Was genau ist ein Sicherheits-Lichtvorhang?

08.12.2020

Sicherheits-Lichtvorhänge werden zum Schutz von Fabrikpersonal auf der ganzen Welt eingesetzt. Doch obwohl die Technologie seit fast 70 Jahren bekannt ist, schöpfen viele Anwendungen die Möglichkeiten des Sicherheits-Lichtvorhangs noch immer nicht voll aus. In diesem Beitrag versuche ich, den Nutzen von Lichtvorhängen zur Sicherheit Ihrer Maschinen, zur Fertigungssteuerung und zur Produktivität neu zu bewerten und habe dabei die derzeit verfügbaren Funktionen und Merkmale einbezogen. Lichtvorhänge sind inzwischen so allgegenwärtig, dass man sie nur allzu leicht als ein einfaches Gerät betrachten kann: ausfallsicher, einfach zu installieren und ein Ersatz für Schutzzäune, um die man sich keine Gedanken machen muss. Im Laufe der Zeit ist jedoch ein immer breiteres und vielseitigeres Spektrum an Lichtvorhängen entwickelt worden. Heutzutage erfüllen sie mehrere Funktionen und können einen positiven Beitrag zur Produktivität Ihres Unternehmens leisten. Sie lassen sich in lokale Fabriknetzwerke integrieren und verbessern so die werksweite Automatisierung.

Obwohl die Technologie seit fast 70 Jahren bekannt ist, schöpfen viele Anwendungen die Möglichkeiten des Sicherheits-Lichtvorhangs noch immer nicht voll aus.
Obwohl die Technologie seit fast 70 Jahren bekannt ist, schöpfen viele Anwendungen die Möglichkeiten des Sicherheits-Lichtvorhangs noch immer nicht voll aus.

Die Geschichte des Lichtvorhangs

Im Jahr 1951 präsentierte Erwin Sick das erste Holzmodell seines Lichtvorhangs auf der "Deutschen Erfinder- und Neuheiten-Messe" in München. Noch im selben Jahr galt die Patentanmeldung des Lichtvorhangs nach dem Autokollimator-Prinzip als der technische Durchbruch, mit dem die Entwicklung der uns heute bekannten Technik begann – eine Technik, die unzählige Menschen vor Verletzungen und Tod durch von Maschinen ausgehende Gefahren bewahrt hat. Seit dieser Zeit hat die Entwicklung von Hard- und Software die Vielseitigkeit und den Einsatz von Sicherheits-Lichtvorhängen grundlegend verändert. Die wichtigsten Eigenschaften von Lichtvorhängen sind zwar nach wie vor dieselben, doch ihr Potenzial wird möglicherweise noch immer nicht voll ausgeschöpft.

 

Spezifikationen eines Lichtvorhangs

Es gibt leider kein reines Sortiment an Standardausführungen für Sicherheits-Lichtvorhänge, da alle Hersteller ihre eigenen Produktreihen mit unterschiedlichen Größen, Formen, Auflösungen usw. anbieten. Der Ausgangspunkt einer jeden Sicherheitsanwendung ist jedoch immer die Gefahr, vor der man sich schützen will, und der Raum, in dem sich diese Gefahr befindet. Auf dieser Grundlage kommen verschiedene Anforderungen hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften des Lichtvorhangs in Betracht. Derzeit ist die Norm EN ISO 13855 das harmonisierte Standardwerk für die Positionierung von Sicherheits-Lichtschranken und unterstützt Anwender dabei, die physikalischen Eigenschaften zu bestimmen. In diesem Abschnitt möchte ich die wichtigsten zu berücksichtigenden Spezifikationen erläutern. Es gibt jedoch auch weitere Eigenschaften wie IP-Rating, Stromaufnahme, Anzeigen usw., die hier nicht behandelt werden.

Reichweite

Die Reichweite ist der maximale Abstand zwischen Sender und Empfänger. Bei Aktiv/Passiv-Einheiten wird der Abstand zwischen dem aktiven und dem passiven Systemteil auch als Reichweite bezeichnet. Die Produkte verfügen entweder über eine feste Reichweite, eine wählbare Reichweite (z. B. gering/hoch) oder sie haben eine sich automatisch einstellende Reichweite (beim Start-up wird die Empfindlichkeit basierend auf der Distanz zwischen Sender und Empfänger eingestellt). Die Wahl der richtigen Reichweite stellt sicher, dass die Sicherheits-Lichtschranken für die Anwendung am besten geeignet sind, z. B. können Reflexionen von nahegelegenen Oberflächen die Installation unsicher machen, wenn ein Gerät mit hoher Leistung und großer Reichweite über eine kurze Distanz verwendet wird. Auf der anderen Seite kann ein Gerät mit großer Reichweite erforderlich sein, um große Bereiche zu schützen.

Schutzfeldhöhe

Die Höhe eines Sicherheits-Lichtvorhangs muss entsprechend des Zugangs zur Gefahrenstelle gewählt werden. Wenn z. B. ein Lichtvorhang Gefahrstellen punktuell absichern soll, muss der Lichtvorhang die gesamte Öffnung abdecken. Wenn jedoch das Sicherheitsprodukt als Zugangsabsicherung dient, können je nach Anzahl der erforderlichen Strahlen und der Höhe vom Boden inkl. möglicher Überhöhen verschiedene resultierende Höhen verwendet werden.

Die Höhe eines Sicherheits-Lichtvorhangs muss entsprechend des Zugangs zur Gefahrenstelle gewählt werden.
Abbildung 1: Gefahrstellen- und Zugangsabsicherung
Die Höhe eines Sicherheits-Lichtvorhangs muss entsprechend des Zugangs zur Gefahrenstelle gewählt werden.
Abbildung 1: Gefahrstellen- und Zugangsabsicherung

Auflösung

Die Auflösung eines Lichtvorhangs kann zudem den Befestigungsort bezüglich der Gefahrenquelle beeinflussen. Die Begriffe „Fingerdetektion“ und „Handdetektion“ werden häufig verwendet und beziehen sich auf Auflösungswerte von 14 bzw. 30 mm. Lichtvorhänge und Mehrstrahlsysteme können jedoch auch unterschiedliche Auflösungen oder Strahlabstände (z. B. 20 mm, 40 mm, 200 mm usw.) aufweisen. Je höher die Auflösung, desto besser ist das Detektionsvermögen eines Sicherheits-Lichtvorhangs. Das Gerät kann also näher an einer Gefahrenquelle montiert werden (d.h. ein 14 mm-Lichtvorhang kann näher montiert werden, als ein 30 mm-Lichtvorhang). Die Norm EN ISO 13855 enthält viele verschiedene Berechnungsverfahren für Befestigungsabstände. Der Auflösung kommt hierbei eine erhebliche Bedeutung zu. Dennoch lautet die Basisgleichung wie in Abbildung 2:

Die Auflösung eines Lichtvorhangs kann zudem den Befestigungsort bezüglich der Gefahrenquelle beeinflussen.
Abbildung 2: Berechnung des Mindestabstandes zur Gefahrstelle
Die Auflösung eines Lichtvorhangs kann zudem den Befestigungsort bezüglich der Gefahrenquelle beeinflussen.
Abbildung 2: Berechnung des Mindestabstandes zur Gefahrstelle

Die Norm umfasst auch weitere Dinge, wie z. B. die Richtung der Annäherung, mögliche Übergrößen usw. Für größere Distanzen und Zugangsabsicherungen ist normalerweise ein Strahlabstand von 400 mm ausreichend. Dennoch können zusätzliche Vorrichtungen zur Präsenzerkennung erforderlich sein, wenn die Maschine zurückgesetzt werden soll, wenn sich eine Person hinter dem Lichtvorhang oder der Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtschranke befindet. Um diese Punkte zu berücksichtigen, sollte eine gründliche Risikobeurteilung nach der harmonisierten Norm EN ISO 12100 durchgeführt werden. Höher auflösende Lichtvorhänge sind in der Regel teurer als niedriger auflösende, doch die Umstellung auf eine niedrigere Auflösung bedeutet, dass der Abstand zwischen dem Sicherheits-Lichtvorhang und der Gefahr vergrößert werden muss, was sich in einer Fabrikhalle als nicht hilfreich oder gar unmöglich erweisen kann.

Typ

Bei der Auswahl einer Sicherheitsvorrichtung für einen Einsatzbereich kann die harmonisierte Norm EN ISO 13849 oder die IEC 62061 verwendet werden, um die sicherheitsbezogenen Teile des Steuerungssystems (SRP/CS) zu konzipieren. Nach der Definition einer Sicherheitsfunktion (z. B. Auslösen eines Stopps durch einen Sicherheits-Lichtvorhang) ist es wichtig, das Performance Level (PL) oder das Sicherheits-Integritätslevel (SIL) des zugehörigen SRP/CS zu bestimmen, welche in Hinblick auf ein Risiko erreicht werden sollen. Ich werde hier nicht im Detail auf die funktionale Sicherheit eingehen, doch für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS) steht das Sicherheitsprodukt nach IEC 61496 in direktem Zusammenhang mit den PL/SIL-Werten, die die Sicherheitsfunktion erreichen kann. Die folgende Abbildung 3 zeigt diesen Zusammenhang.

Bei der Auswahl einer Sicherheitsvorrichtung für einen Einsatzbereich kann die harmonisierte Norm EN ISO 13849 oder die IEC 62061 verwendet werden, um die sicherheitsbezogenen Teile des Steuerungssystems (SRP/CS) zu konzipieren.
Abbildung 3: Beziehung zwischen BWS und PL/SIL
Bei der Auswahl einer Sicherheitsvorrichtung für einen Einsatzbereich kann die harmonisierte Norm EN ISO 13849 oder die IEC 62061 verwendet werden, um die sicherheitsbezogenen Teile des Steuerungssystems (SRP/CS) zu konzipieren.
Abbildung 3: Beziehung zwischen BWS und PL/SIL

Wenn also PLe/SIL3 erforderlich ist, zum Beispiel zum Schutz von Kraftpressen, wäre ein Gerät vom Typ 4 erforderlich.

Aktiv/Passiv-Systeme

Um den Verkabelungsaufwand und die Kosten für Zugangsabsicherungen gering zu halten, können Aktiv/Passiv-Systeme eingesetzt werden. Ein Aktiv/Passiv-System besteht aus zwei Teilen. Ein Teil enthält sowohl Sender- als auch Empfänger-Elemente und der andere enthält z. B. Spiegel, die dazu dienen, die Strahlen zurück zu den Empfängern zu lenken, siehe Abbildung 4. Da durch Spiegel die Stärke eines Lichtstrahls reduziert wird, sind für Aktiv/Passiv-Systeme normalerweise viel kürzere Abstände als für Sender/Empfänger-Systeme vorgesehen.

Um den Verkabelungsaufwand und die Kosten für Zugangsabsicherungen gering zu halten, können Aktiv/Passiv-Systeme eingesetzt werden.
Abbildung 4: Aktiv/Passiv-System
Um den Verkabelungsaufwand und die Kosten für Zugangsabsicherungen gering zu halten, können Aktiv/Passiv-Systeme eingesetzt werden.
Abbildung 4: Aktiv/Passiv-System

 

Funktionen von Sicherheits-Lichtvorhängen

Die einfachste Funktion eines Lichtvorhangs besteht darin, Lichtstrahlen zu unterbrechen, sodass die Ausgabefunktionen abgeschaltet und mit ihnen verbundene gefährliche Bewegungen gestoppt werden. Wenn kein Zwischenfall aufgetreten ist und der Detektionsbereich sicher ist, kann ein Rücksetzen durchgeführt werden. Diese Art von sicherem Stopp/Start-Verfahren kann den Produktionsablauf und die Produktivität stören. Daher wurde der Lichtvorhang im Laufe des letzten halben Jahrhunderts weiterentwickelt und verschiedene Funktionen wie Interne Wiederanlaufsperre, Schützkontrolle (EDM), Strahlkodierung, Muting, Ausblendung, Mustererkennung und Strahlkodierung hinzugefügt.

Wiederanlaufsperre

Die beiden wichtigsten einstellbaren Verriegelungsmodi sind automatisiert – OSSDs (Output signal switching device, sichere Ausschaltelemente) sind im EIN-Zustand, wenn die Strahlen nicht unterbrochen werden.. Manuell – Die OSSDs sind im EIN-Zustand, wenn die Strahlen nicht unterbrochen sind und dann eine Rücksetztaste gedrückt wird .. Es ist zu beachten, dass ein automatisierter Wiederanlauf nur in speziellen Fällen genutzt werden kann, nämlich, wenn es nicht möglich ist, hinter dem Lichtvorhang stehend erfasst zu werden (z. B. bei einer Kleinpresse nur mit Armzugang), siehe Abbildung 5. Weitere Anforderungen kommen gegebenenfalls hinzu.

Kleinpresse mit Gefahrstellenabsicherung
Abbildung 5: Kleinpresse mit Gefahrstellenabsicherung
Kleinpresse mit Gefahrstellenabsicherung
Abbildung 5: Kleinpresse mit Gefahrstellenabsicherung

Ein manuelles Rücksetzen kann entweder über ein externes Sicherheitsrelais, eine Sicherheits-SPS oder intern durchgeführt werden, wenn das Sicherheits-Lichtschrankensystem über die entsprechende Fähigkeit verfügt.

Schützkontrolle (EDM)

Das Niveau einer Sicherheitsfunktion kann erhöht werden, wenn eine Fehlerdetektion implementiert wird. Die für die Berechnung des Leistungsniveaus einer SRP/CS verwendete harmonisierte Norm EN ISO 13849 nutzt den Begriff Diagnosedeckungsgrad (DC), mit dem diese Fähigkeit gemessen wird. Dieser Grad dient als Maß dafür, wie viele gefährliche Ausfälle erkannt werden. Eine Methode, die in diesen Normen aufgeführt und in der Branche weit verbreitet ist, hat einen Diagnosedeckungsgrad von 99 % (kann also 99 % der gefährlichen Ausfälle detektieren) und wird Schützkontrolle (EDM, External Device Monitoring) genannt. Diese Überwachungsfunktion ist ein Mittel, bei dem eine Sicherheitseinrichtung aktiv den Status der von ihr gesteuerten externen Geräte überwacht, wie z. B. primäre Maschinen-Steuerelemente (Schütze oder Relais. Dies ist erforderlich, da die externen Vorrichtungen in der Regel über keine eigene Diagnosefunktionen verfügen. Wenn in der externen Vorrichtung ein unsicherer Zustand erkannt wird, kann die Sicherheitsvorrichtung eine Sperre auslösen. Dies geschieht durch Überwachung zusätzlicher Kanäle der externen Geräte, die intern physikalisch verbunden sind. Wenn die Ausgänge einer Sicherheitsvorrichtung auf HIGH gehen, muss das rücklaufende EDM-Signal von den Endschaltgeräten auf LOW gehen, wenn sich das System in einem sicheren Zustand befindet. Anderenfalls liegt ein Fehler vor. In Abbildung 6 sind Beispiele für die Implementierung in einem Sicherheitsrelais und direkt in einem Sicherheits-Lichtvorhang dargestellt.

Das Niveau einer Sicherheitsfunktion kann erhöht werden, wenn eine Fehlerdetektion implementiert wird.
Abbildung 6: Zwei Beispiele für die Implementierung des EDM
Das Niveau einer Sicherheitsfunktion kann erhöht werden, wenn eine Fehlerdetektion implementiert wird.
Abbildung 6: Zwei Beispiele für die Implementierung des EDM

Ausblenden

In einigen Anwendungen empfiehlt es sich, bestimmte Objekte in das Schutzfeld ragen zu lassen, ohne eine Blockierung des Detektionsbereichs zu signalisieren. Wenn z. B. ein Maschinentisch oder ein Gestell verwendet wird, um eine Maschine mit einem schweren Werkstück zu beschicken, kann eine Ausblendfunktion genutzt werden, die die Detektionsfähigkeit des Lichtvorhangs verändert, ohne den Workflow zu unterbrechen. Diese Ausblendung kann entweder fest oder beweglich sein, um eine variable Position für das Objekt zu ermöglichen. Siehe Abbildung 7.

Beispiel für feste Ausblendung
Abbildung 7: Beispiel für feste Ausblendung
Beispiel für feste Ausblendung
Abbildung 7: Beispiel für feste Ausblendung

Muting

Bei vielen Anwendungen von Sicherheits-Lichtschranken muss die Sicherheitseinrichtung in der Lage sein, Objekte passieren zu lassen und dennoch auf die Anwesenheit von Personen reagieren können. Dies ist besonders bei Förderstrecken wichtig, auf denen Waren von einem Produktionsbereich zu einem anderen gelangen, oder in automatisierten Lagerbetrieben, bei denen das Personal von den Bereichen mit automatisiertem Stapel- und Regalbetrieb ferngehalten werden soll.

Sensoren können verwendet werden, um ein Objekt (z. B. eine KFZ-Karosserie) zu identifizieren und aufgrund der Form und Größe den Durchgang in eine Gefahrenzone zu ermöglichen, während die Anwesenheit einer Person weiterhin detektiert werden muss. Dies geschieht automatisch und wird als Muting bezeichnet. Die beiden gängigsten Muting-Methoden sind das Kreuz- und das Vier-Sensor-Muting, wie in Abbildung 8 dargestellt.

Kreuz- und Vier-Sensor-Muting
Abbildung 8: Kreuz- und Vier-Sensor-Muting
Kreuz- und Vier-Sensor-Muting
Abbildung 8: Kreuz- und Vier-Sensor-Muting

Es gibt jedoch viele weitere Methoden des Mutings, einschließlich der Verwendung von Lichttastern, Bodeninduktionsschleifen, der Verwendung von Sicherheits-Laserscannern, teilweisem Muting (bzw. teilweise Ausblendung) usw. Die technische Spezifikation IEC/TS 62046 kann beim Einsatz von Schutzeinrichtungen zur Personendetektion hilfreich sein. Auf den Unterschied zwischen Muting und Bypass-Muting sollte jedoch hingewiesen werden: Muting ist automatisiert, während Bypass ein vom Bedienpersonal gewählter Modus ist, bei dem andere Schutzmaßnahmen (z. B. eine Freigabeeinrichtung), also manuelle Methoden, greifen.

Ein anderer Begriff im Zusammenhang mit Muting ist „Override“, d. h. ein manueller Trigger des Muting nach einem Fehler in den Muting-Bedingungen. Dies ist erforderlich, um dem System deutlich zu machen, wenn beispielsweise eine Palette in einem Sicherheits-Lichtvorhang festsitzt und der Förderer angehalten wurde, der Förderer jedoch vorübergehend Strom benötigt, um die Palette zu entfernen.

Mustererkennung

Es gibt auch Sicherheits-Lichtvorhänge, die komplexe Algorithmen für einzelne Lichtstrahlen ausführen können. Diese erkennen nicht nur, ob Lichtstrahlen blockiert wurden oder nicht, sondern auch, welche Strahlen und in welcher Reihenfolge sie blockiert wurden.

Der Lichtvorhang kann Muster, Objekte und Richtungen sicher detektieren, dabei die Sicherheit gewährleisten, während bekannte Muster weiterhin in den Erfassungsbereich des Lichtvorhangs ein- und austreten können. Darüber hinaus werden keine zusätzlichen Sensoren oder Steuerungen benötigt. Diese leistungsstarke Funktion kann die Verfügbarkeit und Sicherheit drastisch erhöhen und gleichzeitig den Materialdurchgang ermöglichen. Der C4000 Fusion ist ein Beispiel für ein solches Gerät. Siehe Abbildung 9.

Objektmusterdetektion
Abbildung 9: Objektmusterdetektion
Objektmusterdetektion
Abbildung 9: Objektmusterdetektion

Strahlkodierung

Aufgrund ähnlicher optischer Frequenzen im Infrarot-Spektrum, kann es beim Einsatz mehrerer Sicherheits-Lichtvorhänge in unmittelbarer Nähe zu Interferenzen zwischen den Systemen kommen .. Dies könnte gefährliche Situationen herbeiführen. Um dies zu vermeiden, verfügen einige Sicherheits-Lichtvorhänge über eine Strahlkodierung, so dass ein Empfänger die Strahlen von einem bestimmten Sender unterscheiden kann und nicht von einem anderen Gerät in unmittelbarer Nähe beeinträchtigt wird. Wenn diese Strahlkodierung aktiviert ist, kann sich dies jedoch auf die Reaktionszeit und die Reichweite des Sicherheits-Lichtvorhangs auswirken. Dies sollte bei der Bestimmung des Montageabstands berücksichtigt werden.

 

Zusammenfassung: Was sind Sicherheits-Lichtvorhänge und Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtschranken?

Heutige Sicherheitseinrichtungen sind viel stärker auf die Bedürfnisse in der Industrie abgestimmt und können eine Vielzahl manueller und automatisierter Vorgänge ausführen, die dafür sorgen, dass sie Sicherheit und Produktivität unterstützen, anstatt seine Effizienz zu beeinträchtigen. Es ist jedoch wichtig zu wissen, welche Merkmale und Funktionen ein Sicherheits-Lichtvorhang aufweist und ob diese für dessen Anwendung erforderlich sind oder nicht.

 

 

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Martin Kidman
Martin Kidman

Martin Kidman 

Product Specialist Machinery Safety SICK (UK) Ltd.

Martin Kidman promovierte 2010 an der Universität Liverpool und ist seit 2006 im Bereich der Industrieautomation bei verschiedenen Herstellern von Sensoren tätig. Seit 2013 ist er bei SICK UK Ltd. als Produktspezialist für Maschinensicherheit für industrielle Sicherheitsanwendungen tätig. Außerdem ist er zertifizierter Functional Safety Engineer (TUV Rheinland, #13017/16).

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