Sicherheitsfunktionen sinnvoll in Frequenzumrichter integrieren

Weniger ist mehr

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Ende 2009 tritt eine neue Maschinenrichtlinie in Kraft. Welche Änderungen ergeben sich im Bereich der Sicherheit aus den Bestimmungen der neuen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG? Erfahren Sie im Folgenden, ob bewährte Antriebssysteme zwangsläufig durch neue Frequenzumrichter mit antriebsbasierten Sicherheitsfunktionen ersetzt werden müssen.

Betreiber und Erbauer von Maschinen und Anlagen können bei der vorgeschriebenen Umsetzung der Risikobeurteilung in der Anlage neue Wege gehen, um die geforderte Sicherheit zu erreichen. Dazu gehört im Bereich der Antriebstechnik auch die Möglichkeit der Verlagerung von bisher mit externen Komponenten umgesetzten Sicherheitsfunktionen in den Frequenzumrichter. Doch ist ein solcher Schritt nicht in jedem Fall vorteilhaft, und schon gar nicht zwingend erforderlich. Maschinen- und Anlagenbauer sollten daher genau analysieren, ob eine solche Integration in ihrer konkreten Anwendung Kosten und Aufwand tatsächlich senkt oder ob es Nachteile gibt, die bisher unbeachtet blieben.

Platz sparen, Verdrahtungsaufwand senken
Auf den ersten Blick scheinen Antriebe mit integrierten Sicherheitsfunktionen ausschließlich Vorteile zu bringen. Dazu zählt die Einsparung externer zum Teil verschleißbehafteter Sicherheitskomponenten, wie mechanische Schütze, Auswertemodule oder ähnliche Komponenten. Dies senkt den Platzbedarf im Schaltschrank, der kleiner ausfallen kann oder für andere Zwecke bereitsteht. Zudem lassen sich Funktionseinheiten leichter in Zellen aufteilen. Das ist gerade bei kompakten und modular konzipierten Maschinen und Anlagen ein großer Vorteil.
Daneben erhoffen sich Anlagenbauer und Anwender eine vereinfachte Inbetriebnahme oder schnelleren Service. Dies ist aber nicht immer der Fall. Ganz im Gegenteil – viele der erhältlichen Antriebe mit integrierten Sicherheitsfunktionen stellen „Allround-Lösungen“ dar, die eine möglichst große Bandbreite von Applikationen abdecken sollen. Dies kann bedeuten, dass sich die Komplexität notwendiger Verfahrensschritte zur Aktivierung der Sicherheitsfunktion erheblich steigert – vor allem dann, wenn die eingesetzte Lösung eine höhere Sicherheit bietet, als es für die konkrete Anlage aufgrund der Risikobeurteilung notwendig wäre.
Zu viele Sicherheitsfunktionen sind kein Vorteil
Ein Beispiel: Die Risikobeurteilung ergibt einen erforderlichen Sicherheitslevel PLd gemäß DIN EN ISO 13849–1. Dagegen bietet der eingesetzte Frequenzumrichter den höheren Level PLe. Daraus ergibt sich für den Konstrukteur ein Mehraufwand für die Realisierung, weil die PLe beispielsweise eine zweikanalige Schaltung erfordert, wo bei Realisierung gemäß PLd eine einkanalige Ausführung ausreichen würde.
Zudem gibt es je nach Hersteller die antriebsbasierten Sicherheitsfunktionen nur mit wenigen Varianten. Dies bedingt aber bei vielen Geräten aufwändige und teure Steuerkarten oder Optionen. Obwohl die Anwendung nur einen Bruchteil der bereitgestellten Funktionen benötigt, müssen aber dennoch andere mitgeführt werden. In einigen Fällen sind sogar sichere Feldbusschnittstellen vorhanden, obwohl diese in der Anwendung nicht zum Einsatz kommen.
Gleichzeitig erfordern die Sicherheitsfunktionen und deren sichere Konfiguration bei Konstrukteuren, Inbetriebnehmern und Anlagenbetreibern herstellerspezifisches Wissen. Mitarbeiter müssen infolgedessen teuer geschult werden. Und nicht zuletzt erfordern viele verfügbare Lösungen spezielle Inbetriebnahmesoftware. Und die kostet im schlimmsten Fall sogar Geld.
Auch im Servicefall können integrierte Lösungen die Kosten in die Höhe treiben. Beispielsweise kann bei einem notwendigen Austausch des Frequenzumrichters, der mit Sicherheitsfunktionen ausgestattet ist, eine einfache Übertragung der Parameter nicht mehr ausreichen. Dann kann eine vorgegebene Freigabeprozedur erforderlich sein, beispielsweise eine Akzeptanzprüfung. Dies erfordert ebenso wie die Inbetriebnahme – je nach Hersteller – einen bestimmten User-Level, das heißt, das Personal des Betreibers muss gerätespezifisch geschult sein.
Verkabelung minimieren – Planungskosten senken
Danfoss nutzt das modulare Konzept „VLT Automation Drive“ für die schrittweise Erweiterung von Sicherheitsfunktionen in dieser Antriebsplattform. Eine bereits bewährte Lösung ist die Überwachung von EEx-Motoren durch eine optionale Atex-zertifizierte PTC-Auswerteelektronik. Diese wird in der Prozess-Industrie eingesetzt. Bei Bedarf lässt sich dieses Modul mit einer Feldbusschnittstelle, beispielsweise Profibus, kombinieren. Dadurch steht die PTC-Auswertung als internes, auswertbares Signal des Frequenzumrichters zur Verfügung. Letztendlich lässt sich dadurch die Komplexität des gesamten Aufbaus reduzieren. Das wird im Fehlerfalle durch die gesicherte Unterbindung der Energiezufuhr zum Motor durch ein geräteinternes redundantes Abschalten der IGBT-Zündstufenversorgung und gleichzeitiger Zündimpulssperre erreicht. Das macht die Verwendung eines Hauptschützes, eines vielleicht benötigten Koppelrelais und der erforderlichen Steuerspannungssicherung im Einspeisefeld überflüssig.
Der Sicherungslasttrenner als Freischalte- und Leitungsschutzorgan bleibt als alleiniges Bauteil im Einspeisefeld erhalten. Das schafft Platz. Die Hilfsspannungsversorgung des Frequenz- umrichters versorgt zusätzlich die in Form eines Moduls implementierte PTC-Auswertung. Das Ansteuern des Antriebs und die Auswertung der Signale erfolgt nun vollständig über Profibus. Dies spart die Signalverkabelung für PTC-Auswertung und die Ansteuerung des Hauptschützes. Darüber hinaus spart es ebenso deren Montage- und Planungskosten sowie Digitaleingangs- und -ausgangsbaugruppenbelegung im Prozessleitsystem als auch die Hardware selbst, ein. Der Aufwand an Komponenten, Montage und Schnittstellenplanung ist gesunken ohne dass der Aufwand in den verbleibenden Komponenten unverhältnismäßg gesteigert wurde.
Bedienfreundliche Sicherheitsfunktionen
Frequenzumrichter mit praxisgerecht integrierter Sicherheit bieten die Möglichkeit, den Antrieb genau auf die benötigte Funktion zu konfigurieren. Das senkt tatsächlich die Systemkosten. Gleichzeitig lassen sich die Antriebe kostengünstig an Stellen einsetzen, die keine Sicherheitsfunktionen benötigen. Komplizierte Bedienschritte bei Inbetriebnahme oder Austausch sowie der Einsatz aufwändiger Softwarewerkzeuge entfallen.
Der Antriebshersteller sollte bei der Implementierung seines Konzeptes auf eine umfangreiche Integration vieler Sicherheitsfunktionen achten. Darüber hinaus sollte er dem Anwender ermöglichen, den Grad der Verlagerung von Sicherheitsfunktionen in den Antrieb selbst zu bestimmen, optimal anzupassen und schnell zu beherrschen.
Somit wird dem Anwender das Arbeiten erleichtert. Er wählt lediglich Funktionen, die er benötigt. Bei Bedarf kann stets nachgerüstet werden. Darüber hinaus verringert das Beschränken auf das Notwendige Zeit für Inbetriebnahme und Service.
Frequenzumrichter KEM 425
Maschinenrichtlinie KEM 426
Antriebssysteme KEM 427
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