Abschnitt 6.2 - 6.2 Anwendungsbeispiele
(Beispiele 6.2.1 bis 6.2.3 Quelle: BGIA-Report 2/2008 "Funktionale Sicherheit von Maschinensteuerungen" [17])
In den folgenden Anwendungsbeispielen werden nur einige der möglichen Sicherheitsfunktionen betrachtet und erläutert. Applikationsabhängig sind ggf. weitere Sicherheitsfunktionen zu betrachten.
6.2.1
Stellungsüberwachung einer beweglichen trennenden Schutzeinrichtung
Kategorie 1 - PL c
Betrachtete Sicherheitsfunktion
Sicherheitsbezogene Stoppfunktion, eingeleitet durch eine Schutzeinrichtung: Das Öffnen der beweglichen trennenden Schutzeinrichtung leitet die Sicherheitsfunktion STO (sicher abgeschaltetes Moment) ein.
Funktionsbeschreibung
Das Öffnen der beweglichen trennenden Schutzeinrichtung (z. B. Schutzgitter) wird durch einen Positionsschalter B1 mit zwangsöffnendem Kontakt erkannt, der ein Schütz Q1 ansteuert. Durch das Abfallen von Q1 werden gefahrbringende Bewegungen oder Zustände unterbrochen bzw. verhindert.
Die Sicherheitsfunktion lässt sich nicht bei allen Bauteilausfällen aufrechterhalten und hängt von der Zuverlässigkeit der Bauteile ab.
Es sind keine Maßnahmen zur Fehlererkennung vorgesehen.
Ein Entfernen der Schutzeinrichtung wird nicht bemerkt.
6.2.2
Stellungsüberwachung einer beweglichen trennenden Schutzeinrichtung
Kategorie 3 - PL d
Betrachtete Sicherheitsfunktion
Sicherheitsbezogene Stoppfunktion, eingeleitet durch eine Schutzeinrichtung: Das Öffnen der beweglichen trennenden Schutzeinrichtung (Schutzgitter) leitet die Sicherheitsfunktion STO (sicher abgeschaltetes Moment) ein.
Funktionsbeschreibung
Das Öffnen der beweglichen trennenden Schutzeinrichtung (z. B. Schutzgitter) wird durch einen Positionsschalter B1 und B2 in Öffner-Schließer-Kombination erfasst. Der Positionsschalter B1 mit zwangsöffnendem Kontakt steuert ein Schütz Q2 an, durch dessen Abfallen gefahrbringende Bewegungen oder Zustände unterbrochen bzw. verhindert werden. Der Positionsschalter B2 mit Schließerkontakt wird von einer Standard-SPS K1 eingelesen, die über die Ansteuerung eines zweiten Schützes Q1 die gleiche Abschaltreaktion bewirken kann.
Beim Auftreten eines Bauteilausfalls bleibt die Sicherheitsfunktion erhalten.
Die Schaltstellung von B1 wird über einen Schließerkontakt ebenfalls in die SPS K1 eingelesen und auf Plausibilität mit der Schaltstellung von B2 verglichen. Die Schaltstellung der Schütze Q1 und Q2 wird ebenfalls über zwangsgeführte Rücklesekontakte in K1 überwacht. Bauteilausfälle in B1, B2, Q1 und Q2 werden durch K1 erkannt und führen durch das Abfallen von Q1 und Q2 zur Betriebshemmung. Fehler in der SPS K1 werden nur über die Funktion erkannt (Fehlererkennung durch den Prozess).
6.2.3
Stellungsüberwachung beweglicher trennender Schutzeinrichtungen
Kategorie 3 - PL e
Betrachtete Sicherheitsfunktion
Sicherheitsbezogene Stoppfunktion, eingeleitet durch eine Schutzeinrichtung: Das Öffnen einer beweglichen trennenden Schutzeinrichtung (Schutzgitter) leitet die Sicherheitsfunktion STO (Sicher abgeschaltetes Moment) ein.
Funktionsbeschreibung
Die Sicherung einer Gefahrenstelle erfolgt mit zwei beweglichen trennenden Schutzeinrichtungen (Schutzgittern). Das Öffnen jedes Schutzgitters wird durch zwei Positionsschalter B1/B2 in Öffner-Schließer-Kombination erfasst und in einem zentralen Sicherheitsbaustein K1 ausgewertet. Dieser steuert zwei Schütze Q1 und Q2 an, durch deren Abfallen gefahrbringende Bewegungen oder Zustände unterbrochen bzw. verhindert werden.
Alle Positionsschalter werden zur Fehlererkennung durch einen zweiten Kontakt in eine handelsübliche SPS K3 eingelesen, die hauptsächlich der Funktionssteuerung dient. Über ein Hilfsschütz K2 kann diese im Fehlerfall unabhängig von K1 die Schütze Q1 und Q2 abschalten. Fehler in K2, Q1 und Q2 werden durch den Sicherheitsbaustein K1 erkannt. Einige wenige Fehler werden nicht erkannt (z. B. Nichtunterbrechung der Kontakte in B2 und B4).
Beim Auftreten eines Bauteilausfalls bleibt die Sicherheitsfunktion erhalten. Die meisten Bauteilausfälle werden erkannt und führen zur Betriebshemmung.
Das Blockschaltbild zeigt nur die Sicherheitsfunktion von Schutzeinrichtung 1. Die Schutzeinrichtung 2 ist analog zu betrachten.
6.2.4
Verriegelungseinrichtung mit Zuhaltung
Kategorie 3 - PL d - Fehlerausschluss auf mechanische Teile der Zuhaltung
Betrachtete Sicherheitsfunktionen
Zuhaltung: Der Zugang zu einer gefahrbringenden Bewegung wird durch eine Schutztür mit Zuhaltung verhindert,
Verriegelungseinrichtung: Verhindern eines unerwarteten Anlaufs aus dem Stillstand bei geöffneter Schutztür,
Entsperren der Zuhaltung: Ein Öffnen der Schutzeinrichtung ist nur möglich, nach Erreichen des Stillstands des Motors.
Funktionsbeschreibung
Der Zugang zu einer gefahrbringenden Bewegung wird durch eine Schutztür mit Zuhaltung solange verhindert, bis die Bewegung zum Stillstand gekommen ist (Sicherheitsfunktion Zuhaltung). Die Tür wird durch einen federkraftbetätigten Bolzen (Sperrmittel) eines Hubmagneten zugehalten, der ein Herausziehen des Betätigers aus dem Schalterkopf verhindert, bis die Ansteuerung des Zuhaltemagneten erfolgt.
Die Zuhaltung besitzt gemäß Herstellerangabe eine Fehlschließsicherung.
Der unerwartete Anlauf des Motors wird verhindert, da durch die Fehlschließsicherung die Kontakte B1 und B2 nur dann schließen, wenn die Zuhaltung nicht angesteuert wird (Sicherheitsfunktion Verriegelung).
Ein Stillstandwächter K2 öffnet den eingebauten Schließerkontakt (je nach verwendetem Bauteil auch mehrere Kontakte), sobald die Drehzahl größer als Null ist. Dadurch kann die Zuhaltung auch über den Schalter S1 nicht mehr geöffnet werden (Sicherheitsfunktion Entsperren der Zuhaltung).
Der Bolzen des Hubmagnets wirkt direkt auf die zwangsöffnenden Kontakte B1 und B2, die an das Sicherheitsschaltgerät K1 angeschlossen sind.
Die gefahrbringende Bewegung kann nur bei geschlossener und zugehaltener Schutztür in Gang gesetzt werden.
Auf die mechanischen Teile der Verriegelungseinrichtung mit Zuhaltung wird ein Fehlerausschluss gemacht. Dies setzt voraus, das die nachfolgenden Bedingungen eingehalten sind: Der Betätiger der Zuhaltung wird so geführt, dass selbst ein Absenken der Türstellung nicht dazu führt, dass der Betätiger außerhalb des vom Hersteller spezifizierten Bereichs kommt. Die Kräfte, die statisch auf die Zuhaltung einwirken können, bspw. durch den Benutzer, sind geringer, als die Zuhaltekräfte FZH nach GS-ET-19 [20]. Dynamische Kräfte können nicht auftreten, da die Schutzeinrichtung von Hand bewegt wird und die Ansteuerung der Zuhaltefunktion erst dann erfolgt, wenn die Türstellung als geschlossen erkannt wird. Der Fehlerausschluss muss begründet werden. Hilfestellung hierzu geben die Anhänge der DIN EN ISO 13849-2 [10].
Auf Grund der Fehlschließsicherung gilt der Fehlerausschluss für die Sicherheitsfunktionen Verriegelung und Zuhaltung. Auf Grund DIN EN ISO 13849-2 [10], Tabelle D8 erfolgt für die Sicherheitsfunktion Verriegelung eine Begrenzung auf PL d.
Konstruktive Merkmale
Stillstandswächter K2 detektiert über eine Strommessung die Energieabschaltung des Drehstrommotors. Dies ist im Beispiel gleichbedeutend mit Stillstand.
B1 und B2 sind Schaltelemente der Zuhaltung mit zwangsöffnenden Kontakten entsprechend DIN EN 60947-5-1 [5] Anhang K.
Grundlegende Sicherheitsprinzipien sowie die Anforderungen der Kategorie B nach DIN EN 60947-5-1 [9] sind eingehalten.
Q1 und Q2 besitzen zwangsgeführte Kontaktelemente entsprechend DIN EN 60947-5-1 [5] Anhang L.
Das Sicherheitsschaltgerät K1 erkennt Quer- und Erdschlüsse und erfüllt mindestens die Anforderungen der Kategorie 3 der DIN EN ISO 13849-1 [9].
Schutzbeschaltungen, z. B. strombegrenzende Kurzschlussschutzeinrichtungen sind vorgesehen.
Q3 ist eine Zuhaltung mit Fehlschließsicherung, Die Konstruktion der Schutzeinrichtung ist so ausgeführt, dass Fehlerausschlüsse gemäß DIN EN ISO 13849-2 [10], Tabelle A4 angenommen werden können.
6.2.5
Verriegelungseinrichtung mit Zuhaltung
Kategorie 4 - PL d/PL e
Sicherheitsfunktionen
Zuhaltung (PL d): Der Zugang zu einer gefahrbringenden Bewegung wird durch eine Schutztür mit Zuhaltung verhindert.
Verriegelungseinrichtung (PL e): Verhindern eines unerwarteten Anlaufs aus dem Stillstand bei geöffneter Schutztür.
Entsperren der Zuhaltung: Ein Öffnen der Schutzeinrichtung ist nur möglich nach Erreichen des Stillstands des Motors.
Funktionsbeschreibung
Der Zugang zu einer gefahrbringenden Bewegung wird durch eine Schutztür mit Zuhaltung solange verhindert, bis die Bewegung zum Stillstand gekommen ist (Sicherheitsfunktion Zuhaltung). Die Tür wird durch einen federkraftbetätigten Bolzen (Sperrmittel) eines Hubmagneten zugehalten, der ein Herausziehen des Betätigers aus dem Schalterkopf verhindert, bis die Ansteuerung des Zuhaltemagneten erfolgt.
Die Zuhaltung besitzt gemäß Herstellerangabe eine Fehlschließsicherung.
Der unerwartete Anlauf des Motors wird verhindert, da die Kontakte B3 und B4 nur dann schließen, wenn die Tür geschlossen ist (Sicherheitsfunktion Verriegelung).
Der Bolzen des Hubmagnets wirkt direkt auf die zwangsöffnenden Kontakte B1 und B2, die an ein Sicherheitsschaltgerät angeschlossen sind.
Die gefahrbringende Bewegung kann nur bei geschlossener und zugehaltener Schutztür in Gang gesetzt werden, da K1 und K2 in Reihe geschaltet sind.
Mit Betätigen der Stopp-Taste fallen Q1 und Q2 ab, und das Zeitrelais K3 wird gestartet. K3 schließt die eingebauten Kontakte sobald die eingestellte Zeit abgelaufen ist. Diese eingestellte Zeit TZ muss größer sein als die Nachlaufzeit TN. Dann kann die Zuhaltung durch Betätigen von S1 geöffnet werden (Sicherheitsfunktion Entsperren der Zuhaltung).
Auf die Mechanik der Zuhaltefunktion wird ein Fehlerausschluss gemacht. Dies setzt voraus, das die nachfolgenden Bedingungen eingehalten sind: Der Betätiger der Zuhaltung wird so geführt, dass selbst ein Absenken der Türstellung nicht dazu führt, dass der Betätiger außerhalb des vom Hersteller spezifizierten Bereichs kommt. Die Kräfte, die statisch auf die Zuhaltung einwirken können, bspw. durch den Benutzer, sind geringer, als die Zuhaltekräfte FZH nach GS-ET-19 [20]. Dynamische Kräfte können nicht auftreten, da die Schutzeinrichtung von Hand bewegt wird und die Ansteuerung der Zuhaltefunktion erst dann erfolgt, wenn die Türstellung als geschlossen erkannt wird. Der Fehlerausschluss muss begründet werden.
Konstruktive Merkmale
Grundlegende Sicherheitsprinzipien sowie die Anforderungen der Kategorie B nach DIN EN ISO 13849-1 [9] sind eingehalten. Schutzbeschaltungen, z. B. strombegrenzende Kurzschlussschutzeinrichtungen sind vorgesehen.
Z1 ist eine elektromechanische Zuhaltung mit Fehlschließsicherung. Die Ausfallsicherheit wird bestimmt durch die Konstruktion sowie die Güte der verwendeten Bauteile. Für die Berechnung gibt der Hersteller einen B10d-Wert an.
B1 und B2 sind Schaltelemente der Zuhaltung mit zwangsöffnenden Kontakten entsprechend DIN EN 60947-5-1 [5] Anhang K.
P1 ist ein zusätzlicher Positionsschalter zur Stellungsüberwachung der Schutzür. Mit P1 besteht sowohl für den elektrischen Teil als auch für den mechanischen Teil der Sicherheitsfunktion Verriegelung Redundanz. Anmerkung: Ohne P1 wird, aufgrund der Anmerkung in Tabelle D.8 der DIN EN ISO 13849-2 [10], der erreichbare Performance Level auf PL d begrenzt.
B4 ist ein zwangsöffnender Kontakt entsprechend DIN EN 60947-5-1 [5] Anhang K.
Q1 und Q2 besitzen zwangsgeführte Kontaktelemente entsprechend DIN EN 60947-5-1 [5] Anhang L.
Die Sicherheitsschaltgeräte K1 und K2 erkennen Quer- und Erdschlüsse und erfüllen die Anforderungen der Kategorie 4 der DIN EN ISO 13849-1 [9].
Die eingestellte Zeit TZ von K3 muss größer sein als die Nachlaufzeit TN.
Die Kategorie des Zeitrelais K3 erfüllt die Anforderungen der Kategorie 4.