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Frequenzumrichter bieten Sicherheit für Anlagen in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie

Drehzahlgeregelte Antriebe haben erfolgreich viele herkömmlichen Techniken der Maschinenregelung ersetzt, die in der Industrie weit verbreitet waren. Neben einer präzisen Prozessregelung und einer erheblich verbesserten Energieeffizienz helfen Frequenzumrichter Maschinenbauern dabei, die geforderten Sicherheitsnormen zu erfüllen und die Systemkomplexität zu vereinfachen.

Die Nahrungs- und Genussmittelindustrie setzt in ihren Prozessen unterschiedlichste Maschinen ein: zur Verarbeitung der Rohmaterialien, dem Pumpen und Transportieren der Inhaltsstoffe, dem Mischen und Kochen sowie zur Verpackung und Lagerung. Obwohl diese Anwendungen sehr unterschiedlich sind, haben sie alle etwas gemeinsam – die Niederspannungsmotoren in Wechselstrom- und Gleichstromausführung sowie modernste Permanentmagnet- und Synchronreluktanzmotoren.

Pumpen, Lüfter und sogar Dekanter können sehr erfolgreich geregelt werden, indem ihre Niederspannungsmotoren mit voller Drehzahl laufen und die Leistung durch relativ plumpe mechanische Einrichtungen wie Getriebe oder Drosseln geregelt wird. In den letzten 30 Jahren hat sich aber mit den drehzahlgeregelten Antrieben ein eleganterer und energieeffizienterer Ansatz etabliert.

Maschinensicherheit ist in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie sowie bei der Zuckerverarbeitung, wo große Maschinen zum Einsatz kommen, von entscheidender Bedeutung.

Frequenzumrichter zur Unterstützung der Maschinensicherheit

Ein drehzahlgeregelter Antrieb stellt sicher, dass ein Prozess mit optimaler Geschwindigkeit und der erforderlichen Präzision läuft. Die Vorteile der Frequenzumrichter liegen in einer deutlichen Verbesserung der Anlagenproduktivität und des Wirkungsgrads, in der Energieeinsparung und dem geringeren Verschleiß der beweglichen Teile. Wegen ihrer präzisen Regelung können Antriebe auch beim sicheren Stopp einer Maschine eine wichtige Rolle spielen.

Funktionale Sicherheit ist Teil des gesamten Sicherheitskonzepts, bei dem es um den ordnungsgemäßen Betrieb eines Systems oder Ausrüstung und die korrekte Reaktion auf die Eingaben ankommt. Bei Maschinen bedeutet funktionale Sicherheit normalerweise, dass Systeme den Betrieb sicher überwachen und, wenn nötig, die Kontrolle übernehmen, um die Anlage wieder in einen sicheren Betriebszustand zu überführen oder sicherzustellen, dass die gewünschte Maßnahme, wie z. B. ein sicherer Stopp, durchgeführt wird.

Unsere Niederspannungsfrequenzumrichter unterstützen den Maschinenbetrieb und die Prozesssicherheit. Antriebe verfügen über eine große Anzahl an Sicherheitsfunktionen, die entweder standardmäßig vorhanden oder in das optionale Sicherheitsfunktionsmodul integriert sind. Die Option der zertifizierten Sicherheitsfunktionen in einem Frequenzumrichter reduziert die Notwendigkeit externer Sicherheitseinrichtungen wie Schütze und Sicherheitsrelais sowie die dazugehörende Verdrahtung.

Die gängisten Sicherheitsfunktionen in einem Frequenzumrichter

Die wichtigste Sicherheitsfunktion ist wohl das sicher abgeschaltete Drehmoment (STO), die eine Maschine sicher in einen drehmomentfreien Zustand überführt bzw. einen plötzlichen Anlauf verhindert. Diese Funktion ermöglicht die sichere Reinigung und mechanische Wartung von Nahrungsmittelmaschinen. Alternativ ermöglicht sie einem Bediener die Neuausrichtung eines Produkts, während sich der Antrieb im Standby-Modus befindet – bereit, den Betrieb bei einer nur minimalen Produktionsunterbrechung fortzusetzen. Die antriebsinternen Diagnosefunktionen bleiben auch während der Abschaltung aktiv, sodass derartige Ereignisse auch nachträglich analysiert werden können. Diese Möglichkeit kann bei der Prozessoptimierung von enormem Nutzen sein.

Eine ähnliche Funktion ist der sichere Stopp 1 (SS1), der die Anlage auf sichere Weise stoppt, wenn bestimmte Bedingungen auftreten. Wenn sie aktiviert ist, verzögert der Motor und löst zeitverzögert die STO-Funktion aus.

Der sichere Betriebsstopp (Safe Operating Stop – SOS) hält den Motor in einem sicheren Stillstand bei Aufrechterhaltung des Drehmoments und ist mit dem sicheren Stopp 2 (SS2) verbunden, der den Motor sicher stoppt und die SOS-Funktion nach Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl oder nach einer festgelegten Zeit aktiviert.

Es können noch weitere Sicherheitsfunktionen in die Antriebe integriert werden. Beispiele hierfür sind: Sicher begrenzte Drehzahl (SLS), die verhindert, dass der Motor den vorgegebenen Drehzahlgrenzwert überschreitet; sichere Drehrichtung (SDI), die das Drehen der Motorwelle in der falschen Richtung verhindert; sichere Bremsenansteuerung (SBC), die ein sicheres Ausgangssignal zur Betätigung der mechanischen Bremse des Motors ausgibt und die Durchführung überwacht; sichere Drehzahlüberwachung (SSM), die ein sicheres Ausgangssignal liefert, das anzeigt, dass sich die Drehzahl unter dem vorgegebenen Drehzahlgrenzwert befindet.


Typische Nahrungs- und Genussmittelanwendungen für sicherheitsgerichtete Antriebe

Neben der Standardfunktion STO können die neuen ACS880-Frequenzumrichter von ABB mit den gängig-sten zertifizierten Sicherheitsfunktionen ausgestattet werden, die in das optionale Sicherheitsfunktionsmodul integriert sind. Typische Funktionen für diese Typen sicherheitsgerichteter Antriebe sind SS1, SBC und SLS. SS1 ist bei Anwendungen wie großen Zuckerzentrifugen besonders wichtig. Wenn sich ein Bediener in der Mechanik verfängt, könnte, wenn es nur die STO-Funktion gibt, die Zentrifuge aufgrund ihres hohen Trägheitsmoments bis zu einer Stunde weiterdrehen. SS1 bringt die Zentrifuge kontrolliert zum Stillstand. Hierfür wird üblicherweise die aktive Bremsung über einem rückspeisefähigen Frequenzumrichter verwendet. Dann wird STO eingeleitet, um das Drehmoment abzuschalten und die Zentrifuge in einen sicheren Zustand zu überführen.

Die sichere Bremsenansteuerung (SBC) käme bei einem Palettierer oder Vertikalförderer zum Einsatz. Die mechanische Bremse kann in Fällen, in denen der Motor kein ausreichendes Drehmoment zum Heben der Last erzeugt oder sich die Last bewegt oder unkontrolliert beschleunigt, zum sicheren Stoppen der Bewegung verwendet werden. Die Bremse wird entweder mit einer Stoppfunktion oder, wenn der Motor nicht wie beabsichtigt läuft, durch die Sicherheitsüberwachung aktiviert. SLS stellt sicher, dass die Maschine den vorgegebenen Drehzahlgrenzwert nicht überschreitet, sodass z. B. eine Ölzentrifuge nicht durch zu hohe Rotationskräfte beschädigt wird.

Das optionale Sicherheitsfunktionsmodul kann in den ACS880-Frequenzumrichter eingebaut werden, um zusätzliche Sicherheitsfunktionen bereitzustellen.

Wie Ihre Anwendung von den Sicherheitsfunktionen profitiert

Bei einer Vielzahl von Anwendungen in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie werden in einer Dekanterzentrifuge unter sehr hohen Zentrifugalkräften Feststoffe von Flüssigkeiten getrennt. Die hohe Zentrifugalkraft ist der Schlüssel bei der Abscheidung. Auf diese Weise kann der Durchsatz erhöht und so Zeit und Geld gespart werden, es treten aber auch Sicherheitsfragen auf, die gelöst werden müssen.

Störungen oder mechanische Probleme können ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen. So kann eine kleine Vibration, die durch den Betrieb des Dekanters über dem Drehzahlsollwert verursacht wird, schnell größere Sicherheitsprobleme verursachen, und zwar nicht nur an der Maschine, sondern auch für die Mitarbeiter und die Produktion. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern können die Dekanterhersteller die geforderten Sicherheitsnormen durch die entsprechenden integrierten Sicherheitsfunktionen erfüllen und so die Anzahl der Bauteile und die Komplexität der Anlage reduzieren.

Die Zuverlässigkeit moderner Antriebe hat dazu geführt, dass sie zu einem festen Bestandteil von Sicherheitssystemen geworden sind. Mit ihrer Sicherheitsfunktionalität bilden sie ein zunehmend wichtiger werdendes Element in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie, indem sie die Sicherheit erhöhen und gleichzeitig die Produktivität und somit die Rentabilität steigern.

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