Diagnose und Behebung von Fehlauslösungen an Sicherheitssystemen

1. Problembeschreibung & Anwendungsbereich

Diese Anleitung dient der systematischen Diagnose und Behebung von unerwünschten oder zyklischen Fehlauslösungen an Maschinensicherheitssystemen. Solche Fehlauslösungen, oft als ‘Nuisance Trips’ bezeichnet, beeinträchtigen die Maschinenverfügbarkeit erheblich und können zu unnötigen Produktionsausfällen führen. Die hier beschriebenen Symptome und Diagnoseverfahren sind anwendbar auf eine Vielzahl von industriellen Anwendungen, darunter Fertigungslinien, Robotikzellen, Pressenanlagen und Montageautomaten, die mit den Normen DIN EN ISO 13849 (Performance Level), DIN EN 62061 (SIL) und DIN EN 60204-1 (Elektrische Ausrüstung von Maschinen) konform sind.

Schweregrad der Störung:

• Kritisch: Häufige, unregelmäßige Auslösungen, die zu Produktionsstillstand und hohem Instandhaltungsaufwand führen. Umgehende Behebung erforderlich.
• Major: Gelegentliche, reproduzierbare Auslösungen unter spezifischen Bedingungen. Planbare, aber dringende Instandhaltung.
• Minor: Seltene, nicht reproduzierbare Einzelauslösungen, die sich nicht auf die Gesamtverfügbarkeit auswirken, jedoch ein potenzielles Frühwarnsignal darstellen können.

2. Sicherheitshinweise

WARNUNG: Arbeiten an Sicherheitssystemen erfordern höchste Sorgfalt. Eine fehlerhafte Diagnose oder Reparatur kann zu schweren Verletzungen oder Todesfällen führen. Beachten Sie stets die folgenden Punkte:

• ENERGIE ABSCHALTEN: Führen Sie vor Beginn jeglicher Arbeiten am System eine ordnungsgemäße Lockout/Tagout (LOTO) Prozedur gemäß VDE 0105-100 und der Maschinenrichtlinie durch. Stellen Sie sicher, dass alle Energiequellen (elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) isoliert und gesichert sind. Prüfen Sie die Spannungsfreiheit mit einem geeigneten Messgerät (z.B. Multimeter nach DIN EN 61010-1).
• GESPEICHERTE ENERGIE: Achten Sie auf gespeicherte Energie in Kondensatoren, Druckluftspeichern oder Hydraulikzylindern. Entlasten Sie diese Bereiche sicher.
• PERSÖNLICHE SCHUTZAUSRÜSTUNG (PSA): Tragen Sie immer die vorgeschriebene PSA, insbesondere elektrisch isolierende Handschuhe (nach DIN EN 60903), Schutzbrille (nach DIN EN 166) und Sicherheitsschuhe (nach DIN EN ISO 20345).
• KOMPETENZ: Diese Arbeiten dürfen nur von geschultem und qualifiziertem Fachpersonal durchgeführt werden, das mit den einschlägigen Sicherheitsnormen und der spezifischen Maschinendokumentation vertraut ist.
• NIE ÜBERBRÜCKEN: Umgehen oder überbrücken Sie niemals Sicherheitsfunktionen zu Diagnosezwecken. Dies stellt eine grobe Fahrlässigkeit dar und kann schwere Unfälle verursachen.

3. Benötigte Diagnosewerkzeuge

Die folgenden Werkzeuge sind für eine effektive Fehlersuche an Sicherheitssystemen unerlässlich:

4. Checkliste zur Ersteinschätzung

Vor der eigentlichen Diagnose ist eine gründliche Ersteinschätzung unerlässlich, um den Kontext der Störung zu erfassen und erste Hinweise zu gewinnen:

5. Systematischer Diagnose-Flowchart

Folgender Ablaufplan führt Sie durch die systematische Fehlersuche bei Fehlauslösungen von Sicherheitssystemen:

1. Symptom: Sicherheitssystem löst unerwartet aus.
   1. Initialprüfung des Sicherheitsrelais / Sicherheits-SPS
      1. Prüfung der Diagnose-LEDs am Sicherheitsrelais / Sicherheits-SPS:
         • IF alle LEDs grün und stabil (Betriebsbereitschaft):
           • THEN weiter mit 1.b.
         • IF eine LED blinkt rot oder zeigt einen spezifischen Fehlercode:
           • THEN Dokumentation des Fehlercodes.
           • THEN Konsultation des Handbuchs des Sicherheitsrelais.
           • PROBABLE CAUSE: Interner Relaisfehler, externer Fehler an überwachtem Kreis (Not-Halt, Schutztür), Verdrahtungsfehler direkt am Relais-Eingang.
           • VERIFIZIERUNG:
           • Spannungsversorgung des Relais prüfen (Multimeter, > 90% der Nennspannung).
           • Lastkreis des Relais auf Kurzschluss/Überlast prüfen (Multimeter, Widerstandsmessung).
           • Eingangskreise des Relais auf korrekte Verdrahtung und Funktion prüfen (Multimeter, Durchgang/Widerstand).
           • RESOLUTION: Fehlerhaftes Relais tauschen, Verdrahtung korrigieren.
   2. Prüfung der Eingangsgeräte (Sensoren, Not-Halt-Taster, Schutztürschalter)
      1. Optische Inspektion der Sensoren und Betätiger:
         • IF Sensor oder Betätiger offensichtlich beschädigt, verschmutzt, blockiert:
           • THEN Reinigung, Ausrichtung oder Austausch.
           • PROBABLE CAUSE: Mechanische Beschädigung, Verunreinigung, Fehlausrichtung.
           • RESOLUTION: Austausch des Sensors, Reinigung der Optik, Neuausrichtung.
         • IF keine sichtbaren Mängel:
           • THEN weiter mit 1.b.ii.
      2. Überprüfung der Sensorausrichtung und des Schaltabstands:
         • IF induktiver/kapazitiver Sensor:
           • THEN Schaltabstand mit Fühlerlehre oder Herstellerangabe prüfen (z.B. SN ±10%).
           • PROBABLE CAUSE: Toleranzüberschreitung, Vibration, mechanische Verformung.
           • RESOLUTION: Sensor neu ausrichten, Befestigung prüfen/verstärken.
         • IF optoelektronischer Sensor (Lichtschranke, Lichtgitter):
           • THEN Ausrichtung mit Laser-Ausrichtgerät oder integriertem Ausrichthilfe prüfen.
           • PROBABLE CAUSE: Fehlausrichtung, Vibration des Maschinenrahmens, Fremdlicht.
           • RESOLUTION: Neu ausrichten, Befestigung optimieren, Reflexionsfläche prüfen/reinigen.
         • IF magnetischer Schutztürschalter:
           • THEN Magnetabstand zur Sensoreinheit prüfen (Herstellerangabe, z.B. 3-8 mm).
           • PROBABLE CAUSE: Spiel in der Türführung, Magnetverschiebung.
           • RESOLUTION: Türführung einstellen, Magnetposition korrigieren.
      3. Elektrische Prüfung der Sensoren/Taster:
         • WARNUNG: Spannungsmessung nur bei aktivierter Energie nach LOTO-Freigabe durchführen.
         • THEN Spannung am Sensor prüfen (Multimeter: Sollwert z.B. 24 VDC ±5%).
         • THEN Schaltzustand am Ausgang des Sensors prüfen (Multimeter: 0V/24V oder Widerstand bei passiven Kontakten).
         • THEN bei periodischen Fehlern: Signalverlauf mit Oszilloskop auf Prellverhalten oder Störungen prüfen.
         • PROBABLE CAUSE: Unterspannung, Wackelkontakt, interner Sensordefekt, EMV-Störungen.
         • RESOLUTION: Spannungsversorgung prüfen, Kabel/Stecker tauschen, Sensor tauschen, EMV-Maßnahmen (Abschirmung).
   3. Prüfung der Verkabelung und Steckverbindungen
      1. Durchgangs- und Widerstandsmessung (bei spannungslosem System):
         • THEN Einzelne Adern von Sensor zu Sicherheitsrelais/SPS auf Durchgang prüfen (Multimeter: < 1 Ohm).
         • THEN Widerstand zwischen Adern und Schutzerde prüfen (Isolationsmessgerät: > 10 MΩ bei 500V Prüfspannung).
         • PROBABLE CAUSE: Kabelbruch, loser Anschluss, schlechte Isolation, Kurzschluss.
         • RESOLUTION: Kabel/Stecker tauschen, Klemmen nachziehen.
      2. Sichtprüfung der Kabelwege:
         • THEN Kabel auf Quetschungen, Scheuerstellen, Knicke prüfen, insbesondere in Schleppketten oder bewegten Bereichen.
         • PROBABLE CAUSE: Mechanische Beschädigung durch Bewegung, fehlerhafte Verlegung.
         • RESOLUTION: Kabelweg optimieren, Kabel mit geeigneter Zugentlastung verlegen, Kabel tauschen.
      3. Sitz der Steckverbindungen und Klemmen:
         • THEN Alle Stecker und Klemmen auf festen Sitz prüfen.
         • PROBABLE CAUSE: Vibration, Korrosion, unzureichendes Anzugsmoment bei Installation.
         • RESOLUTION: Klemmen nachziehen (Drehmoment beachten), Stecker prüfen/reinigen/tauschen.
   4. Prüfung auf Umwelteinflüsse und externe Störungen
      1. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV):
         • IF Fehler tritt auf, wenn große Motoren, Schweißgeräte oder Frequenzumrichter in der Nähe betrieben werden:
           • THEN Kabel auf korrekte Schirmung und Erdung prüfen.
           • THEN Trennabstände zu Leistungskabeln prüfen (VDE 0100-520).
           • PROBABLE CAUSE: EMV-Störungen, fehlende/unzureichende Schirmung, Potentialunterschiede.
           • RESOLUTION: Schirmung nachrüsten/prüfen, Potentialausgleich verbessern, Ferritkerne an Datenleitungen.
      2. Vibrationen:
         • IF Fehler tritt bei Maschinenvibrationen auf:
           • THEN Sensoren und deren Halterungen auf festen Sitz prüfen.
           • THEN Vibrationen am Montageort des Sensors mit Vibrationsanalysegerät messen (Sollwert < 4,5 mm/s RMS für unkritische Komponenten, alarmierend > 7,1 mm/s RMS nach VDI 2056).
           • PROBABLE CAUSE: Sensor lockert sich, Prellverhalten von Kontakten, Kabelbrüche durch Materialermüdung.
           • RESOLUTION: Montage optimieren, Vibrationsdämpfung einsetzen, Sensor mit höherer Schockfestigkeit wählen.
      3. Temperatur / Feuchtigkeit / Verunreinigungen:
         • IF Fehler tritt bei extremen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit oder starker Verschmutzung auf:
           • THEN Betriebsgrenzen des Sensors/Relais prüfen (Datenblatt).
           • THEN Gehäuseschutzart (IP-Code nach DIN EN 60529) prüfen und ggf. höhere Schutzart wählen.
           • THEN Umgebungstemperatur mit Wärmebildkamera / Thermometer messen.
           • PROBABLE CAUSE: Sensor außerhalb des Spezifikationsbereichs, Kondensation, Korrosion, optische Blockade.
           • RESOLUTION: Klimatisierung, höhere IP-Schutzart, regelmäßige Reinigung, Sensor tauschen.

6. Fehler-Ursachen-Matrix

Diese Matrix fasst die häufigsten Symptome, wahrscheinlichen Ursachen und erforderlichen Diagnosetests zusammen:

7. Ursachenanalyse für jeden Fehler

7.1 Fehlausrichtung von Sensoren

• Warum es passiert: Mechanische Belastungen, Vibrationen, unzureichende Befestigung, Kollisionen, Verschleiß an Führungselementen. Optische Sensoren (Lichtschranken, Lichtgitter) sind besonders anfällig für minimale Winkelabweichungen. Induktive Sensoren können durch Verformungen des Maschinenbaus oder des Betätigers beeinträchtigt werden.
• Wie zu bestätigen: Überprüfung mit einem speziellen Ausrichtgerät (Laser für Lichtgitter) oder einer Fühlerlehre für induktive/kapazitive Sensoren. Prüfen des Schaltzustandes während einer langsamen Annäherung des Betätigers. Der Schaltpunkt muss reproduzierbar und innerhalb der Herstellertoleranz liegen.
• Schäden bei Nichtbehebung: Kontinuierliche Fehlauslösungen führen zu unnötigem Maschinenstillstand. Bei manipulierbaren Schutztürschaltern kann die Schutzfunktion unbemerkt aufgehoben werden, was ein kritisches Sicherheitsrisiko darstellt und schwere Unfälle zur Folge haben kann.

7.2 Verschmutzung oder Beschädigung von Sensoren

• Warum es passiert: Ablagerungen von Staub, Öl, Spänen, Kühlmitteln oder Kondenswasser auf optischen Flächen oder der aktiven Fläche von induktiven/kapazitiven Sensoren. Mechanische Beschädigungen durch herabfallende Teile, Werkzeuge oder Kollisionen.
• Wie zu bestätigen: Gründliche optische Inspektion. Bei optischen Sensoren kann ein Test mit einer standardisierten Testobjektplatte (gemäß DIN EN 61496-1) durchgeführt werden, um die Schaltempfindlichkeit zu überprüfen. Messung der Ausgangsspannung bei sauberem und verschmutztem Sensor.
• Schäden bei Nichtbehebung: Verminderte Reichweite oder unzuverlässiges Schaltverhalten. Bei Sicherheits-Lichtgittern kann dies dazu führen, dass Personen oder Gegenstände nicht zuverlässig erkannt werden, was zu einer Umgehung der Schutzfunktion führt.

7.3 Verdrahtungsfehler oder Kabelbrüche

• Warum es passiert: Materialermüdung bei bewegten Kabeln (Schleppketten), mechanische Beschädigungen (Quetschungen, Scheuern), Korrosion an Klemmen oder Steckverbindungen, unzureichendes Anzugsmoment bei der Installation, fehlerhafte Crimpverbindungen.
• Wie zu bestätigen:
• Kabelbruch: Durchgangsprüfung mit Multimeter während das Kabel gebogen oder bewegt wird. Der Widerstandswert sollte konstant bei < 1 Ohm bleiben.
• Kurzschluss/Masseschluss: Isolationsmessung mit Megger. Der Isolationswiderstand sollte bei 500V Prüfspannung > 10 MΩ betragen. Ein Wert unter 1 MΩ ist kritisch und erfordert sofortigen Austausch.
• Lose Verbindungen: Visuelle Prüfung, leichtes Ziehen an den Adern in Klemmen und Steckern. Spannungsmessung direkt an der Klemme/am Stecker während des Betriebs zur Identifizierung von Spannungseinbrüchen.
• Schäden bei Nichtbehebung: Intermittierende Ausfälle, die schwer zu lokalisieren sind. Bei einem vollständigen Kurzschluss kann es zur Zerstörung des Sicherheitsrelais oder der Versorgung kommen. Ein unterbrochener Sicherheitskreis führt zum Not-Halt und damit zu Produktionsstillstand.

7.4 Elektromagnetische Interferenz (EMI / EMV-Probleme)

• Warum es passiert: Ungeschirmte oder schlecht geerdete Kabel in der Nähe von Leistungskabeln, Frequenzumrichtern, Schaltnetzteilen oder Schweißanlagen. Induzierte Spannungsspitzen können die Eingangsstufen von Sicherheitsrelais oder Sensoren stören.
• Wie zu bestätigen: Verwendung eines Oszilloskops zur Messung von Störspannungen auf Signalleitungen. Überprüfung der Schirmung und des Potentialausgleichs gemäß DIN EN 61000-5-2. Reproduktion des Fehlers durch gezieltes Einschalten potenzieller Störquellen.
• Schäden bei Nichtbehebung: Unzuverlässige Funktion des Sicherheitssystems, fehlerhafte Schaltvorgänge. Langfristig können Bauteile durch Überspannungen geschädigt werden.

7.5 Interner Defekt des Sicherheitsrelais oder der Sicherheits-SPS

• Warum es passiert: Alterung von Bauteilen (Kondensatoren, Halbleiter), Überspannungsschäden, thermische Belastung, interne Softwarefehler.
• Wie zu bestätigen: Auslesen von Diagnosepuffern der Sicherheits-SPS. Überprüfung der Versorgungsspannungen und Lastkreise am Relais. Quertausch des Sicherheitsrelais (falls ein gleiches, nachweislich funktionierendes Modul verfügbar ist) ist die effektivste Methode. Optische Prüfung auf Überhitzungsspuren an Leiterplatten mit Wärmebildkamera.
• Schäden bei Nichtbehebung: Unvorhersehbare Ausfälle des gesamten Sicherheitssystems, potenzielle Deaktivierung von Schutzfunktionen ohne Warnung, was ein hohes Sicherheitsrisiko darstellt.

8. Schritt-für-Schritt-Behebungsverfahren

8.1 Behebung Sensorfehlausrichtung / Verschmutzung

1. SICHERHEIT: Maschine stillsetzen, LOTO durchführen.
2. Reinigung: Sensorfläche und Reflektor (falls vorhanden) gründlich mit einem geeigneten, nicht-abrasiven Reinigungsmittel und einem fusselfreien Tuch reinigen. Bei hartnäckigen Verschmutzungen spezielle Reiniger für optische Oberflächen verwenden.
3. Ausrichtung:
   • Induktive/Kapazitive Sensoren: Betätiger langsam an den Sensor heranführen. Der Schaltpunkt muss reproduzierbar sein und innerhalb des Nennschaltabstands SN (z.B. ±10% der im Datenblatt angegebenen Toleranz) liegen. Ggf. Sensor neu positionieren und mit Drehmoment 2-5 Nm (je nach Sensorgröße) befestigen.
   • Optische Sensoren (Lichtschranken, Lichtgitter): Empfänger und Sender exakt zueinander ausrichten. Eine Ausrichthilfe (integrierte LEDs oder externes Laser-Ausrichtgerät) verwenden. Signalstärke am Empfänger prüfen (z.B. LED-Anzeige am Sensor, 80-100% Signalstärke sind optimal). Befestigung mit Drehmoment 5-10 Nm sichern.
4. Funktionstest: Nach der Behebung einen vollständigen Funktionstest des Sicherheitssystems gemäß Herstellervorgaben und DIN EN ISO 13849 durchführen.

8.2 Behebung von Verdrahtungsfehlern / Kabelbrüchen

1. SICHERHEIT: Maschine stillsetzen, LOTO durchführen.
2. Identifikation der Störstelle: Mit Multimeter und Isolationsmessgerät die exakte Position des Kabelbruchs, Kurzschlusses oder der fehlerhaften Isolation identifizieren (siehe Abschnitt 7.3).
3. Reparatur/Austausch:
   • Kabelbruch/Kurzschluss/schlechte Isolation: Das betroffene Kabelstück oder das gesamte Kabel ersetzen. Keine provisorischen Flickstellen in Sicherheitskreisen.
   • Lose Klemmen: Alle Klemmen im betroffenen Bereich mit dem vorgeschriebenen Drehmoment (meist 0,5 – 1,2 Nm) nachziehen. Bei Korrosion Klemme reinigen oder ersetzen.
   • Steckverbindungen: Stecker auf Beschädigungen prüfen. Kontakte reinigen oder Stecker ersetzen. Sicherstellen, dass Stecker vollständig eingerastet ist.
4. Verlegung optimieren: Kabelwege überprüfen und optimieren. Sicherstellen, dass keine scharfen Kanten oder Scheuerstellen vorhanden sind. Bei bewegten Anwendungen geeignete Schleppkettenkabel verwenden und auf ausreichenden Biegeradius (Herstellerangabe beachten, typ. 7,5 x Kabeldurchmesser) achten.
5. Funktionstest: Nach der Behebung einen vollständigen Funktionstest des Sicherheitssystems gemäß Herstellervorgaben durchführen.

8.3 Behebung von EMV-Problemen

1. SICHERHEIT: Maschine stillsetzen, LOTO durchführen.
2. Schirmung prüfen/nachrüsten: Sicherstellen, dass alle Signalleitungen der Sicherheitssensoren geschirmt sind und die Schirmung beidseitig (am Sensor und am Sicherheitsrelais/SPS) großflächig aufgelegt und geerdet ist.
3. Potentialausgleich: Prüfen Sie den korrekten Potentialausgleich aller Anlagenteile gemäß DIN EN 60204-1. Ungleichmäßige Potentiale können Ausgleichsströme verursachen, die Störungen hervorrufen.
4. Trennabstände: Signalleitungen räumlich von Leistungskabeln, insbesondere von Frequenzumrichtern und Motoren, trennen. Mindestabstand gemäß VDE 0100-520 beachten (typ. 10-30 cm, je nach Kabelart und Störintensität).
5. Filter einsetzen: Bei Bedarf Ferritkerne an kritische Signalleitungen anbringen, um hochfrequente Störungen zu dämpfen.
6. Funktionstest: Maschine wieder in Betrieb nehmen und Funktion unter Einbeziehung der zuvor identifizierten Störquellen prüfen.

9. Vorbeugende Maßnahmen

10. Ersatzteile & Komponenten

Für eine schnelle Behebung von Störungen ist die Verfügbarkeit von Ersatzteilen entscheidend. UNITEC-D bietet eine breite Palette an hochwertigen Komponenten für Sicherheitssysteme an. Achten Sie auf die korrekten Spezifikationen und Zertifizierungen (CE, TUV, ATEX) für Ihre Anwendung.

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11. Referenzen

• DIN EN ISO 13849: Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen.
• DIN EN 62061: Sicherheit von Maschinen – Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme.
• DIN EN 60204-1: Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen.
• VDE 0105-100: Betrieb von elektrischen Anlagen.
• DIN EN 60529: Schutzarten durch Gehäuse (IP-Code).
• DIN EN 61000-5-2: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Regeln für die Installation und Minderung von Störungen – Erdung und Verkabelung.
• VDI 2056: Kriterien für die Beurteilung des Schwingungszustandes von Maschinen.
• Herstellerhandbücher für spezifische Sicherheitsrelais und Sensoren (z.B. Pilz, Sick, Leuze, Siemens).
• UNITEC-D Wartungshandbücher für spezifische Maschinentypen.