Safety-Lösung

Single-Channel-Klemmen und Analogsensoren von Beckhoff überwachen Transportsystem

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IMA Klessmann stellt Fertigungsanlagen für die holzbearbeitende Industrie sowie das Handwerk her. Im Jahr 2017 modernisierte das Unternehmen für einen der größten französischen Küchenhersteller, Fournier SA in Thônes, ein mehrbahniges Transportsystem für Holzwerkstücke. Dabei konnte man mit Analogsensoren und der Twinsafe-SC-Technologie auf einfache, flexible und kostengünstige Weise eine zuverlässige Überwachung gegen unbefugtes Betreten realisieren.

Stefan Ziegler, Redaktionsleitung Presse, Beckhoff Automation, Verl

Inhaltsverzeichnis

1. Lösung durch ein zweistufiges Konzept
2. Analogwertverarbeitung spart deutlich Kosten
3. Bedarfsgerecht skalierbare Lösung

In dem modernisierten Anlagenbereich werden aus einem Sortierlager plattenförmige Werkstücke für Küchenmöbel entnommen und in zwei Kommissionierstationen entsprechend der Auftragslisten auf Paletten gestapelt. Die fertigen Stapel werden anschließend aus den Kommissionierbereichen hinaus und über entsprechende Fördertechnik an nachgelagerte Maschinen transportiert. Diese erhalten somit nach der Abstapelung die notwendigen Teile genau in der richtigen Reihenfolge, um möglichst effizient einen Küchenschrank montieren zu können. Jede der beiden Kommissionierstationen, die prinzipbedingt zu den sicherheitstechnischen Risikobereichen gehören, verfügen über sechs Gates zur Ausschleusung der Werkstückstapel. Eine Voraussetzung für diese Art von Anwendungen ist laut Michael Gube, Softwareentwickler bei IMA Klessmann und als Inbetriebnahmeleiter verantwortlich für dieses Projekt, dass zu keiner Zeit der Zutritt in den Risikobereich möglich sein darf. Bedingt durch die hohe Dynamik der in diesem Bereich befindlichen Transportportale und der bewegten Massen besteht ein hohes Sicherheitsrisiko. Klassisch wird der Zutritt solcher Anlagenteile mittels Sicherheitslichtschranken und Muting-Funktionen realisiert. Diese Maßnahme reichte hier allerdings allein nicht aus. Baulich bedingt konnten die Sicherheitslichtschranken nur unmittelbar vor dem Risikobereich installiert werden. Ein unbefugter Zutritt würde zwar durch die Lichtschranke sicher erkannt; die Zeit würde aber – selbst bei Aktivierung der maximal möglichen Bremsrampe – nicht ausreichen, um die Bewegungen rechtzeitig zu stoppen. Andere Maßnahmen, wie der Einsatz sicherer Betriebsbremsen, würden die Mechanik extrem stark belasten und damit auf Dauer wiederum ein Sicherheitsrisiko darstellen und zudem die Prozesssicherheit gefährden.

Lösung durch ein zweistufiges Konzept

Die Anforderung bestand daher darin, die Personen- und Prozesssicherheit durch eine zusätzliche Sicherheitseinrichtung zu garantieren: Wenn sich eine Person in unzulässiger Weise Zutritt zum Kommissionierbereich verschaffen möchte, müssen zwei Einrichtungen durchlaufen werden. Sofern die erste durchschritten wird, fällt das Portal in den Modus „sicher reduzierte Geschwindigkeit“. Nähert sich die Person dann der zweiten Einrichtung, wird die Maschine aus der sicheren Geschwindigkeit heraus gestoppt. Die erste Sicherheitseinrichtung besteht aus drei Standard-Laufzeitsensoren. Ein Sicherheitsrisiko besteht immer dann, wenn sich im Bereich dieser Sensoren entweder kein Materialstapel befindet oder der Materialstapel in diesem Bereich sich nicht bewegt. Das Zutrittsrisiko während dieser Phasen wird folgendermaßen zuverlässig ausgeschlossen: Sobald ein Plattenstapel unterhalb des Bereichs der Laufzeitsensoren bewegt und anschließend gestoppt wird, messen die Laufzeitsensoren einmalig die aktuelle Stapelhöhe (Latch). Fährt der Stapel komplett aus dem Bereich hinaus, erhält die Stapelhöhe den Wert 0. Die im Stillstand ermittelten Werte der drei Sensoren werden an die Sicherheitssteuerung übertragen und kontinuierlich mit den Istwerten der Laufzeitsensoren verglichen. Versucht nun eine Person sich bei einem nicht vorhandenen oder über einen stehenden Stapel Zutritt zu verschaffen, weicht mindestens einer der drei Istwerte von der gelatchten Position ab. Dies führt unmittelbar dazu, dass die Portale in den Modus „sichere Geschwindigkeit (SLS)“ übergehen. Nachdem die Person die erste Sicherheitseinrichtung überwunden hat, müsste sie zusätzlich die zweite Einrichtung, also unmittelbar vor dem Kommissionierbereich platzierte Sicherheitslichtschranken, überwinden. Erkennt diese einen Zutritt, werden die sich bereits nur noch mit sicher reduzierter Geschwindigkeit bewegenden Achsen endgültig zum Stillstand gebracht.

Analogwertverarbeitung spart deutlich Kosten

Voraussetzung für die effiziente Safety-Lösung war für Gube die Fähigkeit der Twinsafe-Logic EL6910 von Beckhoff zur Verarbeitung analoger Signale: „Zuvor bestand an dieser Anlage ein Sicherheitsdefizit, auch wenn die Rollenbahn nicht begehbar ausgeführt wurde. Ein Betreten war allerdings in Einzelfällen dennoch möglich, beispielsweise wenn nur eine sogenannte Schonerplatte transportiert wurde. Die zum Schutz eingesetzte Sicherheitslichtschranke befand sich in zu geringem Abstand zum sich bewegenden Portal, sodass dieses im Gefahrenfall nicht schnell genug anzuhalten war. Erste Lösungsansätze, wie z. B. Schutztore oder der Einsatz von Radarscannern, wären nur mit einem hohen mechanischen Aufwand möglich gewesen. Die Alternative mit Twinsafe SC und Lichtlaufzeitsensoren ist hier einfacher und flexibler sowie kostengünstiger.“

Die Sicherheitsfunktionen basierend auf den Analogsignalen der Lichtlaufzeitsensoren konnten laut Gube in Twincat 3 mit den entsprechenden Safety-Funktionsbausteinen komfortabel und vor allem einfach skalierbar umgesetzt werden. Auch die Komplexität der Anlage stellte kein Problem dar. Sie besteht aus zwei hard- wie softwareseitig gleichen Maschinen, in denen je ein Embedded-PC CX9020, eine Twinsafe-Logic EL6910 sowie sechs – für jede Rollenbahn eine – analoge Twinsafe-SC-Eingangsklemmen EL3124-0090 zum Einsatz kommen. Bettina Keller, Applikation/Support von Beckhoff, ergänzt dazu: „Weiterhin werden pro Maschine vier Twinsafe-Digital-Eingangsklemmen EL1904 für die Sicherheitsquittierung und die zweikanaligen Mutingeingänge sowie eine Digital-Ausgangsklemme EL2904 zur Ansteuerung der Sicherheitsschütze verwendet. Alle notwendigen Funktionen, wie die maximal zulässige Dauer eines Mutingvorgangs, ließen sich komfortabel mit den Funktionsbausteinen konfigurieren.“ Das bestätigt auch Gube: „Mit den Safety-Bausteinen lassen sich auf einfache Weise viele Sicherheitsfunktionen realisieren. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass dies durchgängig, also auch für die analogen Eingangssignale gilt.“ Die Voraussetzungen für eine solch einfache Safety-Lösung erläutert Bettina Keller: „Kern ist die Twinsafe-Logic EL6910 mit ihrer erweiterten Sicherheitsfunktionalität. Sie bietet – zusätzlich zu den Sicherheitsbausteinen aus der EL6900 – zertifizierte Sicherheitsfunktionsbausteine u. a. für die Verarbeitung von analogen Signalen. Hierzu zählen auch komplexere Funktionen wie Zähler, Grenzwert und Vergleich. Zudem unterstützt die EL6910 die Twinsafe-SC-Technologie, die eine gesicherte Datenübertragung von Standard-Ethercat-I/Os über deren SC-Erweiterung zur EL6910 erst ermöglicht. Damit können nun analoge Signale innerhalb der Logik analysiert, plausibilisiert und einer Bewertung unterzogen werden, wobei aus Sicherheitsgründen mindestens eine der Datenquellen eine SC-Komponente sein muss.“

Bedarfsgerecht skalierbare Lösung

Ein großer Vorteil bei der Installation der neuen Sicherheitstechnik ergab sich durch die feine Skalierbarkeit der PC-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff, wie Gube erläutert: „Die gesamte Produktionsanlage wird über Twincat 2 gesteuert. Um allerdings die Analogsensorik über die Twinsafe-Logic EL6910 direkt einbinden zu können, ist die Softwaregeneration Twincat 3 erforderlich. Mit der modularen und bedarfsgerecht skalierbaren Steuerungstechnik aus Verl war dies einfach und kostengünstig möglich, indem die neuen Sicherheitsfunktionen über ein eigenständiges Subsystem realisiert wurden.“ Diese Lösung erweist sich für Gube noch in einer weiteren Hinsicht als flexibel: „Gemäß den geltenden Sicherheitsvorschriften muss der gefährdende Bereich in seiner Breite im 250-mm-Abstand überwacht werden. Daher setzen wir bei den 700 mm breiten Rollenbahnen jeweils drei Lichtlaufzeitsensoren ein. Sollte sich nun zukünftig aufgrund größerer Werkstücke ein Bedarf an breiteren Rollenbahnen ergeben, muss ganz einfach nur die Anzahl der Sensoren entsprechend erhöht werden. Die Anpassung der Safety-Funktionalität lässt sich dann ohne großen Aufwand über die Software konfigurieren.“ jg

www.beckhoff.de

www.ima.de

Details zur Twinsafe-SC-Technologie von Beckhoff:

hier.pro/wXqOL

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