Wie baut man eine Not Aus Schaltung?
Zunächst mal vorweg gesagt: Ich bin kein Elektrotechniker. Und das hier ist keine Anleitung für einen Not Aus Schaltung nach VDE, die für den Nachbau gedacht ist.
Viel eher ist der Artikel eine Sammlung von Wissen, das nach und nach ergänzt werden soll. Ich habe in diesem Thema schon länger recherchiert und es scheint keine allgemeingültige Lösung für Not Aus Schaltungen zu geben.
Jetzt aber mal Klartext: Warum brauchst du überhaupt eine Not Aus Schaltung?
Notwendigkeit der Sicherheitsschalter
Bei Maschinen und Anlagen die eine Gefahr der Verletzung des Bedieners bergen. sind Not-Aus oder Not-Halt Schaltungen verpflichtend. Ich denke ihr stimmt mir zu wenn ich sage dass eine CNC Fräsmaschine eine solche Gefahr darstellen kann.
Dass Maschinen Not-Aus und Not-Halt Vorrichtungen besitzen müssen wird dazu in der Maschinenrichtlinie (2006/42/EG) und den danach harmonisierten Normen EN ISO 12100, EN 60204-1 und EN ISO 13850 festgelegt.
Das ist der Unterschied zwischen Not-Halt und Not-Aus
Die “Not-Halt Schaltung” wird im deutschen Sprachgebrauch oft mit der “Not-Aus Schaltung” verwechselt. Der Grund dafür ist, dass die englische Bezeichnung “Emergency-Stop” oder “E-Stop” fälschlicherweise als Not-Aus übersetzt wird. Korrekt wäre die Übersetzung “Not-Halt”.
Merke:
Not-Halt (engl.: emergency stop)
Not-Aus (engl.: emergency switching off)
Im Fall des Not-Halts werden mögliche gefahrverursachende Bewegungen schnellstmöglich angehalten. Bei Werkzeugmaschinen werden zum Beispiel die Achsen und die rotierende Spindel angehalten bzw. kontrolliert abgebremst. Das System ist nach der Betätigung des Not-Halts nicht notwendigerweise stromlos.
Im Falle des Not-Aus wird dagegen das System schlagartig stromlos geschalten. Dies soll einer möglichen Gefährdung durch einen elektrischen Schlag entgegenwirken. Bei Maschinen die nachlaufen wie z.B. das Sägeblatt einer Kreissäge muss in diesem Fall zusätzlich eine mechanische Bremse eingebaut werden.
Gestaltung und Bedienung von Not Aus Schaltern
Der Not-Halt und der Not-Aus Taster werden im Gefahrenfall manuell betätigt und lösen ein Signal zur Stillsetzung der Anlage aus.
Ein Not-Schalter muss in allen Fällen als Schlagschalter ausgeführt sein. Durch das Anschlagen des Tasters muss dieser Verrasten.
Die Verrastung muss automatisch aufrechterhalten werden, bis diese wieder vom Bediener manuell entriegelt wird. Die Entriegelung des Tasters erfolgt über eine Drehbewegung bzw. auch durch Ziehen am Taster. Mit der Entriegelung des Not-Tasters darf aber nicht gleichzeitig der Befehl zum Wiederanlauf erfolgen!
Natürlich muss sich der Not-Schalter in naher Umgebung der Maschine befinden, damit er im Gefahrenfall schnellstmöglich betätigt werden kann. Durch den großen Pilzkopf muss der Taster nicht erst gesucht werden sondern kann in Paniksituationen recht schnell mit der Hand geschlagen werden.
Taster die versenkt eingebaut, oder mit Abdeckungen oder Schlössern verriegelt sind, entsprechen nicht den geltenden Sicherheitsstandards.
Gängige Hersteller für Not-Aus Schalter sind zum Beispiel Pilz und Moeller.
Fehlersicherheit bei Not-Aus Schaltungen
Richtige Not-Aus Schaltungen in der Industrie müssen zweikanalig geschalten sein. Dafür verwendet man spezielle Relais (z.B. PNOZ) oder spezielle Sicherheits SPS.
Sowohl ein Drahtbruch als auch Klebenbleiben eines Kontakts darf nicht zum Ausfall der Not-Aus Schaltung führen. Bei einem Kurzschluss im Kabel der Not Aus Schaltung die Schaltung nicht freigegeben werden.
Diese Fehler werden durch Doppelkontakte im Relais und intelligente Sicherheitsschaltungen detektiert.
Konzepte für die Not Abschaltung
Die Verschaltung der Not Abschaltung muss Normgemäß durchgeführt werden, da ansonsten im Fehlerfall oder bei Betätigung des Tasters Probleme auftauchen können. Eine fehlerhafte Verdrahtung kann zum Beispiel zur Folge haben, dass bei Betätigung der Schalter nicht richtig öffnet (Stichwort Klebenbleiben).
Um eine Maschine bzw. einen Motor mit einem Schalter anzuhalten gibt es unterschiedliche Konzepte. Wie im Bild gezeigt, sehe ich zunächst 4 verschiedene Varianten einer möglichen Not Aus Schaltung:
- Variante: Die Sollwertvorgabe an die Maschine wird getrennt
- Variante: Der Motorregler wird von der Motorendstufe getrennt
- Variante: Die Motorendstufe wird vom Stromnetz getrennt (Spannungslos Schalten der Endstufe)
- Variante: Der Motor wird elektrisch von der Motorendstufe getrennt
Schauen wir uns die einzelnen Varianten genauer an:
Variante 1 – Stop durch Trennung der Sollwertvorgabe
Ich bin mir nicht sicher ob dieses Verfahren in der Industrie tatsächlich verwendet wird da schließlich bei einem gleichzeitig auftretendem Fehler im Motorregler der Antrieb weiterlaufen würden.
Not Abschaltungen die komplett erst von normalen einem Rechner verarbeitet werden müssen sind übrigens keine richtigen Not Aus Schaltungen. Außer bei diesem Rechner handelt es sich um eine Sicherheits SPS! Und der Strom des gefährlichen Geräts (z.B. Fräsmotor) sollte schon immer über die Hardware abgeschaltet werden, nicht über die Software. Im Übrigens dürfte es sich bei dieser Variante nur um einen Not-Halt handeln, da das System nicht spannungsfrei geschalten wird.
Variante 2 – Stop durch Trennung des Motorregler von der Motorendstufe
In meinen Augen besser als Variante 1, da eine potentiell fehlerhafte Komponente zusätzlich mit rausgenommen wird. Somit ist die Wahrscheinlichkeit eines Doppelfehlers geringer. Wie Variante 1 vermutlich nur eine Not-Halt Lösung realisierbar.
Variante 3 – Stop durch netzseitige Trennung
Eine netzseitige Trennung des Fräsmotors hat den Nachteil, dass der Zwischenkreiskondensator des Leistungsteils bei jeder Trennung entladen wird. Dieser muss bei Wiederanlauf neu geladen werden und bedeutet für die Zwischenkreiskondensator eine Verringerung der Lebensdauer. Die Folge ist wohl eine schnellere Alterung der Kondensatoren. Dennoch halte ich das für eine recht sichere Lösung für einen richtigen Not-Aus (spannungsfrei schalten).
Variante 4 – Stop durch Trennung des Motors von der Endstufe
Ich kann mir vorstellen dass dies dies neben Variante 3 die bevorzugte Variante sein könnte. Außer man hätte eine Endstufe die für die Abbremsung des Motors über einen Bremswiderstand aktiv mitwirken würde.
Stichwort Massenträgheit: Ohne einen Bremswiderstand der die im System befindliche elektrische Energie schnell in Wärme umwandelt wird ein Antrieb länger nachlaufen.
Weitere Hinweise zum Bau einer Not-Aus Schaltung
Wenn du eine Steuerung mit Not Aus kaufst oder selber baust, bitte darauf achten dass die Not-Aus Funktion nicht nur die Schrittmotoren sondern insbesondere auch die Spindel abschaltet.
Noch besser wäre natürlich eine mechanische/elektrische Bremse, welche auch die Spindel aktiv anhält sobald der Not-Stop gedrückt wird. Beachte auch, dass die z-Achse beim Abschalten des Stroms nicht herunterfallen darf (Selbsthemmend gestalten oder mit mechanischer Bremse).
Stop Kategorien
Je nach Gestaltung der Anlage kann eine andere Stop Kategorie erforderlich sein.
Es gibt so genannte Stop Kategorien 0, 1 und 2 nach VDE 0113-1.
Stop Kategorie 0 bedeutet ein einfaches Unterberechen der Energiezufuhr des Antriebs.
Stop Kategorie 1 fordert ein aktives elektrisches Abbremsen des Antriebs, somit muss der Antrieb während dem Stop weiterhin mit Spannung versorgt werden. Stop Kategorie 1 wird angewendet wenn ansonsten ein langes Nachlaufen der Maschine die Folge wäre.
Stop Kategorie 2 bedeutet, dass die Maschine in einen sicheren Zustand versetzt wird, aber keine Trennung der Energie stattfindet. Zum Beispiel wird das verwendet bei Lasthebekränen mit Elektromagneten. Abschalten der Spannung würde zum Abstürzen der gehaltenen Last führen.
Weiterführende Links:
Pilz Sicherheitskompendium http://www.pilz.com/de-DE/knowhow/books/machinery-safety
PNOZ Sigma Applikation Manual http://www.pilz.com/download/open/PNOZsigma_Appl_Manual_1002430-DE-05.pdf
Beispiel für einen ordentlich aufgebauten Schaltschrank ohne genaueres über das Anlagenkonzept zu wissen:
http://forum.zerspanungsbude.net/viewtopic.php?f=58&t=9626&start=190
Mein Artikel zu Sicherheit bei CNC Maschinen.
Relevante Richtlinien und Normen
Produktsicherheitsrichtlinie: 2001/95/EG
2006/42/EG Maschinenrichtlinie (98/37EG veraltet)
DIN EN ISO 13849 Gestaltungsleitsätzen zu sicherheitsbezogenen Teilen von Steuerungen
Dieser Artikel befindet sich noch im Aufbau. Hast auch du schon Erfahrungen im Bereich Schaltschrankbau und Not-Aus Schaltungen gemacht die du mit mir teilen kannst? Dann hinterlass’ mir einfach einen kurzen Kommentar, ich freue mich!
Was ist zu tun, wenn Not-Aus-Defekt aufleuchtet?. Und was ist zu tun um den Fehler zu beheben? Es handelt sich hier um Werkzeugmaschinen.
Sehr gute Beschreibung und erfreulich klare Differenzierung! Not-Aus wird häufig falsch bezeichnet oder dargestellt, das hier Beschriebene hilft sicherlich vielen.
Die einzige Kleinigkeit, die ich ergänzen würde: der Not-Aus Pilztaster muss mechanisch zwangstrennend den Stromkreis unterbrechen. Aber alle bei uns von den Herstellern angebotenen Not-Aus Schalter erfüllen diese Vorgabe.
Der Precifast Blog gefällt mir immer besser, vor allem bin ich beim Fräsen auf gute Infos angewiesen. Danke dafür!
Leider ist das keine zufriedenstellende Antwort auf meine Fragen
Hi,
hier eine kleine Ergänzung:
Das Trennen von Endstufe und Schrittmotoren / Regler und Servomotoren / Frequenzumrichter und Spindelmotor führt bei häufiger Betätigung definitiv zur Zerstörung des Leistungsteils der Endstufe / des Reglers / des Frequenzumrichters. Das würde ich niemandem empfehlen. Jeder Hersteller von oben genannten Komponenten schreibt das auch immer in seine Montageanleitung als Warnhinweis. Bei einer CNC Anlage gibt es keine Klassischen Not Aus im Sinne ich schalte einfach den Strom ab. Hier hat sich der Not Halt bewährt und wird auch so von der Maschinenbaurichtlinie vorgeschrieben. Not Halt wird realisiert durch entsprechende E – Stop Eingänge an den Servoreglern / Schrittmotorendstufen und Frequenzumrichtern. Auch der Steuerungsrechner sollte das Not Halt Signal mitbekommen, das er an der entsprechenden Stelle im Programm stehen bleibt. Mit dem Not Halt an sich hat das aber nichts zu tun. Und wie der E Stop in den Reglern / Endstufen / Frequenzumrichtern realisiert wird ist bzw kann nicht das Problem des Anwenders sein, da er schließlich gutes Geld für die korrekte Ausführung und Verarbeitung der Signale bezahlt hat. Der Doppelt ausgeführte Sicherheitsstromkreis macht in meinen Augen wenig Sinn, da bei einem Kabelbruch die Schaltung selbstständig abschaltet. Das Kleben bleiben von Kontakten passiert heute nur noch dann wenn der Kontakt entweder schon überaltert ist oder überlastet ist. Gerade bei Sicherheitskreisen gibt es auch die Pflicht diese nach der vorraussichtlichen Lebensspanne der Komponenten zu ersetzten.
Gruß Michael