Verbesserte Sicherheit und höhere Verfügbarkeit in Industrie-4.0-Fabriken

Bei der Entwicklung von Fertigungslinien für die Industrie 4.0 ist Sicherheit ein Muss. So müssen beispielsweise Teilsysteme wie Motoren und Antriebe häufig die Anforderungen der International Electrotechnical Commission (IEC) 62061 Safety Integrity Level (SIL) 2 und der International Standards Organization (ISO) 13849-1 Performance Level (PL) c erfüllen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, können Sie im Allgemeinen Schütze zum sicheren Ein- und Ausschalten von Motoren verwenden. Für kleine Motoren mit einer Leistung unter 55 Kilowatt (kW) können Standardschütze eine einfache und kostengünstige Lösung sein.

Wie viele von uns festgestellt haben, wird die Erfüllung der IEC- und ISO-Sicherheitsanforderungen für Motoren mit höherer Leistung komplexer und kostspieliger, da Kupplungsvorrichtungen zwischen dem Motor und den Standardschützen erforderlich sind. Die gute Nachricht ist, dass es verbesserte Schütze mit eingebauter Ausfallsicherung gibt, die direkt an Motoren mit einer Leistung von 55 bis 250 kW angeschlossen werden können, wodurch die Systemkosten und die Anzahl der Komponenten reduziert und die Zuverlässigkeit erhöht wird.

Lassen Sie uns kurz eine vereinfachte Architektur mit fehlersicheren Schützen für Motoren mit einer Leistung von 55 bis 250 kW am Beispiel innovativer Sicherheitsschütze von Siemens betrachten. Abschließend werden einige der Herausforderungen bei der Anwendung der Normen des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) zur Quantifizierung der Leistung von Sicherheitsschützen erläutert.

Vereinfachung durch sicherheitsbewertete Schütze

Schütze für Leistungen bis ca. 55 kW können direkt an die Ausgänge von fehlersicheren Steuerungen und Sicherheitsrelais angeschlossen werden, um die Anforderungen an sichere Anwendungen zu erfüllen. Die Ausgänge dieser ausfallsicheren Steuerungen und Sicherheitsrelais sind im Allgemeinen auf 5 Ampere (A) oder weniger bei 24 Volt Gleichstrom (VDC) begrenzt. Da sie nicht über die nötige Leistung verfügen, um Hochleistungsschütze anzusteuern, ist ein Koppelgerät zwischen der Steuerung oder dem Sicherheitsrelais und einem Standardschütz erforderlich, um die Antriebsleistung zu erhöhen. Diese Kopplungsvorrichtungen verursachen zusätzliche Kosten, Komplexität und Platzbedarf.

Siemens hat deshalb einen innovativen Ansatz entwickelt, der neben der Standard-Antriebsspule auch Schütze mit einem fehlersicheren Steuereingang einsetzt. Der ausfallsichere Steuereingang ist für einen Betätigungsstrom von etwa 5 Milliampere (mA) bei 24 VDC ausgelegt, verglichen mit 5 A oder mehr bei 24 VDC, die für herkömmliche Schütze erforderlich sind. Das bedeutet, dass Sie die Schütze direkt von Sicherheitsrelais und fehlersicheren Steuerungen aus ansteuern können.

Obwohl das ausfallsichere Schütz durch den ausfallsicheren Steuereingang gesteuert wird, ist die Schützspule ständig mit der Versorgungsspannung verbunden, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Herkömmliche Schütze (links) erfordern Kupplungsvorrichtungen (die beiden blauen Kästen oben rechts), die bei der Verwendung von ausfallsicheren Schützen (rechts) nicht erforderlich sind. (Bildquelle: Siemens)

Ausfallsicherer Betrieb

Siemens bietet eine Reihe innovativer Steuerungsoptionen der Serie Sirius Modular an, darunter Schütze mit konventionellem AC/DC- und integriertem ausfallsicherem Steuerbetrieb. Der ausfallsichere Betätigungsmechanismus kann optional mit einem Restlebensdauer-Signal (RLT) ausgestattet werden, das den Zustand der Kontaktabnutzung anzeigt. Dies ermöglicht eine vorbeugende Wartung, die die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Systems weiter verbessert. Die RLT-Schaltung speichert die Kontaktverschleißinformationen für jeden der drei Hauptkontakte. Der Kontaktverschleiß wird mit LEDs angezeigt, und eine zusätzliche Relaisausgabe wird erzeugt, wenn die RLT des Kontakts mit dem höchsten Verschleiß auf 20 % gesunken ist.

Da sie an den Ausgang einer ausfallsicheren Steuerung angeschlossen werden können, werden diese Schütze als F-PLC-IN-Schütze bezeichnet. Sie sind an der gelb markierten Klemme oder Spulenabdeckung des ausfallsicheren Steuereingangs zu erkennen (Abbildung 2).

Abbildung 2: F-PLC-IN-Schütze wie das 3RT2037-1SF30 (links) und das 3RT1056-6SF36 (rechts) sind visuell an der gelben Klemmen- oder Spulenabdeckung zu erkennen. (Bildquelle: Siemens)

Sicherheit nach Zahlen

Das VDMA-Standardblatt 66413 kennt vier Gerätetypen, die Sie für Sicherheitsbewertungen verwenden können:

• Geräte des Typs 1 sind für den Einsatz in Sicherheitsfunktionen wie Sicherheitsrelais und ausfallsicheren speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) entwickelt worden und erfüllen spezifische SIL- oder PL-Anforderungen.
• Geräte des Typs 2 werden nicht unbedingt entwickelt, um spezifische Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, und es werden Anwendungsdaten benötigt, um den sicheren Betrieb zu bewerten.
• Zu den Geräten des Typs 3 gehören verschleißanfällige Bauteile wie elektromechanische Schütze. Sie werden nicht unbedingt entwickelt, um spezifische Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, und können eine umfassende Sicherheitsbewertung erfordern.
• Geräte des Typs 4 sind für den Einsatz in Sicherheitsfunktionen entwickelt worden und weisen keine zufälligen Ausfälle auf.

Sirius-F-PLC-IN-Schütze verfügen über eine integrierte Elektronik und sind keine rein elektromechanischen Bauteile, weshalb sie nicht als Typ-3-Geräte gelten. Sie sind stattdessen Geräte des Typs 1, erfüllen spezifische SIL- und SPS-Anforderungen und werden mit umfassenden sicherheitsrelevanten Spezifikationen geliefert. Dies vereinfacht die Berechnung der Sicherheitsintegrität im Vergleich zu Standardschützen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Sirius-F-PLC-IN-Schütze sind VDMA-Geräte vom Typ 1 und werden mit detaillierten sicherheitstechnischen Daten ausgeliefert. (Bildquelle: Siemens)

Fazit

Schütze spielen eine wichtige Rolle in Industrie-4.0-Automatisierungssystemen, bei denen Entwickler die Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen nach IEC 62021 SIL 2 und ISO 13849-1 PL c erfüllen und gleichzeitig die Kosten senken müssen. Wie beschrieben, helfen Ihnen die innovativen Sirius-F-PLC-IN-Schütze von Siemens, diese Anforderungen mit weniger Komponenten und reduzierter Komplexität zu erfüllen.

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