Lernfeld 10 · Prüfung Teil 2

Funktionale Sicherheit und Schutzeinrichtungen

Funktionale Sicherheit nach DIN EN ISO 13849: Performance Level, Kategorien, Stopp-Kategorien, STO und Sicherheitsabstand kurz erklärt.

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Darum geht es

Sicherheitsfunktionen wie Not-Halt, Schutztürüberwachung oder Lichtvorhang müssen zuverlässig wirken. DIN EN ISO 13849-1 legt dafür den erforderlichen Performance Level PLr von a bis e fest. Er ergibt sich aus dem Risikographen mit drei Parametern: Schwere der Verletzung S, Häufigkeit und Dauer der Gefährdung F und Möglichkeit, die Gefährdung zu vermeiden P.

Die Kategorie beschreibt die Struktur. Kategorie 3 ist zweikanalig: Ein einzelner Fehler darf nicht zum Verlust der Sicherheitsfunktion führen, und Fehler werden möglichst erkannt. Für den erreichten PL zählen zusätzlich die mittlere Zeit bis zum gefährlichen Ausfall $M T T F_{D}$ , der Diagnosedeckungsgrad DC und Maßnahmen gegen Fehler gemeinsamer Ursache. Für verschleißende Bauteile wie Schütze rechnest du $M T T F_{D}$ aus dem $B_{10 D}$ -Wert und der Zahl der Schaltspiele pro Jahr.

DIN EN 60204-1 unterscheidet Stopp-Kategorien. Bei Kategorie 0 wird die Energie sofort getrennt, bei Kategorie 1 wird gesteuert gebremst und danach getrennt, bei Kategorie 2 bleibt die Energie anstehen. Not-Halt muss Kategorie 0 oder 1 sein. Die Umrichterfunktion STO (Safe Torque Off) verhindert, dass der Motor Moment bildet, trennt ihn aber nicht galvanisch vom Netz.

Schutzeinrichtungen wie Lichtvorhänge brauchen einen Mindestabstand zur Gefahrstelle, damit die Bewegung steht, bevor die Hand dort ankommt.

Das solltest du dir merken

Der PLr kommt aus dem Risikographen mit S, F und P.
Kategorie 3 toleriert einen Einzelfehler, bei Kategorie 4 darf auch eine Anhäufung unerkannter Fehler die Funktion nicht aufheben.
Not-Halt ist Stopp-Kategorie 0 oder 1, nie 2.
STO nimmt das Moment weg, ist aber keine Freischaltung für Arbeiten am Motor.
Einrichtbetrieb bei offener Schutztür nur mit reduzierter Geschwindigkeit und Zustimmtaster.

Formeln

Schaltspiele pro Jahr: $n_{op} = \frac{d _{op} \cdot h _{op} \cdot 3600}{t _{Zyklus}}$; $d_{op}$ Betriebstage pro Jahr, $h_{op}$ Betriebsstunden pro Tag, $t_{Zyklus}$ Zeit zwischen zwei Schaltspielen in s
MTTFD aus B10D: $M T T F_{D} = \frac{B _{10 D}}{0 , 1 \cdot n _{op}}$; $M T T F_{D}$ in Jahren, $B_{10 D}$ Schaltspiele bis 10 % gefährlich ausgefallen sind, $n_{op}$ Schaltspiele pro Jahr
Sicherheitsabstand: $S = K \cdot T + C$; $S$ Mindestabstand in mm, $K$ Annäherungsgeschwindigkeit in mm/s, $T$ Gesamtnachlaufzeit in s, $C$ Zuschlag in mm nach DIN EN ISO 13855

Typische Fehler in der Prüfung

Stopp-Kategorie 2 für Not-Halt gewählt.
STO als sichere Trennung für Arbeiten am Motor angesehen.
Bei der Nachlaufzeit nur die Ansprechzeit des Lichtvorhangs eingesetzt und die Anhaltezeit der Maschine vergessen.
Kategorie und Performance Level gleichgesetzt; der PL braucht zusätzlich MTTFD, DC und CCF.

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Zufallszahlen

Vor einer Presse soll ein Lichtvorhang mit der Auflösung $d = 30 mm$ als berührungslos wirkende Schutzeinrichtung montiert werden. Die Nachlaufzeit der Maschine beträgt $260 ms$ , die Ansprechzeit des Lichtvorhangs $40 ms$ . Berechnen Sie den Mindestabstand $S$ zwischen Schutzfeld und Gefahrstelle nach $S = K \cdot T + C$ mit $C = 8 \cdot (d - 14 mm)$ . Rechnen Sie zunächst mit $K = 2000 mm/s$ ; ergibt sich mehr als $500 mm$ , darf mit $K = 1600 mm/s$ neu gerechnet werden (Mindestwert dann $500 mm$ ). Geben Sie $S$ in ganzen Millimetern an.

Tipps aus der Werkstatt

Stopp-Kategorien merken: 0 trennt sofort die Energie, 1 bremst erst gesteuert und trennt dann, 2 bremst und bleibt bespannt. Not-Halt ist immer Kategorie 0 oder 1. STO am Umrichter nimmt dem Motor das Drehmoment, bremst aber selbst nicht.
Kategorie 3 heißt zweikanalig mit Fehlererkennung: zwei Abschaltpfade, Querschlusserkennung, Rückführkreis über zwangsgeführte Kontakte. Ein einzelner Fehler darf die Sicherheitsfunktion nicht aufheben. Bei Schutzeinrichtungen bestimmt die Annäherungsgeschwindigkeit den Mindestabstand.

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16 Aufgaben zu „Funktionale Sicherheit und Schutzeinrichtungen“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

Jetzt üben

Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Automatisierungstechnik 18.12.2020, Lernfeld 10; DIN EN ISO 13849-1, DIN EN ISO 13855, DIN EN 60204-1. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.