Schon mehrere Jahre sind vergangen, seit die Normen EN ISO 13849-1 und IEC 62061 die obsolete EN 954-1 als technische Normen zur Sicherheit Steuerungssystemen ersetzt haben. Werden sie jedoch bereits auf allen technischen Gebieten, einschließlich Vakuumöfen, überall angewendet?

In der Zwischenzeit ersetzen immer mehr Sicherheits-SPSs (speicherprogrammierbare Steuerungen, SPS oder Englisch: Programmable Logic Controller, PLC) herkömmliche Sicherheitsrelais in vielen nicht-trivialen Anwendungen. Ist das wirklich sinnvoll? Warum sollten Sie ein Sicherheits-SPS in Ihrem Ofen installieren? Ich kann sehr gut verstehen, dass Sie diesbezüglich Zweifel haben. Daher möchte ich Ihnen hier fünf Gründe vorstellen, warum Sie Ihren nächsten Vakuumofen mit einer Sicherheits-SPS ausstatten sollten.

1. Der Notstopp ist nicht die einzige Sicherheitsfunktion

Wenn Sie den Schaltschrank eines älteren Vakuumofens öffnen, werden Sie vermutlich feststellen müssen, dass der Notstopp die einzige Vorrichtung ist, die die Anforderungen der Normen EN ISO 13849-1 und IEC 62061 erfüllt.

Während dies bei sehr einfachen Maschinen normal sein dürfte, also bei Maschinen, deren einziges Risiko durch ein bewegliches Teil begründet wird, welches entweder durch das Öffnen einer Schutzabdeckung oder durch das Drücken des Notausschalters gestoppt werden kann, gilt dies nicht für Vakuumöfen mit druckbeaufschlagtem Löschgas, wobei die Temperatur und der Druck sicherheitsrelevante Bedeutung haben.

Bis vor Kurzen waren einige wenige festverdrahtete Sicherheitsvorrichtungen (wenn überhaupt), die extern an der funktionalen Steuerung installiert wurden, der Stand der Technik. Diese erfüllen jedoch gleich aus mehreren Gründen nicht die neueren Normen, beispielsweise wegen des mangelnden Diagnosedeckungsgrads (zum Beispiel im Falle eines Kurzschlusses) oder wegen der eingeschränkten Redundanz (weil die funktionale Steuerung bei der Evaluierung der Sicherheitsfunktion nicht berücksichtigt werden kann).

Doch selbst wenn wir annehmen, dass gemäß den neuesten Normen mehr Sicherheitsfunktionen implementiert werden sollten, was hat eine Sicherheits-SPS im Vergleich zu herkömmlichen Sicherheitsrelais mehr zu bieten?

2. Sicherheits-SPSs können analoge Signale verarbeiten

Temperatur und Druck sind im Wesentlichen analoge Größen. Während die neusten Sicherheits-SPSs mit Eingabekarten ausgestattet werden können, zum Lesen und zum Erzeugen einer großen Vielfalt analoger Signale (wie jene von TCs, Pt100 oder vielen anderen Signalgeber), können Sicherheitsrelais im Wesentlichen nur digitale Informationen verarbeiten (wie eine Taste oder ein Begrenzungsschalter).

Worin liegt jedoch der Vorteil im Vergleich zur Nutzung von Druck- und Temperatur-Schaltern, die digitale Signale an die Sicherheitsrelais senden?

3. Analoge Signale bieten einen besseren Diagnosedeckungsgrad

Eine grundlegende Sicherheitspraktik besteht darin, Redundanz zur Erhöhung des Sicherheitslevels anzuwenden, zum Beispiel durch die Nutzung von zwei Temperatur-Schaltern statt nur eines Schalters. Fall Sie die beiden Schalter jedoch nicht gegeneinander überprüfen, wird der erste früher oder später ausfallen, ohne dass dies bemerkt wird, und der zweite kann auch ausfallen, wodurch die Sicherheitsfunktion ebenfalls verloren geht. Wenn der Umschaltpunkt jedoch auf eine Temperatur festgelegt wird, die unter normalen Umständen niemals erreicht wird, wie können Sie dann überprüfen, ob die beiden Sensoren fehlerfrei umschalten, wenn sie doch gar nicht umschalten?

Falls Ihnen jemand sagt, dass Sie den Temperatur-Schalter einfach nur regelmäßig entfernen und neu kalibrieren brauchen, hat dieser Jemand natürlich Recht. Ich wäre jedoch sehr verwundert, wenn ich eines Tages in einem Instandhaltungsprotokoll einen Eintrag sehen würde, wo jemand notiert hat, dass er genau das mit den Übertemperatur-Schaltern, die an den Behältern seiner Öfen installiert sind, zum letzten Mal gemacht hat.

Selbst wenn der Umschaltpunkt tatsächlich überschritten wird (bei Normalbetrieb oder bei einem Diagnoseverfahren), werden Sie immer noch nicht sagen können, ob die beiden Schalter fehlerfrei umschalten, oder? Bei Begrenzungsschaltern wird dies normalerweise mittels eines Zeitfensters überprüft. Dieses Vorgehen kann jedoch nicht auf Temperatur- oder Druckschalter in sicherer Weise übertragen werden, da beide wahrscheinlich nicht zum exakt gleichen Zeitpunkt umschalten. Dabei betrifft die Verzögerung die Differenz des Umschaltpunkts nur wegen der Änderungsrate der Messung, die im Allgemeinen unbekannt ist.

Genau an dieser Stelle kommt die Möglichkeit der sicheren Erzeugung analoger Werte ins Spiel: Wenn Sie zwei Temperaturmessungen haben, können Sie diese die ganze Zeit über miteinander vergleichen, selbst wenn Sie weit vom Umschaltpunkt entfernt sind. Falls ein Sensor ausfällt, werden Sie dies sofort bemerken, sobald die beiden Messwerte über die zulässige Toleranz hinaus voneinander abweichen.

Falls der Umschaltpunkt während des normalen Betriebs überschritten wird, kann selbst die Kombination eines analogen Signals und eines digitalen Signals eine interessante Möglichkeit darstellen, denn dies würde Diversität ermöglichen und dazu beitragen, Ausfälle wegen häufiger Ursachen zu vermeiden.

Bietet eine Sicherheits-SPS, abgesehen davon, noch weitere Vorteile? Natürlich! Lassen Sie uns noch zwei weitere Gründe anschauen, warum Sie eine Sicherheits-SPS in Ihrem Vakuumofen installieren sollten, um Ausfälle zu minimieren.

4. Sicherheits-SPSs können komplexere Logiken implementieren

Es gibt spezifische Anwendungen, bei denen die Sicherheitsfunktionen nicht einfach vom tatsächlichen Zustand eines oder mehrerer Sensoren abhängen, sondern auch von einer spezifischen Sequenz von Operationen. Wenn Sie beispielsweise Wasserstoff als Verfahrensatmosphäre anwenden, werden Sie genau wissen müssen, ob eine Inertgas-Reinigung sicher abgeschlossen wurde, bevor Sie Wasserstoff einlassen oder bevor Sie nach der Verwendung von Wasserstoff lüften.

Dies ist übrigens die Anwendungsart, bei der sich Sicherheits-SPSs schneller verbreitet haben, und bei der sie bereits an Wasserstoff-Öfen fast aller großen Hersteller installiert sind. Das ist aber noch nicht alles ...

5. Sicherheits-SPSs können die Manipulationsrisiken in signifikanter Weise reduzieren

Ich bin mir ziemlich sicher, dass Sie schon einmal eine Situation erlebt haben, wo ein Ofen wegen eines Sensors, der ausgefallen ist oder der kalibriert werden musste, ausgefallen ist. Möglicherweise machte der Kunde Druck, um seine Ladung aus dem Ofen zu bekommen und ein oberschlauer Servicetechniker überbrückte den defekten Sicherheitssensor einfach, um den Job zu erledigen. Ich hoffe jedoch nicht, dass Sie auch den Fall erleben mussten, dass unser Servicetechniker zu einer anderen dringenden Aufgabe gerufen wurde, und dass der nächste Zyklus gestartet wurde, obwohl der Sicherheitssensor immer noch überbrückt war!

Als Hersteller haben wir nicht nur die Verantwortung, zuverlässige Komponenten zu verbauen, um Ausfälle zu minimieren und die Bedienung zu erleichtern, um die Notwendigkeit der Überbrückung von Sicherheitseinrichtungen zu vermeiden, sondern auch, um zu verhindern bzw. um festzustellen, ob Sicherheitsfunktionen manipuliert wurden, sofern dies technisch möglich ist. Kann uns eine Sicherheits-SPS dabei helfen?

Natürlich! Zunächst einmal ist bei einer Sicherheits-SPS die gesamte Sicherheitslogik sicher innerhalb der Steuerung selbst eingebettet. Während eine festverdrahtete Sicherheitslogik von jedermann mit einem Schraubendreher manipuliert werden kann, braucht man zum Modifizieren einer Sicherheits-SPS nicht nur eine spezifische Software, sondern auch das Passwort, das der Hersteller für den einzelnen Ofen festgelegt hat.

Der Sicherheitslevel kann noch weiter gesteigert werden, indem die Sicherheits-SPS mit Smart Sensoren kombiniert wird, die auf das ausgelöste Signal, das von der SPS kommt oder die den Auslöser selbst erzeugen, eine Zeitverschiebung anwendet. Auf diese Weise kann ein Smarter Sicherheitssensor nicht mit einem Kurzschluss überbrückt werden, nicht wie bei herkömmlichen Sensoren, die einfach nur auf potentialfreien Kontakten beruhen.

Sie werden vielleicht sagen, dass man die Schaltvorrichtung immer noch manipulieren kann, indem man mit einem Schraubendreher darauf drückt. In diesem Fall haben Sie natürlich Recht. Ganz gleich wie leistungsfähig eine Sicherheits-SPS ist, absoluten Schutz kann sie nicht bieten!

Also haben Sie bereits eine Sicherheits-SPS an Ihrem Vakuumofen installiert?