Automatisierung Sicherheitsmodule: Universelle Systeme für moderne Automatisierungslösungen

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Die Automatisierung in der Industrie gewinnt in allen Bereichen immer mehr an Bedeutung, und zwar von Verpackungs­lagern bis hin zur CNC-Bearbeitung. Dabei wird ein immer breiteres Spektrum an Applikationen abgedeckt und eine immer bessere Effizienz erzielt. Doch damit wachsen die Herausforderungen - auch an die Sicherheitsmodule.

Hochpräzisionsmaschinen wie etwa CNC-Fräsen, Laserschneider und Schweißroboter werden heute oft mit automatischen Teileladern und Förderbändern kombiniert, um die Produktivität zu steigern. Bei Anwendungen in der Verpackungsindustrie, beispielsweise in Auslieferungslagern und Abfüllanlagen, muss eine Vielzahl von Maschinen nicht nur untereinander abgestimmt werden, sondern auch die Zusammenarbeit mit einer großen Anzahl von Mitarbeitern gewährleistet werden. Angesichts der Forderung nach immer komplexeren Automatisierungen und der zunehmenden Synergie mit den Mitarbeitern steigen auch die Anforderungen an die damit verbundenen Sicherheitssysteme.

Im Zuge der Entwicklung der Automatisierung im industriellen Bereich ist die Komplexität der zugrundeliegenden Sicherheitssysteme erheblich gestiegen, und die Anzahl der einzelnen Bauteile, die für den Aufbau und die Wartung von Lösungen benötigt werden, hat deutlich zugenommen. Infolgedessen besteht in der Automatisierung ein wachsender Bedarf an kosteneffizienten Technologien, mit denen die neuesten Sicherheitsanforderungen erfüllt und gleichzeitig Design- und Wartungsaufgaben vereinfacht werden können.

Zunehmende Automatisierung und steigende Sicherheitsanforderungen

Der Automatisierungsgrad von typischen Industrieanlagen hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen, sei es in der industriellen Montage und der Fertigung von elektronischen Bauteilen oder in Distributionslagern und Abfüllanlagen. Für Unternehmen mit hohen Auslieferungsanforderungen, wie beispielsweise Amazon oder Walmart, ist eine umfassende Automatisierung im Grunde die einzige Möglichkeit, mit der Nachfrage Schritt zu halten.

Für Sicherheitssysteme ergeben sich aus diesem anhaltenden Bedarf mehrere Herausforderungen. So gibt es jetzt mehr Automatisierungen und Roboter, die in unmittelbarer Nähe zu menschlichen Mitarbeitern arbeiten, zum Beispiel in Verpackungsbetrieben. Das bedeutet, dass mehr Sicherheitsschalter und -funktionen erforderlich sind, was den Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung und Wartung von Maschinen erhöht. Angesichts der starken Abhängigkeit der Unternehmen von der Automatisierung ist es außerdem wichtig, Ausfallzeiten zu minimieren und Systeme zu haben, bei denen eine Diagnose leicht durchzuführen ist.

Die wahrscheinlich wichtigste Überlegung dabei ist die Komplexität der Automatisierung und der Maschinen. In jedem modernen Verpackungszentrum hängt der operative Output von Maschinen wie vertikalen Hubmodulen (Vertical Lift Modules; VLMs), Förderbändern, Bestückungsautomaten, automatischen Beladeanlagen und Etikettiermaschinen ab. In diesen Anlagen sind die Maschinen oft so miteinander verkettet, dass eine ununterbrochene Bearbeitung von Station zu Station möglich ist.

Die Entwicklung dieser umfangreichen, miteinander verbundenen Automatisierungen hat eine Weiterentwicklung der Sicherheitsstandards für Maschinen erforderlich gemacht. Denn die Geschwindigkeit und die Leistung solcher Systeme stellen für die Menschen in der Umgebung ein erhebliches Risiko dar, das kontrolliert werden muss. Wenn diese Standards nicht eingehalten werden, kann dies zu erheblichen Verletzungen oder sogar zu Todesfällen führen. Außerdem kann es Produktivitätsverluste, höhere Versicherungsprämien und negative Presse zur Folge haben.

Sicherheitsanforderungen nach ISO 13849-1

Die Norm ISO 13849-1 ist von zentraler Bedeutung für das sichere Design und die Installation von Maschinen. Diese Norm legt die Methodik und die Anforderungen an das Design und die Integration der sicherheitsrelevanten Teile von Steuerungen (SRP/CS) fest, einschließlich der Sicherheitsfunktionen, Relaismodule und Steuerungsteile. Entscheidend ist, dass sie auch den Rahmen für die Evaluierung des erforderlichen Performance Level (PL) für eine Anwendung definiert. In der ISO 13849-1 sind fünf Stufen von PL (Sicher­heitsanforderungen) festgelegt, die von PLa – Sicherheitsfunk­tionen, die zur Reduzierung des geringsten Risikos beitragen – bis zu PLe – Sicherheitsfunktionen, die zur Reduzierung des höchsten Risikos beitragen – reichen.

Bei vielen modernen Systemen der Industrieautomatisierung führen die Anzahl der beweglichen Teile sowie die Geschwindigkeit und Leistung der Maschinen in Verbindung mit ihrem dauerhaften Betrieb dazu, dass Performance Level von (d) oder (e) fast immer erforderlich sind. Ein weiterer wichtiger Aspekt sind die in ISO 13849-1 festgelegten Kategorien der Architektur von Sicherheitseinrichtungen. Diese reichen von B bis Kat. 4, wobei bei B die niedrigsten Anforderungen und bei Kat. 4 die höchsten Anforderungen an die funktionale Sicherheit gestellt werden.

Anspruchsvolle Steuerung der Sicherheitsmodule

Die Anforderungen an Sicherheitssysteme sind mit der zunehmenden Leistung und Verbreitung von Automatisierungsanwendungen gestiegen, was zu komplizierteren Konstruktionen, höheren Installationskosten und einem größeren Wartungsbedarf führt. In einem typischen Distributionszentrum mit hohem Volumen arbeiten zahllose Pick&Place-Maschinen, Roboterarme, Förderbänder und VLMs zusammen. Um sicherzustellen, dass keine Mitarbeiter zu Schaden kommen, wird eine Sicherheit auf PLe-Niveau und eine Kat.-4-Architektur angestrebt, wenn nicht sogar gefordert, wobei eine Vielzahl von Sicherheitsfunktionen für die Steuerung erforderlich ist. Wenn Sicherheitsfunktionen ausgelöst werden, geben sie den Steuerungen ein entsprechendes Signal zum Anhalten. Zu den typischen Sicherheitsfunktionen zählen Not-Aus, antivalente Kontakte, Schutzschalter, Magnetschalter, Näherungssicherheitsschalter, PNP-Sensoren, RFID-Sicherheitsschalter, Sicherheitslichtvorhänge und Zweihand-Bedienung.

Auch die Art und Weise, wie Sicherheitssysteme eingreifen müssen, hat sich weiterentwickelt. In der Vergangenheit haben Sicherheitsfunktionen die Maschinen sofort angehalten. Da sich die Maschinen und Anlagen jedoch von einfachen Drehbänken und Textilwebereien zu hochleistungsfähigen Fertigungs- und Verpackungssystemen entwickelt haben, die aus miteinander verbundenen Hochgeschwindigkeitsmaschinen bestehen, kann das sofortige Anhalten eines Prozesses sehr gefährlich sein. Bei der plötzlichen Unterbrechung von Maschinen mit hoher Geschwindigkeit können sich Produkte oder Teile zurückstauen, was zu Stößen oder Auswurf führen kann und weitere Gefahren birgt sowie die Ausfallzeit erhöht, da die Situation behoben werden muss. In der modernen Automatisierung muss der Funktionsumfang der Sicherheitssysteme intelligenter sein und die Maschinen so stoppen, dass das ursprüngliche Risiko beherrscht wird, ohne dass weitere Gefahren entstehen oder Produkte oder Anlagen beschädigt werden.

In der Regel wird diese Anforderung durch große Netzwerke von Funktionsumfängen der Sicherheitsfunktionen erfüllt, die mit spezifischen Schwellenwerten und Verzögerungszeiten konfiguriert sind und in Verbindung mit den speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) ein intelligentes Anhalten der Automatisierung ermöglichen. Die Komplexität der Sicherheitselektronik verursacht erhebliche Kosten, nicht nur bei der Erst­investition, sondern auch bei der laufenden Wartung. In einem typischen Distributionszentrum können Hunderte von Relaismodulen mit unterschiedlichen Bauformen benötigt werden, um die erforderlichen Signale der Sicherheitsfunktionen korrekt zu modulieren. Entwickler und Produktionsingenieure von Automatisierungsanlagen benötigen daher Lösungen, die ihre Designs und Wartungsaufgaben vereinfachen und die Kosten senken können.

Die Universallösung

Gegenwärtig sind viele unterschiedliche Designs von Sicherheitsmodulen erforderlich, um den Anforderungen der modernen Automatisierung und Robotik gerecht zu werden. Dies bedeutet einen erheblichen zeitlichen und finanziellen Aufwand, und genau hier können innovative universelle Lösungen ansetzen, um die entsprechende Hardware zu vereinfachen.

Als Hersteller von Lösungen für die gesamte Sicherheitskette versteht Schneider Electric die Notwendigkeit der Vereinfachung des Designs und der Wartung moderner Automatisierung. Die neue Harmony-XPS-Reihe baut auf der bisherigen Preventa-Produktreihe auf und besteht aus 50 Prozent weniger Modulen als zuvor, mit nur zwei Spannungsvarianten (24 VDC/AC und 48 bis 240 VAC/DC). Trotz der reduzierten Anzahl von Modellen deckt Harmony XPS den gleichen großen Bereich von Applikationen mit Sicherheitsfunktionen ab wie die Preventa-Reihe.

Funktionsumfang des Harmony XPS Universal

Konventionelle Sicherheitsrelais sind auf die Anforderungen einer einzigen Sicherheitsfunktion in einer Applikation ausgelegt. Für Entwickler von Automatisierungen kann dies eine Einschränkung darstellen und die Systemkosten in die Höhe treiben. Für die Wartungsteams ist es äußerst mühsam, den gesamten Lebenszyklus der Maschine zu verwalten, da sie unzählige Module auf Lager haben müssen, um sicherzustellen, dass im Falle eines Ausfalls alle Teile verfügbar sind. Die Sicherheitsmodule lösen dieses grundlegende Problem, da sie über einen Funktionswahlschalter an der Frontplatte konfiguriert werden können. Dadurch kann ein einziges Modul eine Reihe von Applikationen mit Sicherheitsfunktionen abdecken.

Die Module bieten bis zu sechs Applika­tionsmöglichkeiten für Sicherheitsfunk­tionen. Dadurch werden Sicherheitsfunk­tionen unterstützt, die von der Überwachung von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen, einschließlich Typ-4-Lichtvorhängen, bis zur Überwachung von elektrischen oder magnetisch geschalteten Schutzeinrichtungen nach ISO 14119/14120 reichen. Durch den Einsatz von Bauteilen aus dieser Reihe wird die Anzahl der einzelnen Module, die auf Lager gehalten werden müssen, drastisch reduziert, was die Kosten senkt und den Arbeitsaufwand des Wartungsteams verringert.

Sicherheitsmodule: Erweiterte Diagnostik und Zeitverzögerung

Die Sicherheitsmodule vereinfachen sowohl die Wartung als auch den Betrieb der Maschine und unterstützen die Fehlerdiagnose ohne zusätzliche Feldbusverdrahtung. Der intelligente Solid-State-Zusatzausgang versorgt jede SPS mit einem digitalen Eingang mit separaten Impulsmustern für Status- und Diagnoseinformationen und unterstützt 40 eindeutige Meldungen. Die Diagnosemeldungen können dann auf einer kompatiblen Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human Machine Interface; HMI) angezeigt werden, was einen besseren Einblick in den Maschinenstatus ermöglicht und die Ursachenanalyse unterstützt, wodurch der Zeitaufwand für die Fehlersuche und die Betriebskosten reduziert werden. Es ist auch möglich, eine detaillierte Statusanzeige aller Module auszulesen und eine Statusanzeige des Proof-Test-Intervalls und der Anzahl der Operationen sowohl für Ein-/Ausgänge als auch für das Sicherheitsmodul auszugeben.

Für Sicherheitsmodule und -systeme in großen, vernetzten Automatisierungen, die ein zeitgesteuertes Eingreifen erfordern, bieten die Modelle XPSUAT und XPSBAT die Möglichkeit einer konfigurierbaren Zeitverzögerung von null bis 15 Minuten. Der Zugriff auf diese Funktion erfolgt einfach über den Drehregler an der Vorderseite, mit einer abnehmbaren transparenten Frontabdeckung und einem eindeutig nummerierten Versiegelungsstreifen, der eine erneute Einstellung verhindert.

Umfassende technische Daten der neuen Sicherheitsmodule

Schneider Electric hat die Reihe Harmony XPS um mehrere ­Designmerkmale erweitert, um den Bedienkomfort zu erhöhen. Dazu gehören ein QR-Code an der Vorderseite, über den eine Bedienungsanleitung, ein Anschlussplan und ein Verdrahtungsplan abgerufen werden können, ein seitlicher Steckverbinder für die Ausgangserweiterung ohne zusätzliche Verdrahtung sowie LED-Anzeigen, die eine einfache Orientierung in staubigen oder schwach beleuchteten Umgebungen ermöglichen. Die abnehmbaren Schraub- und Federanschlüsse ermöglichen außerdem einen einfachen Einbau und Austausch ohne Neu­verdrahtung. Um die Maschinenentwicklung und Markteinführung zu beschleunigen, bieten die Module eine einsatzfertige, zertifizierte Architektur, unterstützen Sicherheitsniveaus bis zu PLe, Kat. 4 und SILCL3 und unterstützen Entwickler bei der Erfüllung der neuesten Sicherheitsstandards in der Automatisierung.

Fazit: Sicherheitsmodule und Notfallsysteme werden immer gebraucht

Die Automatisierung revolutioniert die Industrie und schafft eine neue Effizienz. Aber auch in den autonomsten Anlagen werden immer wieder Notfallsysteme benötigt, die hinsichtlich ihrer Intelligenz und Effektivität auf die von ihnen überwachten Systeme abgestimmt sein müssen. In Anlagen, in denen Mitarbeiter und Hochleistungsmaschinen über lange Zeiträume nebeneinander arbeiten, sind diese Überlegungen sogar noch wichtiger.

Für Entwickler von Designs und Wartungsteams hat die fortschreitende Automatisierung in Verbindung mit den Sicherheitsanforderungen und dem Wert der Systeme für den Betrieb den Arbeitsaufwand und die Kosten, die mit der Elektronik für die Sicherheitssteuerung verbunden sind, erheblich erhöht. Zwar haben Fortschritte bei SPS und HMI dazu beigetragen, einige dieser Probleme abzumildern, doch die enorme Komplexität der eigentlichen Hardware ist geblieben, wobei groß angelegte Automatisierungen auf eine große Anzahl von Sicherheitsmodulen angewiesen sind, um kritische Signale zu übermitteln.

Mit der Reihe Harmony XPS Universal konnte Schneider seine Produktpalette erheblich verkleinern und ermöglicht seinen Kunden, dies ebenfalls zu tun. Für Entwickler bedeutet dies eine Vereinfachung der Entwicklung und für Wartungsteams eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis. In Kombination mit fortschrittlichen Diagnosemerkmalen, zertifizierter Architektur sowie PLe-, Kat.-4- und SILCL3-Unterstützung erleichtert die Produktpalette Entwicklern die Erfüllung der anspruchsvollsten Anforderungen und bietet der Automatisierungsbranche die sicheren und kostengünstigen Lösungen, die sie für ihre weitere Expansion benötigt.

Der Autor Mark Patrick ist Director of Technical Content für EMEA bei Mouser Electronics.
Autor Chanakya Gupta ist Sr. Offer Manager, Motion and Control bei Schneider Electric.