Nicht-trennende Schutzeinrichtungen


IEC 62046 „Sicherheit von Maschinen – Anwendung von Schutzeinrichtungen zur Anwesenheitserkennung von Personen“ enthält grundlegende Informationen zu Auswahl, Anwendung, Anschluss und Inbetriebnahme von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen und Schaltmatten. Sie wendet sich an Konstrukteure, Prüfstellen, Ersteller maschinenspezifischer C-Normen und alle, die mit der fachgerechten Installation von solchen Schutzeinrichtungen befasst sind.

Voraussetzung für die Anwendung von nicht-trennenden Schutzeinrichtungen ist eine Risikobeurteilung nach ISO 12100. Daraus muss hervorgehen, dass die Schutzeinrichtung zur Risikominderung der relevanten Gefährdungen geeignet ist. Unter anderem ist zu beachten:

  • Nicht-trennende Schutzeinrichtungen schützen nicht vor Verletzungen durch herausgeschleuderte Teile oder Emissionen der Maschine. Sie sind in der Regel gut geeignet für mechanische und elektrische Gefährdungen, aber meist nicht zur Risikominderung von thermischen Gefährdungen sowie Lärm, Vibrationen, Strahlung, stoffliche Gefährdungen, etc…
  • Die Maschinenkonstruktion und der Fertigungsprozess müssen ein Stoppen gefahrbringender Bewegungen zu jedem Zeitpunkt der Bearbeitung zulassen.
  • Nicht-trennende Schutzeinrichtungen sind so zu montieren, dass ein Zugriff / Zugang zur Gefahrstelle nur durch das Schutzfeld hindurch möglich ist. Übergreifen / Übersteigen sowie Untergreifen / Unterkriechen muss ggf. durch zusätzliche Schutzeinrichtungen (z. B. trennende Schutzeinrichtungen) verhindert werden.
  • Bei der Gefahrstellensicherung (Finger- und Handschutz) und der Gefahrbereichssicherung darf sich kein Körperteil einer Person unerkannt im Gefährdungsbereich aufhalten können. Gegebenenfalls sind zusätzliche Schutzeinrichtungen, wie z. B. ein Hintertretschutz durch einen kaskadierbaren Sicherheits-Lichtvorhang vorzusehen. Ein durch die Schutzeinrichtung selbst nicht erkanntes Hintertreten darf nur dann möglich sein, wenn die Sicherheitsfunktion mit einer Wiederanlaufsperre ausgerüstet ist.
  • Der Sicherheitsabstand zwischen Schutzeinrichtung und Gefahrstelle muss so groß sein, dass die gefahrbringende Bewegung zum Stillstand gekommen ist, bevor ein Körperteil der Person die Gefahrstelle erreichen kann
  • Reflektierende Flächen in der Nähe von optoelektronischen Schutzeinrichtungen können durch Umspiegelung der Strahlen der Schutzeinrichtung dazu führen, dass Objekte im Schutzfeld nicht erkannt werden. Um dies zu vermeiden, ist ein entsprechender Mindestabstand gemäß Betriebsanleitung einzuhalten.

Die Auswahl der korrekten optoelektronischen Schutzeinrichtung muss in den folgenden Schritten erfolgen.

Schritt 1: Risikobeurteilung nach ISO 12100 durchführen

Die Risikobeurteilung ist vor Beginn der Konstruktion einer Maschine durchzuführen. Sie ist für alle Lebensphasen und Verwendungen der Maschine durchzuführen. Erkannte und dokumentierte Risiken müssen in der priorisierenden Reihenfolge

  1. Risikovermeidung durch konstruktive Veränderungen
  2. Risikominderung durch technische Schutzmaßnahmen
  3. Minderung der verbleibenden Restrisiken durch organisatorische Maßnahmen

reduziert werden. Nur wenn eine Gefährdung nicht durch konstruktive Änderungen der Maschine vermieden werden kann, kommen zusätzliche Schutzmaßnahmen ins Spiel. Und im Fall der Wahl einer BWS als risikomindernde Schutzmaßnahme geht es weiter mit Schritt 2.

Zur Risikobeurteilung ISO 12100

Schritt 2: Schutzfunktion und Art der optoelektronischen Schutzeinrichtung auswählen

Die Auswahl einer geeigneten optoelektronischen Schutzeinrichtung ist im Wesentlich von folgenden Kriterien abhängig:

  • Vorgaben regionaler oder maschinenspezifischen Vorschriften
  • geometrischen Abmessungen des zu schützenden Bereiches
  • der auszuführenden Schutzfunktion (z. B. Maschinenstopp durch Hand- oder Fingererkennung)
  • ergonomischen Gesichtspunkten (z, B, leichte Bedienbarkeit, manuelles zyklisches Einlegen von Teilen, …)
  • Zugänglichkeit von Gefährdungsbereichen prozessbedingt, wartungsbedingt
  • wirtschaftlichen Kriterien

Schritt 3: Erforderlichen Typs der optoelektronischen Schutzeinrichtung auswählen

Die optoelektronische Schutzeinrichtung ist Bestandteil des sicherheitsgerichteten Teils der Maschinensteuerung und Komponente einer Sicherheitsfunktion bestehend aus Sensor, Steuerung und Aktuator(en). Aus der Risikobeurteilung nach ISO 12100 und ggf. nach ISO 13849-1 oder IEC 62061 ermittelt der Konstrukteur die zur Risikominderung erforderliche sicherheitstechnische Leistungsfähigkeit einzeln für jede Sicherheitsfunktion. Dabei ist unabhängig von der angewandten Steuerungsnorm das erreichte Niveau der sicherheitstechnischen Leistungsfähigkeit (PL, SIL) der Sicherheitsfunktion immer geringer oder gleich dem geringsten Wert ihrer Komponenten (Subsysteme/Teilsysteme). Einfach ausgedrückt: Die Kette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied.

Optoelektronische Schutzeinrichtungen haben, abhängig vom Detektionsprinzip und vom internen technischen Aufbau, unterschiedliche sicherheitstechnische Leistungsfähigkeiten. IEC 61496-1 „Sicherheit von Maschinen – berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen“ definiert 3 Typen von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen (dt. BWS, engl. ESPE), die sich in ihrer Wirksamkeit und den Anforderungen an die Fehleraufdeckung, also ihrer sicherheitstechnischen Leistungsfähigkeit, unterscheiden.

Entsprechend IEC 61496-1 ist der Typ einer BWS fest mit Anforderungen an PL und SIL verbunden. Zu einem BWS-Typ darf weder ein höherwertiger PL/SIL noch ein geringerer angegeben werden als:

Typ nach IEC 61496-1
PL nach ISO 13849-1
SIL nach IEC 62061
Wirksamkeit und Häufigkeit der Fehleraufdeckung
Typ 2, PL c, SIL 1

Die BWS muss eine Einrichtung zur Durchführung von periodischen Tests besitzen. Zwischen den Tests ist ein Verlust der Schutzfunktion möglich. Ein Fehler muss

  • entweder sofort
  • oder durch den nächsten periodischen Test
  • oder bei Aktivierung des Sensorteils
    aufgedeckt werden und zum Abschalten mindestens eines Ausgangs führen. Der Öffnungswinkel der Sende- und Empfangs- Optiken einer Typ 2 AOPD darf bis zu ± 5,0° in 3 m Entfernung betragen.
Typ 3, PL d, SIL 2

Die BWS muss jeden sicherheitskritischen Einzel-Fehler aufdecken. Die Schutzfunktion muss dabei erhalten bleiben. Eine Anhäufung von selbst nicht sicherheitskritischen Fehlern ist zulässig, darf aber nicht zum Verlust der Schutzfunktion führen.
Ein Fehler, der zu Einschränkung der Detektionsfähigkeit führt, muss

  • entweder innerhalb von 5 Sekunden
  • oder beim Auslösen der Sensorfunktion
  • oder beim Aus- / Einschalten
  • oder beim Zurücksetzen einer internen Anlauf-/ Wiederanlaufsperre, falls vorhanden

oder nach Abschluss eines Tests ausgelöst durch ein externes Testsignal, falls vorhanden
aufgedeckt werden, zum Abschalten beider OSSD-Ausgänge und zum Wechseln der BWS in den Verriegelungszustand führen. 
Der Öffnungswinkel der Sende- und Empfangs- Optiken einer Typ 3 AOPD darf bis zu ± 3,5° in 3 m Entfernung betragen.

Typ 4, PL e, SIL 3

Ein einzelner Fehler, der zum Verlust des Detektionsvermögens führt, muss dazu führen, dass die BWS innerhalb der Reaktionszeit in einen Verriegelungszustand wechselt. Ein einzelner Fehler, der das Abschaltvermögen oder die Reaktionszeit beeinträchtigt, muss

  • entweder innerhalb der angegebenen Reaktionszeit
  • oder beim Auslösen der Sensorfunktion
  • oder beim Aus- / Einschalten

oder beim Zurücksetzen einer interne Anlauf-/ Wiederanlaufsperre, falls vorhanden
aufgedeckt werden, zum Abschalten beider OSSD-Ausgänge und zum Wechseln der BWS in den Verriegelungszustand führen.
Der Öffnungswinkel der Sende- und Empfangs- Optiken einer Typ 4 AOPD darf bis zu ± 2,5° in 3 m Entfernung betragen.

Die Auswahl des zur ausreichenden Risikominderung geeigneten Typs von Schutzeinrichtungen liegt immer im Verantwortungsbereich des Maschinenkonstrukteurs oder Systemintegrators. Regionale Gesetze oder maschinenspezifische Vorschriften, Gründe der Produkthaftung oder die Höhe des materiellen Schadens kann abweichend zur Auswahl entsprechend Risikobeurteilung zur Wahl eines anderen Typs von Schutzeinrichtung mit höherer sicherheitstechnischer Leistungsfähigkeit führen. 

Schritt 4: Sicherheitsabstand ermitteln

Optoelektronische Schutzeinrichtungen können ihre Schutzfunktion nur dann erfüllen, wenn sie in ausreichendem Abstand zur Gefahrstelle montiert werden. Dieser Sicherheitsabstand muss so groß sein, dass alle relevanten gefahrbringenden Bewegungen zum Stillstand gekommen sind, bevor ein Körperteil der Person die Gefahrstelle erreichen kann. Nach der Ermittlung des Sicherheitsabstandes sollte geprüft werden, ob dieser Mindestabstand eine ergonomische Bedienung der Maschine durch die Bedienperson zulässt. Ist dies nicht der Fall, muss entweder ein anderes Sicherheitskonzept oder eine BWS mit höherer Auflösung gewählt werden.

Der folgende Überblick stützt sich auf die Berechnung nach ISO 13855 und auf Empfehlungen in IEC 62046. Wenn eine Maschine einer bestimmten Spezifikation unterliegt, z. B. maschinenspezifischen europäischen C-Normen oder OSHA / ANSI-Standards, können auch diese herangezogen werden.

Der Mindestabstand einer Schutzeinrichtung durch das Schutzfeld zur Gefahrstelle SRT ist mit der nachfolgenden Formel zu berechnen:

SRT = (K x T) + CRT
SRT Der Mindestsicherheitsabstand in Millimetern von der nächstgelegenen Gefahrstelle zur Detektionsstelle (Schutzfeld) der Schutzeinrichtung. Ein S von 100 mm muss unabhängig vom berechneten Wert mindestens eingehalten werden.
K Annäherrungsgeschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde, abgeleitet aus Daten über Annäherungsgeschwindigkeiten des Körpers oder von Körperteilen.
Gehgeschwindigkeit (untere Gliedmaßen): K = 1600 mm/s
Greifgeschwindigkeit (obere Gliedmaßen): K = 2000 mm/s
T Nachlaufzeit des gesamten Systems (Ansprechzeit Schutzeinrichtung + Ansprechzeit Interface + Nachlaufzeit Maschine) in Sekunden (Die IEC 62046 fordert einen Zuschlag von mindestens 10 % der ermittelten Nachlaufzeit zur Berücksichtigung von möglichen Verschlechterungen).
CRT Ein zusätzlicher Abstand in Millimetern. Dieser zusätzlich addierte Abstand basiert darauf, dass sich ein Körperteil, je nach Auflösung der Schutzeinrichtung, schon eine bestimmte Strecke in Richtung Gefahrstelle annähern kann bis es von der Schutzeinrichtung erkannt wird.


Zusätzlich muss der erforderliche Mindestabstand bezüglich Übergreifen SRT unter Benutzung des Zuschlags CRO ermittelt werden. Der größere Wert aus SRT und SRO ist der anzuwendende Sicherheitsabstand der BWS zur Gefahrstelle.

Zur Ermittlung von CRO dient folgende Tabelle:
Maße in Millimeter

Höhe des Gefährdungs-bereiches

a

Höhe der Oberkante des Schutzfeldes der berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung

b

 

900 1 000 1 100 1 200 1 300 1 400 1 600 1 800 2 000 2 200 2 400 2 600

Zusätzlicher Abstand zum Gefährdungsbereich

CRO

2 600a 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2 500 400 400 350

300

300 300 300 300 250 150 100 0
2 400 550 550 550 500 450 450 400 400 300 250 100 0
2 200 800 750 750 700 650 650 600 550 400 250 0 0
2 000 950 950 850 850 800 750 700 550 400 0 0 0
1 800 1 100 1 100 950 950 850 800 750 550 0 0 0 0
1 600 1 150 1 150 1 100 1 000 900 850 750 450 0 0 0 0
1 400 1 200 1 200 1 100 1 000 900 850 650 0 0 0 0 0
1 200 1 200 1 200 1 100 1 000 850 800 0 0 0 0 0 0
1 000 1 200 1 150 1 050 950 750 700 0 0 0 0 0 0
800 1 150 1 050 950 800 500 450 0 0 0 0 0 0
600 1 050 950 750 550 0 0 0 0 0 0 0 0
400 900 700 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
200 600 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0


Zusätzlich sind folgende Mindest- bzw. Maximalhöhen über der Bezugsebene zu beachten um ein Unterkriechen, bzw. Übertreten des Schutzfeldes zu verhindern:

  • unterster Strahl der BWS: ≤ 300 mm
  • oberste Strahl der BWS: ≥ 900 mm

(Ausnahme für 2-strahlige BWS: unterster Strahl ≤ 400 mm, sofern die Risikobeurteilung es zulässt).

Bei der Einbindung einer BWS in ein sicheres Steuerungssystem muss auf Kompatibilität zwischen den OSSD-Ausgängen der BWS und den Eingängen der sicheren Auswerteeinheit (z.B. F-SPS) und auf die zulässigen Leitungslänge laut Handbuch des Herstellers geachtet werden. Ist die gesamte Leitungslänge inkl. aller Sammelleitungen zwischen BWS und Anschlusspunkt an der Steuerung im Schaltschrank größer als die zulässige Leitungslänge, dann kann u.U. die Erkennung von Fehlern in der Verdrahtung durch die OSSD der BWS nicht mehr gewährleistet werden.

Installation mit Schutzfeld orthogonal zur Annäherungsrichtung

Häufig werden Sicherheits-Lichtvorhänge vertikal installiert, um Gefahrstellen und Gefahrbereiche zu sichern. Die Annäherung erfolgt dann in orthogonaler Richtung durch das Schutzfeld. Sie dienen zur Sicherung bei

  • Zugriff mit den oberen Gliedmaßen
  • Zutritt mit dem ganzen Körper

Nach ISO 13855 werden alle Annäherung als orthogonal angesehen, bei denen das Schutzfeld in einem Winkel von mehr als ± 30° zur Annäherungsrichtung installiert ist. Zudem ist neben der Bewegungsrichtung durch das Schutzfeld auch das Umgehen der Schutzeinrichtung z. B. durch Übergreifen zu beachten. Daher muss zur Bestimmung des Sicherheitsabstand S sowohl der Wert für das Durchgreifen durch das Schutzfeld (SRT, reach through) also auch der Wert für das Übergreifen (SRO, reach over) ermittelt werden.

Hinweis: Ein Untergreifen des Lichtvorhangs wird von der ISO 13855 aktuell nicht betrachtet und muss somit in der Risikobeurteilung bewertet werden.

SRT für Schutzeinrichtung mit Detektionsvermögen d (Auflösung) ≤ 40 mm

Der Mindestabstand SRT wird mit folgender Formel berechnet:

SRT [mm] = (K[mm/ms] x T [ms]) + CRT [mm]

SRT: Mindestabstand zwischen Schutzfeld und Gefahrstelle
K: Annäherungsgeschwindigkeit
T: Nachlaufzeit/Stoppzeit des gesamten Systems
CRT:  Konstanter Zuschlag je nach Detektionsvermögen der Schutzeinrichtung:CRT = 8 x (d[mm] – 14 mm)

Zuerst ist für K der Wert von 2,0 mm/ms zu verwenden. Ergibt die Berechnung ein SRT > 500 mm, dann darf die Berechnung mit K = 1,6 mm/ms erneut durchgeführt werden. In diesem Fall muss das Ergebnis SRT mindestens 500 mm betragen. Ist das nicht der Fall, wird SRT = 500 mm gesetzt.
Achtung: Der Abstand S zur Gefahrstelle muss mindestens 100 mm betragen, auch wenn ein kleinerer Wert berechnet wurde.

Berechnungsassistent

Werden berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen auch zum Steuern der Maschine verwendet (Sicherheits-Lichtvorhänge mit Eintakt- oder Zweitaktfunktion), muss ihre Auflösung ≤ 30 mm betragen. 

SRT für Schutzeinrichtung mit Detektionsvermögen d (Auflösung) > 40 mm:

Bei einem Detektionsvermögen d (Auflösung) > 40 mm kann nicht mehr garantiert werden, dass Finger oder Hände zuverlässig erkannt werden. Daher muss ein Zuschlag von 850 mm addiert werden. Dieser Wert basiert auf der normativen Betrachtung der Reichweite eines Arms.

SRT [mm] = (1,6 mm/ms x T [ms]) + 850 mm

Ist ein Übergreifen des Schutzfeldes des Lichtvorhangs möglich, da z. B. keine mechanische Barriere vorhanden ist, so muss dies zusätzlich betrachtet werden.

 

SRO  - Mindestabstand für Übergreifen

Zusätzlich zum Mindestabstand SRT (Reach through) ist der Mindestabstand SRO (Reach over) zu berechnen. Der größere der beiden Werte ergibt den einzuhaltenden Mindestabstand S.

SRO [mm] = (K[mm/ms] x T [ms]) + CRO [mm]

CRO ergibt sich aus der folgenden Tabelle für den Zuschlag beim Übergreifen über den obersten Strahl. Beispielsweise ergibt sich bei einer Höhe der Gefahrstelle von 1400 mm und einer Höhe des obersten Strahls von 1000 mm ein Zuschlag von CRO = 1.200 mm.
Maße in Millimeter

Höhe des Gefährdungs-bereiches

a

Höhe der Oberkante des Schutzfeldes der berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung

b

900 1 000 1 100 1 200 1 300 1 400 1 600 1 800 2 000 2 200 2 400 2 600

Zusätzlicher Abstand zum Gefährdungsbereich

CRO

2 600a 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2 500 400 400 350 300 300 300 300 300 250 150 100 0
2 400 550 550 550 500 450 450 400 400 300 250 100 0
2 200 800 750 750 700 650 650 600 550 400 250 0 0
2 000 950 950 850 850 800 750 700 550 400 0 0 0
1 800 1 100 1 100 950 950 850 800 750 550 0 0 0 0
1 600 1 150 1 150 1 100 1 000 900 850 750 450 0 0 0 0
1 400 1 200 1 200 1 100 1 000 900 850 650 0 0 0 0 0
1 200 1 200 1 200 1 100 1 000 850 800 0 0 0 0 0 0
1 000 1 200 1 150 1 050 950 750 700 0 0 0 0 0 0
800 1 150 1 050 950 800 500 450 0 0 0 0 0 0
600 1 050 950 750 550 0 0 0 0 0 0 0 0
400 900 700 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
200 600 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0


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Passende Produkte

Lichtvorhang mit Schutzfeld-Anordnung horizontal

Anwendungen mit horizontal angebrachten Lichtvorhängen und paralleler Annäherung zum Schutzfeld können als rechteckige flächige Absicherung vor einer Gefahrstelle verwendet werden. Sie können

- sowohl als reiner Hintertretschutz zwischen einer Schutzeinrichtung mit Annäherungsreaktion (z.B. ein vertikal angeordneter Lichtvorhang) und einer Gefahrstelle,
- als auch als kombinierte Schutzeinrichtung mit Annäherungs- und Aufenthaltserkennungs- Funktion

verwendet werden. Eine Wiederanlaufsperre ist zwingend erforderlich, wenn das Verlassen des Schutzfelds z. B. durch Besteigen von Maschinenteilen möglich ist.
Für Applikationen von optoelektronischen Schutzeinrichtungen mit Annäherungsrichtung des Körperteils parallel oder bis max. 30° zur Schutzfeldebene gilt folgende Berechnungsformel für den Mindestabstand

S [mm] = (1,6 mm/ms x T [ms]) + C [mm] mit
C [mm] = (1200 mm – 0.4 x H [mm]); H ≤ 1000 mm; Cmin = 850 mm

Das erforderliche Detektionsvermögen d der horizontal angeordneten AOPD ergibt sich aus der Höhe H des Schutzfeldes über Bezugsebene nach

d [mm] ≤ (H [mm] / 15) + 50 mm

Aufbau einer Gefahrstellensicherung mit horizontal angeordnetem Lichtvorhang

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Lichtvorhang mit Blanking

Blanking ist eine optionale Funktion von Lichtvorhängen zur Ausblendung der Überwachungs-Funktion einzelner Strahlen. Dadurch ist es möglich, dass sich Objekte im Schutzfeld befinden, ohne dass es dadurch zur Abschaltung des Sicherheitsschaltausgangs OSSD kommt. Blanking wird unterschieden in

  • Fixed Blanking (Feste Ausblendung) – Objekte fester Größe müssen sind ortsfest im Schutzfeld befinden
  • Floating Blanking (Bewegliche Ausblendung) – Objekte fester Größe dürfen sich in einem ihnen zugeordneten Strahlbereich innerhalb des Schutzfelds bewegen.

Blanking ist immer überwacht - „Monitored Blanking“. Das heißt, dass Strahlen, die als ausgeblendet parametriert wurden, auch tatsächlich unterbrochen sein müssen. Andernfalls werden die OSSDs abgeschaltet. Ausgeblendete Objekte können deshalb nicht einfach aus dem Schutzfeld entfernt werden. Sie müssen permanent in erwarteter Größe und an einer zulässigen Position vorhanden sein.

In Anwendungen mit Blanking muss verhindert werden, dass es im Schatten neben den ausgeblendeten Objekten zu nicht überwachten Bereichen kommt. Diese sind z. B. durch mechanische Blenden abzusichern.

Bietet ein Lichtvorhang die Möglichkeit, die Blanking-Funktion im Betrieb über ein Steuerungssignal zu aktivieren bzw. deaktivieren, darf dieses Signal auch von dem nicht sicheren der Steuerung erzeugt werden.

Fixed Blanking

Ein bestimmtes Blanking-Muster wird fest, z.B. durch Einlernen (Teach-in), parametriert. Die ausgeblendeten Objekte dürfen ihre Position nun nicht mehr verändern. Das Detektionsvermögen des restlichen Schutzfelds bleibt erhalten und entspricht der auf dem Typschild angegebenen physikalischen Auflösung des Lichtvorhangs.

In einer erweiterten Variante werden geringfügige Änderungen der Position der ausgeblendeten Objekte, z.B. aufgrund von Vibrationen, toleriert. Dabei dürfen die Randstrahlen an den Objektgrenzen optional unterbrochen werden. Durch diese erweiterte Größentoleranz kommt es im kritischen Randbereich der Blanking-Objekte zu einem reduzierten Detektionsvermögen um einen Strahl. Je nach physikalischer Auflösung des Lichtvorhangs reduziert sich die für die Abstandsberechnung zu verwendende wirksame Auflösung.

Fixed Blanking kann vorteilhaft zur einfachen Ausblendung von Auflagentischen an Werkzeugmaschinen oder von Fördereinrichtungen in der Logistik verwendet werden.

Floating Blanking

Für jedes ausgeblendete Objekt müssen Objektgröße und Bewegungsbereich parametriert werden, z.B. durch Einlernen (Teach-in). Die Bewegungsbereiche der einzelnen Objekte dürfen sich nicht überlappen. Nach der Parametrierung können sich alle Objekte frei innerhalb ihres jeweiligen Schutzfeldbereichs bewegen. Da die vom Lichtvorhang erkannte Objektgröße aufgrund der Bewegung um einen Strahl schwankt, reduziert sich das Detektionsvermögen um einen Strahl. Je nach physikalischer Auflösung des Lichtvorhangs reduziert sich die für die Abstandsberechnung zu verwendende wirksame Auflösung.

Lichtvorhang mit Reduzierter Auflösung

Die Funktion „Reduzierte Auflösung“ toleriert Objekte bis zu einer definierten Größe im Schutzfeld. Im Gegensatz zu Blanking dürfen diese eher kleinen Objekte (z.B. Bleche oder Bretter) das Schutzfeld auch verlassen. Je nach Parametrierung der reduzierten Auflösung dürfen ein, zwei oder drei unmittelbar nebeneinander angeordnete Strahlen unterbrochen werden ohne das OSSD abzuschalten. Im Schutzfeld dürfen sich beliebig viele Objekte befinden und bewegen, solange dabei nicht mehr als die maximal zulässige Anzahl nebeneinander angeordneter Strahlen unterbrochen wird. Je nach physikalischer Auflösung des Lichtvorhangs reduziert sich die für die Abstandsberechnung zu verwendende wirksame Auflösung.

Wenn der Lichtvorhang die Möglichkeit bietet, während des Betriebes die Funktion „Reduzierte Auflösung“ zu aktivieren bzw. Deaktivieren, dann muss die Ansteuerung sicher sein ⟹ sichere Steuerung und z.B. 2-kanalig inverse Signalübertragung.

Umspiegelung von Lichtvorhängen

Sicherheits-Lichtschranken und –Lichtvorhänge bestehen aus einer Sende- und einer Empfangseinheit, die meist mit unsichtbarer Infrarot-Strahlung arbeiten. Sowohl für den Sender als auch für den Empfänger ist der zulässige Öffnungswinkel normativ stark eingeschränkt. Das Infrarot-Licht tritt deshalb nur in einem sehr begrenzten Winkelbereich aus den Sendeelementen aus und wird auch nur innerhalb dieses Winkelbereichs von den Empfangselementen empfangen – beide Geräte müssen deshalb aufeinander ausgerichtet sein.

Reflektierende Oberflächen in der Nähe des Lichtkegels vom Sender können die Erkennung von Objekten im Schutzfeld verhindern, falls deren Reflexionsvermögen so stark ist, dass genügend Licht vom Sender zum Empfänger am Objekt vorbei umgelenkt wird.
Deshalb sind abhängig vom Typ der Schutzeinrichtung nach IEC 61496-1 Mindestabstände zu reflektierenden Oberflächen einzuhalten. Diese findet man in den Bedienungsanleitungen des jeweiligen Gerätes.

Gegenseitige Beeinflussung von Lichtvorhängen

Dicht nebeneinander angeordnete Lichtvorhänge können sich gegenseitig beeinflussen, wenn Licht aus einem Sender in den Empfänger der benachbarten Schutzeinrichtung überstrahlt. Häufig kommt es dabei zu Fehlabschaltungen aufgrund von Synchronisationsfehlern. Es kann aber auch zu Sicherheitsproblemen durch Fehlsynchronisation eines Empfängers mit dem benachbarten Sender führen. Derartige Anordnungen müssen deshalb vermieden werden.

Zur Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung kann die Position von Sender und Empfänger so getauscht werden, dass das Licht in gegenläufiger Richtung ausgesendet wird:

Anordnung benachbarter Schutzeinrichtungen zur Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung

Zusätzlich verfügen einige Geräte über wählbare  Übertragungskanäle (Strahlkodierung). Diese sorgen dafür, dass auch dicht nebeneinander angeordnete Lichtvorhänge sicher und zuverlässig arbeiten. Jeder Empfänger arbeitet dann nur mit dem Licht des Senders mit der erwarteten Strahlkodierung. So können Sender und Empfänger frei in die Anlage eingebunden werden.

Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtschranken / Lichtgitter

Ergibt die Risikobeurteilung, dass die Erkennung des Eindringens des ganzen Körpers einer Person ausreicht (Zugangssicherung), ist die folgende Formel zur Ermittlung des Mindestabstands anzuwenden:

SRT [mm] = (1,6 mm/ms x T [ms]) + 850 mm

Der Wert 850 mm basiert auf der normativen Betrachtung der Reichweite eines Arms.
Auch bei Mehrstrahl-Lichtschranken / Lichtgittern ist das Übergreifen zu beachten. Es gelten die Tabellenwerte für CRO. In der Regel ist daher der pauschale Zuschlag von 850 mm nicht ausreichend. [Link zur Tabelle]

Nach ISO 13855 und IEC 62046 gilt für mehrstrahlige optoelektronische Zugangssicherungen, dass

  • sowohl der unterste Strahl nicht höher als 300 mm
  • als auch der oberste Strahl nicht tiefer als 900 mm

über Bezugsfläche anzuordnen ist. Eine Ausnahme besteht für 2-strahlige Lichtgitter: hier kann die Höhe des untersten Strahls ≤ 400 mm betragen, falls die Risikobeurteilung oder eine C-Norm dies zulassen.

Konstruktiv sind handelsübliche Mehrstrahl-Sicherheitslichtschranken so ausgelegt, dass der zulässige Abstand von 500 mm zwischen 2 Strahlen zur Verhinderung des Durchsteigens immer eingehalten wird; darum muss sich der Anwender nicht mehr kümmern.

Diese Anordnung der Schutzeinrichtung lässt es zu, dass sich eine Person nach Durchschreiten des Schutzfelds unerkannt zwischen Sensor und Gefahrstelle aufhalten kann. Daher muss eine Anlauf-/Wiederanlaufsperre vorgesehen werden, die ein Anlaufen der Maschine sicher verhindert. Die Befehlseinrichtung zum Rücksetzen (Reset Taster) muss so positioniert sein, dass der gesamte Gefährdungsbereich von dieser Position aus eingesehen werden kann. Zudem darf die Befehlsreinrichtung nicht aus dem Gefährdungsbereich heraus bedienbar sein.

Bei der Installation der Geräte ist zu beachten, dass dies nicht umgangen werden können, wie z. B. durch Unterkriechen des untersten Strahls oder Übersteigen sowie Übergreifen des obersten Strahls.

Hierzu empfehlen ISO 13855 und IEC 62046 folgende Strahlanzahl und Strahlhöhen von Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtschranken zur Zugangssicherung:


Sicherheitsabstand und Strahlhöhen von Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtschranken zur Zugangssicherung

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Einstrahl- Lichtschranken

Anwendung finden einstrahlige Sicherheits-Lichtschranken z.B.

  • zur Absicherung von kleinen schlitzförmigen Öffnungen (Detektionsvermögen nach IEC 62046, 6.1.2.3 beachten)
  • an begehbaren Öffnungen mit komplizierter Kontur (z.B. vor abgerundeten Teilen der Konstruktion), wenn Mehrstrahl-Lichtschranken aufgrund der Anordnung der Strahlachsen in einem starren Gehäuse nicht anwendbar sind
  • als Stopp-Lichtschranke an Förderstrecken von Paletten, wenn das Versagen der Stoppfunktion zu einer Gefahrstelle (Quetschen) führt.
  • als zusätzliche vertikale Absicherung neben dem Transportgut an großen Öffnungen mit Muting-Applikationen, wenn es möglich ist, während des Mutings der BWS zwischen dem Transportgut und der festen Konstruktion der Maschine unerkannt in den Gefährdungsbereich zu gelangen (EN 415-10, Verpackungsmaschinen)

Eine einzelne Einstrahl-Sicherheits-Lichtschranke ist generell nicht als Zugangssicherung geeignet, da sie in jedem Fall leicht unterkriechbar oder übersteigbar ist. Für optoelektronische Zugangssicherungen fordert IEC 62046, dass

  • der Abstand zwischen zwei Strahlen 500 mm nicht überschreitet und
  • sowohl der unterste Strahl nicht höher als 300 mm
  • als auch der oberste Strahl nicht tiefer als 900 mm

über der Bezugsfläche angeordnet sind (Ausnahme 2-strahlige Anordnung: unterster Strahl ≤ 400 mm, wenn die Risikobeurteilung dies zulässt). 

Kann eine Zugangssicherung wegen konstruktiver Gegebenheiten nicht mit einer Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtschranke aufgebaut werden, so sind bei der alternativen Verwendung mehrerer Einstrahl-Sicherheits-Lichtschranken die oben genannten Anforderungen der IEC 62046 zu beachten.

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Sicherheits-Laserscanner

Gefahrbereichs-, Zugangs- oder Gefahrstellensicherung: Sicherheits-Laserscanner können Sie in allen Bereichen des Personenschutzes effektiv und vielfältig einsetzen. Sie ermöglichen durch beliebige und individuelle Schutzfelder sowie ihre kompakte Bauart eine sehr flexible Montageposition und auch den Einsatz in mobilen Applikationen.

Der Laserscanner, auch AOPDDR (active opto-electronic protective device responsive to diffuse reflection) genannt überwacht den Schutzbereich durch das Aussenden und Empfangen eines Infrarot-Laserpulses. Durch die Lichtlaufzeit des Laserpulses wird ein Entfernungswert ermittelt. Das optische System (bzw. ein Spiegel) wird gedreht, wodurch eine Fläche abgescannt wird. Die ermittelten Messwerte eines Scans enthalten die Information Entfernung, Position und Signalstärke. Mit diesen Informationen können die Objektgröße eines Gegenstands und seine Position im Raum ermittelt werden. Ein Abgleich mit den im Scanner hinterlegten Parametern führt zu einem Abschalten des Sicherheitsschaltausgangs OSSD oder zum Ignorieren des Gegenstands.

Die großen Vorteile des Laserscanners liegen darin, dass er als tastendes System Sender und Empfänger in einem Gerät vereint und damit kein zweites Gerät, wie z.B. bei Lichtvorhängen, notwendig ist.

Zudem kann das Detektionsvermögen (Auflösung) in einem Bereich von 30 mm – 150 mm in mehreren Schritten gewählt werden, da die Objektgröße anhand der unterbrochenen Strahlen ermittelt wird.

Des Weiteren können viele verschiedene Schutzfelder im Scanner hinterlegt sein, die anschließend situationsabhängig über eine sichere Steuerung angewählt werden. Dadurch ist eine sehr flexible Überwachung des Raums abhängig von den aktuellen Gegebenheiten möglich.

Laserscanner stationär mit Schutzfeld-Anordnung horizontal (parallele Annäherung)

Scanner werden häufig in Applikationen eingesetzt, bei denen das Schutzfeld horizontal ausgerichtet ist und sich Personen parallel dazu annähern.

Diese Art der Applikation gibt es

  • sowohl als reinen Hintertretschutz zwischen einer Schutzeinrichtung mit Annäherungsreaktion (z.B. ein vertikal angeordneter Lichtvorhang) und einer Gefahrstelle,
  • als auch als kombinierte Schutzeinrichtung mit Annäherungs- und Anwesenheitsserkennungs- Funktion.

Während die Annäherungsreaktion eine geeignet kurze Ansprechzeit und damit einen geringen Mindestabstand zur Gefahrstelle erfordert, ist die Ansprechzeit für die Anwesenheitserkennung normativ nicht geregelt. Eine Wiederanlaufsperre ist zwingend erforderlich, wenn das Verlassen des Schutzfelds durch Besteigen von Maschinenteilen möglich ist.

Für Applikationen von optoelektronischen Schutzeinrichtungen mit Annäherungsrichtung des Körperteils parallel oder bis max. 30° zur Schutzfeldebene gilt folgende Berechnungsformel für den Mindestabstand bzw. die Mindestlänge der AOPDDR:

S [mm] = (1,6 mm/ms x T [ms]) + C [mm] mit
C [mm] = (1200 mm – 0.4 x H [mm]); H ≤ 1000 mm; Cmin = 850 mm

Das erforderliche Detektionsvermögen d der horizontal angeordneten AOPDDR ergibt sich aus der Höhe der  Scanebene H nach

d [mm] = (H [mm] / 15) + 50 mm

Bei einer als nicht unterkriechbar geltenden Scanebene von H = 300 mm ergibt sich somit ein Detektionsvermögen der AOPDDR von 70 mm oder weniger.

Bei Gefahrbereichssicherung mit paralleler Annäherung ist das Unter- und Übergreifen bereits implizit berücksichtigt.

Bei Sicherheits-Laserscanner sind nach IEC 61496-3 zudem weitere Zuschläge zu berücksichtigen:

  • ZSM zur Korrektur des Meßfehlers. Dieser Wert ist Geräteabhängig und der jeweiligen Betriebsanleitung zu entnehmen. Beim Leuze Sicherheits-Laserscanner RSL 400 gilt für Schutzfeldradius ≤ 6,25 m ein ZSM von 100 mm und für Schutzfeldradius > 6,25 m ein ZSM = 120 mm.
  • ZREFL: Vermeiden Sie den Einsatz von Retro-Reflektoren in der Strahlebene hinter der Schutzfeldgrenze. Falls dies nicht möglich ist, muss ein Zuschlag ZREFL von 100 mm addiert werden.
Hinweis für den Einsatz an Fahrerlosen Transportsystemen:

Nach ISO 3691-4 ‚Flurförderzeuge - Sicherheitstechnische Anforderungen und Verifizierung‘ muss die Prüfung der Schutzeinrichtung zudem die ungünstigsten Bedingungen (z. B. Beladung, Neigung des Fahrwegs) in Kombination mit den für das Flurförderzeug vorgegebenen Parametern berücksichtigen. Durch diese Anforderungen kann sich die Größe des Schutzfelds erhöhen.

Zum Berechnungsassistenten

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Zweihandschaltungen

ISO 13851 definiert folgende Typen von Zweihandschaltungen:

  • Typ I: erfordert
    • zwei unabhängige Stellteile (z.B. Taster), die gleichzeitig betätigt werden müssen,
    • und dass beide Stellteile während der gefährlichen Situation gedrückt bleiben müssen,
    • und dass beim Loslassen eines oder beider Stellteile der gefährliche Prozess stoppt.
  • Typ II: erfordert zusätzlich zu Typ I,
    • dass beide Stellteile losgelassen werden müssen, bevor erneut eine gefährliche Situation, z.B. eine Maschinenbewegung, eingeleitet werden kann.
  • Typ III: erfordert zusätzlich zu Typ II,
    • dass beide Stellteile gleichzeitig innerhalb von 0,5 Sekunden betätigt werden müssen.

 Typ III Zweihandschaltungen werden je nach Ausführung der beiden Stellteile weiter unterteilt
 in

    • Typ IIIA: Stellteile entsprechend Kat. 1 nach ISO 13849-1
    • Typ IIIB: Stellteile entsprechend Kat. 3 nach  ISO 13849-1Typ IIIC: Stellteile entsprechend Kat. 4 nach  ISO 13849-1
Anforderungen Unterabschnitt Typ
Ia II III
A B C
Benutzung beider Hände (gleichzeitige Betätigung) 5.2 X X X X X
Beziehung zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal 5.3 X X X X X
Beendigung des Ausgangssignals 5.4 X X X X X
Verhindern versehentlicher Betätigung 5.5 X X X X X
Verhindern des Umgehens 5.6 X X X X X
Erneutes Erzeugen des Ausgangssignals 5.7   X X X X
Synchrone Betätigung 5.8     X X X
Mindestens PL c (nach ISO 13849-1) oder SIL 1 (nach IEC 62061)   X   X    
Mindestens PL d mit Kategorie 3 (nach ISO 13849-1) oder SIL 2 mit HFT=a (nach IEC 62061)     X   X  
Anwendung des PL e mit Kategorie 4 (nach ISO 13849-1) oder SIL 3 mit HFT=1 (nach IEC 62061)           X
a Wird die Auswahl einer Typ-I-Zweihandschaltung in Betracht gezogen, ist es wichtig, eine sorgfältige Risikobewertung durchzuführen, um zu bestimmen, ob die Merkmale der synchronen Betätigung und des erneuten Erzeugens eines Ausgangssignals vernachlässigt werden können.

(Quelle: ISO 13851)


Eine Zweihandschaltung vom Typ I ist nach dem aktuellen Stand der Technik für die Einleitung von gefahrbringenden Arbeitsgängen nicht geeignet.

Zweihandschaltungen benötigen wie optische Schutzeinrichtungen einen Mindestabstand zur Gefahrstelle, um die erwartete Risikominderung erfüllen zu können. Wird der Mindestabstand nicht eingehalten, dann muss diese Schutzeinrichtung als leicht umgehbar und damit teilweise wirkungslos in Bezug auf seine risikomindernde Wirkung angesehen werden. Für den Sicherheitsabstand zwischen der Zweihandschaltung und der Gefahrstelle gilt dieselbe Formel wie die zur Ermittlung des Mindestabstands von optischen Schutzeinrichtungen, da auch die Zweihandschaltung eine nicht-trennende Schutzeinrichtung ist.

Nach ISO 13855 wird dieser ermittelt aus

S [mm] = (K [mm/ms] x T [ms]) + C [mm]
mit
K = 1,6 mm/ms
C = 250 mm

und einem Mindestabstand von 100 mm. Falls Abdeckungen über beiden Stellteilen das Eindringen der Hände in den Gefährdungsbereich während der Betätigung verhindern, darf C = 0 sein.