Praxisleitfaden: Fehlerbehebung bei Störungen des Sicherheitssystems

1. Problembeschreibung und Umfang

Dieser Leitfaden befasst sich mit zeitweise auftretenden Auslösungen von Sicherheitssystemen in industriellen Fertigungsumgebungen. Unter einer Störungsauslösung wird die Aktivierung einer Sicherheitsfunktion (z. B. Not-Aus, Lichtvorhang, Verriegelung) ohne tatsächlichen Notfallzustand verstanden, die zu ungeplanten Produktionsausfällen führt. In diesem Leitfaden werden Not-Aus-Schaltkreise, Sicherheitslichtvorhänge, Torverriegelungen und Sicherheits-SPS-Eingangsmodule behandelt. Der Schweregrad wird als kritisch eingestuft, da sich diese Störungen auf die Maschinenverfügbarkeit (OEE) auswirken und zu gefährlichen Problemumgehungen führen können, wenn sie nicht ordnungsgemäß behoben werden.

2. Sicherheitsvorkehrungen

WARNUNG: Vor allen elektrischen Diagnosearbeiten müssen die Lockout/Tagout-Verfahren (LOTO) strikt befolgt werden. Verwenden Sie immer geeignete PSA der Kategorie III oder IV. Umgehen Sie niemals Sicherheitssysteme, um Fehlauslösungen zu beheben, während die Maschine unter Strom steht oder in Betrieb ist. Andernfalls besteht unmittelbare Verletzungs- oder Todesgefahr. Stellen Sie sicher, dass die gespeicherte Energie (pneumatisch, hydraulisch, mechanisch) abgeführt wird, bevor Sie mit mechanischen Einstellungen oder Verkabelungsreparaturen beginnen.

3. Erforderliche Diagnosetools

4. Checkliste für die Erstbewertung

5. Flussdiagramm zur systematischen Diagnose

1. Symptom: Intermittierender Not-Aus-Schalter oder Interlock-Auslösung
   1. Überprüfen Sie, ob in der Nähe des Sicherheitsrelais/-controllers mechanische Vibrationen auftreten.
      1. WENN Vibration > 5 mm/s (RMS) → Montage prüfen; Isolieren Sie das Relais oder den Sensor.
      2. WENN die Vibration gering ist → Fahren Sie mit Schritt 2 fort.
   2. Prüfen Sie die Integrität der Verkabelung auf lose Verbindungen an den Klemmen.
      1. IF-Widerstand > 0,5 Ohm in einer einzelnen Schleife → Klemme festziehen, neu terminieren oder Kabel ersetzen.
      2. WENN der Widerstand stabil ist → Fahren Sie mit Schritt 3 fort.
   3. Verwenden Sie ein Oszilloskop, um die Signalleitung auf EMI-Rauschen zu überwachen.
      1. WENN Rauschspitzen 20 % der Signalspannung überschreiten → Überprüfen Sie die Kabelabschirmung und -verbindung und verlegen Sie die Kabel von den VFD-Leitungen entfernt.
      2. Wenn das Signal sauber ist → Fahren Sie mit Schritt 4 fort.
   4. Überprüfen Sie den Kontaktzustand des Sicherheitsrelais (falls elektromechanisch).
      1. IF Kontaktwiderstand > 1,0 Ohm → Sicherheitsrelais ersetzen; Laststrom auswerten (Berührungsschutz berücksichtigen).

6. Fehler-Ursachen-Matrix

7. Ursachenanalyse

7.1 Mechanische Vibration und lose Verbindungen

Vibrationen sind eine häufige Ursache für Fehlauslösungen, insbesondere bei Maschinen mit hoher Geschwindigkeit. Mechanische Energieübertragungen durch den Schrank oder die Montagestruktur führen zu hochohmigen (zeitweise offenen) Verbindungen an den Klemmenblöcken. Im Laufe der Zeit lockern sich die Klemmschrauben aufgrund von Temperaturschwankungen und mechanischer Ermüdung. Dies bestätigt den Bedarf an federbelasteten oder vibrationsfesten Reihenklemmen in sicherheitskritischen Stromkreisen.

7.2 Elektromagnetische Interferenz (EMI)

Signalleitungen, die parallel zu Hochstrom-VFD-Ausgangskabeln verlaufen, fungieren als Antennen. EMI induziert Spannungsspitzen am Sicherheitseingang, was dazu führt, dass die Sicherheits-SPS einen Fehler registriert. Dies kann durch ein Oszilloskop bestätigt werden, das Transienten auf der Eingangsleitung anzeigt, die mit VFD-Geschwindigkeitsänderungen übereinstimmen. Hochfrequentes Rauschen wird häufig durch standardmäßige digitale Filterung in Eingangskarten maskiert.

7.3 Verschleiß des elektromechanischen Relais

Sicherheitsrelais haben eine begrenzte mechanische und elektrische Lebensdauer. Wenn sich die Kontakte verschlechtern, erhöht sich ihr Innenwiderstand. Ein kleiner Spannungseinbruch während des Maschinenstarts kann dazu führen, dass ein Relais mit hohem Kontaktwiderstand abfällt. Dies ist ein kritischer Fehlerpunkt bei Hochfrequenz-Schaltanwendungen.

8. Schrittweise Lösungsverfahren

1. Festziehen und Abschließen: Ziehen Sie bei gesperrter Stromversorgung alle Anschlüsse im Sicherheitskreis fest. Verwenden Sie einen kalibrierten Drehmomentschlüssel. Befestigen Sie jeden Leiter, der Oxidation oder Hitzeverfärbung aufweist, erneut.
2. Neuausrichtung des Sensors: Passen Sie bei Lichtvorhängen die Montagehalterungen an und beobachten Sie dabei die Ausrichtungssignal-LED oder die Ausgangsspannung. Stellen Sie sicher, dass Sender und Empfänger innerhalb von 0,5 Grad parallel sind.
3. EMI-Minderung: Verlegen Sie Sicherheitssignalleitungen in speziellen Metallkanälen mit einem Abstand von mindestens 300 mm von Motorkabeln. Stellen Sie sicher, dass die Kabelabschirmung nur am Schrankeintrittspunkt mit einer 360-Grad-Klemme (kein Pigtail) geerdet ist.
4. Relaisaustausch: Wenn ein Sicherheitsrelais einen Kontaktwiderstand von > 1,0 Ohm aufweist, ersetzen Sie es durch ein identisches Gerät. Wenn das Gerät häufig ausfällt, fügen Sie der Last (bei Gleichstrom) eine RC-Überspannungsschutzschaltung oder eine Flyback-Diode hinzu, um induktive Lichtbögen zu minimieren.

9. Vorbeugende Maßnahmen

10. Ersatzteile und Komponenten

Informationen zu hochzuverlässigen Ersatzteilen finden Sie im UNITEC-D-E-Katalog: https://www.unitecd.com/e-catalog/

11. Referenzen

• ISO 13849-1: Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungssystemen.
• IEC 60204-1: Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen.
• NFPA 79: Elektrischer Standard für Industriemaschinen.