Definition Was ist ein Sicherheitslichtgitter?

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Sicherheitslichtgitter sind wichtiger Bestandteil der betrieblichen Sicherheit: Die berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen (BWS) sollen Personen in Gefahrenbereichen von Maschinen, Robotern und automatisierten Anlagen vor Unfällen bewahren. Wie sind Sicherheitslichtgitter aufgebaut und wie funktionieren sie? Dieser Artikel beantwortet diese und weitere Fragen.

Sicherheitslichtgitter, auch Sicherheitslichtvorhänge oder Unfallschutz-Lichtvorhänge genannt, sind optoelektronische Systeme, die nach dem Prinzip der Einweglichtschranke arbeiten. Im Grunde sind die Geräte daher in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise weitestgehend identisch. So bestehen Sicherheitslichtgitter generell aus einer Sender- und Empfängerleiste, in denen eine Vielzahl von Sende- und Empfangselementen verbaut sind.

Wir funktionieren Sicherheitslichtgitter?

Die LEDs der Senderleiste emittieren Infrarotstrahlen in einem zeitlich festgelegten Ablaufmuster, das von den Empfängern der gegenüberliegenden Leiste erfasst bzw. detektiert wird. Nach einem kompletten Durchlauf, der nur Millisekunden benötigt, wertet ein Controller in der Empfängerleiste aus, ob mindestens ein Strahl des Lichtgitters unterbrochen wurde und sich somit ein Objekt zwischen Sender- und Empfänger befindet. Ist dies der Fall, schaltet der Empfänger seine Sicherheitsausgänge ab.

Sicherheitslichtgitter werden als optoelektronische Sicherheitseinrichtungen vor allem zur Absicherung von Zugangsbereichen oder möglichen Gefahrenstellen eingesetzt und sind daher ein fester Bestandteil des Sicherheitskonzepts etwa einer Maschine oder Anlage. Als Systeme für den Unfallschutz sind sie somit häufig u.a. an Pressen, Stanzen, Biege- und Schneidemaschinen, Anlagen mit Robotern, Bestückungsplätzen, Verpackungsmaschinen oder Förderanlagen zu finden, um nur wenige Beispiele zu nennen.

Wo werden Sicherheitslichtgitter häufig eingesetzt?

Sicherheitslichtgitter erfüllen vielfältige Aufgaben:

• wenn z. B. ein Maschinenbediener in sehr kurzen Zeitabständen mit einer Maschine interagieren muss, z. B. beim Einlegen von Bauteilen in Montageautomaten

• wenn gefährliche Arbeitsbereiche in einem verketteten Materialfluss abgesichert werden müssen, ohne den Materialfluss selbst zu stören

• wenn bei Maschinen ohne Schutzumhausungen die Absicherung eines Gefahrenbereichs erforderlich ist, z. B. an Blechbearbeitungsmaschinen, Pressen, Stanzen, Folienwickelmaschinen, Papierschneidemaschinen, usw.

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Was ist bei der Auswahl eines Sicherheitslichtgitters zu berücksichtigen?

Je nach Einsatzort bzw. geforderter Absicherung eines Gefahrenbereichs werden Sicherheitslichtgitter in die Kategorien Fingerschutz, Handschutz und Körperschutz eingeteilt. Die Lösungen verfügen je nach Kategorie über unterschiedliche Schutzfeldhöhen mit einer entsprechenden Anzahl an Sende- und Empfangselementen.

Vor Auswahl eines Sicherheitslichtgitters ist das Gefährdungspotential unter Berücksichtigung gesetzlicher Richtlinien (z. B. der Neufassung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und der Normenreihe IEC 61496 zu den allgemeinen Anforderungen für Gestaltung, Bau und Prüfung von BWS) und der Situation vor Ort zu ermitteln.

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Entsprechend der Gefahrenbewertung sollten bei der Wahl eines Systems zunächst folgende Eigenschaften berücksichtigt werden:

• Auflösung des Systems

• Höhe der Schutzbereichs (Schutzfeldhöhe)

• Mindestsicherheitsabstand des Systems zum Gefahrenbereich

Die Größe des Schutzfeldes eines Sicherheitslichtgitters hängt von der Entfernung zwischen Sender- und Empfängerleiste (Reichweite) sowie dessen Höhe ab (Schutzfeldhöhe). Der Abstand zwischen den Lichtstrahlen bildet die Auflösung des Sicherheitslichtgitters.

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Genauer gesagt ist hier die Größe eines matten Objektes zu verstehen, das mindestens einen Strahl des Abtastbereichs eines Lichtgitters unterbricht. Die Auflösung eines Sicherheitslichtgitters wird somit allein durch die geometrischen Eigenschaften der Gerätelinsen, dem Durchmesser der einzelnen Strahlen und deren Abstand zueinander bestimmt, nicht aber durch die Umgebungs- und Betriebsbedingungen der Schutzeinrichtung.

Unterscheidung zwischen Abtast- und Schutzbereich

Wie bereits oben beschrieben, wird die Höhe des von einem Sicherheitslichtgitter abgesicherten Gesamtbereichs als Schutzfeldhöhe bezeichnet. Diese ist je nach Art bzw. Kategorie des Lichtgitters für den Finger-, Hand- und Körperschutz unterschiedlich. Lösungen für den Fingerschutz haben in der Regel eine Höhe von 14 mm, während Lichtgitter für den Handschutz über Höhen zwischen 30 mm und 40 mm verfügen.

Beim Körperschutz wird hingegen zwischen der Höhe des Abtastbereichs und des Schutzbereichs unterschieden. Der Abstand zwischen dem obersten Punkt der ersten und dem untersten Punkt der letzten Linse eines Lichtgitters definiert den Abtastbereich. Die mit einem solchen System effektiv abgesicherte Höhe, in der ein nicht-transparentes Objekt zuverlässig einen Strahl des Lichtgitters unterbricht, ist stattdessen der Schutzbereich. Das besagte Objekt muss hierbei die gleiche oder eine größere Abmessung haben, wie die Auflösung des Systems.

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Auswahl des erforderlichen BWS-Typs

Optoelektronische Schutzeinrichtungen haben, abhängig von ihrer Funktionsweise und ihrem technischen Aufbau, unterschiedliche sicherheitstechnische Leistungsmerkmale. Die IEC 61496-1 „Sicherheit von Maschinen – berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen“ unterscheidet in diesem Zusammenhang zwischen 3 Typen von BWS, die fest mit den Anforderungen an PL (Performance Level) gemäß ISO 13849-1 und SIL (Safety Integrity Level) gemäß IEC 62061 verknüpft sind:

Typ 2, PL c, SIL 1

Die BWS muss eine Einrichtung zur Durchführung von periodischen Tests besitzen. Zwischen den Tests ist ein Verlust der Schutzfunktion möglich.

• Ein Fehler muss entweder sofort oder

• durch den nächsten periodischen Test

• oder bei Aktivierung des Sensorteils identifiziert werden, wobei sich mindestens ein Ausgang abschalten muss.

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Was ist der Performance Level?

Typ 3, PL d, SIL 2

Die BWS muss jeden Einzelfehler aufdecken, der sicherheitskritisch ist. Die Schutzfunktion muss dabei erhalten bleiben. Eine Anhäufung von Fehlern ist zulässig, wenn diese nicht sicherheitskritisch sind. Dies darf jedoch nicht zum Verlust der Schutzfunktion führen.

Ein Fehler, der zu Einschränkung der Detektionsfähigkeit führt, muss entweder:

• innerhalb von 5 Sekunden oder

• beim Auslösen der Sensorfunktion oder

• beim Aus- / Einschalten oder

• beim Zurücksetzen einer internen Anlauf-/ Wiederanlaufsperre (falls vorhanden) oder

• nach Abschluss eines Tests ausgelöst durch ein externes Testsignal (falls vorhanden)

aufgedeckt werden. Dies muss dazu führen, dass beide OSSD-Ausgänge abgeschaltet werden und die BWS in den Verriegelungszustand wechselt.

Typ 4, PL e, SIL 3

Ein einzelner Fehler, der zum Verlust des Detektionsvermögens führt, muss dazu führen, dass die BWS innerhalb der Reaktionszeit in einen Verriegelungszustand wechselt.

Ein einzelner Fehler, der das Abschaltvermögen oder die Reaktionszeit beeinträchtigt, muss entweder

• innerhalb der angegebenen Reaktionszeit

• oder beim Auslösen der Sensorfunktion

• oder beim Aus- / Einschalten

• oder beim Zurücksetzen einer interne Anlauf-/ Wiederanlaufsperre (falls vorhanden)

aufgedeckt werden. Auch dies muss zum Abschalten beider OSSD-Ausgänge und zum Wechseln der BWS in den Verriegelungszustand führen.

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Welche Faktoren sind für den Mindestabstand zu einem Gefahrenbereich relevant?

Ein Sicherheitslichtgitter muss als BWS stets rechtzeitig auslösen und damit den vollständigen Stopp der Bewegung eines Maschinen- oder Anlagenteils sicherstellen, noch bevor ein Objekt (Finger, Hand oder Körper) durch den Eintritt in den Schutzbereich mit der Gefahrenquelle in Berührung kommt. In der Praxis treten in diesem Zusammenhang am häufigsten Fragen auf, denn das Thema ist weitaus komplexer, als man zunächst annehmen mag.

Gemäß EN ISO 13855:2010 (Sicherheit von Maschinen – Anordnung von Schutzeinrichtungen im Hinblick auf Annäherungsgeschwindigkeit von Körperteilen) hängt die korrekte Entfernung eines Sicherheitslichtgitters von einem Gefahrenbereich ab von der:

• Ansprechzeit eines Sicherheitslichtgitters – dies ist die Zeit, die zwischen der effektiven Unterbrechung der Lichtstrahlen und Öffnung der Kontakte des Ausgangsschaltelements eines Sicherheitslichtgitters vergeht.

• Nachlaufzeit einer Maschine – dieser Wert definiert die Zeit, die nach dem Auslösen des Lichtgitters bis zum effektiven Stopp der gefährdenden Maschinenbewegung verstreicht.

• Auflösung der BWS

• Annäherungsgeschwindigkeit – dies ist die Geschwindigkeit, mit der sich ein vom System zu erfassendes Objekt (Finger, Hand, Körper) dem Gefahrenbereich nähert.

Eine Formel schafft sichere Distanz

Warum der Nachlaufzeit hierbei eine besondere Bedeutung zukommt, soll anhand der Formel für die Berechnung des Sicherheitsabstandes eines senkrecht montierten Sicherheitslichtgitters verdeutlicht werden.

Die Formel lautet: S = K × (t1+ t2) + C

Bedeutung der Variablen:

• S = Sicherheitsabstand (mm)

• K = Annäherungsschwindigkeit (s)

• t1 = Ansprechzeit des Sicherheitslichtgitters

• t2 = Nachlaufzeit der Maschine

• C = zusätzlicher Abstand, der die Möglichkeit berücksichtigt, dass ein Objekt vor dem Ansprechen des Sicherheitslichtgitters in den Gefahrenbereich gelangt.

Je nach Auflösung eines Sicherheitslichtgitters wird C unterschiedlich bewertet: Ist die Auflösung > 40 mm (Körperschutz) beträgt C = 850 mm. Bei einer Auflösung ≤ 40 mm lautet die Formel: C = 8 (R-14) (R= Auflösung des Lichtgitters)

Bei der Berechnung des Mindestsicherheitsabstandes und insbesondere der Bewertung der Nachlaufzeit einer Maschine kommt es in der Praxis mitunter zu irrtümlichen Einschätzungen. Sie beruhen u.a. auf der Annahme, eine Maschine stehe bei einem ausgelösten Notstopp sofort still. Das ist in der Regel jedoch nicht der Fall. Und bis zu einem absoluten Stopp vergehen zumeist nur Millisekunden, die aber im Zweifelsfall entscheidend sein können.

Wie schnell sich Sicherheitsabstände vergrößern

Hierzu ein Beispiel. Ein Sicherheitslichtgitter für den Fingerschutz hat eine Auflösung (R) von 14 mm. Gemäß der genannten Formel für Geräte mit einer Auflösung ≤ 40 mm würde die Berechnung des Faktors C (zusätzlicher Abstand) folgendes Ergebnis liefern: 8 (14-14) = 0.

Zur Ermittlung des Sicherheitsabstandes verbleiben somit noch die Variablen für die Annäherungsgeschwindigkeit (K) sowie die Ansprechzeit (t1) und Nachlaufzeit (t2).

Bei der Berechnung des Sicherheitsabstandes für Lichtgitter für den Finger- und Handschutz ist K mit 2 m/s (2000 mm/s) spezifiziert. Der Abstand des Sicherheitslichtgitters zum Gefahrenbereich ergibt sich somit aus der Summe der Ansprechzeit und der Nachlaufzeit der Maschine (jeweils in Millisekunden) multipliziert mit 2 (K).

Benötigt eine Maschine zum Beispiel 50 ms für einen vollständigen Stopp und hätte ein Lichtgitter eine Ansprechzeit von 11 ms, so müsste der Abstand der Schutzeinrichtung für den Fingerschutz 122 mm vom Gefahrenbereich betragen. Bei einer Nachlaufzeit einer Maschine von 500 ms, also einer halben Sekunde, müsste der erforderliche Abstand des Sicherheitslichtgitters schon 1022 mm betragen.

Bei dem Beispiel muss berücksichtigt werden, dass für den Wert „K“ beim Finger-, Hand- und Körperschutz eine Ausnahmeregel existiert. Ist der berechnete Abstandswert ≤ 500 mm, so wird für K der Wert 2000mm/s angesetzt, wie beschrieben. Ergibt die erste Berechnung jedoch > 500 mm, so darf für K eine Annäherungsgeschwindigkeit von 1600 mm/s angesetzt werden. Wird diese Regel für das Beispiel angewendet, beträgt bei einer Nachlaufzeit von 0,5 s der Abstand des Sicherheitslichtgitters immer noch 817,6 mm.

Welche besonderen Funktionen können Sicherheitslichtgitter haben?

Viele Hersteller von Sicherheitslichtgittern bieten ihre Lösungen mit einer sogenannten Mutingfunktion an. Hierbei wird die Sicherheitsfunktion eines Lichtgitters für einen begrenzten Zeitraum automatisch deaktiviert. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Materialien durch ein Schutzfeld in einen abgesicherten Gefahrenbereich transportieren, ohne dass die Sicherheitsfunktion des Lichtgitters ausgelöst wird. Dieser Vorgang wird mithilfe von weiteren Sensoren überwacht, um etwa den Eintritt einer Person in ein Gefahrenbereich zu verhindern.

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Sicherheit auch bei wechselnden Formaten

Eine weitere Eigenschaft von Sicherheitslichtgittern kann z. B. eine Kreuzstrahlfunktion sein. Hierbei verlaufen die Lichtstrahlen zwischen Sender- und Empfängerleiste nicht parallel zueinander, sondern kreuzförmig, wodurch sich die Auflösung eines Lichtgitters (bei gleicher Schutzfeldhöhe wie bei parallel verlaufenden Lichtstrahlen) verdoppelt und somit auch kleinste Objekte von dem System erkannt werden.

Wie häufig sollten Sicherheitslichtgitter überprüft werden?

Da BWS einen wesentlichen Beitrag zur Betriebssicherheit leisten, müssen sie regelmäßig überprüft werden. Empfohlen wird in der Regel eine Prüfung pro Jahr, wobei sich die Intervalle je nach Einsatzbereich der BWS auch verkürzen können. In diesem Zusammenhang ist u.a. zu berücksichtigen, welchen Umgebungseinflüssen die installierten Sicherheitslichtgitter ausgesetzt sind, und ob diese die Funktion der BWS entscheidend beeinträchtigen können. Darüber hinaus haben noch weitere Kriterien einen Einfluss auf die Häufigkeit der Prüfungen, darunter u. a.:

• Einsatzzeiten (z. B. wie häufig sind die Systeme pro Tag in Betrieb und welchen Belastungen sind sie hierbei ausgesetzt?)

• Welche Erfahrungen werden mit dem „Ausfallverhalten“ der BWS gesammelt?

• Welche Hinweise gibt der Hersteller zu regelmäßigen Prüfungen?

• Gibt es anlagenseitig Verschleißerscheinungen, die die Nachlaufzeiten von Maschinen beeinflussen und sich somit auf den Sicherheitsabstand der BWS auswirken?

• Gibt es möglicherweise häufiger Mängel an vergleichbaren Arbeitsmitteln?

Anbieter von Sicherheitslichtgittern

• ABB

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• Dietz Sensortechnik

• Contrinex

• Euchner

• Fiessler

• IFM Electronic

• IPF Electronic

• K.A. Schmersal

• Keyence

• Leuze

• Panasonic

• Pilz

• Pohl Electronic

• Rockwell Automation

• Sensotec

• Seuster

• Sick

• Wenglor

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen: www.pilz.com, www.leuze.com, www.keyence.de, www.dietz-sensortechnik.de, www.ipf.de, www.wikipedia.org

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