Sichere Maschinen dank ABB-Steuerungs-­ und Umrichter­technologie

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Störungen von Maschinen können erhebliche Auswirkungen haben und die Sicherheit der Menschen gefährden. Daher ist funktionale Sicherheit in der Industrie von großer Bedeutung. Sicherheitssteuerungen und integrierte Safety-Funktionen in Umrichtern tragen zur Maschinensicherheit bei. Die Safety-SPSen der AC500-Serie und die All-Compatible-Frequenzumrichter von ABB sind hervorragende Beispiele hierfür.

Anforderungen an Maschinen

Maschinen müssen sicher und so konstruiert sein, dass sie in allen Phasen ihres Lebenszyklus mit minimalem Risiko für Mensch und Umwelt betrieben, konfiguriert und gewartet werden können. In der Europäischen Union zeigt das CE-Zeichen, dass eine Maschine vom Hersteller überprüft wurde und alle EU-weiten Anforderungen an Sicherheit, Gesundheit und Umweltschutz erfüllt. Alle weltweit hergestellten Produkte, die in der EU vermarktet werden, müssen das CE-Zeichen tragen und die Anforderungen der europäischen Maschinenrichtlinie erfüllen.

Sicherstellen funktionaler Sicherheit

Wenn Risiken nicht durch konstruktive Maßnahmen verringert oder vermieden werden können, kann die funktionale Sicherheit die Zusammenarbeit von Maschinen untereinander oder mit Menschen gewährleisten. Dadurch kann eine höhere Produktivität und Verfügbarkeit der Maschinen erreicht werden. Dies führt zu effizienteren Prozessen. Um Risiken zu minimieren, können Maschinen beispielsweise schnell und sicher angehalten oder unter bestimmten Bedingungen mit reduzierter sicherer Geschwindigkeit betrieben werden.

Funktionale Sicherheit ist ein weites Feld und spielt insbesondere in folgenden Bereichen eine wichtige Rolle: Papierindustrie, Skilifte, Zentrifugen und Dekanter, Förderbänder, Holzbearbeitungsmaschinen, Krane, Prüfstände, Rolltreppen, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, automatisierte Lagereinrichtungen, Freizeitparks und Kunststoffindustrie.

Das SPS-System AC500

Kernstück des Lösungsportfolios für Sicherheitssysteme ist die speicherprogrammierbare Steuerung AC500. Diese SPS kann mit Safety-CPU- und E/A-Modulen zu einer vollständig integrierten Sicherheitslösung aufgerüstet werden, die die hohen Anforderungen des Performance Levels bis PL e nach ISO 13849 oder des Safety Integrity Levels bis SIL 3 nach IEC 62061, IEC 61508 und IEC 61511 erfüllt.

Besonderheit der AC500 ist der Modulträger mit bis zu sechs Steckplätzen für Kommunikations- und Funktionsmodule sowie für eine Safety-CPU, die das gesamte System zur Safety-SPS AC500-S skalieren lässt. Bis zu zehn E/A-Module, darunter Safety-E/As, können an eine CPU angeschlossen werden. Reicht dies nicht aus, gibt es die Möglichkeit einer dezentralen Lösung mit Kopfstationen, an die wiederum bis zu zehn Safety- oder Non-Safety-Module angedockt werden können. Damit können besonders große oder räumlich ausgedehnte Projekte problemlos umgesetzt werden. Die ABB AC500 nutzt für die sichere Kommunikation PROFIsafe.

ABB hat für die AC500-S verschiedene Safety-CPUs und -E/As im Angebot: Non-Safety Portfolio, Safety-CPUs und -E/As als XC-Version für den Einsatz in sehr rauen Umgebungsbedingungen, wie z. B. -40 bis +70°C, hohen Vibrations- und Beschleunigungskräften und korrosiver Umgebungen.

Automation Builder

Die AC500-S bietet eine hardwareseitige Trennung zwischen Safety- und Non-Safety-E/As, die jedoch softwareseitig vollständig integriert sind. Der Austausch zwischen sicheren und nicht-sicheren Daten erfolgt reibungslos innerhalb des Automation Builders. Dieses Engineering-Tool umfasst auch das Functional Safety Design Tool FSDT-01, welches zur Bewertung des Performance Levels und des Safety Integrity Levels genutzt werden kann. Zusätzlich ist der Safety Code Analyzer integriert, der die Einhaltung der Sicherheits-Programmierregeln für SPS-Anwendungen (FBD, LD, ST) überprüft. Der Automation Builder ermöglicht die Umsetzung komplexer und skalierbarer Projekte und die Einbindung von Frequenzumrichtern auf Feldebene.

Funktionsbereiche der AC500

PROFIsafe Plug-in Module

Eine wichtige Safety-Applikation ist die Tunnelautomation. Dabei muss zu jeder Zeit die Personensicherheit innerhalb der Anlage sichergestellt werden. Beim SPS-System AC500 sind Skalierbarkeit und Konnektivität entscheidende Merkmale, um komplette Tunnellösungen realisieren zu können. Ein weiterer relevanter Safety-Bereich ist das Material Handling mit Turmdrehkranen.

Ein System besteht aus Krannetzwerken, die miteinander in einem Bewegungskreis interagieren, ist eine Herausforderung an die Kommunikation zwischen den einzelnen Kransystemen. Die Safety-SPS AC500-S bietet dafür besondere Merkmale wie die Gleitpunkt- und trigonometrische Berechnung, Programmierung in Structured Text sowie PROFINET/PROFIsafe-Kommunikation.

Mit der AC500 lassen sich auch die Produktivität und Effizienz von Kransystemen steigern, wie ein Beispiel von vollautomatischen RMG-Kranen (Rail Mounted Gantry, Schienenportalkrane) zeigt.

Nachdem die Krane mit erweiterter funktionaler Sicherheit mit der AC500 SPS sowie ACS880-Frequenzumrichtern automatisiert wurden, laufen sie heute vollautomatisch im 24-Stunden-Betrieb.

Die Containerumschlagskapazität des Terminals wurde dadurch um 20 %, die Geräteauslastung um 35 % und seine Produktionskapazität um 10 % gesteigert.

Portalkran von ABB

Was ist der Unterschied zwischen ISO und IEC?

ISO steht für „International Organisation for Standardization“ und bezeichnet internationale Normen. 1946 wurde die Organisation gegründet, um Industriestandards aufzustellen, technische Regeln zu vereinfachen und international vergleichbar zu machen.

IEC steht für „International Electrotechnical Commision“ und befasst sich mit Themen, die mit Elektrik und Elektronik zu tun haben.

  • ISO 13849: Die Norm ISO 13849 ist eine sicherheitsspezifische Norm, welche sich mit Gestaltungsleitsätzen zu sicherheitsbezogenen Teilen von Steuerungen beschäftigt.
  • IEC 62061: Stellt eine sektorspezifische Norm unterhalb der IEC 61508 da. Sie beschreibt die Realisierung sicherheitsrelevanter Steuerungssysteme von Maschinen und betrachtet den gesamten Lebenszyklus von der Konzeptphase bis zur Außerbetriebnahme.
  • IEC 61508: Die IEC 61508, auch als DIN EN 61508 bekannt, ist eine grundlegende Sicherheitsnorm bzw. -normenreihe. Sie befasst sich branchenübergreifend mit der Klassifizierung von Risiken und deren Wahrscheinlichkeiten sowie den umfangreichen Anforderungen, mit denen eine funktionale Sicherheit erreicht werden soll.
  • IEC 61511: Der generische Sicherheitsstandard IEC 61511 fordert Unternehmen auf sicherzustellen, dass die mit Funktionaler Sicherheit vertrauten Personen einen ausreichenden Grad an Kompetenz und Qualifikation besitzen.

Integrierte Sicherheit im Frequenzumrichter

Maschinensicherheit muss nicht ausschließlich durch separate externe SPS-Systeme gewährleistet werden. Ein Beispiel für die wachsende Integration von Sicherheit, Steuerung und Überwachung sind die modernen Frequenzumrichter der All-Compatible-Plattform von ABB.

Die Frequenzumrichter bieten :

  • Ein einheitliches Look-and-Feel
  • Eine konsistente Inbetriebnahme und Parametrierung
  • Ein gemeinsames Bedienpanel mit Klartextanzeige

Zusätzlich teilen Sie sich:

  • Zubehör wie Feldbus- oder E/A-Module
  • Tools wie den Drive Composer für die Antriebsinbetriebnahme, Prozessoptimierung und Überwachung

Alle All-Compatible-Frequenzumrichter sind standardmäßig mit der Sicherheitsfunktion „Sicher abgeschaltetes Drehmoment“ (STO) ausgestattet, die Maschinen sicher in einen drehmomentfreien Zustand versetzt und einen plötzlichen Anlauf verhindert. Dies eliminiert die Notwendigkeit eines Sicherheitsrelais sowie zweier redundant ausgeführter Schütze zur Realisierung dieser Sicherheitsfunktion, was die Wartung erleichtert und den Verkabelungsaufwand reduziert.

Dank fortschrittlicher Sicherheitstechnologien sind Sicherheitsfunktionen fester Bestandteil der ABB-Frequenzumrichter. Integrierte und optionale Sicherheitsfeatures ermöglichen es, Maschinen stets optimal zu fahren. Bei kleinen Störungen muss die gesamte Anlage nicht komplett stillgelegt werden. Stattdessen kann die Geschwindigkeit sicher reduziert werden, um die Situation zu bewerten und anschließend die Maschine wieder hochzufahren. Diese Sicherheitsmodule sind in die kompakten Frequenzumrichter integriert, sodass kein zusätzlicher Platz im Schaltschrank benötigt wird.

Weitere Sicherheitsmodule

Für zahlreiche Anwendungen im Bereich Motion, bietet ABB das PROFIsafe-Sicherheitsfunktionsmodul FSPS-21 als zusätzliche Sicherheitsoption an. FSPS-21 ermöglicht eine sichere Ethernet-Verbindung zwischen dem Umrichter und einer Sicherheits-SPS über das PROFIsafe-over-PROFINET-IO-Protokoll und unterstützt neben der STO-Funktion auch den „Sicheren Stopp“ (SS1).

Weitere Sicherheitsfunktionen wie die „Sichere Bremsenansteuerung“ (SBC) und die „Sicher begrenzte Drehzahl“ (SLS) sind im Sicherheitsfunktionsmodul FSO-12 integriert. Mit den Modulen FSO-21 und FDE-31, das für die Rückführung von Drehgeberdaten sorgt, bietet ABB zudem Highend-Funktionen wie SLS mit Geberrückführung an.