Einfach zu implementierendes System für Funktionssicherheit überbrückt die Zeit bis zur Markteinführung einer neuen Generation von CNC-Maschinen

Das System verkürzt die Entwicklungszeit für Funktionssicherheit von Wochen auf Tage

Die vollständig skalierbare Architektur bietet alle für die Einhaltung der Norm EN ISO 13849-1 erforderlichen sicheren Antriebsfunktionen

23. November 2015 – Die Implementierung von Funktionssicherheit bei neuen CNC-Maschinen ist einer der wichtigsten Trends im Bereich der metallbearbeitenden Werkzeugmaschinen, so NUM, Vertreiber von Maschinensteuerungssystemen. Das Jahr 2015 wurde wegweisend, da 100 Prozent derjenigen OEM-Kunden von NUM, die Maschinen mit der neuesten Flexium+-Steuerung entwickeln, auch an Funktionssicherheit interessiert sind. Dieses enorme technologische Umdenken brachte eine 300-prozentige Umsatzsteigerung bei den Funktionssicherheitsprodukten des Unternehmens mit sich, und NUM erwartet im Jahr 2016 weiteres Wachstum.

«Funktionssicherheit ist momentan der wichtigste Entwicklungstrend,» sagt Peter Hutter, Vizepräsident für Kundenlösungen und Qualität bei NUM. «In unseren Marktbereichen wird sie unweigerlich dann implementiert, wenn neue Maschinen entwickelt werden. Vorhandene Maschinen mit älteren Sicherheitssystemen bleiben oft unverändert.»

«Für NUM ist einfache Implementierung eine grundlegende Voraussetzung, und die leichte Programmierbarkeit des Sicherheitssystems ist dabei ausschlaggebend», fügt Hutter hinzu. «Die Funktionssicherheit ist ein komplexes Fachgebiet, und viele unserer Kunden sind kleine und mittlere Unternehmen, denen oft nur ein oder zwei Ingenieure mit Erfahrung im PLC-Programmieren zur Seite stehen. Die sind dann zusätzlich auch oft mit anderen elektrischen und mechanischen Designaufgaben beschäftigt und obendrein keine Sicherheitsexperten.»

Verfahren zur Vereinfachung der Designproblematik sind für diesen breiten Sektor des Maschinenbaumarkts kritisch, und auf dieser Erkenntnis fusst auch das Konzept von NUMSafe, dem Funktionssicherheitssystem von NUM. Basierend auf einem geeigneten Sicherheits-PLC, ist diese Lösung speziell darauf ausgerichtet, den Entwicklungs- und Zeitaufwand bei der Einführung sicherer Antriebsfunktionen gemäss den Normen EN ISO 13849-1 und EN 6206 zu reduzieren.

NUMSafe wird auf Auftrag in der neuesten Generation der Flexium+-CNC-Plattform eingesetzt. Es ist eine vollständige Funktionssicherheitslösung, die den komplexen Anforderungen eines Maschinensteuerungssystems gerecht wird. Es umfasst einen Sicherheits-PLC, Sicherheitseingangs- und ausgangsmodule (I/O), digitale Servoantriebe mit eingebauter sicherer Antriebsüberwachung und kompatible bürstenlose Servomotore. Diese systemumfassende Architektur ermöglicht es Maschinenherstellern, Funktionssicherheitselemente mit wenigen zusätzlichen Komponenten und minimaler Verdrahtung genau dort einzubauen, wo sie nötig sind. Es stellt eine einfache und kosteneffiziente Lösung für alle Arten von CNC-Anwendungen dar – von einfachen 3-Achsen-Maschinen bis hin zu komplexen Automaten mit mehr als 100 Achsen.

Eine wachsende Zahl von NUM-Kunden – hauptsächlich versierte Hersteller von High-End-Maschinen in Deutschland und in der Schweiz – verlangen ausdrücklich NUMSafe für ihre neuen oder nachgerüsteten CNC-Maschinen. Dank des enormen Zuwachses im Jahr 2015 enthalten etwa 20 Prozent der von NUM gelieferten Flexium+-CNC-Systeme NUMSafe. Das Unternehmen erwartet, dass dieser Anteil wesentlich steigen wird, da zahlreiche asiatische Grossserienhersteller ihr Geschäft durch Exporte nach Übersee ausdehnen wollen, wo strenge Sicherheitsvorschriften gelten.

Peter Hutter erklärt: «Viele unserer Kunden sind Nischenhersteller mit begrenzten Ingenieurkapazitäten. Bis vor kurzem verwendeten sie Sicherheitssysteme von Drittparteien, die nur begrenzt in die Steuerungssysteme von CNC-Maschinen integriert werden konnten. Dies verlängerte den Entwicklungszyklus einer Maschine oft um mehrere Wochen. Dank NUMSafe sind sie jetzt in der Lage, voll integrierte, normgerechte Sicherheitssysteme in einem Bruchteil der Zeit und mit viel geringerem Aufwand für Verkabelung zu verbauen.»

Als Beispiele nennt Hutter einige neuere Anwendungen bei CNC-Werkzeugschleifmaschinen – einem Markt, in dem NUM sehr stark vertreten ist. Die Konfiguration dieser Maschinen unterscheidet sich von Hersteller zu Hersteller, jedoch haben sie typischerweise mindestens fünf Achsen (drei lineare und zwei rotierende), von denen jede unterschiedliche Kontrollfunktionen für den sicheren Antrieb erfordert. In beinahe allen Fällen hat NUMSafe es den Kunden ermöglicht, innerhalb weniger Tage – in einigen Fällen sogar innerhalb eines Tages – komplette Funktionssicherheitssysteme in ihre Maschinen einzubauen.

Die am weitesten verbreitete Funktionssicherheitstechnologie, die eingesetzt wird, um den grundlegenden Anforderungen der Antriebssicherheit nach EN ISO 13849-1 zu entsprechen, ist die Safe-Torque-Off(STO)-Funktion auf den entsprechenden Achsen. Sie stellt sicher, dass der Antrieb oder die Antriebe die Motoren nicht mehr dazu veranlassen, ein Drehmoment zu erzeugen. Ebenfalls hilfreich ist die Safely-Limited-Speed(SLS)-Funktion, besonders dann, wenn an einer Maschine manuelle Arbeiten bei geöffneten Wartungsluken durchgeführt werden müssen.

Wenn Mehrachsenmaschinen gesichert werden sollen, kann es nötig sein,
gewisse Achsen in vorgeschriebene Positionen zu fahren oder andere sicherheitsrelevante Parameter zu befolgen, wie beispielsweise das Halten des Drehmoments in Ruhelage. Zudem verfügt jeder Maschinentyp über unterschiedliche Schutzeinrichtungen – wie Schutztüren, Schliesssysteme und Lichtschranken – sowie über unterschiedlich gestaltete Ladebereiche, unterschiedliche Achsengeometrie usw. Daher werden für ein korrektes Maschinenmanagement jeweils speziell abgestimmte Sicherheitslogiken und -funktionen benötigt. Wenn jedoch der PLC des CNC-Systems beteiligt ist, kann das zu unnötig komplexen Steuerungsprogrammen mit redundanter Logik führen, die erhebliche zusätzliche Konstruktions- und Programmierkosten verursachen.

NUMSafe umgeht diese Problematik durch die Verwendung eines speziell dafür vorgesehenen Sicherheits-PLC und einer deutlichen Abgrenzung zwischen gewöhnlicher und sicherheitsrelevanter Logik. Die Konstrukteure müssen lediglich diejenigen Sicherheitsfunktionen umsetzen, die für die vorliegenden Aufgaben wichtig sind, ohne sich dabei um Funktionen der Bewegungsachsen kümmern zu müssen, die für die planmässige Produktionsbeendigung irrelevant sind.

Ein anderer wesentlicher Vorteil von NUMSafe ist es, dass Sicherheitsvorrichtungen wie der Sicherheits-PLC und die Sicherheits-I/O-Module in derselben Station untergebracht werden können wie andere Elemente des Steuerungssystems, was die Integration zusätzlich vereinfacht. Die gesamte Kommunikation zwischen der Anlagensteuerung und den Servoantrieben wird über einen EtherCAT-Feldbus durchgeführt, der wiederum eine Ausfallsicherung über ein Fail-Save-over-EtherCAT(FSoE)-Protokoll benutzt, um die Vollständigkeit der sicherheitsrelevanten Daten zu garantieren.

Das Anwendungsprogramm für den Sicherheits-PLC wird mit den gleichen Softwareentwicklungstools erstellt, die auch für das Gesamtsystem einschliesslich CNC, PLC, Antriebe und I/O-Module verwendet werden. Diese einheitliche Entwicklungsumgebung verkürzt die Lernzeit und verringert die Kosten für die Codeerzeugung. Die Logik der Sicherheitsanwendungen wird durch Funktionsbausteine wie «E-Stop» «Betriebsart», «UND», «ODER» usw. programmiert, die mit den Sicherheitsein- und ausgängen verknüpft werden. Komplexe Sicherheitsfunktionen können durch die Kombination von Funktionsbausteinen einfach realisiert werden.

Der neueste digitale Servoantrieb NUMDrive X von NUM bietet in der Ein- und Zweiachsenversion optionale Überwachungsmodule für den sicheren Antrieb. Die Module arbeiten mit dem Sicherheits-PLC, um alle sicherheitsrelevanten Aspekte von Antrieb und Motor zu überwachen und zu steuern. Dieses modulare Verfahren trägt dazu bei, die Systemkosten zu senken, da die Sicherheitsfunktionen an einzelnen Maschinenachsen und nur dort, wo sie tatsächlich benötigt werden, eingesetzt werden können.

Es gibt zwei Versionen von Überwachungsmodulen für den sicheren Antrieb. Sie erlauben es den Konstrukteuren, die Anforderungen ihrer Anwendungen sehr gezielt zu erfüllen. Das Basismodul bietet die STO-Funktion. Die erweiterte Version verfügt ebenfalls über die STO-Funktion, zusätzlich aber auch über die Safe-Operating-Stop(SOS)-Funktion, die Safe-Stop-1(SS1)-Funktion, die Safe-Stop-2(SS2)-Funktion, die Safely-Limited-Speed(SLS)-Funktion, die Safely-Limited-Position(SLP)-Position sowie die Safe-Direction-Monitoring(SDM)-Funktion, die alle der Norm EN 61800-5-2 entsprechen. Einzeln oder kombiniert ermöglichen diese Funktionen es den Konstrukteuren, zahlreichen Anlagensicherheitskonzepten gerecht zu werden. Alle Funktionen können mit Inkremental- oder Absolutwertgebern realisiert werden. Einzig die SLP-Funktion benötigt eine sichere Anfangsstellung und einen Inkrementalgeber oder geprüften Absolutwertgeber.

NUM bietet auch ein breites Sortiment von kompatiblen bürstenlosen Servomotoren an, darunter Einkabelmodelle, die speziell für den Einsatz mit NUMDrive-X-Servoantrieben entwickelt wurden. Sie verwenden einen zugeordneten Zweikabelanschluss im Stromkabel des Motors, um Strom und Rückmeldedaten für Position und redundante Position zu bzw. von einem sicheren digitalen Geber zu transportieren.

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