Sicherheit auch bei Energieausfall zu gewährleisten, muss bei SS1 ggf. eine zusätzliche mechanische Bremse eingesetzt werden.

Typische Anwendungen: Beim Öffnen einer Schutztür wird SS1 ausgelöst und der Motor schnellstmöglich stillgesetzt. Anschließend ist der unerwartete Anlauf verhindert, da STO aktiv ist. Auch zum Schutz der Anlage kann SS1 angewendet werden: Tritt z. B. in einer Zuckerzentrifuge eine Unwucht auf, muss der Antrieb schnellstmöglich stillgesetzt werden, da sich die tonnenschwere Trommel lösen und außer Kontrolle geraten kann.

Praxisbeispiel: STO mit Frequenzumrichter DA1

Die STO-Funktion kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Antrieb durch das Lastmoment oder durch Reibung in genügend kurzer Zeit selbst zum Stillstand kommt oder wo der nicht geführte Auslauf des Antriebs, das sogenannte „Austrudeln“, keine sicherheitstechnische Relevanz hat (STOPP-Kategorie 0).

Zweikanaliger Not-Halt über STO Funktion eines Frequenzumrichter PowerXL DA1 mit einem Sicherheitsrelais ESR5

Eine NOT-HALT Betätigung führt zum Abschalten der Ausgänge des Sicherheitsrelais und damit zum Abschalten der Spannung am STO Eingang des Frequenzumrichters. Nach max. 1 ms sind die Ausgänge im Leistungsteil (U, V, W) in einem Zustand, der kein Drehmoment mehr im Motor erzeugt (STO-Funktion aktiviert). Die Dauer des Austrudelns bis zum Stillstand hängt von der Massenträgheit und den Reibungskräften des mechanischen Systems ab.

Mit dieser Schaltung wird ein Sicherheitsintegritätsniveau von SIL 2 bzw. ein Performance Level „d“ erreicht.

Um die STO-Funktion zu realisieren, ist keine Parametrierung notwendig. Wie sich mit dem Umrichter DA1 und einer entsprechenden Parametrierung auch SS1 realisieren lässt, zeigt das Sicherheitshandbuch von Eaton.

Praxisbeispiel: SS1 mit Frequenzumrichter DG1

Die SS1-Funktion kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Antrieb über eine Bremsrampe überwacht heruntergefahren werden soll. Die STO-Funktion kann dann entweder nach einer Verzögerungszeit oder dem Stillstand des Antriebes aktiviert werden (STOPP-Kategorie 1).

Zweikanaliger Not-Halt über die SS1 Funktion des Frequenzumrichter PowerXL DG1 mit einem Sicherheitsrelais ESR5

Mit dem Frequenzumrichter DG1 aus der PowerXL-Familie von Eaton lässt sich direkt eine SS1-Funktion umsetzen, mit der ein Sicherheitsintegritätsniveau von SIL 1 bzw. ein Performance Level „c“ erreicht werden kann. Dazu ist zusätzlich die Integration eines Bremswiderstandes erforderlich. Das Sicherheitslevel kann durch den Einsatz eines zusätzlichen Sicherheitsrelais (z. B. ESR5) erhöht werden.

Die Parametrisierung für SS1 lautet:

• P3.1 Start Stop Funktion = 3

• P3.9 Run Enable = DI 6

• P7.10 Stop Modus = 1:Rampe

Fazit

Frequenzgesteuerte Antriebe bieten den Vorteil, dass „Safe Motion“-Funktionen wie STO direkt integriert sind – das reduziert unmittelbar die Kosten einer Maschine und reduziert den Planungsaufwand. Weitere Schaltungen für „Safe Motion“-Funktionen zeigt das Sicherheitshandbuch von Eaton. Es werden darüber hinaus nicht nur alle einschlägigen Normen erklärt, sondern es bietet die Möglichkeit, sich Schritt für Schritt in die umfangreiche Materie der funktionalen Sicherheitstechnik einzuarbeiten.