Eine Publikation der Binkert Medien AG
Von der Hardware zur Software : Ausgabe 12/2016, 13.12.2016

Maschinensicherheit neu gedacht

Industrie 4.0, Internet der Dinge und neue Arten der Mensch-Maschine-Interaktion: Für den Maschinen­bau und allgemein die produzierende Industrie sind die Zeiten spannend und die Geschwindigkeit, mit der sich die Veränderungen vollziehen, scheint immer noch zuzunehmen. Die Veränderungen werden auch Auswirkungen auf die Maschinensicherheit haben.

Einige aktuelle (Sicherheits-)Trends im Maschinenbau sind hersteller- und branchenübergreifend erkennbar. Der Schutzzaun wird teilweise abgelöst durch flexiblere und im wahrsten Sinne des Wortes offenere Systeme. Die Software übernimmt Funktionen, die seit mehreren Jahrzehnten der Hardware zugeordnet waren – zum Beispiel die Achsüberwachung von Robotern und automatisierten Anlagen. Der Wunsch nach grösserer Flexibilität und – nicht zu vergessen – der bevorstehende demographische Wandel führt zu neuen Arten der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine: Stichwort Mensch-Roboter-Kollaboration. Dies wiederum treibt die Entwicklung neuer Arten von Sicherheitssystemen voran.

Flexibilität ist eine immer wichtiger werdende Eigenschaft, die die Anwenderbranchen heute erwarten. Denn im Zeitalter von Industrie 4.0 werden die Losgrössen kleiner, und die Maschinen sollen sich einfach und schnell an veränderte Produkte und Marktgegebenheiten anpassen lassen. Dieses Anforderungsprofil erfüllt das Sicherheitssteuerungssystem Protect PSC1. Es ist multifunktional und kann optimal an die individuellen Anwendungsfälle angepasst werden. Möglich ist das u.a. durch den modularen Aufbau: Die beiden Basismodule der frei programmierbaren Steuerung (PSC1-C-10 und PSC1-C-100) können durch I/O- Erweiterungsmodule für die sichere Signalverarbeitung von elektromechanischen, elektronischen und optoelektronischen Sicherheitsschaltgeräten ergänzt werden. Zusätzlich können über unterschiedliche «Safe Drive Monitoring»-Module bis zu zwölf Achsen sicher überwacht werden. Zu den Funktionen, die sich gemäss DIN EN 61800-5-2 überwachen lassen, gehören u. a.: sicherer Stopp und Betriebshalt, sicher abgeschaltetes Moment, sicher begrenzte Geschwindigkeit und Beschleunigung.

Universelles System für diverse Protokolle

Über ein universelles Kommunikationsinterface kann der Anwender einfach per Software verschiedene Feldbusprotokolle auswählen und einstellen. Man kann also mit ein und derselben Hardware eine Verbindung zu allen gängigen Feldbussystemen aufbauen. Zugleich erlaubt das Interface zeitgleich eine sichere Remote-IO-Kommunikation und eine sichere Querkommunikation.

Die Programmiersoftware SafePLC2 ist ein grosses Plus der PSC1: Sie bietet den Nutzern eine bedienerfreundliche, moderne, entwicklungsorientierte Umgebung. Sie verfügt über umfangreiche Bibliotheken mit vorgefertigten Funktionen zur sicheren Überwachung von Sensoren und Achsen. Diese können einfach per «Drag & Drop» zu komplexen Applikationen verknüpft werden.

Premiere: Individuelles Set per Tablet

Wie einfach sich diese jüngste Generation der Sicherheitssteuerungen von Schmersal an die jeweiligen Anforderungen anpassen lässt, zeigt auch ein neues Tool, das erstmals 2016 auf der Automatica vorgestellt wurde. Der Anwender kann die Hardware-Komponenten für ein individuelles Steuerungssystem nun mit dem eigenen iPad arrangieren. Ausgehend von einer Auswahl von Sicherheitsschaltern stellt er sich so das für ihn optimale PSC1-System zusammen – inklusive der daraus resultierenden Stückliste mit Artikelbezeichnungen, Details zu den Geräten und Preisangaben.

Funktionsbaukasten für Sicherheits-Kompaktsteuerungen

Noch einfacher ist die Projektierung und Inbetriebnahme bei den Sicherheits-Kompaktsteuerungen «Protect Select». Sie lassen sich einfach per Menüführung über die Klartext-Anzeige an den individuellen Einsatzfall anpassen. Dem Anwender stehen vier Applikationsprogramme zur Auswahl, die bereits für die gängigsten Konfigurationen von Sicherheitsbereichen voreingestellt wurden und rund 80 Prozent  aller Anwendungsfälle abdecken. Damit reduziert sich der nötige Parametrieraufwand auf ein Minimum, ohne dass die Flexibilität eingeschränkt wird. Denn bei jedem Programm hat der Anwender die Möglichkeit, Funktionen wie z. B. die freie Zuweisung von Rückführkreisen (EDM), Anlauftestung, zyklische Testung, Auto-Start etc. einfach zu aktivieren. Auch komplexere sicherheitsgerichtete Aufgabenstellungen wie z. B. zusätzliche Betriebsarten (Einrichtbetrieb, Prozessbeobachtung) oder die Zuführung von Material durch den Gefahrenbereich ohne Anhalten der Maschine (Muting) lassen sich mit ganz einfach realisieren – und trotz dieser Funktionsvielfalt kann der Anwender die Bausteine ähnlich wie einen Sicherheits-Relaisbaustein einfach verdrahten.

Gefahrbringende Bewegung: Nur im virtuellen Käfig

Für das andere Ende der Leistungsskala – für sichere Robotersteuerungen – entwickelt Schmersal seit mehr als einem Jahrzehnt individuelle Lösungen, die bei führenden Roboterherstellern im Einsatz sind. Zu den Kennzeichen des «Safety Controllers», der die Basis für die kundenbezogenen Sicherheitssteuerungen bildet, gehört die selbsttätige Überwachung der Position und die Geschwindigkeit von Achsen bzw. gefahrbringenden Bewegungen. Sind Kräfte und Geschwindigkeiten gering genug und bleiben alle Achsen in ihrem virtuellen «Käfig», kann der Roboter oder der Maschinenarm in direkte Interaktion mit dem Menschen treten. Mit dieser Entwicklung hat Schmersal die Grundlagen für einige der neueren Sicherheitskonzepte ohne Schutzzaun gelegt, die heute u.a. von namhaften Roboterherstellern genutzt werden.

Neue Wege der Mensch- Maschine-Kollaboration

Viel diskutiert und präsentiert werden zurzeit neue Formen der Mensch-Maschine-Kollaboration. Einige Hersteller haben Kleinroboter entwickelt, die in direkter Nähe zum Werker arbeiten können und diesem z. T. Teile anreichen können. Andere Anbieter stellen «hybride» Systeme vor, die als Kombination von Robotern und fahrerlosen Transportsystemen gelten können und z. B. selbsttätig Maschinen oder Montage-Arbeitsplätze mit Teilen versorgen. Hier stellt sich die Frage, wie das erforderliche Sicherheitsniveau zu gewährleisten ist. Neben optoelektronischen Schutzeinrichtungen, deren Entwicklung innerhalb der Schmersal-Gruppe die Safety Control GmbH verantwortet, werden hier taktile Systeme künftig eine verstärkte Rolle spielen.

Ziel: Unterscheidung von Mensch und Maschine

Schmersal verfügt auch hier über jahrzehntelange Erfahrung z. B. mit sicherheitsgerichteten Bumpern und unterstützt, um die Innovation in diesem zukunftsträchtigen Bereich voranzutreiben, ein Forschungsvorhaben der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg.

Ziel des Projektes «beyondSPAI» ist eine verbesserte Absicherung der Kollaboration von Menschen und Robotern in der industriellen Fertigung. Mit Hilfe einer mehrstufigen Sensorik und intelligenter Software sollen Industrieroboter erkennen können, wenn sie einem Menschen zu nahe kommen, um jede gefährliche Bewegung rechtzeitig zu stoppen. Dabei werden u. a. optische Sensoren und spezielle Bildverarbeitungsalgorithmen zum Einsatz kommen, die menschliche Haut erkennen und die Silhouette von Menschen identifizieren. Diese Sensortechnologien sollen so eine direkte und sichere Interaktion von Menschen und Robotern ohne trennende Schutzzäune ermöglichen. Das Forschungsprojekt läuft über drei Jahre und wird u. a. vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt. Schmersal ist der einzige Projektpartner aus der Industrie.

Wachstumstreiber Industrie 4.0 bringt Veränderungen mit sich

Wenn die Konzepte, die zurzeit unter dem Oberbegriff Industrie 4.0 diskutiert werden, Eingang in den Produktionsalltag finden, werden die Veränderungen gross sein. Die Maschinensicherheit wird sicherlich nicht der Antreiber oder Vorreiter dieses Veränderungsprozesses sein: Die starke Rückbindung an Richtlinien und Normenwerken bewirkt in diesem sensiblen Bereich eine sorgfältigere und folgerichtig auch langsamere Vorgehensweise. Dennoch deuten alle Anzeichen darauf hin, dass wir künftig nicht nur flexibler produzieren werden und dass Maschinen, Werkzeuge und Werkstücke zu «cyber-physikalischen Systemen» werden, die Daten sammeln und austauschen und somit ihren «digitalen Zwilling» in der Datenwelt mitführen. Auch die Systeme der funktionalen Sicherheit werden sich verändern. Der «Safety Controller» und das Projekt «beyond SPAI» zeigen, in welche Richtungen die Entwicklungen gehen können.

Autor: André Batz Leiter Konstruktion & Entwicklung K.A. Schmersal GmbH & Co. KG


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In vielen Anwendungsbereichen wird der Schutzzaun durch flexiblere Lösungen ersetzt, z. B. durch opto­elektronische Schutzeinrichtungen. (Bilder: Schmersal)


Sicherheitssteuerungen wie die Protect PSC1 integrieren bisherige Hardware-Aufgaben in die Software.


Der Safety Controller – Basis vieler innovativer Sicherheits­systeme ohne trennenden Schutzzaun.


Mit dem PSC1-Konfigurator kann jeder Anwender sein individuelles, sicheres Steuerungssystem mit dem eigenen iPad zusammenstellen.