Technische Schutzmaßnahmen erhöhen auch die Produktivität 1

Gemäß der Maschinenrichtlinie ist jeder Hersteller einer Maschine verpflichtet, eine Risikobeurteilung durchzuführen. Die Maschine muss immer anhand der Ergebnisse der Risikobeurteilung konstruiert und gebaut werden. Dabei ist ein positiver Aspekt der risikomindenden Maßnahmen – neben der Erhöhung der Sicherheit – die Produktivitätserhöhung von Maschinen.

Die Anzahl manueller Arbeitsplätze in Fertigungshallen ist vergleichsweise gering, kann aber aufgrund des hohen Unfallpotenzials dennoch nicht vernachlässigt werden. Häufig wohnt manuellen Arbeitsplätzen auch ein hohes Potenzial für Produktivitätssteigerungen inne, da – um die Sicherheit der Werker zu gewährleisten – oftmals zeitliche Verzögerungen in den Fertigungsprozess eingebaut sind. Wie lassen sich nun diese Reserven ausschöpfen? Technische Schutzmaßnahmen können hier sinnvoll sein, wie beispielsweise bei manuellen Schraubstationen. Durch das manuell eingelegte Werkstück wird an der Schraubstation über einen Starttaster der Ablauf in Gang gesetzt: das Werkstück wird automatisch gespannt und die Schraubstation fährt nach unten; nachdem der Verschraubvorgang abgeschlossen ist, fährt die Schraubstation automatisch wieder in Grundstellung und das Werkstück wird entspannt.

Zunächst einmal werden im ersten Schritt der Risikobewertung  die von der Schraubstation ausgehenden Gefährdungen identifiziert. Gefährdungspotenzial besteht etwa durch die Spannvorrichtung beim Spannen, die Abwärtsbewegung der Schraubeinheit sowie die Drehbewegung. Hier kann es zu ernsthaften Verletzungen der oberen Gliedmaßen des Werkers kommen.

Bewertung der Risiken gemäß EN ISO 13849-1
Im Rahmen der Risikobewertung wird mit Hilfe der so genannten Hazard-Rating-Numbers-Methode (HRN) die Risikohöhe ermittelt. Dabei erfolgt die Einschätzung des Risikos in Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Gefährdung, der Häufigkeit der Gefährdungsexposition, der Schwere der Verletzung und der Anzahl der Personen, die sich im Gefährdungsbereich aufhalten. Diese vier Einflussgrößen werden anhand einer Tabelle bewertet, die Risikohöhe ergibt sich schließlich aus der Multiplikation der Einzelwerte. Für die beurteilte Schraubstation war dann ein hohes Gefährdungspotenzial das Ergebnis.

Zur Risikominderung wird im nächsten Schritt ein Sicherheitskonzept erstellt, das inhärent sichere Maßnahmen wie beispielsweise technische Schutzmaßnahmen und spezifische Benutzerinformationen – wie Hinweise in der Betriebsanleitung – umfasst. Diese inhärente Absicherung soll durch feststehende trennende Schutzeinrichtungen, etwa durch Gitter, erreicht werden, um so einen seitlichen Eingriff an der Schraubstation zu verhindern. Zur Absicherung des Einlege- beziehungsweise Entnahmebereichs soll eine berührungslos wirkende Schutzeinrichtung (BWS) eingesetzt werden. Eine Unterbrechung  der BWS muss ein schnellstmögliches Stillsetzen der Spannvorrichtung beim Spannen sowie auch der Abwärtsbewegung der Schraubstation auslösen, das Betätigen des Not-Halt-Tasters wiederum muss sofort alle gefahrbringenden Bewegungen der Station stoppen.

Die Ausführung der trennenden Schutzeinrichtung muss den Anforderungen der EN 953 entsprechen, Sicherheitsabstände denen der EN ISO 13857 und der EN 349. Die Berechnung der Sicherheitsabstände sowie die Art und Weise der Anbringung der BWS erfolgt gemäß der EN 999 (prEN ISO 13855). Auch muss die Ausführung der BWS dabei die Anforderungen der EN 61496 erfüllen.

Da das Entspannen des Werkstücks und die Aufwärtsbewegung der Schraubstation keine gefahrbringenden Bewegungen erzeugen, kann der Bediener bereits während der Aufwärtsbewegung in den Gefahrenbereich eingreifen. Sicher überwacht werden muss also die Drehrichtung in Bezug auf das Heben und Senken der Schraubstation, um den Werker vor unerwarteten Bewegungsverläufen zu schützen. Ergo: Das Verletzen der sicheren Drehrichtung bei unterbrochener BWS muss zum schnellstmöglichen Stillsetzen der gefahrbringenden Bewegung der Schraubeinheit führen.

Zur Bestimmung der Risikohöhe für die funktionale Sicherheit wird der Risikograph der EN ISO 13849-1 herangezogen, eine Risikoeinschätzung, die für jede Sicherheitsfunktion durchgeführt werden muss. Als Ergebnis der Risikoeinschätzung ergibt sich ein erforderlicher Performance Level PLr (required) mit einer Einstufung von a bis e. Wichtig dabei ist, dass das Risiko ohne sicherheitstechnische Maßnahmen bewertet wird.
Im Anschluss daran erfolgt zwingend eine Verifikation aller Sicherheitsfunktionen. Der Aufwand dieser Verifikation kann durch den Einsatz einer geeigneten Software erheblich verringert werden. Hier bieten sich Softwaretools wie der Safety Calculator PAScal von Pilz an. Das Softwaretool berechnet den erreichbaren Performance Level beziehungsweise Safety Integrity Level von Sicherheitsfunktionen in Maschinen und Anlagen abhängig von den verwendeten Komponenten und verifiziert das Ergebnis mit dem erforderlichen PL nach EN ISO 13849-1 beziehungsweise SIL nach EN/IEC 62061. Eine spürbare Arbeitserleichterung für Konstrukteure. Für das Beispiel Schraubstation ergibt die Risikoeinschätzung für die Sicherheitsfunktionen einen erforderlichen Performance Level PLr von d.

Maßnahmen zur Risikominderung umsetzen
Zuerst einmal wurde die Schraubstation durch feststehende, trennende Schutzeinrichtungen nach den Anforderungen der EN 953 eingehaust. Dann bekam der Einlege- beziehungsweise Entnahmebereich durch eine BWS nach den Anforderungen der EN 61496 eine Absicherung. Die Art der Anbringung der berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung sowie die Bestimmung des Sicherheitsabstandes wurden gemäß den Anforderungen der EN 999 realisiert.

Eingesetzt als berührungslos wirkende Schutzeinrichtung wurde ein Lichtvorhang PSENopt von Pilz. Dieser bietet eine optimale Absicherung, immer wenn aktiv in den Produktionsprozess der zu sichernden Maschine oder Anlage eingegriffen werden muss. PSENopt ermöglichen durch ein barrierefreies Konzept höhere Produktivität bei einem gleichzeitig gesicherten Zugang zum Arbeitsprozess. Dabei überwacht das konfigurierbare Sicherheitsschaltgerät PNOZmulti Mini die Station, das heißt den Lichtvorhang PSENopt sowie den Not-Halt-Taster.
Das multifunktionale und frei konfigurierbare Sicherheitsschaltgerät bietet eine wirtschaftliche Lösung für die Überwachung ab zwei Sicherheitsfunktionen. Denn schon die Sicherheitsschaltung wird beim PNOZmulti Mini mit einem intuitiv bedienbaren Konfigurationstool am PC erstellt. Dies spart Zeit und auch Kosten einer aufwändigen Verdrahtung.
Mit Blick auf den Antrieb für die Schraubstation wird dieser nun mittels antriebsintegrierter Sicherheit auf seine Drehrichtung hin überwacht. Dadurch, dass die Drehrichtung jetzt sicher erkannt wird, kann der Bediener schon in der Aufwärtsbewegung das Werkstück entnehmen. Das erhöht die Sicherheit bei gleichzeitiger hoher Zeitersparnis. Ein Beispiel: Ginge man von einer Taktzeit von 20 s pro Werkstück aus, die im Zweischichtbetrieb mit einer effektiven Arbeitszeit von sieben Stunden pro Schicht gehalten wird, würde sich bei einer 5-Tage-Woche eine Wochenproduktion von 12 600 Werkstücken ergeben. Durch die Funktion „sichere Drehrichtungserkennung“ ließe sich so eine Zeitersparnis von einer Sekunde pro Werkstück erzielen. Dies entspricht einer zusätzlichen Produktion von etwa 670 Werkstücken pro Woche.
Arbeitsintegrierte Sicherheit steigert Produktivität
An der Schraubstation wird die sichere Drehrichtung über die mit der Sicherheitskarte PMCprotego S ausgestatteten Servoverstärker PMCprotego D von Pilz ermöglicht. Weitere Funktionen wie beispielsweise „sicher begrenzte Geschwindigkeit“, „sicherer Bremsentest“ oder „sicherer Betriebshalt“ lassen sich ebenso einfach integrieren. Die Sicherheitskarte ist einfach und schnell über ein Softwaretool parametrierbar. Der Anwender legt zunächst fest, welche Funktionen er nutzen möchte und kann dann Toleranzen und Grenzwerte definieren. Mehrere Sicherheitskarten können zentral über ein Softwaretool parametriert werden.
Fazit: Manuelle Arbeitsplätze bergen ein hohes Gefahrenpotenzial für den Werker. Eine umfassende Risikobeurteilung und ein darauf abgestimmtes Sicherheitskonzept können die Risiken auf ein Minimum reduzieren. Gleichzeitig kann durch den Einsatz funktionaler Sicherheit auch die Produktivität erhöht werden. Pilz bietet Unterstützung im Bereich der Risikobeurteilung, bei der anschließenden Erstellung des Sicherheitskonzepts und ebenso bei der Umsetzung.