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Wenn eine Kraftmessung eine Schutzfunktion übernimmt, etwa die Überlastabschaltung eines Krans oder die Seilkraftüberwachung über einer Bühne, reicht ein gewöhnlicher Sensor nicht. Die Messkette muss Fehler erkennen und im Fehlerfall von selbst in den sicheren Zustand gehen. Dafür entwickeln und fertigen wir redundante Kraftmessbolzen, Kraftaufnehmer und Wägezellen und die passende Messelektronik für Sicherheitsfunktionen bis SIL 3 nach EN IEC 61508 und PL e nach EN ISO 13849-1.
Wichtig vorab: Ein Sensor allein hat weder SIL noch PL. Eingestuft wird die Sicherheitsfunktion als Ganzes, also Sensor, Auswertung und Aktor. Wir liefern die Bauteile, die Architektur und die Kennwerte, mit denen Ihre Sicherheitsfunktion die geforderte Stufe erreichen kann.
bis SIL 3 / PL e
zweikanalig, mit Sicherheitssteuerung
2 DMS-Vollbrücken
unabhängig und galvanisch getrennt im selben Messkörper
SIL 1 / PL c
Schutzfunktion im Messverstärker, ohne Sicherheitssteuerung
MTTFD, DC, FMEA
Kennwerte für SISTEMA und vergleichbare Werkzeuge
SIL und PL: zwei Normen, ein Ziel
Beide Normen wollen das Risiko eines gefährlichen Ausfalls auf ein vertretbares Maß senken. Welche gilt, hängt von Branche und Risikobeurteilung ab.
SIL, Safety Integrity Level
nach EN IEC 61508, für Maschinen konkretisiert in EN IEC 62061. Stufen SIL 1 bis SIL 4, für Maschinen relevant bis SIL 3. Verbreitet bei komplexen elektronischen Systemen und in der Prozessindustrie.
PL, Performance Level
nach EN ISO 13849-1, Stufen PL a bis PL e. Der übliche Weg im Maschinen- und Anlagenbau, gerechnet zum Beispiel mit SISTEMA. Neben der Ausfallwahrscheinlichkeit gehen Kategorie, Diagnosedeckungsgrad und Maßnahmen gegen gemeinsame Ausfälle ein.
| Performance Level | Ausfallwahrscheinlichkeit PFHD je Stunde | entspricht etwa |
|---|---|---|
| PL a | 10−5 bis < 10−4 | – |
| PL b | 3 · 10−6 bis < 10−5 | SIL 1 |
| PL c | 10−6 bis < 3 · 10−6 | SIL 1 |
| PL d | 10−7 bis < 10−6 | SIL 2 |
| PL e | 10−8 bis < 10−7 | SIL 3 |
Die Zuordnung über die Ausfallwahrscheinlichkeit dient der Orientierung. In der Hebetechnik und in der Bühnentechnik werden heute meist SIL 3 oder PL e gefordert.
Zweikanalig messen: so funktioniert die Architektur
Ein einkanaliger Sensor kann die höchsten Stufen nicht erreichen: Fällt er unbemerkt aus, fehlt die Schutzfunktion. Für sicherheitsgerichtete Anwendungen messen wir deshalb zweikanalig in 1oo2-Architektur (one out of two). Beide Kanäle messen dieselbe Kraft, und bereits ein Kanal genügt, um die Anlage in den sicheren Zustand zu bringen.
Entscheidend ist, dass ein einzelner Fehler nicht beide Kanäle zugleich trifft. Solche Fehler gemeinsamer Ursache (Common Cause Failures, CCF) vermeiden wir schon in der Konstruktion.
So bauen wir redundante Sensoren
Redundanz beginnt im Messkörper und endet am Stecker. Drei Punkte sind dabei entscheidend:
Zwei unabhängige DMS-Vollbrücken
auf demselben Verformungskörper: Sie erfassen dieselbe Kraft, arbeiten aber galvanisch getrennt. DMS-Applikation und Fertigung der Messkörper erfolgen im eigenen Haus.
Getrennte Signalwege
die interne Verdrahtung ist physisch getrennt geführt, der Anschluss erfolgt über separate Kabelausgänge oder isolierte Mehrfach-Steckverbinder. So kappt ein einzelner Kabelbruch nicht beide Signale.
Diagnosefähige Signale
zum Beispiel gegenläufige Analogsignale: Kanal A liefert 4…20 mA, Kanal B 20…4 mA, die Summe muss stets 24 mA ergeben. Oder digitale Sicherheitsprotokolle wie CANopen Safety oder PROFIsafe, die Laufzeit, Datenintegrität und Telegrammverluste überwachen.
Wie das bei einem Kraftmessbolzen aussieht, zeigt die Seite Kraftmessbolzen und Kraftmessachsen.
Zwei Wege zur sicheren Auswertung
Der Sensor ist nur ein Teil der Sicherheitsfunktion. Für die Auswertung führen wir zwei Reihen, je nachdem, welche Stufe gefordert ist und ob eine Sicherheitssteuerung vorhanden ist.
Alle Geräte beider Reihen finden Sie unter Messelektronik SIL / PL.
Kennwerte für die Anlagenzertifizierung
Für die Zertifizierung der Anlage nützt ein redundanter Sensor nur mit den passenden Nachweisen. Wir liefern die Daten für die Berechnung mit SISTEMA oder vergleichbaren Werkzeugen:
| Kennwert | Bedeutung für die Anlagenzertifizierung |
|---|---|
| MTTFD | Mean Time To dangerous Failure: mittlere Zeit bis zu einem gefahrbringenden Ausfall |
| B10D | bei elektromechanischen Bauteilen: Anzahl der Schaltspiele, bis 10 % der Bauteile gefahrbringend ausgefallen sind |
| DC | Diagnostic Coverage: Diagnosedeckungsgrad, also der Anteil gefährlicher Fehler, den die Diagnose erkennt |
| FMEA | Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse zur Bewertung möglicher Schwachstellen im Design |
Wichtig für die Planung: Diese Kennwerte beschreiben das Bauteil. Welche Stufe Ihre Sicherheitsfunktion erreicht, ergibt sich erst aus der Gesamtarchitektur, den Diagnosemaßnahmen und der Auswertung. Die Auslegung begleiten wir mit FEM-Berechnung sowie Labor- und Feldtests.
Sensoren für die Sicherheitskette
Das erste Glied der Sicherheitskette ist der Sensor. Redundant fertigen wir:
Kraftmessbolzen
ersetzen vorhandene Bolzen in Seilrollen, Gelenken und Anschlagpunkten, siehe Kraftmessbolzen und Kraftmessachsen
Wägezellen und Kraftaufnehmer
für Zug- und Druckkräfte, siehe Wägezellen und Kraftaufnehmer
Kundenspezifische Aufnehmer
gibt es für die Einbaustelle keinen Katalogaufnehmer, konstruieren wir ihn mit redundanter Architektur, siehe Kundenspezifische Kraftaufnehmer
Typische Anwendungen
Sicherheitsgerichtete Sensoren von octogon kommen dort zum Einsatz, wo ein Versagen Menschen gefährden oder hohe Sachschäden verursachen kann:
Hebetechnik und Kranbau
Überlastsicherung und Lastmomentbegrenzung an Mobil-, Turmdreh- und Hallenkranen
Bühnentechnik
Seilkraftüberwachung über Zuschauer- und Akteursbereichen
Fahrerlose Transportsysteme und Robotik
sichere Kraft- und Momentüberwachung in der Mensch-Roboter-Kollaboration
Pressen und Umformtechnik
Absicherung von Schließkräften im schweren Maschinenbau
Von der Sicherheitsfunktion bis zum Kennwert
Wir begleiten Sie vom Sensordesign bis zu den zertifizierungsrelevanten Kennwerten, entwickeln bei Bedarf die passende Messelektronik und kalibrieren die Messkette auf Wunsch nach ISO 17025 im eigenen Labor. Gehört eine komplette Prüfeinrichtung dazu, übernehmen wir auch den Prüfstandsbau.
Was wir für die Auslegung brauchen
Mit diesen Angaben schlagen wir Sensor, Architektur und Auswertung vor:
- Sicherheitsfunktion: was soll verhindert werden, und was ist der sichere Zustand
- Geforderte Stufe: PL und Kategorie oder SIL, sofern schon festgelegt
- Nennlast, Überlast und Lastrichtung
- Einbausituation: Zeichnung des vorhandenen Bauteils oder verfügbarer Bauraum
- Auswertung: vorhandene Sicherheitssteuerung und gewünschtes Signal, zum Beispiel 4…20 mA, CANopen Safety oder PROFIsafe
- Umgebung: Temperaturbereich, Schutzart, Ex-Bereich
- Stückzahl und gewünschter Termin
Häufige Fragen zur funktionalen Sicherheit
Hat ein Sensor mit zwei Brücken automatisch SIL 3?
Nein. SIL und PL beziehen sich auf die gesamte Sicherheitsfunktion. Der redundante Sensor ist die Voraussetzung; die erreichte Stufe ergibt sich aus Architektur, Auswertung, Diagnose und den Kennwerten aller beteiligten Bauteile.
Was bedeutet 1oo2?
One out of two: Zwei Kanäle messen dasselbe, und bereits einer genügt, um die Sicherheitsfunktion auszulösen. Weichen die Kanäle voneinander ab, erkennt die Auswertung den Fehler.
Brauche ich eine Sicherheitssteuerung?
Für SIL 3 / PL e ja, denn sie vergleicht die beiden Kanäle. Für SIL 1 / PL c gibt es Messverstärker mit eingebauter Schutzfunktion, die selbst schalten.
SIL oder PL: welche Norm gilt für mich?
Im Maschinenbau ist EN ISO 13849-1 mit dem Performance Level der übliche Weg, EN IEC 62061 mit SIL die Alternative. Welche Norm Sie anwenden, legen Sie mit Ihrer Risikobeurteilung fest; wir unterstützen Sie bei beiden.
Welche Unterlagen bekomme ich?
Kennwerte wie MTTFD und DC, bei elektromechanischen Bauteilen B10D, dazu die FMEA. Die Messkette kalibrieren wir auf Wunsch nach ISO 17025.
Planen Sie eine Anlage nach EN ISO 13849 oder EN IEC 61508? Beschreiben Sie uns die Sicherheitsfunktion über das Angebotsformular oder schreiben Sie an office@octogon.org. Wir schlagen Ihnen Sensor, Architektur und Auswertung vor.