Die Maschinenrichtlinie 2006/42/EU, Teil 1 Anforderungen für Antriebe und die Auswirkung der neuen europäischen Maschinenrichtlinie

Wenn Sicherheitsfunktionen gleich im Antrieb integriert sind, wirkt sich das unmittelbar auf die Kosten einer Anlage oder Maschine aus. Die Sicherheitsfunktion Safe Torque Off (STO) ist häufig schon Standard. Weitere Funktionen sind Safe Operating Stop und Safe Stop.

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In den letzten Jahren hat es bedeutende Entwicklungen für Antriebsanwendungen innerhalb der Industrie gegeben. Diese Entwicklungen fordern mehr als je zuvor von Antrieben die Übernahme von sicherheitsrelevanten Funktionen. Dabei müssen Antriebe vor allem im Hinblick auf die Erfüllung der Norm EN 61800-5-2 bestimmte Anforderungen erfüllen. Und und so wirkt sich die neue europäische Maschinenrichtlinie 2006/42/EG auf Antriebe mit integrierten Sicherheitsfunktionen aus: Gemäß den harmonisierten Sicherheitsstandards der neuen europäischen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG muss für die Realisierung von Sicherheitsfunktionen in Maschinenanwendungen immer die gesamte Sicherheitskette betrachtet werden.

Eine typische Sicherheitskette besteht aus Sensor, Logik und Aktorik. Eine Sicherheitskette kann somit aus einem Lichtgitter als Sensor, einer sicheren SPS als Logik und einem Antrieb mit integrierter Sicherheit als Aktorik, als Teil der Sicherheitsfunktion welches die gefährliche Bewegung eines Roboter verhindert, bestehen. (Dabei zu beachten: Die ”Sicherheitskette” umfasst alle für die Sicherheitsfunktion verantwortlichen Teile). Anstatt diese Sicherheitsfunktionalität durch Verwendung elektromechanischer Komponenten zur Unterbrechung der Energieversorgung zum Motor zu realisieren, bieten immer mehr Antriebe diese Funktionalität als zertifizierte integrierte elektronische Lösung an.

Diese elektronisch realisierte Abschaltung bietet selbstredend verschiedene Vorteile, wie kurze Reaktionszeiten, weniger Verschleiß durch Wegfall mechanischer Komponenten sowie kleinere Abmaße der Realisierung. Dies alles wirkt sich unmittelbar auf die Verfügbarkeit und die Kosten einer Anlage aus.

Der Standard definiert die Anforderungen

Der harmonisierte anzuwendende Produktstandard für Antriebe mit integrierter Sicherheit ist die EN 61800-5-2. Dieser Standard definiert die Anforderungen der Funktionalen Sicherheit für Antriebe und nennt die in der Industrie üblichen verwendeten Sicherheitsfunktionen. Die wichtigste und am häufigsten angewendete Sicherheitsfunktion ist „Safe Torque Off“ (STO). Bei dieser Sicherheitsfunktion wird der angeschlossene Motor momentenfrei geschaltet.

Dies wird erreicht durch die sichere Abschaltung der PWM Signale, z.B. durch die sichere Unterbrechung der Energie zur Ansteuerung der IGBT, um den Motor momentenfrei zu schalten. Zu beachten: Hier wird der Motor momentenfrei geschaltet, so dass dieser aufgrund der Massenträgheit weiterlaufen und austrudeln kann. Im Falle, dass äußere Kräfte anliegen kann es sogar zu einer Beschleunigung kommen. Dies muss bei der Gefährdungsanalyse berücksichtigt werden und gegebenenfalls sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich wie z.B. Bremsen.

Alle anderen in der EN 61800-5-2 beschriebenen Sicherheitsfunktionen, wie z.B. „Safe Stop 1“ (SS1) und Safety-Limited Speed (SLS), nutzen letztendlich die Sicherheitsfunktion STO als den sicheren Zustand. Entsprechend der EN 61800-5-2 muss bei Auftreten eines sicherheitsrelevanten Fehlers der sichere Zustand eingenommen werden. Dieser muss klar definiert werden und ist in der Regel der „STO“.

Standard definiert Anforderungen für sichere Überwachungsfunktionen

Des Weiteren definiert der Standard Anforderungen für sichere Überwachungsfunktionen, wie z.B. Überwachung der Geschwindigkeit, der Position usw. Heutzutage sind die meisten Hersteller von Antrieben bestrebt die Sicherheitsfunktion STO als Standard in ihren Antrieben zu integrieren. Diese Sicherheitsfunktion wird gewöhnlich mittels diskreter Hardware ohne Involvierung von Software realisiert. Wenn erforderlich wird der nicht sicherheitsrelevante Drive-Controller lediglich zur Diagnose der Hardware verwendet.

Für die Sicherheitsfunktion Safe Operating Stop (SOS) ist es erforderlich ein spezifiziertes Positionsfenster während des Stillstandes zu überwachen. Jedoch wird im Falle eines Fehler während der SOS Funktion, z.B. Verlassen des spezifizierten Positionsfensters, der sichere Zustand STO in Kombination mit einer Bremse eingenommen, um die Last im zulässigen Positionsfenster zu halten. Die Funktion STO ist hierbei die sichere Fehlerreaktion der SOS Funktion. Somit ist die Funktion STO eine der Voraussetzungen für die Realisierung dieser Funktion.

SIL 2/PL reicht oft aus

Es wird empfohlen die STO Funktion für den höchsten Sicherheitsintegritätslevel 3 (SIL 3) entsprechend EN 62061/EN 61800-5-2 und Performance Level e (PL e) entsprechend EN ISO 13849-1 auszulegen, da diese Funktion von allen anderen Sicherheitsfunktionen im Fehlerfall angefordert wird um den sicheren Zustand einzunehmen.

Darüber hinaus nutzen diverse Sicherheitsfunktionen wie sichere Stopfunktionen und sichere Überwachungsfunktionen die STO Funktion als sicheren Zustand und die Sicherheitsintegrität dieser Funktionen ist somit abhängig von der Sicherheitsintegrität der STO Funktion. Man kann somit die Sicherheitsfunktion STO auch als Flaschenhals der Sicherheitskette bezeichnen. Für die meisten Anwendungen mit sicheren Überwachungsfunktionen ist jedoch in der Regel SIL2/PL d ausreichend.

Andere wichtige Sicherheitsfunktionen für Antriebe sind Safe Stop 1 (SS1) und Safe Stop 2 (SS2). Für SS1 und auch SS2 hat die EN 61800-5-2 drei verschiedene Varianten definiert. Die am häufigsten verwendete Variante basiert auf eine feste vordefinierte Zeitverzögerung für die Einnahme der Sicherheitsfunktion STO oder SOS.

Überwachungsfunktionen für Geschwindigkeit und Position - für Teil 2 klicken Sie bitte hier

Die Konformität zur Maschinenrichtlinie richtig erklären - für Teil 3 klicken Sie bitte hier

*Dipl.-Ing. Thomas Steffens ist Product Manager, Electro-sensitive protective equipment/Safety related Drive systems beim TÜV Rheinland Industrie Service

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