Sicherheits- und Antriebstechnik

Sicherheits- und Antriebstechnik Herbert Bernstein Sicherheits- und Antriebstechnik Umweltgerechte Konstruktion und Normung der Maschinensicherheit...
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Sicherheits- und Antriebstechnik

Herbert Bernstein

Sicherheits- und Antriebstechnik Umweltgerechte Konstruktion und Normung der Maschinensicherheit

Herbert Bernstein München, Deutschland

ISBN 978-3-658-12933-0 DOI 10.1007/978-3-658-12934-7

ISBN 978-3-658-12934-7 (eBook)

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Lektorat: Thomas Zipsner Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden

Vorwort

In der EU dürfen viele Produkte ohne CE-Kennzeichnung nicht in Verkehr gebracht oder in Betrieb genommen werden, d. h. für diese Produkte, ohne CE-Kennzeichnung herrscht Vertriebsverbot! Ziel der CE-Kennzeichnung ist der Abbau von Handelshemmnissen, freier Warenverkehr und Sicherstellung von grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen, was besonders zur industriellen Automation und Industrie 4.0 beiträgt. Die CE-Kennzeichnung ist an produktabhängige Voraussetzungen geknüpft, die vom Hersteller, aber künftig auch von Importeuren und Händlern erfüllt werden müssen. Die CE-Kennzeichnung ist ein Sicherheitskennzeichen und ist daher entscheidend für den Markterfolg. Die für die praktische Umsetzung wesentlichen Anforderungen werden in der Art des Buches anschaulich erläutert und anhand von Beispielen ausführlich behandelt. Im weltweiten Handel und aufgrund gesetzlicher Vorgaben haben die Ermittlung der Konformität von Produkten mit vorgegebenen Anforderungen sowie die Dokumentation der Prüfergebnisse und die Bestätigung der Konformität eine große Bedeutung. Dafür stehen eine ganze Reihe von Produktrichtlinien und internationale Normen zur Verfügung, deren Kenntnis und Interpretation äußerst wichtig sind. Die Auslegung und Anpassung von neuen und gebrauchten Maschinen und Anlagen an die gültigen Rechtsvorschriften, unter Anwendung von Normen, stellt Konstrukteure und Betreiber immer wieder vor die Fragen:       

Welche Vorschrift ist bindend? Was ist bei neuen Maschinen zu beachten? Wie wird die Risikobeurteilung durchgeführt? Welche Dokumentationen sind erforderlich? Welche Veränderungen bringt die neue Betriebssicherheitsverordnung mit sich? Welche Anpassungen sind über funktionale Änderungen hinaus erforderlich? Muss nach einer Änderung eine Neubewertung der Maschine erfolgen?

Für den Maschinenbauer ist die Bereichsabsicherung wichtig, besonders berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen und die Zugangssicherung von Gefahrenbereichen. HierV

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Vorwort

zu gehört die Schutzüberwachung mit Positionsschalter und die Schutzeinrichtungen mit Annäherungsreaktion. Damit kann der Maschinenbauer dem Elektrotechniker seine Vorstellungen erläutern. Ich bedanke mich bei meinen Studenten für die vielen Fragen, die zu einer besonders eingehenden Darstellung wichtiger und schwieriger Fragen beigetragen haben. Weiterhin nehme ich gerne Anregungen entgegen. Für die gute Zusammenarbeit mit dem Lektorat Maschinenbau möchte ich mich bei Herrn Zipsner besonders bedanken. Meiner Frau Brigitte danke ich für die Erstellung der Zeichnungen und für die Korrektur des Manuskripts. Wenn Fragen auftreten: [email protected] Herbert Bernstein

Inhaltsverzeichnis

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Vorschriften, Richtlinien und Normen . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Europäisches Sicherheitskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Maschinenrichtlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Konformitätserklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 EMV-Richtlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4 CE-Kennzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Sicherheits-Gruppennormen Typ „B“ . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Normen-Erläuterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Risikoverminderung durch Konstruktion . . . . . . . . 1.2.3 Risikoabschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Fehler und Fehlerausschluss . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.5 Verriegelungseinrichtungen mit und ohne Zuhaltung 1.2.6 Betätigungsart von mechanischen Positionsschaltern 1.2.7 Vermeidung von unerwartetem Anlauf . . . . . . . . . 1.2.8 Sicherheitseinrichtung durch Zweihandschaltung . .

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Risikoanalyse und deren Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Grenzrisiko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Risikobeurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Iterative Sicherheitserhöhung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Risikoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Schäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Schadensausmaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Eintrittswahrscheinlichkeit eines Schadens . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Möglichkeiten zur Vermeidung oder Begrenzung eines Schadens 2.3 Personenschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Risikobewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Erreichen des Ziels einer Risikominderung . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Risikovergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis

2.6 2.7

2.8 2.9 2.10

2.11 2.12

2.13 3

Verfahren zur Untersuchung von Gefährdungen und zur Einschätzung von Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Risikobeurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1 Vergleich verschiedener Risikobeurteilungsnormen . . . . . . . . 2.7.2 Prozess für Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht der Risikokategorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionen in Sicherheitskreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Risikograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10.1 Gestaltung und Auswahl von Sicherheitsmaßnahmen nach EN 954-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10.2 Validieren durch Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10.3 Validierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10.4 Fehlerlisten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Risikobewertung anhand eines Beispiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Risikobeurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.1 Ausfallwahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.2 Kategorie B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.3 Zusammenfassung der meisten sicherheitsrelevanten Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neue Risikobewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Absichern von mechanischen und elektrischen Gefahren 3.1 Verzögerungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Sicherheitszeitrelais . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Sicherer Stillstandswächter . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Stopp-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 NOT-AUS-Einrichtungen . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5 Mechanische Schalter in der Elektrotechnik . . . 3.1.6 Gebrauchskategorien für Schalter . . . . . . . . . 3.1.7 Effekte beim Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.8 Nockenschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Leistungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Aufbau eines Leistungsschalters . . . . . . . . . . 3.2.2 Arbeitsstromauslöser . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Unterspannungsauslöser . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Abfallverzögerter Unterspannungsauslöser . . . 3.3 Schütze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Elektromechanischer Schütz . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Schütze für besondere Aufgaben . . . . . . . . . . 3.3.3 Kontaktmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Haupt- und Steuerstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Haupt- mit Hilfsstromkreis . . . . . . . . . . . . .

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3.5

4

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3.4.2 Einfache Redundanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Zweischützschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Dreischützschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.5 Redundanz im Ein- und Ausgangskreis . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.6 Überwachter Start und Querschlusserkennung im Eingangskreis 3.4.7 Einstufung der NOT-AUS-Beschaltung . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.8 Risiko-Kategorie 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Versorgung von Steuerstromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Anordnung von Überstromschutzeinrichtungen . . . . . . . . . . 3.5.2 Sicherungsautomaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Schmelzsicherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4 Niederspannungssicherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.5 NH-Sicherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.6 Hochspannungssicherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Bereichsabsicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Verriegelungszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Mindestsicherheitsabstand im Gefahrenbereich . . . . . . . . . . 4.1.3 Allgemeine Gleichung zur Berechnung von Mindestabständen 4.1.4 Nachlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5 Gefahrenstellenabsicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Sicherheitsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Zugangssicherung von Gefahrenbereichen . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Lichtvorhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Schaltmatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Zweihandsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Muting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Trennende Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Positionstaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Positionstaster mit Schließerfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Sicherheitsgerechte Positionstaster . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Zwangsöffnung des Öffner-Hilfsstromschalters . . . . . . . . . 4.4.4 Hilfsstromschalter ohne Sprungfunktion . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5 Hilfsstromschalter mit Sprungfunktion . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6 Schalter-Kategorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.7 Schutzüberwachung und Positionsschalter . . . . . . . . . . . . . 4.4.8 Schutzeinrichtungen mit Annäherungsreaktion . . . . . . . . . . 4.4.9 Überwachung der Positionsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.10 Stillstandsabhängige Entriegelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.11 Reduzierung der Anhaltezeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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X

Inhaltsverzeichnis

4.4.12 Berührungslos wirkende Positionstaster . . . . . . . . . . . . . . . . 212 4.4.13 Überwachung von Positionstastern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 5

Optische Sensoren und ihre Anwendungen . . . . . . . 5.1 Bedeutung der Sensortechnik . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Sensortechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Messwertvorverarbeitung mit Sensor . . . . . 5.1.3 Hierarchische Prozessautomatisierung . . . . 5.2 Optische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Eigenschaften und Ausführungsformen . . . 5.2.2 Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Optokoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Lichtschranken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Einweglichtschranken . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Arbeitsweise von Einweglichtschranken . . . 5.3.3 Gabellichtschranken . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4 Lichtgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5 Reflexionslichtschranke . . . . . . . . . . . . . 5.3.6 Reflexionslichttaster . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.7 Lichtleitersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.8 Entfernungsmessgeräte und Distanzsensoren 5.3.9 Datenlichtschranken . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.10 Triangulationsverfahren . . . . . . . . . . . . . 5.3.11 True Color Farbsensoren . . . . . . . . . . . . 5.3.12 Laserscanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Barcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 OCR-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2 Strichcode-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3 Code-Qualität und Druckverfahren . . . . . . 5.4.4 Strichcodeauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.5 Laserscanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Sensoren und ihre sicherheitsrelevanten Anwendungen 6.1 Induktive Näherungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Magnetsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Wirkungsweise induktiver Näherungsschalter 6.1.3 Arbeitsweise induktiver Näherungsschalter . . 6.1.4 Einsatzorte induktiver Näherungsschalter . . . 6.1.5 Anschlusstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Kapazitive Näherungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Aufbau eines kapazitiven Näherungsschalters 6.2.2 Bündige und nicht bündige Montage . . . . . .

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303 318 318 322 323 331 333 339 340 340

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Ultraschallnäherungssensoren . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Basiskomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Funktion der Hintergrundausblendung . . . . . . 6.3.3 Definitionen des Ultraschallnäherungssensors . 6.3.4 Ultraschallschranke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.5 Ultraschallschranke in synchroner Betriebsart . 6.3.6 Elektronik eines Ultraschallnäherungssensors . Thermistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Temperaturabhängige Effekte . . . . . . . . . . . 6.4.2 Temperaturabhängige Widerstände . . . . . . . . 6.4.3 NTC-Widerstände oder Heißleiter . . . . . . . . . 6.4.4 PTC-Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.5 Thermoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.6 Messungen mit Thermoelementen . . . . . . . . . 6.4.7 Widerstandsthermometer mit Pt100 bzw. Ni100 6.4.8 Silizium-Temperatursensor als Pt100-Ersatz . . 6.4.9 Anschluss eines Widerstandsthermometers . . . Dehnungmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Aufbau eines Dehnungsmessstreifens . . . . . . 6.5.2 Messung einer mechanischen Biegung . . . . . . 6.5.3 Messung der Torsionsmomente . . . . . . . . . . 6.5.4 Druckmessung mittels Kraftmessdose . . . . . . Drucksensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1 Brückenschaltung mit Piezowiderständen . . . . 6.6.2 Ankopplung eines Drucksensors . . . . . . . . . . 6.6.3 Mediengetrennter Drucksensor . . . . . . . . . . . 6.6.4 Technologie der Drucksensoren . . . . . . . . . . 6.6.5 Elektrische Kenndaten . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.6 Faktoren für die Stabilität in einer Messung . . . 6.6.7 Relativdrucksensor bis 50 mbar bzw. 5 kPa . . . 6.6.8 Begriffe und Erklärungen . . . . . . . . . . . . . .

XI

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344 345 347 351 354 354 355 358 360 361 363 365 367 369 371 374 375 377 380 386 389 390 392 393 394 396 398 401 404 406 408

Begriffserläuterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433