Zur Absicherung von Gefahrenstellen und Gefahrenbereichen an Maschinen und Anlagen stehen heute verschiedenste Technologien zur Auswahl. Eine Möglichkeit ist die physische Trennung der gefährdeten Person von der Gefährdung, wie sie durch trennende Schutzeinrichtungen wie Schutzgitter oder Umhausungen erreicht wird.
Um im Normalbetrieb dennoch Wartungsarbeiten an der Anlage auszuführen oder die Maschine zu rüsten, werden an diesen Schutzeinrichtungen Türen oder Klappen angebracht. Müssen diese beweglichen Schutzeinrichtungen allerdings häufig genutzt werden, beispielsweise weil die Natur der Anlage einen regelmäßigen manuellen Zugang erfordert, kostet das Zeit und erfordert „freie Hände“. Einen effizienteren und komfortableren Schutz bieten in diesem Fall oft berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen an Maschinen und Anlagen.
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Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS) erkennen ohne physischen Kontakt das Eindringen von Personen oder Körperteilen in ein Schutzfeld. Dazu werden verschiedene Sensortypen eingesetzt, zum Beispiel kapazitive Sensoren oder Systeme, die mit Ultraschall, Mikrowellen oder Infrarot arbeiten. Heute haben sich aber vor allem optoelektronische Schutzeinrichtungen wie Lichtschranken, Lichtgitter oder Laserscanner durchgesetzt. Zunehmend werden aufgrund ihrer Flexibilität auch kamerabasierte Systeme eingesetzt.
Unabhängig von ihrem Funktionsprinzip erkennen die Sensoren das Eindringen eines Körpers in das durch die Einrichtung gebildete Schutzfeld. Dadurch wird ein Schaltvorgang ausgelöst, der die gefährliche Bewegung einer Maschine verhindert oder beendet.
Die sicherheitstechnischen Anforderungen an berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen an Maschinen und Anlagen sind in der Norm EN 61496-1 definiert. In EN 61496-2 sind speziell für optoelektronische Schutzeinrichtungen noch einmal besondere Anforderungen beschrieben.
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Im Vergleich zu trennenden Schutzeinrichtungen ist der Einsatz eines Lichtgitters oder von anderen berührungslosen Schutzeinrichtungen besonders dann interessant, wenn der Maschinen-Bediener häufig in die Maschine oder Anlage eingreifen muss.
Es lassen sich folgende Vorteile realisieren:
Beim Einsatz eines Lichtschutzgitters, einer Lichtschranke oder anderer berührungsloser Systeme muss allerdings gewährleistet sein, dass bei einem Eindringen in das Schutzfeld die gefährliche Bewegung sicher zum Stillstand kommt, bevor die Person oder die Hand den Gefahrenbereich erreicht hat. Dazu ist ein entsprechender Sicherheitsabstand erforderlich. Kann dieser Mindestabstand nicht gewährleistet werden, weil z. B. die Nachlaufzeit einer Bewegung zu lang ist, müssen trennende Schutzeinrichtungen eingesetzt werden. Die Mindestabstände von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen sind in der Sicherheitsnorm EN ISO 13855 definiert.
Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen auf Basis optoelektronischer Systeme können zum Beispiel zur Absicherung von Werkzeugmaschinen, bei Krananlagen und Stetigförderern oder auch bei Flurförderfahrzeugen eingesetzt werden.
Mit ihnen können unter anderem folgende Gefahrstellen gesichert werden:
Darüber hinaus können auch großflächigere Gefahrbereiche bzw. begehbare Bereiche gesichert werden, in denen Personen an Gefahrstellen von kraftbetriebenen Arbeitsmitteln gelangen können.
Schutzeinrichtungen, die nach dem optoelektronischen System arbeiten, bestehen aus einem Sende- und einem Empfangselement. Ein Lichtstrahl (z. B. einer Lichtschranke) oder eine Reihe paralleler Lichtstrahlen (Lichtgitter oder Lichtvorhang) werden vom Sender zum Empfänger gesendet. Sie bilden sozusagen ein optisches Trenngitter. Wird jetzt einer oder mehrere Strahlen durch ein Objekt unterbrochen, signalisiert der Empfänger dies an seinen Schaltausgang und der gefahr-bringende Maschinenzustand wird angehalten.
Dabei werden Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtschranken Systeme genannt, die Gegenstände größer als 40 mm detektieren. Sie werden zum Beispiel zur Absicherung von Zugängen zu Gefahrbereichen eingesetzt. Kann die optoelektronische Objekte kleiner oder gleich 40 mm entdecken, wird von Sicherheits-Lichtgittern oder Sicherheits-Lichtvorhängen gesprochen. Sie dienen der unmittelbaren Absicherung von Gefahrstellen (z. B. zum Detektieren eines Hineingreifens in eine Maschine).
Dank der Mikroelektronik können dabei auch einzelne Strahlen ausgewertet werden. So lassen sich zum Beispiel einzelne Bereiche wie Schlauchdurchführungen ausblenden oder auch von der Größe her definierte Objekte das Lichtgitter passieren, ohne das eine Auslösung stattfindet. Diese Zusatzfunktion wird Blanking genannt
Eine weitere Zusatzfunktion ist das Muting: Hierdurch kann eine berührungslos wirkende Schutzeinrichtung im laufenden Betrieb vorübergehend überbrückt bzw. stummgeschaltet werden. So kann zum Beispiel Material in einen Gefahrenbereich transportiert werden, ohne dass die Schutzeinrichtung auslöst. Diese Funktion wird über separate elektromechanische Schalter oder auch optoelektronische Sensoren automatisch durch die Maschine gesteuert.
Wie die Überwachung eines Gefahrenbereichs mit einem Lichtgitter aussehen kann, zeigt das folgende Beispiel: Zum Einsatz kommt eine berührungslos wirkende Schutzeinrichtung (BWS) nach IEC 61496-1, genauer eine aktive optoelektronische Schutzeinrichtung nach IEC 61496-2. Mit ihr soll ein sofortiges Abschalten aller gefährlichen Bewegungen im Sicherheitsabstand der BWS erreicht werden.
Nach Anlegen der Versorgungsspannung an das Sicherheitsrelais K1 (Anschluss A1-A2) zeigt die LED „Power“ die Bereitschaft zum Aktivieren der Freigabepfade. Befindet sich kein Gegenstand im Schutzfeld des Lichtgitters B1, werden die ESR-internen Freigaberelais durch die steigende Flanke am Eingang S34 aktiviert. Diesen Zustand zeigen die LEDs K1 und K2 an. Die Sicherheitsschütze/Leistungsschütze Q1 und Q2 ziehen an und ihre Hilfskontakte öffnen. Bei einem Eingriff in das Schutzfeld werden die OSSD-Ausgänge der BWS deaktiviert. Die ESR-internen Freigaberelais fallen ab (13-14, 23-24 unverzögert; 37-38, 47-48 mit einstellbarer Verzögerung) und entziehen damit den Sicherheitsschütze/Leistungsschütze Q1 und Q2 die Freigabe.
Mit dieser Schaltung wird ein Sicherheitsintegritätsniveau von SIL 2 bzw. ein Performance Level „d“ erreicht.
Durch folgenden Aufbau kann Material durch das Schutzfeld der Schutzeinrichtung bewegt werden, ohne dass der Arbeitsablauf angehalten werden muss (Muting). Dabei können die Muting-Sensoren zwischen Gegenständen und Personen unterscheiden.
Weitere Möglichkeiten zum Aufbau berührungslos wirkender Schutzeinrichtungen zeigt das Sicherheitshandbuch von Eaton. Es werden nicht nur alle einschlägigen Normen erklärt, sondern es bietet die Möglichkeit, sich Schritt für Schritt in die umfangreiche Materie der funktionalen Sicherheitstechnik einzuarbeiten.
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