Skalierbare funktionale Sicherheitsarchitektur erfüllt Bedürfnisse der spezialisierten Hersteller von CNC-Maschinen

Massimiliano Menegotto, Chief Technical Officer von NUM, erklärt: «Die funktionale Sicherheit wird zur zwingenden Vorgabe für die meisten Typen von Werkzeugmaschinen, unabhängig von Leistungsvermögen, Exaktheit und Komplexität der Maschine. Sie verbessert einerseits die Sicherheit des Bedieners, andererseits erhöht sie die Produktivität und Verfügbarkeit der Maschine. Mit der inhärenten Skalierbarkeit und Vielseitigkeit der Steuerung liefert NUMSafe den OEM in jeder Hinsicht eine einfache Lösung, egal, ob es sich beim Endprodukt um eine einfache Dreiachsmaschine oder eine hochkomplexe Maschine mit mehr als hundert Achsen, wie zum Beispiel eine Rundtaktmaschine, handelt.»

Bis vor kurzem mussten Entwickler bereits für die Implementierung grundlegender Sicherheitssysteme bei CNC-Maschinen elektromechanische Sicherheitstechnologie benutzen, beispielsweise spezielle Schaltvorrichtungen oder Relais. Dieser Ansatz bedeutete erhebliche Zusatzkosten für Komponenten und Verkabelung wie auch längere Entwicklungs- und Bauzeiten. Durch die Integration der Sicherheitsfunktion in die gesamte CNC-Plattform minimiert NUMSafe – zum grossen Vorteil der OEM – den Bedarf an zusätzlicher Hardware und vereinfacht die Softwareentwicklung. Darüber hinaus profitieren die Endbenutzer von einer starken Erhöhung der Maschinenproduktivität, da es nicht länger notwendig ist, die gesamte Maschine abzuschalten, wenn eine menschliche Interaktion geschieht. Stattdessen wird der Schutz des Bedieners mittels dedizierter Funktionen gewährleistet, die Bewegungen, Geschwindigkeit und Position der Achsen einschränken.

Die NUMSafe-Architektur bietet den Hauptvorteil, dass sichere Geräte wie die Sicherheits-SPS und Ein- und Ausgangsmodule innerhalb derselben standardmässigen Terminalkonfiguration bleiben wie andere Elemente des Steuerungssystems. Die gesamte Kommunikation zwischen dem Steuerungssystem der Maschine, dem Bedienfeld und den Servoantrieben erfolgt über den EtherCAT-Feldbus. Dabei wird ein ausfallsicheres Fail-Safe-over-EtherCAT-Protokoll (FSoE) benutzt, um die Integrität der sicherheitsbezogenen Daten zu gewährleisten. NUMSafe entspricht den Normen EN ISO 13849-1 «Sicherheit von Maschinen» bis zu PL e und EN 61800-5-2 «Elektrische Leistungsantriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl – Teil 5-2: Anforderungen an die Sicherheit – Funktionale Sicherheit» bis zu SIL 3.

Um den Maschinenbauern eine Reduktion der Entwicklungszeit zu ermöglichen, werden die Anwendungsprogramme für die Sicherheits-SPS so erstellt, dass dasselbe Paket mit leistungsstarken Softwaretools benutzt wird, das auch für die Inbetriebnahme des gesamten Systems angewendet wird, einschliesslich CNC, SPS, Antrieben sowie Ein- und Ausgangsmodulen. Die Logik der Sicherheitsanwendung wird mit Hilfe von Funktionsblöcken wie «E-Stop», «Betriebsmodus», «UND», «ODER» usw. programmiert, die mit den sicheren Ein- und Ausgängen verknüpft werden.

Komplexe Sicherheitsfunktionen können durch die Verkettung von Funktionsblöcken einfach eingerichtet werden. Nur wenige Instruktionen benötigt so beispielsweise die Aufforderung an den Maschinenbediener, eine Tätigkeit mit beiden Hände durchzuführen – wie beispielsweise die gleichzeitige Bedienung zweier Steuerschalter -, um den Kontakt zu beweglichen Teilen zu verhindern, sowie die Überprüfung des Ganzen, bevor die Ausführung eines beliebigen Bewegungsbefehls gestattet wird. Die Sicherheitsanwendung ist ein eigenständiges Programm, und sobald der Entwickler mit dessen Logik einverstanden ist, kann es auf die Sicherheits-SPS heruntergeladen werden.

Die neuesten digitalen NUMDrive-X-Servoantriebe von NUM, die als ein- und zweiachsige Versionen erhältlich sind, ermöglichen die Integration eines sicheren Bewegungsüberwachungsmoduls, das mit der Sicherheits-SPS zusammenarbeitet, um alle sicherheitsbezogenen Aspekte des Antriebs- und Motorverhaltens zu überwachen und zu steuern. Durch die Implementierung der Sicherheitsfunktionen auf einzelne Maschinenachsen, und nur wo nötig, werden mit diesem modularen Ansatz die Systemkosten reduziert. Ausserdem liefert NUM zwei Versionen des Moduls, was den Entwicklern erlaubt, ihren Bedarf an Anwendungen präzise abzudecken. Beide Versionen verfügen über eine redundante Channel-Architektur und wenden übergreifende Überwachungstechniken an, um die Datenintegrität zu gewährleisten.

Das grundlegende Modul zur sicheren Bewegungsüberwachung enthält eine Safe-Torque-Off-Funktion (STO), die am häufigsten angewendete Sicherheitsfunktion. Diese stellt sicher, dass der Antrieb den Motor länger beherrscht, um Drehmoment zu erzeugen – unter kontinuierlicher Überwachung, damit ein unerwartetes Anlaufen vermieden wird. Zusätzlich zu STO implementiert die erweiterte Version die der Norm EN 61800-5-2 entsprechenden Funktionen Safe Operating Stop (SOS), Safe Stop 1 (SS1), Safe Stop 2 (SS2), Safely­Limited Speed (SLS) und Safely-Limited Position (SLP); dies entweder durch sicheres Homing und Inkrementalgeber oder die Anwendung zertifizierter Absolutwertgeber, wie sie in der neuen Reihe innovativer Servomotoren mit Einzelkabelverbindung von NUM angewendet werden.

Ob einzeln oder in Kombination verwendet, ermöglichen diese Funktionen den Entwicklern die Umsetzung einer breiten Palette von Maschinensicherheitskonzepten. Zum Beispiel überwacht SS2, dass das Bremsen einer Achse im Notfall so schnell wie möglich geschieht. Darauf kann die SOS-Funktion folgen, die den Antrieb bzw. Motor anweist, eine feste Position beizubehalten, indem ein gewisses Haltemoment generiert wird, sich dabei aber nicht zu bewegen – die Achse wird dabei kontinuierlich überwacht, um sicherzustellen, dass sie stehen bleibt.

Ein weiterer kostensparender Vorteil der Sicherheitsarchitektur von NUM ist, dass kein weiterer Drehgeber an Maschinenachsen notwendig ist, der Sicherheitsfunktionen implementiert. Das Motorfeedback kann von sicheren Drehgebern abgeleitet werden, die mittels sicheren zertifizierten Protokolls die Position sowie redundante Positionsdaten an den Antrieb zurückmelden. Im Falle von Synchronmotoren erfolgt dies mittels eines standardmässigen Sin-/Cos-Gebers.

Das umfangreiche Motorenportfolio von NUM umfasst zwei Reihen von bürstenlosen Servomotoren, die nur eine einzige Kabelverbindung benötigen. Sie wurden spezifisch für die Anwendung mit NUMDrive-X-Servoantrieben entwickelt und besitzen ein innovatives sicheres digitales Drehgeber-Schnittstellensystem, das die Feedbackdaten zu Drehgeberleistung und Position (redundant) auf zwei im Netzwerkkabel des Motors integrierte Adern weiterleitet. Dieser Ansatz senkt die Kosten der Verkabelung und erhöht durch die reduzierte Anzahl der benötigten Querverbindungen zudem die Maschinensicherheit und -zuverlässigkeit.