Ganz sicher heben

Sichere Hebefahrzeuge brauchen zuverlässige Sensorik. Wie Hersteller die Anforderungen der kommenden EU-Maschinenverordnung erfüllen können, zeigt Gefran. Mit sicherheitszertifizierten Sensoren für Druck, Position und Neigung lassen sich Risiken früh erkennen und Maschinen automatisch in einen sicheren Zustand versetzen. 

Es ist wie ein Lehrbeispiel: Der Bediener einer Hubarbeitsbühne will seinen Kollegen an einer Fassade auf zehn Meter Höhe heranführen. Der Ausleger nähert sich langsam, überwacht von sich gegenseitig kontrollierenden Positionssensoren und einer sicheren Steuerung. Während des Vorgangs erkennt das System einen Fehler: Die Plausibilitätsprüfung zwischen den Sensorsignalen ergibt, dass ein Signal in einem Messkanal ausbleibt. Ein sicherheitsrelevantes Kabel ist defekt. Die Steuerung leitet sofort den sicheren Zustand ein: Die Bewegung des Auslegers wird gestoppt, die Hydraulik gesperrt.

Sensoren sind relevante Sicherheitsbausteine 

Die funktionale Sicherheit von Hebefahrzeugen und anderen Arbeitsmaschinen fußt auf einem reibungslosen Zusammenspiel aus Sensorik und Steuerung. Damit lassen sich Gefahren, die sich durch den Einsatz einer Maschine ergeben können, für ihren gesamten Lebenszyklus – von der Inbetriebnahme bis zur Wartung – technisch beherrschen. Ab dem 20. Januar 2027 wird dies auch geltendes Recht. Wurde nämlich die Maschinensicherheit bislang eher weitläufig und nur über Richtlinien geregelt, wird die dann in Kraft tretende EU-Maschinenverordnung konkrete Anforderungen für den Umgang mit potenziellen Risiken vorgeben. 

Wie die Umsetzung funktionaler Sicherheit für den Bereich der Hebefahrzeuge konkret gelingt, zeigt der Hersteller Gefran. Er ist spezialisiert auf die Entwicklung und Fertigung von Komponenten der Sensorik, Prozesssteuerung und Automatisierung. Eines der Anwendungsfelder sind mobile Arbeitsmaschinen. Mit Sensoren zur Winkel-, Neigungs-, Weg- und Kraftmessung ermöglicht das Unternehmen die lückenlose Darstellung aller Prozesse an der Maschine. 

SIL2/PLd-Zertifizierung erleichtern Validierung 

Tobias Middendorf ist Business Development Manager für den Bereich Mobile Machines & Sensors bei Gefran. Er nennt drei Punkte, mit denen die Funktionale Sicherheit von Hebefahrzeugen gelingt. Als erstes empfiehlt er den Einsatz von Sensoren, die bereits sicherheitszertifiziert sind. Der Vorteil: „Anwender können sicherheitsrelevante Funktionen direkt in ihr System integrieren. Damit sparen sie Engineering- und Validierungsaufwände ein.“ Sicherheitssensoren überwachen nicht nur relevante Messgrößen, sondern können sich selbst in einen definierten sicheren Zustand versetzen und ein sicherheitskritisches Ausgangssignal an die Steuerung senden. Diese kann dann beispielsweise einen Maschinenstopp auslösen. Die Zuverlässigkeit beziehungsweise Ausfallsicherheit der Sensoren wird je nach Norm mit dem Sicherheitsintegritätslevel SIL (1 bis 4) oder dem Performance Level PL (a bis e) bewertet. 

Gefran deckt mit seinem Portfolio die wichtigsten Messgrößen für die Funktionale Sicherheit von Hebefahrzeugen ab. Dies sind Druck, Position und Neigung, deren Messung direkt zur Risikominimierung beiträgt. Die Sensoren sind konform mit SIL 2 und PL d; damit liegt für sie die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls in der Stunde bei unter einem Millionstel. 

Druck, Position, Neigung 

Zertifizierte Druckmessumformer der KM-Reihe von Gefran erfassen mithilfe einer SMD-Elektronik präzise hydraulische Parameter wie den Systemdruck, Druckdifferenzen zwischen Zylindern oder Druckanstiegsraten. Die erfassten Werte bilden die Grundlage für typische Sicherheitsfunktionen, mit denen das System auf das Überschreiten definierter Grenzwerte reagiert. Dazu gehört beispielsweise das Sperren weiterer Hub- oder Auslegerbewegungen, ein kontrolliertes Absenken bis hin zum Abschalten. Überlasten, asymmetrische Lastverteilung, Blockaden von Zylindern, kurz: Situationen, die zum Kippen oder Strukturversagen der Maschine führen können, werden damit sicher verhindert. 

Mit der Positionsmessung werden Endlagen, zulässige Arbeitsbereiche und positionsabhängige Geschwindigkeiten überwacht. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Kollisionen mit Bauwerken oder Hindernissen sowie das Einklemmen durch ungünstige Bewegungskombinationen verhindern. Das wird möglich, indem zum Beispiel die Steuerung eine Auslegerbewegung nur innerhalb definierter Geometrien oder Arbeitsbereiche zulässt. 

Die sicherheitszertifizierten Seilzugaufnehmer der GSH-Reihe von Gefran umfassen mit dem GSH-A einen Positionsmesser, der zugleich auch für die dritte Messgröße genutzt werden kann: der Neigung. Mit Hilfe der Hall-Technologie erfasst der Sensor berührungslos Hübe bis 12,5 m; zudem verfügt er über einen eingebetteten einachsigen MEMS-Neigungssensor. Der Vorteil: „Mit dieser kombinierten Erfassung von linearer Position und Neigungswinkel ermöglichen wir vereinfachte Systemdesigns und konsolidierte Messketten“, so Middendorf. 

Mit der Neigungsmessung werden schließlich Gefahren wie das Kippen durch eine falsche Aufstellung, Bewegungen auf ungeeignetem Untergrund oder Fahrbewegungen bei angehobener Bühne verhindert. Dazu lösen das Überschreiten definierter Neigungsgrenzen -Bewegungssperren oder Abschaltungen aus.

Kommunikation stützt Verfügbarkeit 

Als Punkt zwei für ein sicherheitsgerichtetes Gesamtsystem „Hebefahrzeug“ nennt Middendorf die sichere Kommunikation zwischen Sensoren und Steuerung. Auch wenn sie nach wie vor analog über sichere Ausgänge 4-20 mA möglich ist: Die Kommunikation wird zunehmend digital. Die Sicherheitsfunktionen werden daher immer häufiger über den Bus in Steuerungsarchitekturen integriert. Gefran verfügt über einige Sensoren, wie zum Beispiel den Druckmessumformer KMC, die das CANopen Safety-Protokoll bedienen. Zertifizierte Sensoren lassen sich darüber schnell in eine Systemarchitekturen einbinden und sorgen für eine manipulationssichere Übertragung der Messwerte über ein digitales Bordnetz. 

Eine sichere Kommunikation, analog wie digital, bietet darüber hinaus einen weiteren Vorteil, wie Middendorf schildert: „Sie ermöglicht eine redundante Sensorik.“ Bei dieser überwachen Sensoren auf unabhängigen Kanälen die gleiche Messgröße. Die Steuerung gleicht die Ergebnisse in Echtzeit ab und kann daran Abweichungen und Ausfälle unmittelbar erkennen. „Betreibern bieten sich dadurch verlässliche Diagnosekonzepte, durch die sie letztlich von einer erhöhten Verfügbarkeit der Maschine profitieren.“ 

Grundvoraussetzung Robustheit 

Entscheidend ist bei alledem jedoch die Grundvoraussetzung, die Middendorf als dritten Punkt nennt: Müssen Sensoren mobiler Arbeitsmaschinen generell unter rauen Betriebsbedingungen verlässlich funktionieren, erhöht die funktionale Sicherheit diese Anforderung nochmals. 

„Es geht um robust fehlersichere Systeme“, sagt der Gefran-Manager. Neben widerstandsfähigen Gehäusen nutzt der Hersteller dafür verschiedene Technologien, mit denen die Messung unanfällig gegen Verschmutzung oder Vibration wird. So setzt Gefran bei einigen Sensoren auf den Hall-Effekt, wie zum Beispiel beim Winkelsensor GR3P. Bei der Hall-Technologie wird die Position des Sensors über die sinusförmige Überschneidung von Magnetfeldern ermittelt. Der GR3P kann dadurch kontaktlos arbeiten, was einen minimalen Verschleiß und eine lange Lebensdauer bedeutet. 

Automation wird Bedarf weiter erhöhen 

Hebefahrzeuge werden zunehmend automatisiert und vernetzt. Damit sieht Tobias Middendorf von Gefran den Bedarf an Sensorlösungen für die Funktionale Sicherheit weiter wachsen. „Mit unserer Expertise sehen wir uns auch als wichtigen Partner, Maschinenhersteller mit schnell adaptierbaren und validierbaren Produkten zu unterstützen.“ Das Unternehmen arbeitet bereits an den nächsten SIL2/PLd-zertifizierten Sensoren für die Messung von Druck, Position und Neigung. 

Autor: Kai Weigand, Produktmanager Sensoren, Gefran Deutschland 

Bilder: bannafarsai / Adobe Stock – 446262508; Gefran