Maschinensicherheit Was ist eine industrielle Zuhaltung?

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Industrielle Zuhaltungen verwehren den Zugang zu Maschinen oder deren Gefahrenbereiche. Was genau sind Zuhaltungen? Welche Zuhaltungen gibt es und wo liegen deren Unterschiede? Dieser Beitrag gibt Antworten.

Eine Zuhaltung ist ein Sperrelement bzw. eine sicherheitstechnische Vorrichtung. Sie hält bewegliche trennende Schutzeinrichtungen wie z. B. Türen, Klappen, Luken oder Hauben an Maschinen und Anlagen in eine geschlossene Position und verhindert daher so lange ein Öffnen, wie eine Maschine in Betrieb ist bzw. eine potenzielle Gefährdung von der Maschine für Menschen ausgeht.

Worin unterscheiden sich Prozesszuhaltung und Sicherheitszuhaltung?

Prinzipiell kann zwischen Prozesszuhaltungen und Sicherheitszuhaltungen unterschieden werden, wobei diese Einteilung auf dem jeweiligen Schutzziel und dem Funktionsprinzip basiert:

• Die Prozesszuhaltung schützt einen Prozesses oder eine Maschine. Sie verhindert ein Öffnen z. B. von Türen während des laufenden Betriebs, um unnötige Unterbrechungen oder Stillstände zu vermeiden. Bei einem Stromausfall öffnet sich in der Regel eine Prozesszuhaltung, sie entriegelt sich also.
  Eine Prozesszuhaltung wird nach dem Arbeitsstromprinzip spannungslos geöffnet, sodass im Ruhezustand kein Strom fließt. Wird z. B. ein Elektromagnet eingesetzt, der eine Tür verschließt solange Strom anliegt, kann die Tür sofort geöffnet werden, sobald kein Strom mehr fließt.

• Die Sicherheitszuhaltung schützt Personen, indem sie z. B. Türen oder Hauben so lange verriegelt hält, bis alle potenziell gefährlichen Maschinenfunktionen beendet sind. Erst wenn keine Gefahr mehr besteht, wird die Tür freigegeben. Sicherheitszuhaltungen bleiben auch bei Stromausfall verriegelt und arbeiten meist nach dem Ruhestromprinzip, bei der im Ruhezustand ständig ein meist geringer und definierter Strom, der sogenannte Ruhestrom, fließt (Fail-Safe-Prinzip).

Welche Prozesszuhaltungen gibt es?

Prozesszuhaltungen sollen den ungewollten Stillstand von Maschinen und Anlagen verhindern und dienen daher nicht primär dem Personenschutz. Hierbei kann zwischen verschiedenen Arten und Funktionsprinzipien unterschieden werden:

• Magnetische Prozesszuhaltungen nutzen Elektromagnete und halten eine Schutzeinrichtung so lange geschlossen, wie ein Strom fließt. Solche Zuhaltungen sind z. B. ideal für Anwendungen, in denen häufiger z. B. Türen oder Luken geöffnet und geschlossen werden müssen. Modernere Varianten solcher Zuhaltungen sind meist zur Stellungsüberwachung und zum Manipulationsschutz mit RFID-Sensorik kombiniert.

• Mechanische Prozesszuhaltungen verriegeln Schutzeinrichtungen mechanisch, etwa durch einen Bolzen oder Riegel, der mit einem Antrieb oder einer Feder betätigt wird. Solche Zuhaltungen lassen sich zudem mit Sensoren zur Überwachung der Stellung bzw. Position der Schutzeinrichtung kombinieren. Darüber hinaus sind mechanische Zuhaltungen häufiger bei Sicherheitszuhaltungen zu finden.

• Bistabile Prozesszuhaltungen bleiben ohne Stromzufuhr sowohl im offenen als auch geschlossenen Zustand in ihrer jeweiligen Position. Die Umschaltung (zu/offen – offen/zu) erfolgt nur durch eine gezielte Energiezufuhr (z. B. Stromimpuls). Bistabile Prozesszuhaltungen sind sehr energieeffizient, da sie im jeweiligen Haltezustand keinen Strom benötigen.

• Kontaktlose Prozesszuhaltungen kommen ohne mechanische Teile aus, da sie mit Magneten oder RFID-Technologie arbeiten. Die Vorteile: Solche Zuhaltungen haben einen sehr geringen Verschleiß, sind unempfindlich gegenüber Verschmutzungen und lassen sich überdies leicht reinigen. Kontaktlose Prozesszuhaltungen sind daher häufiger in Industrieumgebungen mit hoher Schmutzbelastung, aber im Gegensatz hierzu auch in Anwendungen mit hohen Hygieneanforderungen zu finden.

Darüber hinaus gibt es Prozesszuhaltungen mit Zusatzfunktionen, die aus einer Kombination aus Verriegelung und Stellungsüberwachung bestehen. Die smarten Varianten dieser Zuhaltungen integrieren z. B. Diagnosefunktionen oder eine Lebensdauerüberwachung und sind in Reihenschaltung einsetzbar. [1]

Podcast Maschinensicherheit

Verriegeln oder zuhalten – das ist hier die Frage

Welche Arten von Sicherheitszuhaltungen gibt es?

Hinsichtlich der Bauform sind bereits die unter den Prozesszuhaltungen genannten Lösungen auch für Sicherheitszuhaltungen möglich, wobei hier aber generell zwischen einem nach der Arbeitsstromprinzip bzw. Ruhestromprinzip arbeitenden Verriegelungssystem unterschieden wird. Das Ruhestromprinzip ist daher vor allem bei Sicherheitszuhaltungen verbreitet, da es durch Fail-Safe einen hohen Personenschutz bietet. Das Arbeitsstromprinzip wird indes, wie schon weiter oben erwähnt, vermehrt für Prozesszuhaltungen eingesetzt.

Neben den Bauformen und dem Verriegelungsprinzip unterteilt die Norm EN ISO 14119 Sicherheitszuhaltungen in vier Bauarten, die sich durch die Art der Betätigung der Zuhaltung und dem Grad des Manipulationsschutzes unterscheiden (siehe Tabelle):

Darüber hinaus können einige Sicherheitszuhaltungen auch spezielle Funktionen haben, z. B. eine Fluchtentriegelung, die eine Notöffnung von innen bei begehbaren Anlagen ermöglicht, eine Reihenschaltung, bei der mehrere Türen oder Schutzbereiche verriegelt sind, sowie intelligente, diagnosefähige Zuhaltungen mit entsprechenden Schnittstellen zur Steuerung und Überwachung.

Sicherheitszuhaltungen sind somit als magnetische bzw. elektromagnetische, mechanische und berührungslose Varianten in jeweils codierten und uncodierten Ausführungen möglich. Die Auswahl richtet sich in der Regel nach dem jeweils erforderlichen Schutz vor Manipulation, der Art der Schutzeinrichtung und dem gewünschten Sicherheitsniveau. [2]

Welche sicherheitstechnische Kriterien sind wichtig?

Sicherungszuhaltungen in der Industrie kombinieren mehrere sicherheitstechnische Prinzipien und robuste Konstruktionsmerkmale miteinander, was sie besonders zuverlässig macht. Hierzu gehören u.a. mechanisch stabile Verriegelungen, die Kombination mit Sicherheitsendschaltern und Sensorik, der Einsatz von Stillstandswächtern und Zeitrelais, das bereits erläuterte Ruhestromprinzip, eine zweikanalige Ansteuerung und Fehlschließsicherung sowie generell eine robuste Bauweise.

Mechanisch besonders stabile Verriegelungen: Schutztüren oder Klappen werden mechanisch verriegelt, meist durch einen stabilen Bolzen. Ein Öffnen ist erst dann möglich, wenn keine Gefahr mehr von einer Maschine oder einem Prozess ausgeht. Die Stellung solcher Bolzen wird kontinuierlich von Sicherheitssensoren (z. B. induktive Sensoren) überwacht, damit Manipulationen oder Fehlfunktionen sofort erkannt werden.

Kombination mit Sicherheitsendschaltern und Sensorik: Die Integration von Sicherheitsendschaltern und Sensoren stellt sicher, dass gefährliche Maschinenfunktionen nur bei verriegelter Schutzeinrichtung ausführbar sind. Die Maschine kann demnach erst in Betrieb gehen, wenn deren Tür oder Luke sicher verschlossen und verriegelt ist.

Stillstandswächter und Zeitrelais: Sicherheitszuhaltungen werden häufig mit Stillstandswächtern (z. B. Drehzahlüberwachung) oder Zeitrelais kombiniert. Die Verriegelung wird somit erst freigegeben, wenn eine Maschine tatsächlich stillsteht oder eine definierte Zeit abgelaufen ist. So lässt sich verhindern, dass sich eventuell noch nachlaufende Maschinenteile beim Öffnen der Tür bewegen und somit für Personen gefährlich werden können.

Ruhestromprinzip: Auf dieses Prinzip wurde weiter oben schon ausführlich eingegangen. Wichtig ist, dass die Verriegelung auch bei einem Stromausfall funktioniert.

Zweikanalige Ansteuerung und Fehlschließsicherung: Eine zweikanalige Ansteuerung macht Sicherheitszuhaltungen besonders zuverlässig, weil sie die Sicherheit auf zwei voneinander unabhängigen Signalwegen verteilt und somit überwacht und steuert. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einem Fehler – etwa einem Kabelbruch, Kurzschluss oder Defekt in einem der Kanäle – der Fehler sofort erkannt wird und die Maschine in einen sicheren Zustand übergeht.
Fehlschließsicherungen verhindern zudem, dass eine Zuhaltung verriegelt, wenn die Schutztür nicht korrekt geschlossen ist. So könnte ohne diese Sicherung ein Zuhaltebolzen z. B. auch in „offener Luft“ verriegeln. Die Maschine würde dann fälschlicherweise als gesichert gelten, obwohl die Schutzeinrichtung gar nicht geschlossen ist und somit ein gravierendes Sicherheitsrisiko für das Bedienpersonal darstellt. Eine einzige Fehlschließsicherung verhindert bereit zuverlässig Manipulationen und Fehlbedienungen und ist damit ein zentrales Element für den Schutz vor unerwartetem Maschinenanlauf und vor dem Zutritt zu Gefahrenbereichen.

Einfach robust: Industrielle Sicherheitszuhaltungen sind für raue Umgebungsbedingungen ausgelegt (z. B. elektromagnetische Systeme ohne mechanische Komponenten), darüber hinaus sind sie oftmals staub- und wasserdicht (Schutzklasse IP67) und halten hohen mechanischen Belastungen stand, wodurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Zuhaltung zusätzlich erhöht wird. [3]

Wie viel Kraft ist erforderlich, eine Sicherheitszuhaltung zu lösen?

Um es gleich vorwegzunehmen, mit reiner Muskelkraft kann eine Sicherheitszuhaltung „gegen ihren Willen“ nicht gelöst werden. Die notwendige Kraft hängt vielmehr von der jeweiligen Lösung und der Anwendung ab. Typische Sicherheitszuhaltungen in der Industrie bieten Zuhaltekräfte, die sich je nach Ausführung und Sicherheitsanforderung etwa zwischen 1.950 N und bis zu 3.900 N bewegen. [4]

Welche Normen sind für Prozess- und Sicherheitszuhaltungen relevant?

Für den Einsatz von Prozess- und Sicherheitszuhaltungen in der Industrie gelten eine Reihe an Normen, darunter die EN ISO 14119, EN ISO 13849-1, EN 62061 und EN ISO 13855.

• Gestaltung und Auswahl: Die zentrale Norm EN ISO 14119 legt die Anforderungen für die Gestaltung und die Auswahl von Verriegelungseinrichtungen an trennenden Schutzeinrichtungen mit und ohne Zuhaltung fest. Sie definiert, bei welchen Bedingungen bzw. in welchen Situationen eine Zuhaltung wie einzusetzen ist. Hierbei wird zwischen verschieden Bauarten (z. B. mechanisch, berührungslos, codiert) unterschieden, wobei in diesem Zusammenhang auch der Manipulationsschutz sowie die Freigabebedingungen für Schutzeinrichtungen geregelt ist.

• Risikobeurteilung und Performance Level: Die EN ISO 13849-1 bezieht sich auf die sicherheitsbezogenen Teile von Steuerungen und legt die Anforderungen an den Performance Level (PL) fest. Die Norm ist daher maßgeblich für die Risikobewertung und die Auswahl der passenden Sicherheitszuhaltung in Abhängigkeit vom zu erreichenden bzw. geforderten Schutzniveau.

• Funktionale Sicherheit: Die funktionale Sicherheit von sicherheitsbezogenen elektrischen, elektronischen und programmierbaren elektronischen Steuerungssystemen wird in der EN 62061 behandelt. Sie ist ebenfalls für die Auswahl und Auslegung von Sicherheitszuhaltungen relevant.

• Abstands- und Zeitberechnung bei Gefahrenstellen: Die EN ISO 13855 wird wiederum zur Bestimmung der notwendigen Zeitabstände und Annäherungsgeschwindigkeiten (z. B. von Körperteilen oder Personen) herangezogen, damit beurteilt werden kann, ob eher eine Prozess- oder aber eine Sicherheitszuhaltung erforderlich ist. In diesem Zusammenhang sind u.a. auch die Nachlaufzeiten von Maschinen zu berücksichtigen.

Anbieter von Prozess- und Sicherheitszuhaltungen

(Auszug)

• ABB

• Bernstein

• Contra

• E. Dold & Söhne

• Elobau

• Euchner

• Pilz

• RS Components

• Safety Products

• Schmersal

• Sick

• Steute

• Wenglor

• Wieland

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

Quellen

[1] Contra
SSP Safety System Products
https://www.functional-safety.solutions/verriegelung-zuhaltung-din-en-iso-14119-iso-13849-sistema/
RS Components

[2] Pilz
Pilz
RS Components
RS Components
Schmersal
DGUV
Dold

[3] RS Components
Pilz
Pilz
Wieland

[4] Pilz
Schmersal
ABB

[5] SSP Safety System Products
DGUV
Pilz
Pilz

Außerdem:

SSP Safety System Products
Dr. Birn

(ID:50562496)