Sicherheitslichtgitter lassen sich aufgrund ihres Detektionsvermögen zwischen einfachen Lichtschranken und Lichtvorhängen einordnen, während Lichtvorhänge einen besonders geringen Abstand der einzelnen Lichtstrahlen aufweisen. Sicherheitslichtgitter als berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen BWS im Vergleich zu Sicherheitslichtvorhängen kommen aufgrund ihrer geringeren Auflösung dann zur Anwendung, wenn das Eindringen des gesamten Körpers – und nicht nur von Händen oder einzelnen Fingern – erkannt werden soll.
Sicherheitslichtgitter sichern einzelne Gefahrenstellen oder komplette Gefahrenbereiche ab, beispielsweise in Roboterzellen, Pressen oder Verpackungs- und Palettieranlagen. Lichtgitter bestehen in der Regel aus Sender sowie Empfänger und werden meist mit M12-Steckverbindern an eine Auswerte- und Diagnoseeinheit angeschlossen. Sicherheitslichtgitter sind mit unterschiedlichen Auflösungen, beispielsweise 300, 400 oder 500 mm erhältlich und weisen Schutzart von IP67 gemäß ISO 20653 auf. Damit sind sie staubdicht und gegen Wasser geschützt. In bestimmten Ausführungen sind Blanking- und Muting-Funktionen integriert. Während Blanking dem Ausblenden ausgewählter Bereiche des Schutzfeldes dient, wird Muting bei einer zielgerichteten Überbrückung der Schutzeinrichtung angewendet.
Mutingfunktionen bei Sicherheitslichtgittern
Vollautomatische Produktionsanlagen enthalten oft Sicherheitsbereiche, die mittels trennender Schutzeinrichtungen als geschlossene Systeme aufgebaut sind und den Zugang von Personen nur zu Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten sowie Störungsbeseitigung erlauben. Um den Zugang zu ermöglichen, Schutztüren mit Sicherheitsschalter zum Einsatz, wobei beim Öffnen einer verriegelten trennenden Schutzeinrichtung die gefährdenden Maschinenfunktionen beendet werden müssen. Oft ist es bei solchen Anlagen erforderlich, Material ein- oder auszuschleusen. Um das auch automatisiert zu ermöglichen, bieten sich Lichtgitter mit Mutingfunktion an.
Die Typ-A-Norm EN ISO 12100 besagt, dass eine Maschine nicht laufen darf, solange ein Lichtvorhang unterbrochen ist: Ausgenommen davon ist das Muting (EN ISO 13849, Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen, Abschnitt Mutingfunktion. In der EN ISO 10218-2 sind die Sicherheitsanforderungen an die Integration von Robotersystemen definiert, die Vorgaben über technische Schutzmaßnahmen an Öffnungen für den Materialfluss enthalten. Auch die Typ-C-Norm EN 415-7 „Sicherheit von Sammelpackmaschinen“ gibt im Anhang C Auskunft über Methoden zur Sicherheit großer Materialschleusen bzw. detaillierte Angaben über die Anordnung von Lichtgittern sowie Muting-Sensoren und ihre Abstände zueinander. Zu nennen ist auch die EN 62046, bei der es um die Anwendung von Schutzausrüstungen zur Anwesenheitserkennung von Personen geht.
Wird über ein Förderband Material zu- und abgeführt, ermöglichen Lichtvorhänge mit Muting einen reibungslosen Ablauf. Dies ist vor allem beim Transport von Paketen in Logistikzentralen oder Lagerräumen der Fall. Beim L-Muting ist die Beförderung von Material in nur eine Richtung (vorwärts) möglich. Mittels T-Muting kann Material in beide Richtungen (vorwärts und rückwärts) befördert werden. Jedes Paket wird dabei von den Mutingsensoren erkannt und darf das Schutzfeld durchqueren. In dieser Zeit leuchtet eine Mutinglampe auf. Zusätzlich wird die Geschwindigkeit des Förderbands überwacht und die Daten an die Steuerung weitergegeben.
In der Regel entstehen Fehler bei der Anordnung der Sensoren, der Maschinenteile und beim geförderten Material. Da die eigentliche Schaltungstechnik vom Hersteller bereits auf die Erfordernisse ausgerichtet wurde, können Maschinenkonstrukteure zertifizierte Sicherheitslichtgitter mit Muting-Funktion einsetzen. Muting-Sensoren sind Bestandteil der Mutingfunktion, und eine Mutingfunktion ist eine Sicherheitsfunktion. Muting-Sensoren gehören damit zu den sicherheitsbezogenen Teilen einer Steuerung und gehen deshalb auch in die Ermittlung des SIL und PL gemäß EN ISO 13849-1 oder EN 62061 ein.
Blanking-Funktion
Mit der Blanking-Funktion von Lichtgittern lassen sich definierte Bereiche ausblenden. Dabei wird das Schutzfeld nur teilweise, aber dauerhaft überbrückt. Dies geschieht, indem man exakt jenen Teil passiv setzt, durch den eine Ware gefördert wird. Über diesen deaktivierten Teil des Schutzfeldes dürfen aber keinesfalls Personen unerkannt in den Gefahrenbereich gelangen. Um das sicherzustellen, müssen zusätzlich Sensoren angebracht werden. Beim Floating Blanking werden eine bestimmte Anzahl der Strahlen bzw. mehrere Bereiche ausgeblendet. Dabei kann sich die Ware im Gefahrenfeld bewegen, d.h. sie muss nicht immer alle ausgeblendeten Strahlen verdecken. Alle Objekte, die mehr als die ausgeschalteten Strahlen abdunkeln, werden erfasst und lösen einen Stopp aus. Beim Fixed Blanking wird ein fest definierter Bereich des Lichtgitters ausgeschaltet. Die Norm DIN EN 61496 definiert die zwei Arten von Blanking:
Fixed Blanking ist erforderlich, wenn Objekte permanent das Schutzfeld passieren und damit die Strahlen des Lichtvorhangs unterbrechen. Floating Blanking wird verwendet, wenn Objekte permanent in das Schutzfeld ragen, sich dabei aber z. B. durch Kabel bewegen und so bestimmte Strahlen des Lichtvorhangs unterbrechen. Die Gefahrenbewegung wird bei beiden Arten des Blankings dann gestoppt, wenn ein Eingriff ins Schutzfeld.
– Fixed Blanking (ortsfeste Ausblendung): Hier dürfen sich die ausgeblendeten Objekte nicht bewegen. Sie müssen somit exakt das gelernte oder per Software eingestellte Strahlmuster unterbrechen.
– Floating Blanking (bewegliche Ausblendung): Diese Methode erlaubt es, dass sich Objekte einer definierten Minimal- und Maximalgröße innerhalb von parametrierbaren Strahlbereichen im Schutzfeld bewegen dürfen.
Korrekte Installation von Lichtgittern
Sicherheitslichtgitter sowie Sicherheitslichtvorhänge sind wesentliche Bestandteile der Maschinensicherheit. Sie lassen sich in die drei Kategorien Fingerschutz, Handschutz und Körperschutz einteilen. Bei der Wahl eines solchen Systems müssen abhängig von der Applikation die Einsatzbedingungen sowie die Gefahrenbewertung erörtert werden: Welche Auflösung soll das Systems aufweisen, welche Höhe ist für den Schutzbereich erforderlich und groß ist der Mindestabstand des Lichtgitters zum Gefahrenbereich? Die Auflösung ist definiert als die Größe eines Gegenstands, der mindestens einen Strahl des Abtastbereichs eines Lichtgitters unterbricht. Die Auflösung eines Sicherheitslichtgitters wird so von den geometrischen Eigenschaften der Gerätelinsen, dem Durchmesser der einzelnen Strahlen und deren Abstand zueinander bestimmt. Die Höhe des von einem Sicherheitslichtgitter abgesicherten Gesamtbereichs ist die Schutzfeldhöhe.
Im Fall des Körperschutzes ist zwischen der Höhe des Abtastbereichs und des Schutzbereichs zu unterscheiden. Der Abtastbereich ist der Abstand zwischen dem obersten Punkt der ersten und dem untersten Punkt der letzten Linse eines Sicherheitslichtgitters. Die Höhe des Schutzbereichs definiert die mit einem solchen System effektiv abgesicherte Höhe, in der ein nicht transparentes Objekt zuverlässig einen Strahl des Lichtgitters unterbricht. Die Abmessung des Objekts muss hierzu genauso groß oder größer wie die Auflösung des Lichtgitters sein. Bei der Festlegung des Mindestsicherheitsabstands eines Lichtgitters zur Gefahrenquelle werden die häufigsten Fehler verursacht. Doch der korrekte Abstand der Schutzeinrichtung zum Gefahrenbereich ist von besonderer Bedeutung, da er einen erheblichen Einfluss auf das rechtzeitige Auslösen eines Sicherheitslichtgitters hat und damit den Stopp der Gefahr bringenden Bewegung einer Maschine auslöst, bevor ein Objekt mit der Gefahrenquelle in Berührung kommt.
Die Entfernung eines Sicherheitslichtgitters hängt in diesem Zusammenhang gemäß EN ISO 13855 vor allem von der Ansprechzeit der Schutzeinrichtung ab sowie der Nachlaufzeit der Maschine und Anlage. Entscheidend ist hier auch die Auflösung der Schutzeinrichtung sowie die Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt dem Gefahrenbereich nähert. Als Ansprechzeit ist die verstrichene Zeit zwischen der effektiven Unterbrechung der Lichtstrahlen und Öffnung der Kontakte des Ausgangsschaltelements definiert. Die Nachlaufzeit der Maschine ist die Zeit, die bis zum effektiven Stopp der gefährdenden Maschinenbewegung verstreicht.
Zuverlässiger Körperschutz
Sicherheitslichtgitter für den Körperschutz lassen sich sowohl senkrecht als auch waagerecht installieren. Bei senkrecht installierten Systemen muss der obere Strahl des Lichtgitters so positioniert sein, dass Personen nicht über das Lichtgitter steigen und darunter hindurchkriechen können. Zur waagerechten Installation ist der Abstand zwischen dem Gefahrenbereich und dem hiervon am weitesten entfernten optischen Strahl zu ermitteln. Die richtige Ausrichtung eines Sicherheitslichtgitters bietet den höchsten Schutz und gewährleistet eine hohe Betriebssicherheit auch bei rauen Umgebungseinflüssen. Daher müssen Sender und Empfänger immer parallel zueinander angeordnet sein und sich die Strahlen in einem rechten Winkel zur Sender- und Empfängerfläche befinden. Die Orientierung der Anschlussstecker von Sender und Empfänger muss bei der Montage in der gleichen Richtung erfolgen. Müssen mehrere Schutzeinrichtungen in direkt angrenzenden Bereichen installiert werden, darf der Sender des einen Lichtgitters nicht den Empfänger des anderen stören.
Vier Typen von Sicherheitslichtgittern
Im Jahr 2015 stellte die Norm IEC/EN 61496 erstmals eine Verbindung zwischen drei Kriterien her:
– den Typ-Klassen der berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen (BWS),
– der Sicherheitsanforderungsstufe (Safety Integrity Level SIL – nach IEC 62061) und
– dem Grad an Zuverlässigkeit her, mit dem eine Steuerung eine Sicherheitsfunktion erfüllen muss (Performance Level PL – nach ISO 13849).
Dies führte dazu, dass Lichtgitter vom Typ 2 seit Mai 2015 nur noch in Applikationen bis Performance Level PL c beziehungsweise SIL 1 und SIL CL 1 eingesetzt werden dürfen. Lichtschranken der Typklasse 3 gab es am Markt bis dahin nicht, Anwender sahen sich gezwungen, auf den für Anforderungen nach PL e bestimmten Typ 4 auszuweichen, um den Sicherheitsanforderungen nach PL d gerecht zu werden. In den meisten Fällen deutlich überdimensioniert – bei entsprechend höheren Kosten.
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