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.

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.

Alternativen zu klassischem Muting

Das Sicherheitssystem Safe Entry Exit ist die TÜV-zertifizierte Alternative zum klassischen Muting. Das System nimmt lediglich ein Signal aus der Prozesssteuerung als erstes Signal und das Signal des Lichtvorhangs selbst als zweites Muting-Signal. So kann es in Kombination mit Zeit- und Ablaufüberwachung zuverlässig Material erkennen und somit die Muting-Funktion einleiten. Wie beim Safe Portal kann dies zusätzliche Muting-Sensoren überflüssig machen und den Platzbedarf des Muting-Systems reduzieren, siehe Abbildung 8.

Echte Mensch-Material-Unterscheidung

Sicherheitseinrichtungen sind unglaublich vielseitig geworden und dank leistungsstarker Mikrochips können komplexe Algorithmen bei hohen Geschwindigkeiten implementiert werden. Einzelne Strahlen können ausgewertet werden, was die Mustererkennung in einem permanent aktiven Sicherheitssensor ermöglicht. Dies bedeutet, dass eine Sicherheitseinrichtung sicher zwischen einem Menschen und dem Material unterscheiden kann, das in einen gefährlichen Bereich gelangen darf. Ein solches System unterdrückt zu keinem Zeitpunkt die Sicherheitsfunktion Personenerkennung im Prozess. Dies bietet ununterbrochenen Schutz, da die nicht unterbrochenen Strahlen weiterhin aktiv bleiben.

Der Sicherheitslichtvorhang C4000 Fusion lässt sich horizontal verwenden und ermöglicht dem Benutzer, verschiedene Muster unter Angabe von Parametern zu parametrieren wie z. B.:

• Zulässige Anzahl der Objekte
• Objektbreiten
• Distanz zwischen Objekten
• Richtung
• Ablauf
• etc.

Dies bedeutet, dass nur bestimmte Silhouetten durch das Schutzfeld des Sicherheitslichtvorhangs passieren dürfen ohne die Sicherheitsfunktion (= Stopp auslösen) auszulösen, wobei z. B. zwischen einem Auto auf einem Gestell und einem Menschen unterschieden wird, siehe Abbildung 9.

Ein weiteres Beispiel für Mustererkennung ist die Smart Box Detection-Funktion des Sicherheitslichtvorhangs deTec4. Diese Funktion wertet die Strahlen aus, um Objekte zu erkennen, die aus der zweidimensionalen Perspektive des Lichtvorhangs rechteckig erscheinen, z.B. Kartonboxen oder auch Fässer. Dies könnte insbesondere bei Anwendungen hilfreich sein, bei denen bisher traditionell ein Tunnel zum Schutz verwendet wurde, um die Distanz zu einer Gefahrstelle zu erhöhen. Muting-Sensoren sind nicht mehr erforderlich und je nach Stoppzeit der Maschine kann der Sicherheitsabstand erheblich reduziert werden. Strahlen, die nicht unterbrochen wurden, bleiben aktiv und sichern so das unerkannte Eingreifen oberhalb des Objekts weiterhin ab, siehe Abbildung 10.

Implementierung einer Lösung

Ein weiteres zu berücksichtigendes Thema ist die Implementierung einer Lösung. Es ist beispielsweise möglich, vorkonfigurierte, vorverdrahtete, abgestimmte und vorzertifizierte Lösungen einzusetzen, wie in EN IEC 62046, Abbildung 11, beschrieben.

Durch die Anschaffung eines Gesamtsystems anstatt der Anschaffung aller Einzelkomponenten, Halterungen und Leitungen wird der Aufwand bei Design, Konfiguration und Installation reduziert. Der Aufwand bei der Verifizierung der Systemperformance (PL/SIL) kann dabei auch reduziert werden.

Wird Muting in einer Sicherheitssteuerung implementiert, dann stehen vorzertifizierte Funktionsbausteine zur Verfügung, die dem Benutzer viel mehr Flexibilität mit einer vorhandenen kompletten Logic Suite geben. Es gibt auch Stand-alone-Lösungen und -Geräte mit integrierten Muting- / sicheren Algorithmen.

Es ist wichtig, die Vor- und Nachteile der Implementierung eines Muting-Systems zu verstehen, da dies verschiedene Faktoren wie Kosten, Verfügbarkeit, Robustheit, Spezifikation, Platzbedarf u. a. beeinflussen kann. Die folgende Tabelle 1 zeigt die gängigsten Implementierungen auf.

In Wirklichkeit können einige Systeme von dieser Tabelle abweichen, aber im Allgemeinen basiert sie aus langjähriger Erfahrung in diesem Bereich und kann ein guter Gradmesser sein.

Fazit zum sicheren Materialfluss: jede Anwendung ist individuell

Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen werden häufig an Maschinen eingesetzt, um den Zugang zu Gefahrbereichen zu abzusichern. Es ist oft der Fall, dass das System das Material automatisch in die Maschine hinein und heraus lassen muss und gleichzeitig Personen sicher schützt. Dabei hat sich die klassische Mutingfunktion der Schutzeinrichtungen im Laufe der Zeit zu einer immer vielseitigeren Methode entwickelt. Jedoch gibt es auf dem Markt viele Lösungen. Dazu zählen auch Lösungen, die nicht die Sicherheitsfunktion (= Stopp auslösen) unterdrücken, sondern clevere Mustererkennung verwenden, um Material dynamisch durchzulassen und dabei gleichzeitig noch den Zugang einer Person zu erkennen.

Jede Anwendung ist individuell, und einige Lösungen bieten Vorteile gegenüber anderen; auf dieser Grundlage sollte der Konstrukteur berücksichtigen, was für ihn wichtig ist. Wenn für eine Maschine eine Typ-C-Norm existiert, kann sie Hinweise und Leitlinien für die Implementierung sicherer Lösungen bieten. Jedoch schreitet die Technik oft schneller als die Entwicklung von Normen voran. In EN IEC 62046 wird dies erkannt und gesagt, dass andere Lösungen möglich sein könnten. Entscheidend bei der Wahl der besten Lösung ist einzig, ob die Schutzziele erreicht werden und ob die Lösung stabil gegen Manipulationen ist.

Hersteller von BWS haben viel Erfahrung in der Anwendung ihrer Schutzeinrichtungen und können mit dem Angebot vieler alternativer Lösungen dabei helfen, den sicheren Materialdurchgang an einer Maschine zu implementieren. Wenn Sie unsicher sind, beraten die Sicherheits- und Sensorspezialisten von SICK Sie gerne, um zu einer für Sie passenden Lösung zu finden.

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