SISTEMA-Berechnung mit Betriebsmittelkennzeichnung: Wann ist eine Abschaltmatrix sinnvoll?

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Die SISTEMA-Berechnung zählt zu den wichtigsten Schritten nach der Risikobeurteilung für Maschinen und Anlagen. Der geforderte Performance Level (PLr), der im Zuge der Risikobeurteilung ermittelt wird, muss in einem separaten Schritt nach DIN EN ISO 13849-1 verifiziert werden. In den letzten Jahren zeichnet sich dabei eine Entwicklung im Darstellungsmodus der SISTEMA-Berechnung ab: Statt modellhafter Darstellungen kommen immer häufiger matrixbasierte Darstellungen von Bauteilen der Sensorik und Aktorik (sogenannte Abschaltmatrizen) zum Einsatz, in denen die verschiedenen Bauteile mit Betriebsmittelkennzeichnungen (BMK) aufgeführt werden. Was der Zweck und der Mehrwert einer solchen matrixbasierten Darstellung sind, soll der folgende Artikel zeigen. 

Inhaltsverzeichnis
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    Abschaltmatrix: Was ist das?

    Eine Abschaltmatrix ist eine tabellenbasierte Darstellung der sicherheitsgerichteten Komponenten einer Maschine oder Anlage. Im Regelfall betreffen diese Sicherheitsfunktionen das Abschalten oder Stillsetzen der Maschine. Dafür sind vor allem zwei Klassen von Maschinenbauteilen entscheidend: sicherheitsgerichtete Sensoren und sicherheitsgerichtete Aktoren. Die Abschaltmatrix listet diese mit ihren spezifischen Betriebsmittelkennzeichnungen (BMK), ordnet sie einander ihrer entsprechenden Funktion nach zu und führt einen für die jeweilige Verbindung von Sensor und Aktor geeigneten Performance Level (PL) auf.

    Wie unterscheidet sich die Abschaltmatrix von anderen Darstellungen einer SISTEMA-Berechnung?

    In regulären modellhaften Darstellungen ist – gegenüber der Abschaltmatrix – die  detaillierte Einordnung einzelner Komponenten und ihrer BMK nicht möglich; dort werden üblicherweise nur eine Not-Halt-Funktion auf der Seite der Sensoren sowie ein Frequenzumrichter und / oder eine Schütz-Abschaltung auf der Seite der Aktoren eingetragen.  

    Beispiel einer Abschaltmatrix – Tabelle mit BMK und Not-Halt Abschaltung für Bauteil Aktoren
    Beispiel einer Abschaltmatrix in Form einer Tabelle mit BMK und Not-Halt Abschaltung für Bauteil Aktoren mit Sensorik

    Sensorik und Aktorik und ihre Rolle in der Maschinensicherheit 

    Sensorik und Aktorik sind über die eingesetzte Logik miteinander verknüpft. Als sicherheitsgerichtete Logik kann z.B. eine PNOZ oder ein vergleichbarer Baustein eines alternativen Herstellers, sowie eine Safety-SPS zum Einsatz kommen. Über die Sicherheitslogik wird definiert, welche Aktorik über welche Sensorik sicherheitsgerichtet abgeschaltet wird oder nicht. Diese logischen Verknüpfungen lassen sich über die Abschaltmatrix eindeutig und gut ersichtlich dokumentieren und festlegen. Die Abschaltmatrix bietet auch bei internen Gesprächen eine gute Basis.

    Sensorik von Maschinen 

    Sensoren dienen der Zustands-Überwachung von Prozess-Parametern. Sie erfassen optische, physikalische oder chemische Messgrößen und geben diese in Form elektrischer Signale wieder. Diese Signale können dann entweder als Datenerhebung – beispielsweise auf einem Display – dargestellt werden oder aber der Aktorik der Maschine als Information dienen. Hierbei ist strikt zwischen sicherheitsgerichteten Sensoren und nicht-sicherheitsgerichteten Sensoren zu unterscheiden.

    Aktorik von Maschinen 

    Aktoren sind für die Steuerung von Energien zuständig. Sie treten auf der Grundlage der durch die Sensoren bereitgestellten Signale in Kraft und setzen diese wiederum in (elektro-)mechanische oder thermische Energie-Änderung um. Die Erzeugung mechanischer Bewegung sowie die Steuerung von Druck und Temperatur dienen bei Maschinen dem Verrichten ihrer typischen Aufgaben wie etwa der Verarbeitung bestimmter Materialien. 

    Sensorik und Aktorik in der Maschinensicherheit 

    Besonders wichtig ist die Zusammenarbeit von Sensorik und Aktorik, wenn bei dem Transport, Betrieb, der Wartung oder Instandhaltung einer Maschine Personen gefährdet werden können. Für solche Maschinen wird nämlich im Zuge einer Risikobeurteilung vor deren Inverkehrbringung in einer sogenannten Abschaltmatrix festgelegt, ab welchem (kritischen) Messwert, der durch die Sensoren festgestellt wird, eine Abschaltung der Aktoren und damit der Tätigkeit der Maschine vorgesehen ist. Dabei wird eine Einstufung des Sicherheitsrisikos vorgenommen, die sich an festgelegten Minimal- und Maximalwerten von beispielsweise Umdrehungen pro Minute, Druck in Bar oder Temperatur in Kelvin oder Grad Celsius orientiert. Anhand dieser Werte kann dann eingeschätzt werden, ob sich eine Maschine im Normalbetrieb befindet, unter einer bestimmten Vorwarnstufe arbeitet oder ob ihre Abschaltung indiziert ist.

    Ein Beispiel für die Sicherheitsfunktion von Sensorik und Aktorik: Drucksensoren

    Ein Beispiel für die jeweiligen Rollen von Sensorik und Aktorik liefern Drucksensoren. Wenn Flüssigkeit oder Gas durch eine Rohrleitung fließen, entsteht in dieser Leitung
    ein gewisser Druck. Da Leitungen je nach Bauart nur einem bestimmten Druck standhalten, ist es nötig, diesen zu überwachen und zu regulieren. Dies geschieht über Drucksensoren, die ergänzend mit einer Anzeige verbunden sein können, welche den jeweiligen Druck in Echtzeit darstellt. Die Aufgabe der Erfassung des Drucks übernehmen Sensoren, die einen Druck in elektrische Signale umwandeln; die Aufgabe der Abschaltung fällt den Aktoren zu, die basierend auf den Sensor-Signalen entsprechend tätig werden und bestimmte Aktoren (z.B. Ventile, Pumpen, etc.) schalten.

    Die Betriebsmittelkennzeichnung im Maschinenbau 

    Eine sogenannte Betriebsmittelkennzeichnung (kurz: BMK) ist eine Form der Bezeichnung einzelner elektrischer (ggf. auch hydraulischer und pneumatischer) Komponenten einer Maschine oder Anlage. Verschiedene Strukturelemente einer Maschine können durch sie genauestens identifiziert werden, was ihre Benennung, Wartung und Reparatur sowie die Dokumentation der Prozesse, an denen sie beteiligt sind, signifikant erleichtert. Die Betriebsmittelkennzeichnung erfolgt durch die Zuordnung einer oder mehrerer Kategorien von Strukturelementen.

    Die Betriebsmittelkennzeichnung von Sensorik und Aktorik 

    Da elektrische (ggf. auch hydraulische und pneumatische) Komponenten einer Maschine oder Anlage durch ein Betriebsmittelkennzeichen benannt werden, wurden auch den für Sensorik und Aktorik verantwortlichen Bauteilen Kennzeichen zugeordnet.

    Gut zu wissen: dank der besseren Übersicht einer Abschaltmatrix können Aktoren im Ernstfall schnell und gezielt angesteuert und abgeschaltet werden.

    Welche Vorteile birgt eine Abschaltmatrix mit Betriebsmittelkennzeichnung (BMK)? 

    Wie Sie gesehen haben, erfüllen sicherheitsgerichtete Sensorik und Aktorik eine essenzielle Funktion in der Sicherheit von Maschinen und Anlagen. Ihre Berücksichtigung im Zuge der SISTEMA-Berechnung ist obligatorisch. Was nun die Darstellung ihrer Sicherheitsfunktionen betrifft, zeigt es sich, dass die Visualisierung mittels einer Abschaltmatrix den Überblick über die Beziehungen zwischen Sensoren und Aktoren deutlich erleichtert. Eine Auflistung mit der jeweiligen Betriebsmittelkennzeichnung (BMK) gestaltet zudem die Kommunikation über bestimmte Komponenten deutlich einfacher, da diese mittels ihrer Kennzeichnung zuverlässig bestimmt werden können. Dieser Umstand trägt darüber hinaus selbst zur Sicherheit der Maschine oder Anlage bei, da Aktoren dank der Übersicht im Ernstfall schnell und gezielt angesteuert werden können, um die Maschinentätigkeit einzustellen.  

     

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