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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

05.04.2006

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Forschung & Entwicklung

Erstellt von: Robert Giehrl

Datum: 31.03.2006Update: 18:00 Uhr

ElektrischeSicherheitsausrüstung einerEtikettiermaschine

Titel

Die KRONES AGist Weltmarktführer bei Spezialmaschinen und -anlagen für das Abfüllenund Verpacken von Getränken und flüssigen Stoffen.Jede fünfte Flasche, die weltweit geöffnet wird, ist auf einer unsererAnlagen befüllt, etikettiert und verpackt worden. Seit über 50 Jahrenentwickelt die KRONES Maschinen für die Etikettierung von Behältern.

Der Markt fordert heute mehr denn je flexible Maschinenkonzepte.Eine modulare Maschine stellt aber auch höhere Anforderungen an dieSicherheitstechnik. Als Beispiel haben wir deshalb eine Etikettiermaschineneuester Bauart ausgewählt.

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

05.04.2006

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o Funktionsprinzip

o Plug and Label

o Sicherheitsensorik

o Sicherheitslogik

o Anforderungen

Modul-EtikettiermaschineTyp II

Gliederung

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

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Rundumetiketten gestanztSelbstklebeetiketten

Basismaschine

Etikettieraggregat für Selbstklebeetiketten

Etikettieraggregatfür Kaltleimetiketten

Bediengerät mit Haltearm (ca. 200° schwenkbar)

Funktionsprinzip der Maschine

Kaltleimetiketten Rundumetiketten von der Rolle

Eine Modul- Etikettiermaschinebesteht grundsätzlich aus 2 Komponenten:

• Grundmaschine für den Ein- bzw. Auslauf der Behältermit dem Hauptantrieb im Maschinenkarussell

• Etikettierstationen, je nach Ausstattung fürKaltleimetiketten, Selbstklebeetiketten und Rundumetiketten.

Die Behälter werden über eine Einlaufschnecke in den Einlaufsterntransportiert und anschließend weiter in das Maschinenkarussellgefördert.In diesem Karussell werden die Behälter von oben zentriert, so dass diesestabil an den Etikettierstationen vorbeifahren können. Erreicht ein Behälter die Position der Etikettierstation, wird einentsprechendes Etikett auf den Behälter aufgebracht.

Die Bedienung aller Etikettierstationen erfolgt über ein zentralesBedienterminal (Touchscreen). Dieses Bediengerät ist über den gesamtenBereich der Etikettierstationen schwenkbar, wobei die Positionsicherheitsgerichtet abgefragt werden muss. Je nach Lage werdenbestimmte Funktionen für die nächstliegende Etikettierstationfreigeschaltet – z.B. die Höhenverstellungen.

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

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Andockstation fürEtikettieraggregat

Etikettieraggregat 1..6 anAndockstelle 5

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Prinzip von Plug & Label

BerührungsloserSicherheitssensor zumErkennen des angedocktenAggregates

Abbildung: Grundmaschinemit 6 Andockstationen für 6 mögliche Etikettierstationen.

Je nach Anforderung können unterschiedliche Etikettierverfahren zumEinsatz kommen. Die mobile Etikettieraggregate lassen sich einfach andie Basismaschine ankoppeln – Plug & Label.

Die Anwesenheit eines Aggregates muss sicherheitsgerichtet und aufGrund der geforderten Robustheit, berührungslos detektiert werden. Diesist erforderlich, da im abgedockten Zustand eine Öffnung im Karussell-Schutz entsteht und dadurch rotierende Teile an der Maschine zugänglichwären.

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

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Modul-Etikettiermaschine Typ II

Abbildung: Maschine mit 3 angedockten Etikettieraggregaten

An Position 2 und 3 befindet sich ein Aggregat für Selbstklebeetiketten, anPosition 5 ein Kaltleimaggregat. Deutlich zu sehen ist der schwenkbareTouch-Bildschirm in der Mitte des Bildes.

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

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BeweglicherTouch

Schutztür-Schalter

Andock-Schalter Aggregat

Positionsschalter KK

Beweglicher Tipp-TasterMaschine

Beweglicher Tipp-TasterTouch:

Je nach Position des KKwerden Türen beim Tippenüberbrückt. Auch dieHöhenverstellung derAggregate istpositionsabhängig.

Prinzip-Skizze mit 3 Etikettierstationen

Not-Aus-Taster

Anordnung der Sicherheitssensoren

Sicherheitssensoren I

• Not-Aus-Taster (rot): Beim Drücken einer Not-Aus-Taste werden dieAntriebe innerhalb einer definierten Zeit bis zum Stillstand abgebremst(Stoppkategorie 1). Nach dem sicheren Stillstand erfolgt zeitverzögertdie Trennung von der Spannungsversorgung.

• Schutztür-Schalter (orange): Diese Schalter erkennen, ob eineSchutztür geöffnet oder geschlossen ist. Je nach Kundenvorschriftwerden diese auch mit Zuhaltung ausgeführt.

• Andockschalter (dunkelblau): Damit wird erkannt, ob eine Station an-bzw. abgedockt ist. Für diese Funktion ist ein berührungsloser Sensor inhoher Schutzart erforderlich. Die Etikettierstation übergibt zusätzlich einsicherheitsgerichtetes Signal über die Steckvorrichtung an die Maschine.Dies meldet der Sicherheitssteuerung falls an der Etikettierstation interndie Schutzverkleidung geöffnet wurde.

• Fortsetzung ...

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

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g 3 Not-Aus-Taster, Not-Aus-Kontakt von einer Fremdmaschine

g 6 Sicherheitsschalter zur Türabfrage, 6 berührungslose Andockschalter,6 Positionsschalter für Bedienterminal-Stellung, Schutzkreis-Signal vonjedem Etikettieraggregat

g 2 spezielle Tipptaster zur Überbrückung des einsehbaren Schutzbereiches

g Komponente(n) zum Erfassen der Sensorinformationen, Verarbeitung derSicherheitslogik, Ausgeben der sicherheitsgerichteten Signale

g Not-Aus-Signalweitergabe an jede Etikettierstation, Signalweitergabe zurFremdmaschine, abschaltverzögertes Not-Aus-Signal zum Unterbrechender el. Energie

g Schutzkreis-Signalweitergabe an jede Etikettierstation,abschaltverzögertes Schutzkreis-Signal zum Unterbrechen der el. Energie

Übersicht Sicherheitskomponenten

Sicherheitssensoren II

• Positionsschalter Touchscreen (gelb): Am Touchscreen-Gehäusebefindet sich u.a. ein sog. „Tipptaster“ (hellblau), mit dem die Maschineauch bei geöffnetem Schutz gestartet werden kann (Tipp-Betrieb inniedriger Geschwindigkeit). Dieser Tipptaster darf jedoch nur dann aktivsein, wenn sich der geöffnete Schutz im „Nahbereich“ bzw.„Sichtbereich“ der tippenden Person befindet. Deshalb musssicherheitsgerichtet erkannt werden, in welchem Bereich sichTouchscreen und Tipptaster befinden, um in Abhängigkeit davon, diejeweiligen Schutztüren zu überbrücken. Zusätzlich wird inPositionsabhängigkeit auch die Höhenverstellung der Etikettierstationfreigeschaltet, Bewegungen von Maschinenteilen können nur imunmittelbaren Sichtbereich der Bedienperson eingeschaltet werden.

• Beweglicher Tipptaster Maschine (grün): Dieser „beweglicheTipptaster“ ist an einem Spiralkabel mit der Maschine verbunden. Mitdiesem Tipptaster kann die Maschine gestartet werden (Tipp-Betrieb inniedriger Geschwindigkeit). Der Tipptaster ist nur aktiv, wenn eineSchutztür innerhalb des gültigen Sichtbereichs geöffnet ist.

• Betriebsartenwahlschalter (in der schematischen Übersicht nichtdargestellt): Dieser Betriebsartenwahlschalter ist als Schlüsselschalterausgeführt und unterhalb des Displays montiert. Mit diesem Schalterwird zwischen Tippbetrieb und Produktionsbetrieb umgeschaltet.

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

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Aggregat 1.. Aggregat 6Servo-Antriebs-system

Potential 1 Potential 6PotentialGrund-maschine

Wichtig: Potentialtrennung!Not-Aus HMI

Not-Aus Tisch

Not-Aus Tipp-Taster

NA für Kunde

Kunde

PotentialKunde

Not-Aus HMI

Not-Aus Tisch

Not-Aus Tipp-Taster

NA Maschine

NA von Kunde

NAverzögert

Transport-band

PotentialGrund-maschine

t

Schematische Darstellung der Not-Aus-Logik

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1 Ergebnis der Not-Aus-Taster (Maschinen-Not-Aus), die sich an der Krones-Maschinebefinden.

2 Potentialfreie Weitergabe des Maschinen-Not-Aus an eine Fremdmaschine. DieKontaktweitergabe erfolg redundant. Wird an der Krones-Maschine ein Not-Ausgedrückt, soll auch die Fremdmaschine stoppen. Diese Not-Aus-Kette dientausschließlich zur Weitergabe an eine Fremdmaschine und NICHT zur Abschaltungder Krones-Maschine.

3 Ergebnis der Not-Aus-Taster von der Krones-Maschine UND der Not-Aus-Taster einerFremdmaschine („NA von Kunde“). Dieses Ergebnis wird für die Abschaltung derKrones-Maschine verwendet,d.h. wird an der Fremdmaschine ein Not-Aus gedrückt, stoppt ebenfalls die Krones-Maschine.

4 Potentialfreie Weitergabe des Gesamt-Not-Aus an z.B. Etikettieraggregat 1. DieKontaktweitergabe erfolg redundant. Dieser Kontakt ist unverzögert – ein verzögertesAbschalten (Stoppkategorie 1) wird im Aggregat selbst erzeugt.

5 Potentialfreie Weitergabe des Gesamt-Not-Aus an z.B. Etikettieraggregat 6. DieKontaktweitergabe erfolg redundant. Dieser Kontakt ist unverzögert – ein verzögertesAbschalten (Stoppkategorie 1) wird im Aggregat selbst erzeugt.

6 Potentialfreie Weitergabe des Gesamt-Not-Aus an den Umrichter des Hauptantriebes.Die Kontaktweitergabe erfolg redundant.

7 Abschaltverzögerter Gesamt-Not-Aus. Zum Abschalten der Energie von denAntriebseinheiten nach dem Stillstand der Maschine, muss der Gesamt-Not-Auszusätzlich abschaltverzögert ausgeführt sein. Die Kontaktweitergabe erfolg redundant.

8 Weitergabe des verzögerten Gesamt-Not-Aus-Signals an z.B. das Transportband. DieKontaktweitergabe erfolg redundant.

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

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Schutz 1Karussell

Betriebsart„Tippbetrieb“

Touch Pos. 1

Tipptaster

Pos. 2 Pos. 3

Aggr. 2angedockt

SchutzAggr. 2 ok.

Betriebsart„Tippbetrieb“

Touch anPos. 2

Tipptaster

Karussell-Schutztür 1 wird überbrückt,wenn: - Tippbetrieb (Einrichten) - Touch an der richtigen Stelle (einsehbaren Bereich am Karussell) - Tipptaster betätigt

Aggregat-Schutz von Aggr. 2 (Aggr. Istangedockt) wird überbrückt, wenn: - Tippbetrieb (Einrichten) - Touch an der richtigen Stelle (einsehbarer Bereich für Aggr. 2) - Tipptaster betätigt

Schematische Darstellung der Schutz-Logik

Die Schutzverkleidung um das Maschinenkarussell ist in dieserMaschinenausführung zweigeteilt.

Erstes Schutzsegment mit Sicherheitsschalter „Schutz 1 Karussell“Freigabe erfolgt bei folgender Bedingung:<Schutztür 1 Karussell geschlossen>ODER<<Betriebsart „Tippbetrieb“ angewählt>> UND <<Touchscreen an Position 1>ODER <Position 2> ODER <Position 3>> UND <<Tipptaster am Touchscreenbetätigt>>Wenn der Touchscreen an der Position 1,2 oder 3 steht, darf mit dem Tipptasterdie Maschine gestartet werden, da sich der Bediener in unmittelbarer Nähe dergeöffneten Schutztür 1 befindet. Die Bedienperson kann den freigegebenenBereich schnell und vollständig überblicken.

Andockstelle 2Freigabe erfolgt bei folgender Bedingung:<Aggregat 2 angedockt> UND <Schutzkontakt v. Aggregat 2 o.k.>ODER<Betriebsart „Tippbetrieb“ angewählt> UND <Touchscreen an Position 2> UND<Tipptaster am Touchscreen betätigt>Wenn der Touchscreen an der Position 2 steht, darf mit dem Tipptaster dieMaschine gestartet werden. Der Bediener befindet sich in unmittelbarer Nähe vonEtikettieraggregat 2.

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

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M

Endstufe Servoumrichter

Steuerkarte Servoumrichter

Steuereinheit (SPS)

Freigabe Tippbetrieb Maschine Ein

Rückmeldung Freigabe

+24V Sicherer Eingang

Information von den Sicherheitskomponenten

Not-Aus

SchutzNot-Ausausschalt-verzögert

Schutzausschalt-verzögert

Drehzahlüberwachung

Ansteuerlogik für den Maschinenantrieb (schematisch)

Signale von Maschinen-SPS zum Servoumrichter:Freigabe: Wird dieses Signal „low“, stoppt der Umformer über eine Not-Stopp-Rampe. Diese Leitung kann entweder durch Abschalten des SPS-Ausgangs und / oder durch das Öffnen der Hardware-Kontakte Not-Ausund Schutz low werden. Im SPS-Ausgang sind außer Not-Aus und Schutznoch andere Störungen enthalten.Tippbetrieb: Ist dieses Signal „low“, befindet sich der Umformer in derBetriebsart „niedrige Geschwindigkeit“ (drahtbruchsicher). Bei High-Signalschaltet der Umformer auf Produktions-Betrieb um.Maschine Ein: High-Signal bedeutet, dass die Maschine „drehen“ soll undLow-Signal bedeutet Maschinenstopp, allerdings mit „langer“ Stopprampe(kein Not-Stopp, normales Ausschalten).

Signal vom Servoumrichter zur Maschinen–SPS:Rückmeldung Freigabe: Über diese Leitung wird zurückgemeldet, ob derUmformer intern eine Freigabe erteilt hat. Über diese Rückmeldungkontrolliert außerdem die Maschinen-SPS, ob die Wegnahme derFreigabe bei Not-Aus-, Schutz- oder SPS-Abschaltung auch vomUmformer bestätigt wurde.

Eine Drehzahlüberwachung erfolgt in Standard-SPS-Logik.

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Aufgabenstellung: Sicherheitstechnik einer Etikettiermaschine

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Anforderungen an die Sicherheitselektrik

Sicherheitskategorie 3 nachEN 954-1

Sicherheitskategorie 3 nachEN 954-1

Robuste Bauweise,hohe Schutzart mind. IP67

Robuste Bauweise,hohe Schutzart mind. IP67

Einfacher Tausch derKomponenten im Fehlerfall

Einfacher Tausch derKomponenten im Fehlerfall

Niedrige Kosten (Komponenten,Montage, Engineering)

Niedrige Kosten (Komponenten,Montage, Engineering)

Umfangreiche Diagnose allerSicherheitskomponenten

Umfangreiche Diagnose allerSicherheitskomponenten

Wenig Kabel, geringerPlatzbedarf im Schaltschrank

Wenig Kabel, geringerPlatzbedarf im Schaltschrank

Einfaches Engineering, langjährigverfügbare Technologie

Einfaches Engineering, langjährigverfügbare Technologie

Nachträgliche Änderung vor Ortdurch Service-MA möglich

Nachträgliche Änderung vor Ortdurch Service-MA möglich

Anmerkung zur Diagnose der Sicherheitskomponenten:Es muss möglich sein, bei jedem Schutzschalter den aktuellen Zustand,und auch sporadische Fehler am Touch anzuzeigen. Bei 2-kanaligenKomponenten muss pro Kanal eine Diagnose möglich sein.Der Diagnosespeicher soll von der Maschinen-SPS auslesbar sein undjeden Fehler, der zu einem Abschalten der „Sicherheitskette“ führt,speichern incl. einer Erstfehlererkennung.

Hinweis zur robusten Bauart der Sicherheitssensoren:Die Andock-Sicherheitsschalter (Etikettierstationen/Maschine) müssenberührungslos ausgeführt werden. Diese Sensoren befinden sich imReinigungsbereich, firmenintern auch als extremer Nassbereichbezeichnet, d.h. ggf. Schutzklasse IP 69k. Schalter und Gegenstückemüssen untereinander vertauschbar sein (also nicht „codiert“), da an einerAndockstation beliebige Etikettieraggregate positioniert werden können.