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Geberlose Sicherheitsfunktion Steigende Anforderungen an Produktivität und Personensicherheit erfüllen

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Sieb & Meyer hat Anwendern der SD2-Antriebsverstärker in diesem Frühjahr zwei neue geberlose Sicherheitsfunktionen vorgestellt. Sie sind speziell für rotierende Motoren ohne Drehzahlgeber konzipiert. Die Lösung soll Herstellern von Bearbeitungs- und Werkzeugmaschinen helfen, die steigenden Anforderungen bezüglich Produktivität und Personensicherheit zu erfüllen.

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Sieb und Meyer stellt Anwendern der SD25-Antriebsverstärker zwei neue geberlose Sicherheitsfunktionen zur Verfügung.
Sieb und Meyer stellt Anwendern der SD25-Antriebsverstärker zwei neue geberlose Sicherheitsfunktionen zur Verfügung.
(Bild: Sieb und Meyer)

Im Bereich der Bearbeitungs- bzw. Werkzeugmaschinen bestehen speziell im Fall von drehenden Achsen für den Bediener bzw. Servicetechniker Gefahren durch Werkzeuge, die noch bzw. mit zu hoher Drehzahl rotieren. Die Herausforderung für den Maschinenhersteller besteht darin, die Aspekte Personensicherheit und Produktivität gleichzeitig optimal bzw. normkonform umzusetzen. Bei klassischen Sicherheitslösungen müssen die Motoren bzw. Spindeln mit sicheren Drehzahlgebern ausgestattet sein, um gefährliche Betriebszustände erfassen bzw. vermeiden zu können. In der Folge müssen Maschinenhersteller Abstriche bei der Produktivität hinnehmen oder durch aufwendige Sicherheitskonzepte für unterschiedliche Anwendungsfälle entsprechende Sicherheits-Integritätslevels gewährleisten.

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Geberlose Sicherheitsfunktionen für sensorlose Systeme

Um das zu vermeiden, hat Sieb & Meyer den Antriebsverstärker SD2 nun um die geberlosen Funktionen „Sicherer Stillstandsmonitor“ (SFM – Safe Frequency Monitor) und „Sicher begrenztes Drehfeld“ (SLOF - Safe Limited Output Frequency) ergänzt. Sie sind vom Tüv Nord nach EN61508:2010 geprüft und erfüllen die Anforderungen eines Sicherheits-Integritätslevels von SIL3. Für die Umsetzung der neuen Sicherheitsfunktionen hat Sieb & Meyer die notwendige Hard- und Software in die Antriebsverstärker der SD2-Serie integriert. Die Funktionen bauen auf der in SD2-Antriebsverstärkern serienmäßig integrierten Funktion „Safe Torque Off“ (STO) auf. Das Ergebnis ist eine funktionale und kostengünstige Lösung für Maschinenhersteller, die sich für sensorlose Systeme eignet. Spindeln und Motoren müssen also nicht mit Drehzahlgebern ausgestattet werden – das ist besonders relevant für Einsatzbereiche wie dem Hochgeschwindigkeitsfräsen oder -schleifen, bei denen eine Integration von Drehzahlgebern in Spindeln/Motoren aus technischen oder finanziellen Gründen nicht möglich ist.

Sichere Stillstandsüberwachung mit der Funktion SFM

Mit der Sicherheitsfunktion SFM kann der Bediener sicher erkennen, ob eine geberlose Spindel nach dem Ausschalten den Stillstand erreicht bzw. eine sichere Drehzahlfrequenz unterschritten hat. Solange dies nicht geschehen ist, wird beispielsweise eine Schutztür nicht freigegeben. Diese Sicherheitsfunktion ist für rotierende Achsen – unter anderem Bohr- oder Frässpindeln – vorgesehen. Die SFM-Funktion kann zum Beispiel mit einer Grenzfrequenz von 10 Hz parametriert werden, das entspricht 600 min–1 bei einem 2-poligen Motor. Das Verletzungsrisiko ist bei rotierenden Werkzeugen unterhalb dieser Drehzahl als gering einzustufen bzw. kann der Bediener die Rotation des Werkzeugs visuell wahrnehmen. Somit wird das Betreten des Schutzraums als „sicher“ definiert. Die Funktion ist als Sensorsignal ausgeführt. Somit erkennt sie die Ist-Frequenz des Motors, kann aber die Drehfeldfrequenz nicht begrenzen. Hierfür soll sich die Funktion SLOF oder STO verwenden lassen.

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Der Antriebsverstärker SD2 von Sieb und Meyer

Das Antriebssystem SD2 soll eine sensorbehaftete und sensorlose Regelung für Synchron- und Asynchronmotoren ermöglichen und ist für jeden Einsatzfall schnell und flexibel anpassbar. Es bewährt sich laut Hersteller unter anderem in Hochgeschwindigkeits-Schleif- und -Frässpindeln, Multiachs-Rundtaktmaschinen zum Bohren, Fräsen und Schleifen sowie in hochdynamischen, drehzahlgeregelten Servo-Applikationen. Mit der Lösung lassen sich Hochgeschwindigkeits-Anwendungen bis 180.000 min–1 (3000 Hz) realisieren. Universelle Motorgeber-Auswertungen und vielfältige Anbindungsmöglichkeiten zur übergeordneten Steuerung sollen optimale Multiachs-Anwendungen erlauben.

Die SFM-Funktion basiert auf einer frequenzabhängigen, vom Motor induzierten Spannung bzw. der Restmagnetisierung. Diese Spannung ist sowohl bei Synchronmotoren als auch bei Asynchronmotoren an den Motorklemmen messbar. Der Antrieb ermittelt aus dieser Spannung die aktuelle Drehfeldfrequenz und vergleicht diese mit dem parametrierten Grenzwert. Liegt die Drehfeldfrequenz im parametrierten Bereich, generiert der Antrieb das Statussignal „Standstill“ (sicherer Stillstand). Das Stillstandsignal lässt sich nur bei deaktivierter Endstufe und abgeschalteter Hauptspannung generieren. Bei eingeschalteter Endstufe bzw. eingeschalteter Hauptspannung wird immer der Status „No Standstill“ (kein Stillstand) eingenommen.

Maximale Drehfeldbegrenzung mit der Funktion SLOF

Mit der Sicherheitsfunktion SLOF lässt sich sicherstellen, dass eine kritische Drehzahl nicht überschritten wird, zum Beispiel weil ansonsten Personen gefährdet oder ein Werkzeug durch eine Überdrehzahl bersten könnte. Dafür ermittelt die Funktion die aktuelle Drehfeldfrequenz und vergleicht sie mit dem parametrierten Grenzwert. Liegt die Drehfeldfrequenz im parametrierten Bereich, generiert der Antrieb das Statussignal „Frequency In Limits“ (Frequenz nicht zu hoch). Bei einer Überschreitung des Grenzwerts wird die Endstufe mittels STO freigeschaltet, das System erzeugt kein weiteres Drehmoment und somit keine weitere Beschleunigung. Dies entspricht dem Status „Frequency Out Of Limits“ (Frequenz zu hoch).

Die Funktion SLOF soll somit die sichere Begrenzung des Drehfeldes einer Spindel ermöglichen. Sie verhindert, dass die angeschlossene Spindel aktiv durch den Antrieb auf eine zu hohe Frequenz beschleunigt wird. Eine Überschreitung der Frequenz durch eine aktive, externe Beschleunigung lässt sich dabei nicht verhindern. Bei einer Überschreitung der sicher parametrierten maximalen Drehfeldfrequenz durch eine Fehleingabe bzw. durch eine Fehlfunktion des Antriebsverstärkers wird die Endstufe mittels der Funktion STO freigeschaltet.

Kundenspezifische Lösungen möglich

Die zwei neuen Sicherheitsfunktionen des SD2 sollen für Hersteller von Bearbeitungs- und Werkzeugmaschinen einen echten Mehrwert darstellen. Besonders spezielle Anforderungen erfüllt Sieb & Meyer im Rahmen von kundenspezifischen Lösungen: Auf Basis der bestehenden Geräteplattformen SD2x und SD3 realisiert Sieb & Meyer Lösungen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit Synchron- oder Asynchronmotoren bis 8000 Hz (480.000 min–1) sowie dynamische Motion-Anwendungen, zum Beispiel in der Schraub- und Presstechnik. Der Auftraggeber definiert vorab den Funktionsumfang für Hard- und Software für das Endgerät. Dies soll eine optimale Anpassung der Bauform und -größe, der Schnittstellen und der Leistung an die spezifischen Einsatzbedingungen gewährleisten. (sh)

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