Sicherheitstechnik im Überblick
Was ist industrielle Sicherheitstechnik?
Sicherheitstechnik in der Industrie umfasst technische Systeme, Maßnahmen und Verfahren zum Schutz von Personen, Maschinen, Anlagen und Daten. Sie gliedert sich in Industrial Safety, also den Schutz der Mitarbeitenden vor Gefahren durch Maschinen, und Industrial Security, den Schutz von Anlagen und Daten vor Angriffen. Ziel ist es, Risiken zu minimieren und den sicheren Betrieb der Anlagen zu gewährleisten.
Welche Aufgaben erfüllt sicherheitsgerichtete Sensorik?
Personenschutz und Gefährdungsbereichüberwachung
Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen überwachen Arbeitsbereiche und erkennen unbefugtes Eingreifen oder Betreten von Personen in gefährliche Maschinenbewegungen. Parallel dazu werden durch intelligente Diagnosetools Störungen frühzeitig erkannt und übermittelt. Stillstandszeiten können so vermieden und die Anlagenverfügbarkeit maximiert werden.
Hocheffiziente Logistiklösungen auf optimiertem Raum
Sicherheitslichtgitter in Kombination mit vormontierten Mutingsets ermöglichen den sicheren Materialtransport in geschützte Anlagenbereiche, ohne den Materialfluss zu unterbrechen. So können Waren gleichzeitig ein- und ausgeschleust werden, während der Personenschutz jederzeit gewährleistet bleibt. Die platzsparende Integration unterstützt eine effiziente Flächennutzung und erhöht den Materialdurchsatz.
Stillstandszeitenoptimierung
Der automatische Wiederanlauf verbindet zuverlässigen Personenschutz mit einer hohen Anlagenverfügbarkeit. Sobald der Gefahrenbereich wieder frei ist, wechselt das Sicherheitslichtgitter automatisch in den Schutzbetrieb und ermöglicht den Wiederanlauf der Maschine. Dadurch werden Stillstandszeiten reduziert und effiziente Arbeitsabläufe unterstützt. Zulässig ist diese Funktion jedoch nur unter bestimmten Voraussetzungen.
Prozessschutz durch Stellungsüberwachung und Zuhaltung beweglicher Schutzeinrichtungen
Sicherheitszuhaltungen erlauben die elektromagnetische oder elektromechanische Verriegelung von Sicherheitstüren. Sie bieten mittels der Türverriegelung einen Schutzmechanismus für Werker gegen potenzielle Gefahren durch Maschinenbewegungen oder Gefahrenstellen, die sich dahinter verbergen. Gleichzeitig lässt sich ein unbeabsichtigtes Eingreifen im Prozess vermeiden. Ein höherer Prozessschutz sorgt also dafür, dass es weniger Stillstands- und Ausfallzeiten gibt.
Sichere Kommunikation zwischen Mensch und Maschine
Befehlsgeräte ermöglichen in Kombination mit passenden Sicherheitsrelais die sichere Steuerung von Maschinen und automatisierten Prozessen. So lassen sich Anwendungen unter maximalem Personenschutz zuverlässig einrichten, starten, stillsetzen oder beenden.
Was unterscheidet Sicherheitssensoren von Standardsensoren?
Sicherheitssensoren müssen so konzipiert und eingesetzt werden, dass auch bei einem Ausfall keine Gefährdung entsteht. Dabei sind die jeweils geltenden Normen und sicherheitstechnischen Anforderungen zu berücksichtigen. Im Normalbetrieb führen die Sicherheitsausgänge 24 V DC. Der sichere Zustand ist der AUS-Zustand (0 V). So führen auch Drahtbruch oder Spannungsausfall automatisch in den sicheren Zustand.
Dieser Pegel entspricht dem Industriestandard, um eine hohe Störfestigkeit, zuverlässige Signalsicherheit über lange Strecken sowie Schutz vor Fehlschaltungen und gegenüber Personen und Anlagen zu gewährleisten. Zudem ermöglicht dieser Standard eine einfache Interoperabilität von Komponenten verschiedener Hersteller. Für maximale Sicherheit bleiben die Sicherheitsfunktionen auch im Fehlerfall erhalten. Durch ein permanentes Vergleichen und Rücklesen werden Fehler so früh wie möglich erkannt.
Rechtliche Grundlagen
Wer trägt welche Verantwortung für die Sicherheit einer Maschine?
| Verantwortlich | Zentrale Aufgabe | Rechtliche Grundlage | Das ist besonders wichtig |
|---|---|---|---|
| Maschinenherstellende | Die Maschine muss so konstruiert und gebaut sein, dass Betrieb, Einrichtung und Wartung sicher möglich sind. Dabei sind sowohl die bestimmungsgemäße Verwendung als auch vernünftigerweise vorhersehbare Fehlanwendungen zu berücksichtigen. | Maschinenrichtlinie / Maschinenverordnung |
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| Maschinenbetreibende | Arbeitsmittel dürfen erst verwendet werden, nachdem Gefährdungen beurteilt, geeignete Schutzmaßnahmen nach dem Stand der Technik umgesetzt und die sichere Verwendung festgestellt wurden. | Betriebssicherheitsverordnung |
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Wie wird der erforderliche Performance Level bestimmt?
Performance Levels (PLr)
Der erforderliche Performance Level – kurz PLr (Performance Level required) – wird im Rahmen der Risikobeurteilung bestimmt. Er definiert die notwendige Zuverlässigkeit der Sicherheitsfunktion und bildet damit eine wesentliche Grundlage für die Auswahl und Auslegung geeigneter Schutzeinrichtungen.
In die Bewertung fließen folgende Risikoparameter ein:
Schwere einer möglichen Verletzung
Häufigkeit und Dauer der Gefährdungsexposition
Möglichkeit, die Gefährdung zu vermeiden oder den Schaden zu begrenzen
Bestimmung des PLr für Maschinenhersteller
Safety Integrity Level (SIL)
Das Safety Integrity Level (SIL) beschreibt die Zuverlässigkeit elektrischer, elektronischer und programmierbarer sicherheitsbezogener Systeme. Es gibt an, in welchem Maß eine Sicherheitsfunktion das bestehende Risiko reduziert beziehungsweise wie wahrscheinlich ein gefährlicher Ausfall ist.
Die Einstufung erfolgt nach IEC 61508 beziehungsweise IEC 61511 in vier Stufen – von SIL 1 bis SIL 4. Dabei steht SIL 1 für die geringste und SIL 4 für die höchste geforderte Risikoreduzierung.
SIL kommt insbesondere in der Prozessindustrie sowie bei komplexen verfahrens- und prozesstechnischen Anlagen zum Einsatz. In einigen internationalen Märkten werden Anforderungen an die funktionale Sicherheit zudem häufig anhand von SIL anstelle des in der Maschinenindustrie verbreiteten Performance Level (PL) beziehungsweise des erforderlichen Performance Level (PLr) spezifiziert.
Wie bestimmt wenglor das PL?
Das PL eines Sensors wird anhand seiner sicherheitsrelevanten Architektur und Zuverlässigkeitskennwerte ermittelt. Dabei werden folgende Faktoren berücksichtigt:
Mittlere Zeit bis zum gefährlichen Ausfall der eingesetzten Komponente.
Sichere Kommunikation und Signalverarbeitung
Warum ist eine sichere Kommunikation in der Maschinensicherheit notwendig?
Ein Sicherheits-Lichtvorhang erkennt, wenn eine Person in einen Gefährdungsbereich eingreift. Die Sicherheitsfunktion wird jedoch erst wirksam, wenn das Signal zuverlässig an die sichere Maschinensteuerung übertragen, dort korrekt ausgewertet und die vorgesehene Schutzreaktion – beispielsweise das sichere Stoppen der Maschine – ausgelöst wird.
Sichere Kommunikation verhindert nicht grundsätzlich jeden Fehler, sorgt aber dafür, dass Kommunikations- und Systemfehler rechtzeitig erkannt und beherrscht werden. Dazu gehören Leitungsunterbrechungen, Kurzschlüsse, verfälschte oder verlorene Datentelegramme, Geräteausfälle und unzulässige Verzögerungen bei der Signalübertragung. Wird eine solche Störung erkannt, muss das Sicherheitssystem die Maschine innerhalb der festgelegten Reaktionszeit in einen sicheren Zustand überführen.
Was sind OSSD-Ausgänge und wie funktionieren sie?
OSSD-Ausgänge, auch Sicherheitsausgänge genannt, sind die Ausgänge einer berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung, die mit der Maschinensteuerung verbunden sind. Sie übertragen den aktuellen Schutzstatus an eine Sicherheitssteuerung oder ein Sicherheitsrelais.
Ist das Schutzfeld frei, befinden sich die OSSD-Ausgänge im EIN-Zustand. Wird das Schutzfeld unterbrochen oder ein sicherheitsrelevanter Fehler erkannt, wechseln sie in den AUS-Zustand. Die angeschlossene Steuerung löst daraufhin die vorgesehene Schutzreaktion aus und bringt die Maschine zum Beispiel sicher zum Stillstand.
Für eine zuverlässige Signalübertragung verfügen Sicherheitssensoren über zwei separat überwachte OSSD-Kanäle. Die Überprüfung des Signalzustands sowie der Übereinstimmung erfolgt durch die Auswerteeinheit. Kurze Testimpulse ermöglichen darüber hinaus die Diagnose der angeschlossenen Signalwege.
Dadurch können unter anderem folgende Fehler erkannt werden:
- Kurzschlüsse
- Querschlüsse zwischen den Kanälen
- Leitungsunterbrechungen
- Fehlerhafte oder widersprüchliche Schaltzustände
Zweikanalige Verdrahtung
Bei der zweikanaligen Verdrahtung wird das Sicherheitssignal redundant an die sichere Steuerung übertragen. Der kontinuierliche Vergleich beider Kanäle gewährleistet, dass Abweichungen und einzelne Fehler zuverlässig erkannt werden und ermöglicht die Erreichung höherer Perfomance Level.
Rückführkreisüberwachung (EDM)
EDM steht für External Device Monitoring und bezeichnet die Überwachung externer Schaltelemente. Nach einem Abschaltbefehl prüft die Sicherheitsfunktion, ob die angeschlossenen Schütze tatsächlich abgefallen sind.
Verschweißte oder fehlerhafte Kontakte werden dadurch erkannt. Erreicht ein Schütz nicht den erwarteten Zustand, verhindert das System einen erneuten Maschinenstart.
Welche Vorteile bietet die Kaskadierung?
Kaskadierung bedeutet die Hintereinanderschaltung mehrerer Schutzeinrichtungen, um unterschiedliche Schutzfelder zu überwachen. Dadurch können alle auf einen Sicherheitsausgang wirken. Die kaskadierten Schutzeinrichtungen verhalten sich nach außen wie eine einzelne Schutzeinrichtung. Dadurch lassen sich umfangreiche Schutzkonzepte mit geringerem Verdrahtungsaufwand realisieren und flexibel erweitern.
Vorteile
Reduzierter Verdrahtungsaufwand
Geringere Installationskosten
Weniger benötigte Eingänge an der Sicherheitssteuerung
Flexible Erweiterung des Sicherheitssystems
Lösungen und wichtige Begriffe
Wie unterscheiden sich Finger-, Hand- und Körperschutz?
| Fingerschutz |
|---|
| Auflösung bis zu 14 mm |
| Erkennung von Fingern |
| Sehr kurzer Sicherheitsabstand |
| Einsatzorte sind bspw. Pressen, Stanzmaschinen, Biegeautomaten, halbautomatisierte Handarbeitsplätze |
| Besonderheit ist die Platzierung relativ nah an der Gefahrstelle, da durch die hohe Auflösung der zusätzliche Sicherheitszuschlag entfällt |
| Handschutz |
|---|
| Auflösung bis zu 30 mm |
| Erkennung von Hand / Arm |
| Mittlerer Sicherheitsabstand |
| Einsatzorte sind bspw. Schweißroboter, Palettenaufgabevorrichtungen, Abhaspelstationen |
| Besonderheit ist der größere erforderliche Mindestsicherheitsabstand zur Gefahrstelle gegenüber dem Fingerschutz |
| Körperschutz |
|---|
| Auflösung von 300 bis 500 mm |
| Erkennung von Körper / Person |
| Großer Sicherheitsabstand |
| Einsatzorte sind bspw. Zugänge und Gefährdungsbereiche, wie z. B. Roboterzellen |
| Besonderheit sind die meist nur wenigen benötigten Lichtstrahlen |
Wie wird der Sicherheitsabstand berechnet?
Der Sicherheitsabstand ist der Mindestabstand zwischen dem Schutzfeld einer berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen (BWS) und der Gefahrstelle. Er ist so zu bemessen, dass die Gefahrenstelle während der Nachlaufzeit der gefährdenden Bewegung nicht erreicht werden kann.
Der Sicherheitsabstand ergibt sich aus: S = (K × T) + C
S = Sicherheitsabstand
K = Annäherungsgeschwindigkeit
T = Gesamte Systemreaktionszeit
C = Zusätzlicher Sicherheitszuschlag
Sicherheitsabstand für senkrechte Annäherung zum Schutzfeld
Erweiterte Funktionen von Sicherheits-Lichtvorhängen und Mehrstrahllichtgittern
Muting-Sicherheitsfunktionen
Während des Mutings ist die Schutzfunktion gezielt überbrückt. Zusätzliche Funktionen stellen sicher, dass dabei niemand unbemerkt in den Gefährdungsbereich gelangt.
- Muting-Dauer-Funktion
- Bandstoppsignal-Funktion
- Muting-Enable-Funktion
- Richtungsvorgabe-Funktion
- Partielles Muting
- Lückenunterdrückung
- Override-Funktion
Blanking-Funktionen
Blanking-Funktionen blenden die Lichtstrahlen in einem definierten Teil des Schutzfeldes aus. Im Gegensatz zum Muting ist die Überbrückung beim Blanking dauerhaft.
- Fix-Blanking
- Fix-Blanking mit Randtoleranz
- Floating-Blanking
Was bedeutet reduzierte Auflösung bei Sicherheits-Lichtvorhängen?
Die reduzierte Auflösung eines Sicherheitslichtgitters ist eine Funktion, bei der die Ansprechschwelle der Objekterkennung vergrößert wird. Das Lichtgitter wertet dabei nicht mehr jede Unterbrechung einzelner Lichtstrahlen aus, sondern löst die Sicherheitsfunktion erst aus, wenn eine definierte Anzahl benachbarter Strahlen gleichzeitig unterbrochen wird.
Dadurch vergrößert sich die wirksame Detektionsgröße beispielsweise von 14 auf 50 oder 90 Millimeter. Dünne Materialien wie Bleche können im Schutzfeld verbleiben, während größere Objekte beziehungsweise Körperteile weiterhin zuverlässig erkannt werden.
Einsatzgebiet:
Die Funktion eignet sich für Anwendungen, in denen Materialien oder Werkstücke zum Beispiel durch das Schutzfeld geführt werden müssen, ohne den Produktionsprozess zu unterbrechen. Der Personenschutz bleibt erhalten, sofern die veränderte Detektionsgröße bei der Risikobeurteilung und der Berechnung des erforderlichen Sicherheitsabstands berücksichtigt wird.
Trennende Schutzeinrichtungen
Was unterscheidet Prozess- und Personenschutz bei Sicherheitszuhaltungen?
Prozess- und Personenschutz
- Überwacht wird die Zuhaltung
- Die Tür bleibt gesperrt, bis keine Gefahr mehr besteht
- Geeignet für Maschinen mit gefährlichem Nachlauf
Prozessschutz
- Überwacht wird der Betätiger
- Die Zuhaltung schützt vor unbeabsichtigtem Öffnen
- Geeignet, wenn nach dem Abschalten keine unmittelbare Gefahr besteht
Codierung von Sicherheitsschaltern und Sicherheitszuhaltungen
Eine Codierung ermöglicht die Zuordnung zwischen einem Sensor und dem zugehörigen Betätiger. Ein codiertes System schützt auf einfache Weise vor Manipulation und Umgehen.
| Codierungsart | Zuordnung | Funktionsweise |
|---|---|---|
| Niedrig codiert | Standard |
|
Hoch codiert | Individuell, mehrfach einlernbar |
|
Hoch codiert | Individuell |
|
Wie unterscheiden sich Arbeitsstrom- und Ruhestromprinzip?
Arbeitsstromprinzip: Zuhalten durch Energie
Beim Arbeitsstromprinzip wird die Zuhaltung durch die Bestromung des Zuhaltemagneten aktiviert. Ohne Spannung ist die Schutztür entriegelt und kann geöffnet werden.
Magnetansteuerung 0 V: Schutztür entriegelt
Magnetansteuerung 24 V: Schutztür zugehalten
Ruhestromprinzip: Entriegeln durch Energie
Beim Ruhestromprinzip wird die Zuhaltung mechanisch durch Federkraft aktiviert. Die Schutztür bleibt daher auch ohne Spannung zugehalten. Erst durch die Bestromung des Magneten wird sie entriegelt.
Magnetansteuerung 0 V: Schutztür zugehalten
Magnetansteuerung 24 V: Schutztür entriegelt
Es gilt zu beachten: Beim Personenschutz müssen spezielle normative Anforderungen erfüllt werden, siehe DIN EN ISO 14119.
