Spezifikation und Einkauf von Lichtvorhängen

Lichtvorhänge sind Sicherheitsvorrichtungen, die gefährliche Maschinenachsen abschranken, um die Verletzung von Bedienern und anderem Anlagenpersonal, das in der Nähe oder mit der Maschine arbeitet, zu verhindern. Lichtvorhänge verwenden einen stabförmigen Sender, der fotoelektrische Lichtstrahlen erzeugt, die von einem Empfänger erfasst werden (Abbildung 1). Die Unterbrechung eines Strahls dient als Signal für Maschinensteuerungen, dass Bewegung in den Arbeitsraum eingetreten ist und dass gefährliche Vorgänge entweder eingestellt oder auf Geschwindigkeiten verlangsamt werden sollten, die keine Gefahr für den menschlichen Bediener darstellen. Der Einsatz von Sicherheits-Lichtvorhängen nimmt zu, da sie weniger aufdringlich und weitaus konfigurierbarer sind als zaunbasierte Begrenzungen.

<Abbildung 1: Heutige Lichtvorhänge verleihen Maschinen eine noch nie dagewesene Sicherheit. Viele sind so konzipiert, dass sie den Prozess des Austauschs von auf Flächensensoren basierenden Sicherheitssystemen vereinfachen. (Bildquelle: Design World)

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Überlegungen bei der Spezifikation und Installation von Lichtvorhängen. Da es sich hierbei um eine sicherheitskritische Aktivität handelt, müssen alle relevanten nationalen und internationalen Normen vor dem Versuch der Installation konsultiert werden. Noch besser wäre es, die Dienste eines professionellen Installateurs in Anspruch zu nehmen, der es gewohnt ist, nach diesen Normen zu arbeiten. Dieser Artikel sollte als Einführung und Leitfaden zu einigen der relevanten Normen behandelt werden und Hintergrundwissen vermitteln, das bei der Erörterung von Konstruktionsanforderungen mit einem professionellen Installateur von Sicherheitssystemen hilfreich ist.

Identifizieren von Gefahren und Risiken

Bevor ein Sicherheitssystem festgelegt wird, sollte eine vollständige Risikobewertung für die zu schützenden gefährlichen Maschinen durchgeführt werden. Dadurch werden Gefahrenbereiche der Maschine und potenzielle Einstiegspunkte festgelegt. Der Risikograd, den eine Gefahr darstellt, ist ein wichtiger Teil der Spezifikation geeigneter Schutzmaßnahmen.

Minimales Sensorerkennungsvermögen

Die minimale Sensorerkennungsfähigkeit ist die minimale Objektgröße, die den Lichtvorhang auslöst. Verschiedene Lichtvorhänge haben Strahlen in unterschiedlichen Abständen angeordnet. Wenn der Abstand zwischen den Strahlen einen Durchmesser von 5 mm hat, führt ein Finger, der irgendwo durch den Lichtvorhang eingeführt wird, zu einem Stoppbefehl. Eine minimale Sensorerkennungsfähigkeit von 150 mm würde es dem Betriebspersonal jedoch ermöglichen, mit einem ganzen Arm in den verhangenen Bereich hineinzureichen, ohne die Maschine zum Anhalten zu veranlassen. Die Objektgröße, die ein Lichtvorhang erkennen kann, bestimmt den Abstand, den er zu den gefährlichen Teilen der Maschine einhalten muss.

Mindestabstand

Im Gegensatz zu Schutzvorrichtungen hindern Lichtvorhänge eine Person nicht physisch daran, in eine Gefahrenzone zu greifen. Stattdessen gibt der Lichtvorhang den Befehl für eine gefährliche Operation, anzuhalten oder auf eine sichere Geschwindigkeit zu reduzieren. Dies bedeutet, dass der Lichtvorhang weit genug von der Gefahr entfernt positioniert werden muss, damit die Maschine Zeit hat, anzuhalten, bevor die Person sie erreicht (Abbildung 2). Dieser Abstand hängt von drei Parametern ab - der Stoppleistung des Gesamtsystems, dem Eindringabstand und der Annäherungsgeschwindigkeit.

Abbildung 2: Die korrekte Spezifikation eines Lichtvorhangs erfordert eine genaue Berechnung des Sicherheitsabstands zwischen dem Erfassungsbereich des Vorhangs und dem gefährlichen Maschinenbereich - und dann die Einhaltung eines Abstands, der gleich oder größer als dieser Wert ist. Es gibt Normen, die helfen, solche Abstände zu definieren, und in der Tat wurde die Norm EN ISO 13855 für Sicherheitsabstände verkürzt, um immer leistungsfähigere Vorhänge einzusetzen und gleichzeitig kompaktere Produktionsmaschinen zu ermöglichen. (Bildquelle: Panasonic Industrial Automation Sales)

Die Stoppleistung des Gesamtsystems ist die Gesamtzeit zwischen dem Passieren des Lichtvorhangs durch eine Person und dem tatsächlichen Anhalten der Maschine. Dazu gehören die Verzögerung im elektrischen Steuerungssystem und die Trägheitseffekte, die bestimmen, wie schnell sich bewegende Maschinen anhalten können. Die Gesamtleistung des Systems beim Anhalten wird durch die Variable T dargestellt.

Die Intrusionsdistanz ist der Abstand, um den sich ein kleiner Körperteil, z.B. ein Finger oder eine Hand, am Lichtvorhang vorbei in Richtung Gefahrenzone bewegen könnte, bevor der Lichtvorhang aktiviert wird. Dies ist besonders wichtig, wenn das minimale Sensorerkennungsvermögen groß ist, was vielleicht bedeutet, dass nur der Körper einer Person den Stoppbefehl auslösen würde. In diesem Fall könnte eine Person durch den Lichtvorhang greifen und ihr Arm würde die Maschine nicht anhalten.

Gemäss der Norm EN ISO 13855 Sicherheitsabstand - von der Internationalen Organisation für Normung festgelegt und weltweit angewendet - wird der Mindestabstand zur Gefahrenzone S mit Hilfe der Gleichung (in mm) berechnet:

wobei K eine maximale Annäherungsgeschwindigkeit des Menschen (Arm oder Körper) in mm/sec, T die Gesamtanhalteleistung in Sekunden und C die Eindringungsdistanz in mm ist. In Bezug auf K definiert EN ISO 13855 K als 2.000 mm/sec für die schnellste Bewegung eines menschlichen Arms und 1.600 mm/sec für die schnellste Bewegung eines menschlichen Körpers.

Nehmen wir beispielsweise an, dass eine Arbeitszelle über einen Lichtvorhang verfügt, der in der Lage ist, Objekte mit einem Durchmesser von nur 40 mm zu erkennen. Der Mindestabstand sollte zunächst mit K = 2.000 mm/sec berechnet werden. Ergibt sich daraus ein Abstand von weniger als 100 mm (wie in EN ISO 13855 definiert), dann sollte dieser niedrigere resultierende Wert ignoriert - und ein Wert von 100 mm verwendet werden. Wenn der resultierende Wert 500 mm überschreitet (wie in EN ISO 13855 definiert), sollte der Abstand erneut mit K = 1.600 mm/sec berechnet werden (um Verletzungen durch das Betreten eines Gefahrenbereichs durch Personen zu vermeiden) und der neue niedrigere Abstand kann verwendet werden; vorausgesetzt, er beträgt nicht weniger als 500 mm. Werte für andere Sensorerkennungsfähigkeiten sind ebenfalls in ISO 13855 angegeben.

Bei der Berechnung des Mindestabstandes zu einem Roboter muss die maximale Reichweite des Roboters berücksichtigt werden. Dabei sollte man sich nicht auf das Roboterprogramm verlassen, um den Roboter auf eine Teilmenge seines vollen Arbeitsvolumens zu beschränken. Endschalter können jedoch an den Roboterachsen als Teil eines Verriegelungssystems verwendet werden, das die Reichweite des Roboters sicher begrenzt.

Ist ein Lichtvorhang angebracht?

In der Anfangsphase der Spezifikation von Sicherheitssystemen ist es wichtig, festzustellen, ob ein Lichtvorhang geeignet ist. Hier sind die Klassifizierungen der Normen durch die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) und die ISO unverzichtbar. Diese kategorisieren Sicherheitsnormen in grundlegende Sicherheitsnormen vom Typ A, Sicherheitsnormen mit allgemeiner Funktion vom Typ B und maschinenspezifische Sicherheitsnormen vom Typ C.

Die erste Überlegung ist, ob es eine Typ-C-Norm für den fraglichen Maschinenbetrieb gibt - und genau welche Art von Schutz sie für diese spezielle Anwendung erfordert. Tatsächlich sind Typ-C-Normen häufig sowohl für den jeweiligen Maschinentyp als auch für die Branche spezifisch - und können von NFPA, BN, ANSI, RIA oder anderen Regulierungsbehörden definiert werden, die im Laufe der Jahre das EN ISO-System zur Klassifizierung von Normen nach einem A-B-C-System übernommen haben. Wenn eine Typ-C-Norm für den Betrieb der Maschine gilt, müssen die Richtlinien in dieser Norm (einschließlich der Richtlinien für Lichtvorhänge) befolgt werden. Das liegt daran, dass Typ-C-Normen alle Gefährdungen und erforderlichen Maßnahmen zur Risikominderung für die jeweilige Maschinenfunktion klar quantifizieren - und die Verwendung aller weniger spezifischen Normen ersetzen. Wenn es keine Typ-C-Norm gibt, die für die vorliegende Maschinenfunktion gilt, und ein Lichtvorhang eine gute Option zu sein scheint, sollte der Mindestabstand berechnet werden. Wenn der Mindestabstand praktikabel ist, kann der Konstrukteur mit der Spezifikation eines Lichtvorhangs fortfahren. Wenn jedoch der Platz begrenzt ist oder das Anhalten einer Maschine eine beträchtliche Zeit in Anspruch nimmt, sollte eine andere Form der Sicherung (z.B. eine physische Wache) in Betracht gezogen werden.

Arten von Lichtvorhängen

Die international verwendete Norm IEC 61496 klassifiziert Lichtvorhänge als Typ 2 oder Typ 4. Lichtvorhänge vom Typ 2 sind kostengünstiger mit langsamerer und weniger zuverlässiger Elektronik. Wenn ein Fehler in den Sicherheitskreisen eines Lichtvorhangs vom Typ 2 auftritt, kann es eine gewisse Zeit dauern, bis der Fehler erkannt wird, wenn er keinen Schutz bietet. Im Gegensatz dazu verwenden Lichtvorhänge vom Typ 4 eine kontinuierliche automatische Querprüfung auf Fehler und Irrtümer. Tritt ein Fehler auf, gibt sie sofort ein Stoppsignal aus, d.h. es besteht ein kontinuierlicher Sicherheitsschutz.

Point of Operation Control (POC)-Lichtvorhänge sind für die Installation in der Nähe einer Gefahr ausgelegt, wo das Bedienpersonal häufig mit einer Maschine interagiert. Sie sind daher für die Erkennung von Fingern, Händen und Armen konzipiert. Üblicherweise werden physische Schutzvorrichtungen an den Seiten einer Maschine eingesetzt und ein POC-Lichtvorhang an der Vorderseite installiert.

PAC-Lichtvorhänge (Perimeter Access Control) schaffen einen Sicherheitsumkreis um eine Maschine, an den sich das Bedienpersonal nicht nähern muss. Sie bieten in der Regel nur eine Ganzkörperdetektion.

Für diese Funktion kann auch eine Bereichszugangskontrolle (AAC) verwendet werden. PACs verwenden häufig Spiegel, um die für die Erstellung eines vollständigen Perimeters erforderliche Lichtvorhanghardware zu reduzieren.

Internationale Normen im Zusammenhang mit der Installation von Lichtvorhängen

Es gibt eine Reihe von Normen, die für die korrekte Installation von Lichtvorhängen relevant sind. Wenn eine Anlage einen Lichtvorhang für eine sicherheitskritische Anwendung installiert, muss sie sich direkt auf diese Normen beziehen. Die ISO 13857 befasst sich mit der Festlegung von Sicherheitsabständen, um zu verhindern, dass die Gliedmaßen von Personen Gefahrenzonen erreichen. Der Sicherheitsabstand hängt von einer Risikoeinschätzung ab. Wenn eine Person beispielsweise nach oben greift, sollte sie nicht in der Lage sein, sich einer Gefahr bis auf 700 mm zu nähern, bzw. 500 mm, wenn ein geringes Verletzungsrisiko besteht. Bei ISO 12100 geht es darum, den Schweregrad und die Wahrscheinlichkeit eines Schadens festzustellen. Ein geringer Schaden wäre ein reversibler Schaden wie Blutergüsse oder abgebrochene Fingernägel oder eine Temperatur und Kontaktdauer, die einen Verbrennungsschwellenwert nicht erreichen. Schwellenwerte für Verbrennungen sind in ISO 13732 angegeben, und ISO 14121 enthält weitere Einzelheiten zur Risikoeinschätzung.

Wie oben ausgeführt, beschreibt ISO 13855 die Positionierung von Schutzvorrichtungen unter Berücksichtigung der Annäherungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Teile des menschlichen Körpers. Dies ist im Allgemeinen relevanter als ISO 13857 für Lichtvorhänge, da Lichtvorhänge nicht verhindern, dass eine Person in die Gefahrenzone eindringt, sondern vielmehr gefährliche Vorgänge stoppen. Daher ist es wichtig zu berücksichtigen, wie weit eine Person in der Zeit zwischen dem Senden des Stoppsignals durch den Lichtvorhang und dem tatsächlichen Anhalten der Maschine gehen könnte. Die Stoppleistung des Gesamtsystems und die maximal mögliche Annäherungsgeschwindigkeit des Menschen bestimmen zusammen den minimalen Sicherheitsabstand des Lichtvorhangs zum gefährlichen Prozess.

ISO 14119 behandelt die Spezifikation und Konstruktion von Verriegelungseinrichtungen in Verbindung mit physischen Schutzeinrichtungen. Obwohl Lichtvorhänge nicht explizit erwähnt werden, sind viele der Prinzipien relevant - wie z.B. die Gestaltung zur Minimierung von Niederlagenmöglichkeiten.

ISO 14120 deckt die Spezifikation und Konstruktion der physischen Schutzeinrichtungen selbst ab und ist daher für Lichtvorhanginstallationen weniger relevant. Lichtvorhänge werden jedoch häufig mit physischen Schutzvorrichtungen kombiniert. Zum Beispiel können physische Schutzvorrichtungen eingesetzt werden, um den Zugang zu einer Gefahrenzone von den Seiten zu verhindern; mit einem Lichtvorhang an der Vorderseite der Zone. Daher muss möglicherweise auch die ISO 14120 konsultiert werden.

Fazit:

Lichtvorhänge können den Komfort bei der Bedienung von Maschinen erheblich verbessern. Sie ermöglichen einen freien Blick in das Arbeitsvolumen der Maschine und ermöglichen es den Bedienern, in das Innere der Maschine zu greifen, um Teile zu entnehmen und Werkzeuge einzubauen, ohne dass sie umständlich Schutzvorrichtungen öffnen müssen.

Lichtvorhänge bieten jedoch nicht immer das gleiche Maß an Schutz - insbesondere gegen den Auswurf von Projektilen aus dem Maschinenbetrieb.

Es ist auch wichtig, sich daran zu erinnern, dass aufgrund der Notwendigkeit, das gesamte Anhalteverhalten zu berücksichtigen, Lichtvorhänge in der Regel weiter entfernt von der Gefahrenzone angebracht werden als Schutzvorrichtungen. All dies sind wichtige Überlegungen bei der Auswahl einer geeigneten Schutzmaßnahme.