Sicherer Materialfluss – ein Thema für Muting?

An vielen Maschinen werden berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS), wie z. B. Sicherheitslichtvorhänge und Sicherheitslaserscanner, als Schutzeinrichtungen eingesetzt, wo eine trennende Schutzeinrichtung ungeeignet wäre. Dies könnte beispielsweise auf Förderstrecken sein, bei denen Güter von einem Produktionsbereich in einen anderen gelangen. Diese Anwendungen erfordern in den meisten Fällen, dass die BWS bestimmte Objekte durch das Schutzfeld passieren lassen und trotzdem noch auf die Präsenz von Personen reagieren. Die gängigste Implementierung des sicheren Materialflusses besteht darin, die BWS während des Materialflusses mithilfe zusätzlicher Sensoren vorübergehend zu überbrücken („Muting“). Es gibt jedoch weitere Methoden, die kein Muting erfordern, sondern stattdessen sichere Algorithmen verwenden, um zwischen Material und einer Person zu unterscheiden.

Dieser Artikel untersucht dieses Thema und präsentiert einige Beispiele für Methoden des sicheren Materialflusses durch eine berührungslos wirkende Schutzeinrichtung zusammen mit einigen Hinweisen zur Auswahl der am besten geeigneten Lösung für die jeweilige Anwendung.

EU-Rechtsvorschriften: Gewährleistung der Sicherheit von Maschinen

Im Europäischen Wirtschaftsraum ist die Gewährleistung der Sicherheit der Maschinen gesetzlich vorgeschrieben.

Für Hersteller, die Maschinen innerhalb des europäischen Wirtschaftsraums in Verkehr bringen möchten legt die Maschinenrichtlinie (2006/42/EG) die Grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen für Konstruktion und Bau von Maschinen fest. Für Betreiber von Maschinen gilt die Arbeitsmittelbenutzungsrichtlinie (2009/104/EG).

Um die Sicherheit von Maschinen zu gewährleisten, gibt es als praktische Lösungsvorschläge zur Einhaltung der Sicherheitsanforderungen die harmonisierten EN-Normen. Durch die vollständige Berücksichtigung der Anforderungen einer harmonisierten EN-Norm wird die sogenannte Vermutungswirkung (zu den jeweiligen Richtlinien) ausgelöst.

 

Harmonisierte Normen in drei Kategorien

Diese harmonisierten Normen sind in drei Kategorien unterteilt:

• Typ-A-Normen – Sicherheitsgrundnormen, welche Grundbegriffe, Gestaltungsleitsätze und allgemeine Aspekte, die auf Maschinen angewandt werden können, behandeln (z. B. EN ISO 12100 für Risikobeurteilung)

• Typ-B-Normen – Sicherheitsfachgrundnormen, die Sicherheitsaspekte oder eine Art von Schutzeinrichtungen behandeln. Sie können für eine Reihe von Maschinen verwendet werden (z. B. EN ISO 13855 für die Berechnung von Mindestsicherheitsabständen oder EN ISO 14119 für Zuhaltung usw.)

• Typ-C-Normen – Enthalten alle Sicherheitsanforderungen einer bestimmten Maschine oder eines bestimmten Maschinentyps

Existiert eine Typ-C-Norm, so hat sie generell Vorrang vor der Typ-A- und der Typ-B-Norm. Eine Typ-C-Norm bezieht sich jedoch auf alle relevanten Typ-A- und Typ-B-Normen, anstatt den Inhalt neu zu erstellen.

Die Verwendung einer einzelnen Typ-C-Norm kann jedoch möglicherweise nicht die beabsichtigte Konformität mit den Grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen (EHSR) der EU-Maschinenrichtlinie erzielen. Heutzutage ist es üblich, dass viele Maschinen - von denen jede eine Typ-C-Norm haben kann oder nicht - zusammen miteinander funktionieren. Dies kann die Sachlage etwas komplizierter machen, z. B. ein Roboter für das Beschicken einer CNC-Maschine, bestehend aus Drehmaschine, Roboter, automatisiertem Schubladensystem und Förderband, siehe Abbildung 1.

Funktionale Sicherheit

Bei Maschinen, die üblicherweise berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS) enthalten, sind in den entsprechenden Typ-C-Normen oft Hinweise für deren Anwendung zu finden. Der Typ-C-Normensatz E 415 z. B., der die Sicherheitsanforderungen für Verpackungsmaschinen behandelt, enthält viele nützliche Informationen.

EN 415-6 für Paletteneinschlagmaschinen (Folienwickler) enthält Anhänge zu Themen wie BWS in einer vertikalen Position, dynamische Zellpositionierung von BWS und BWS-Muting. Diese Norm allerdings wurde bereits 2013 veröffentlicht und seitdem existieren neuere Technologien, die in diesen Anwendungen genutzt werden können. Normen beschreiben den Stand der Technik und leider kann die Entwicklung von Normen den technischen Fortschritt nicht immer aktuell widerspiegeln.

EN 415-6 verweist auf EN ISO 13849 und EN 62061 (inzwischen ersetzt durch EN IEC 62061) in Bezug auf die Robustheit des Steuerungssystems, von dem die BWS einen Teil darstellt. Diese „sicherheitsbezogenen“ Teile der Steuerungen (SRP/CS) müssen entsprechend ausgelegt und konstruiert sein und ein gewisses Maß an Robustheit aufweisen, das dem erforderlichen Grad der Risikominderung entspricht.

EN ISO 13849 und EN IEC 62061 enthalten Sicherheitsanforderungen und Leitlinien für die Grundsätze für die Gestaltung und Integration von SRP/CS, einschließlich der Entwicklung von Software, und legen Merkmale für die Durchführung von Sicherheitsfunktionen (SF) fest. Obwohl beide genutzt werden können, konzentriert sich dieser Artikel auf EN ISO 13849.

Die Norm EN ISO 13849 enthält Beispiele für eine Reihe typischer Sicherheitsfunktionen und verweist auch auf Normen, die ebenfalls relevant sind. Für BWS und Muting verweist sie auf EN ISO 13855 und EN IEC 62046.

EN ISO 13855 beschreibt die Anordnung von Schutzeinrichtungen hinsichtlich der Annäherungsgeschwindigkeiten des menschlichen Körpers. Die allgemeine Formel zur Berechnung des Mindestabstands ist:

S = (K × T) + C

Dabei steht:

S = Mindestabstand der BWS von der Gefahrstelle

K = Annäherungsgeschwindigkeit des Menschen

T = Gesamtnachlaufzeit des Systems

C = Eindringabstand (ein zusätzlicher Wert, der sich sowohl aus der Auflösung der Schutzeinrichtung als auch aus der Möglichkeit des Übergreifens ergibt.

SICK kann zu diesem Thema Orientierungshilfe anbieten und verfügt über viele Dokumente, die Kunden zur Verfügung gestellt werden können. SICK bietet auch Sicherheitsleistungen wie Nachlaufzeitmessungen an um einen Wert für „T“ zur Berechnung des notwendigen Mindestabstands „S“ zu erhalten.

EN IEC 62046 ist eine Norm, die nach der Veröffentlichung der aktuellen EN ISO 13849 herausgegeben wurde. Es empfiehlt sich immer, eine gültige Norm anzuwenden, die den neuesten Stand der Technik repräsentiert. EN IEC 62046 befasst sich konkret mit der Anwendung von Schutzeinrichtungen zur Personenerkennung und enthält Hinweise zu Muting.

Bei einer Paletteneinschlagmaschine enthalten folgende Normen nützliche Hinweise hinsichtlich BWS:

• EN 415-6
• EN ISO 13849/EN IEC 62061
• EN IEC 62046
• EN ISO 13855

Diese Liste erhebt jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit und weitere Normen werden auch relevant sein, wie EN 60204 für elektrische Sicherheit und EN ISO 14118 für die „Vermeidung von unerwartetem Maschinenanlauf“, um nur einige zu nennen.

Typ-C-Normen enthalten üblicherweise Informationen zu Muting und verweisen auf die anderen Normen. Wenn jedoch keine Typ-C-Norm existiert, muss die Risikominderung unter Berücksichtigung von allen relevanten Typ-B-Normen herangezogen werden. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Norm anzuwenden ist, ist es am besten, einen Experten um Rat zu fragen.

Normen können jedoch keine Hinweise zu Technologien enthalten, die nach Veröffentlichung der Norm entwickelt wurden. In diesem Fall kann die Norm zusammen mit EN ISO 12100 verwendet werden.

 

Normen mit Bezug zu Muting

In Bezug auf Muting bieten die Typ-C-Normen Leitlinien, aber es wäre viel Arbeit, alle relevanten Typ-C-Normen durchzugehen. Was sagen also EN ISO 13849 und EN IEC 62046 zu diesem Thema?

 

EN ISO 13849

EN ISO 13849 definiert Muting als „vorübergehende automatische Unterdrückung einer Sicherheitsfunktion bzw. von Sicherheitsfunktionen durch sicherheitsbezogene Teile des Steuerungssystems (SRS/CS)“. Wichtige Worte hierbei sind:

Vorübergehend – wie lange wird die Sicherheitsfunktion (SF) unterdrückt?

• Automatisch – wie entscheidet die Steuerung, wann die SF unterdrückt werden soll?
• Sicherheitsfunktion – welche SF wird unterdrückt und wie erfolgt dies?

Wir betrachten eine sicherheitsrelevante Stopp-Funktion, die durch einen Sicherheitslichtvorhang zur Absicherung des Zugangs zu einem Palettierer ausgelöst wird. Wenn sich das Material dem Lichtvorhang nähert (volle Palette), muss die Steuerung das Material automatisch erkennen und die Sicherheitsteilfunktion des Lichtvorhangs (Personenerkennung) unterdrücken, um das Material durchzulassen, siehe Abbildung 2.

Dies kann mithilfe von Sensoren erfolgen. Das System muss in der Lage sein, das Material zuverlässig zu erkennen und somit zwischen dem Material und einer Person zu unterscheiden. Während des Unterdrückungsvorgangs muss ein sicherer Zustand mit anderen Mitteln sichergestellt werden (Versperrung des Eingangs durch das Transportmaterial), und bei Abschluss müssen alle Sicherheitsfunktionen der SRP/CS wiederhergestellt werden.

Ein verbreiteter Irrtum ist, dass alle Muting-Systeme eine Muting-Lampe aufweisen müssen. Obwohl einige Typ-C-Normen die Verwendung einer Lampe vorschreiben, steht allerdings in der EN ISO 13849 nur, dass „in einigen Anwendungen ein Muting-Anzeigesignal notwendig sei“. EN IEC 62046 sagt Abbildung 2: Muting der Sicherheitsfunktion: Stopp auslösen des Lichtvorhang ferner, dass, wenn eine Anzeige zur Verfügung steht, um darauf hinzuweisen, dass die Muting-Funktion aktiv ist, berücksichtigt werden sollte, ob die Bereitstellung einer solchen Anzeige zu unzulässigen Versuchen führen könnte, sich Zugang zur Gefahrenzone zu verschaffen. Angesichts dessen wäre es besser auf eine Lampe zu verzichten.

 

EN IEC 62046

EN IEC 62046 enthält informative Anhänge, die Hinweise zur Anwendung und Positionierung von Schutzeinrichtungen und Sensoren zur Materialerkennung für die Einleitung der Muting-Funktion, und bietet darüber hinaus Beispiele zur Veranschaulichung. Die Beispiele sind jedoch nicht als die einzigen Lösungen für eine Anwendung gedacht. Sie sollten auch nicht Innovationen oder den technischen Fortschritt einschränken. Die Norm wird auch in der folgenden Abbildung dargestellt. 

Abschnitt 5.7 in Norm EN IEC 62046 behandelt ausführlich die Anforderungen zum Thema Muting und behandelt ähnliche Themen wie EN ISO 13849, geht aber viel mehr in das Detail. Die Norm beschreibt Anforderungen, die gelten, wenn die Muting-Funktion eingeleitet wird, wie z. B.:

• Muting muss durch zwei oder mehr unabhängige Muting-Signale ausgelöst werden
• Die Muting-Funktion muss beendet werden, wenn eines der Muting-Signale, das die Funktion aufrechterhält, deaktiviert wird
• Zeit- und/oder Ablaufsteuerung sind bei den Muting-Signalen anzuwenden, um den ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten
• Es müssen Maßnahmen gegen unbeabsichtigtes Auslösen von Muting oder Dauerüberbrückung aufgrund einer mechanischen Beschädigung und/oder Fehlausrichtung von Muting-Sensoren vorhanden sein
• Es müssen Maßnahmen vorgesehen werden, um eine Umgehung der Schutzausrüstung zu verhindern
• Es muss einen Schutz vor vorhersehbarem Missbrauch einschließlich Manipulation geben

Die Norm gibt auch Empfehlungen und viele Beispiele für anwendbare Maßnahmen. Dazu zählen auch Hinweise zu Muting, um Zugang von Personen und Material zu ermöglichen, und Muting-abhängiges manuelles Überbrücken.

 

Beispiele für Lösungen für den sicheren Materialfluss

EN IEC 62046 – Beispiele für Muting

Anhang D von IEC 62046 enthält eine Reihe von Beispielen für die Konfiguration photoelektrischer Muting-Sensoren, wenn diese verwendet werden, um den automatischen Zugang von Material zu ermöglichen. Jedoch, wie bereits erwähnt, erhebt die Liste keinen Anspruch auf Vollständigkeit – es ist nicht beabsichtigt, dass ausschließlich diese Konfigurationen verwendet werden sollten. Es werden jedoch die ausschließlich am gängigsten verwendeten behandelt, siehe Abbildung 4 in diesem Zusammenhang.

Die wichtigste Anforderung für die Positionierung der Muting-Sensoren besteht darin, dass sie so gewählt wird, dass eine Person die Öffnung zur Gefahrenzone nicht passieren kann, während sich das System in einem gemuteten Zustand befindet. Diese passieren könnte z. B. durch Mitfahren auf einer Palette oder das neben oder hinter dem Material Hergehen erfolgen. Der Anhang bietet auch Leitlinien dazu (zusätzliche Maßnahmen, Schwenktüren usw.) und stellt einige Methoden vor, um Manipulationen zu verhindern.

Gleichermaßen ist es wichtig, dass die Muting-Konfiguration keine zusätzlichen Gefahren (z. B. Quetschen) zwischen dem transportierten Material und feststehenden Teilen verursacht. Es werden auch Hinweise hinsichtlich der Maximal-/ Minimalabstände für Folgendes gegeben:

• Abstand zwischen dem Material und den feststehenden Teilen der Anlage
• Abstand zwischen den Muting-Sensoren
• Höhe der Muting-Sensoren über die ursprünglich der Förderebene

Die aktuelle Version von EN IEC 62046 wurde 2018 veröffentlicht und ersetzte die ursprünglich 2008 veröffentlichte technische Spezifikation IEC/TS 62046. Allerdings enthält diese Norm Beispiele nur in begrenztem Maße und seit dem Entwurf dieser Norm sind inzwischen neue Technologien und neue Muting-Lösungen entwickelt worden. Aus sicherheitstechnischer Sicht ist letztendlich die Erfüllung der Schutzziele aus der EN IEC 62046 zum Thema Muting maßgeblich. Das bedeutet, dass, wenn alternative Lösungsansätze zu einem gleichwertigen (oder sogar höherem) Sicherheitsniveau führen, sind diese natürlich ebenfalls statthaft.

Der folgende Abschnitt bietet zusätzliche Beispiele für Muting, stellt aber auch neuartige Methoden vor, die sich cleverer Algorithmen bedienen, und bei denen keine Unterdrückung einer BWS erfolgt.

 

Muting mit Sicherheitslichtvorhängen oder Mehrstrahl-Sicherheitslichtschranken 

Mit dem Sicherheitslichtvorhang deTec4 oder den Mehrstrahl-Sicherheitslichtschranken deTem4 A/P und deTem4 ist es möglich eine klassische Mutinganwendung zu realisieren. Dabei werden wie oben beschrieben Muting-Signale (z. B. anhand photoelektrischer Mutingsensoren) verwendet und an die BWS angeschlossen. Auf Basis einer logischen Auswertung dieser Signale wird bei gültiger Muting-Bedingung die Schutzeinrichtung überbrückt. Integrierte Mutingfunktionen und Zeitüberwachungen sorgen für einen zusätzlichen Schutz vor Manipulation.

Es können passgenaue Muting-Lösungen für alle gängigen Muting-Varianten, wie Kreuz-Muting (X-Muting), Ausfuhrüberwachung (L-Muting) oder Einfuhr-/Ausfuhrüberwachung (T-Muting), realisiert werden. Das modulare Produktportfolio in Kombination mit verschiedenen, selektierbaren Funktionspaketen, bietet die Möglichkeit zwischen einem einfachen 2-Signal-Muting oder einem flexibel konfigurierbaren 2-/4-Signal-Muting, je nach Anforderung in der Applikation. 

Mit der Nutzung des Funktionspakets DMM4, welches im Wesentlichen aus dem Erweiterungsmodul DMM4 und einer entsprechenden BWS-Variante der Produktfamilien deTec4, deTem4 A/P oder deTem4 besteht, kann die Mutingfunktionalität inklusive wichtiger Zeitüberwachungen mithilfe der Software Safety Designer flexibel konfiguriert werden. Insbesondere die Konfiguration von teilweisem Muting zur Erhöhung des Manipulationsschutzes (z.B. Mitfahren auf Paletten) oder aber auch die Möglichkeit der Konfiguration von bis zu drei Betriebsarten sind wichtige Elemente, um einen produktiven Materialfluss bei gleichzeitigem Schutz des Personals zu realisieren.

Das DMM4 verfügt über mehrere Ein- und Ausgänge, an denen die BWS und weitere Geräte oder Sensoren angeschlossen werden können. Hierzu gehört auch ein möglicher Anschluss und Nutzung von bis zu drei Sicherheitssensoren (SDI’s), bspw. von sicheren Zuhaltungen vorhandener Schwenktüren in der Applikation. 

 

Sicherheitslaserscanner – Schutzfeldanpassung

Analog zu Sicherheitslichtvorhängen sind Sicherheitslaserscanner BWS, die zum Erkennen einer Person verwendet werden können. Normalerweise würden Sie das Schutzfeld eines Laserscanners in einer horizontalen Ebene vermuten. Er wird häufig in Anwendungsbereichen wie der Verhinderung eines Starts in einer Roboterzelle oder als Auslöser für den sicheren Stopp bei einem fahrerlosen Transportfahrzeug (FTF), siehe Abbildung 5, verwendet.

Jedoch können sie wie ein Sicherheitslichtvorhang auch vertikal verwendet werden und die Schutzfelder lassen sich mithilfe von Eingangssignalen dynamisch verändern. Mit einem Sicherheitslichtvorhang können Sie die Sicherheit erhöhen, indem Sie nur eine bestimmte Strahlanzahl überbrücken, wohingegen Sie mit einem Sicherheitslaserscanner tatsächlich die Form des Schutzfelds an die Umgebungskonturen des Materials im überbrückten Zustand anpassen können, siehe Abbildung 6.

Dadurch sind zusätzliche Schutzeinrichtungen oder Sensorik nicht mehr erforderlich, um zu verhindern, dass sich eine Person unerkannt Zugang zu einer Maschine bei überbrückter BWS zu verschafft.

Wenn Sie darüber hinaus eine sichere Datenschnittstelle zu einem Scanner (z. B. CIP Safety, PROFISAFE, SICK – EFI Pro) haben, dann können Sie auf mehrere Schutzfelder gleichzeitig zugreifen. Dies wird simultane Schutzfeldauswertung genannt und ermöglicht es Ingenieuren, komplexe Anwendungen mit nur einem Sensor zu entwickeln. Die Sicherheitslösung Safe Portal Solutions von SICK macht sich diese Funktionen zunutze, um Material mithilfe separater „Muting-Felder“ sicher zu erkennen, die die Schutzfelder dynamisch anpassen, damit das Material passieren kann, während der Rest der Öffnung überwacht bleibt. Dies macht Muting-Sensoren überflüssig, was mehr Flexibilität ermöglicht, und den Platzbedarf reduzieren kann, siehe Abbildung 7.

Alternatives to traditional muting

The Safe Entry Exit safety system is a TÜV-certified alternative to traditional muting. This system takes a single signal from the process controller as the first signal, and the light curtain itself as the second muting signal. Combined with time and sequence checks, this enables it to reliably detect material and thus initiate the muting function. Like the Safe Portal, this can eliminate the need for additional muting sensors and reduce the footprint of the muting system (Figure 8).

True human-material differentiation

Safety devices have become incredibly versatile, and powerful microchips mean that complex algorithms can be implemented at high speeds. Individual beams can be evaluated, thereby enabling pattern recognition in a permanently active safety sensor. This means that a safety device can safely differentiate between a human and the material that is allowed to enter a hazardous area. A system like this does not mute the person detection safety function at any point in the process. This provides constant protection because the uninterrupted beams continue to remain active.

The C4000 Fusion safety light curtain can be used horizontally, and it allows the user to configure different patterns by specifying parameters such as:

• Allowed number of objects
• Object widths
• Distance between objects
• Direction
• Sequence
• etc.

This means that only certain silhouettes are allowed to pass through the protective field of the safety light curtain without triggering the safety function (= initiating a stop), which enables, for example, a car skid to be distinguished from a human (see Figure 9).

Another example of pattern recognition is the SMART Box Detection feature on the deTec4 safety light curtain. This feature evaluates the beams to identify objects that appear rectangular from the two-dimensional perspective of the light curtain, e.g. cardboard boxes or even drums. This could be particularly helpful in applications that have traditionally used tunnel guards to increase the distance from a hazardous point. This eliminates the need for muting sensors and, depending on the stopping time of the machine, can significantly reduce the safety distance. Beams that have not been interrupted remain active and thereby continue to prevent undetected reaching in over the object (see Figure 10).

Implementation of a solution

Another topic that should be considered is the implementation of a solution. For example, it is possible to purchase pre-configured, wired, aligned, and pre-certified solutions as described in EN IEC 62046 (see Figure 11).

Purchasing a complete system instead of individually purchasing all of the components, brackets, and cables reduces the effort involved in design, configuration, and installation. It can also reduce the effort required to verify the system's performance (PL/SIL).

If muting is implemented in a safety controller, then pre-certified function blocks are available that give the user much more flexibility with a full logic suite available. There are also stand-alone solutions and devices with integrated muting/safe algorithms.

It is important to understand the pros and cons of how a muting system is implemented because this can affect different factors such as cost, availability, robustness, specification, and footprint among other things. Table 1 shows the most common implementations.

In reality, some systems may differ from this table but in general, these implementation examples are based on many years of experience in this field and can be a good yardstick.

Summary regarding safe material flow: every application is different

Electro-sensitive protective devices are commonly used on machines to protect access to hazardous areas, and it is often the case that the system needs to allow material in and out of the machine while safely protecting people. The traditional muting feature of protective devices has developed over time into an increasingly versatile method. There are many solutions on the market, however, including solutions that do not mute the safety function (= initiating a stop) but use smart pattern detection to dynamically allow material through while still detecting access by a person.

Every application is different and some solutions may offer particular advantages over others, so the designer should take into consideration what is important to them. If a C-Type standard exists for a machine, then it may offer advice and guidance on how to implement safe solutions. Technology, however, often moves quicker than the development of standards. EN IEC 62046 recognizes this and states that other solutions may be possible. When selecting the best solution, the only thing that matters is whether the protection goals have been achieved, and whether the solution is robust against manipulation.

Manufacturers of ESPEs have lots of experience in the application of their protective devices, and offer many different solutions for implementing the safe passage of material on a machine. If you are unsure, the safety and sensor specialists at SICK are happy to provide advice and help you find the right solution.

 

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