Technische Information

Sicherheitsbezogene Positionsmesssysteme

mit rein serieller Schnittstelle EnDat 2.2 für sicherheitsgerichtete Anwendungen bis­Steuerungskategorie SIL-3 nach EN 61508, bzw. Performance Level „e“ nach EN ISO 13849
HEIDENHAIN bietet Messgeräte an, die in sicherheitsgerichteten Anwendungen eingesetzt werden können. Sie arbeiten als Ein-GeberSysteme mit rein serieller Datenübertragung über EnDat 2.2. Basis für die sichere Übertragung der Position sind zwei voneinander unabhängig gebildete, absolute Positionswerte sowie Fehlerbits, die der sicheren Steuerung bereitgestellt werden.
Neben Drehgebern mit verschiedenen Anbauoptionen sind auch absolute gekapselte Längenmessgeräte verfügbar. Absolute Winkelmessgeräte komplettieren das Produktprogramm für funktionale Sicherheit von HEIDENHAIN.
Im Maschinen- und Anlagenbau gewinnt
das Thema Sicherheit immer höhere Bedeutung. Dies spiegelt sich in der Gesetzgebung und in steigenden Sicherheitsstandards in nationalen und internationalen
Normen wieder. In erster Linie dienen diehohen Anforderungen dem Personenschutz, zunehmend aber auch dem Schutzvon Sachwerten und der Umwelt.
Ziel der funktionalen Sicherheit ist die Minimierung oder Beseitigung von Gefahren, diesowohl im ungestörten als auch im gestörten
Betrieb von Maschinen oder Anlagen entstehen können. Dies wird in erster Linie durch
redundante Systeme erreicht. So benötigen
bewegte Achsen in sicherheitsgerichteten
Anwendungen redundante Positionsinformationen, um entsprechende Sicherheitsfunktionen erfüllen zu können. Zur Gewinnung unabhängiger Positionswerte können
unterschiedliche Systemkonfigurationen realisiert werden. Eine Möglichkeit bietet derEinsatz von zwei Messgeräten pro Achse.
Aus Kostengründen wird jedoch in vielenFällen eine Lösung mit nur einem Positionsmessgerät angestrebt. Bis dato wurden
dazu analoge Messgeräte mit Sinus/Cosinus-Signalen verwendet. HEIDENHAIN
bietet mit den sicherheitsbezogenen Positionsmesssystemen eine rein serielle EinGeber-Lösung für sicherheitsgerichtete Anwendungen nach EN 61508 und EN 13849.
Somit können nun auch in Sicherheitsapplikationen alle Vorteile der seriellen Datenübertragung – wie beispielsweise Kosten­
optimierung, Diagnosemöglichkeiten,
auto­matische Inbetriebnahme oder schnelle
Positionswertbildung – genutzt werden.

11/2019

Die HEIDENHAIN-Messsysteme für sicherheitsgerichtete Anwendungen sind nachden Normen EN ISO 13849-1 (Nachfolgerder EN 954-1) sowie EN 61508 undEN 61800-5-2 geprüft. In diesen Normen
erfolgt die Beurteilung sicherheitsgerichteter Systeme unter anderem auf Basis von
Ausfallwahrscheinlichkeiten integrierter Bau­elemente bzw. Teilsysteme. Dieser modulare Ansatz erleichtert den Herstellern sicher-heitsgerichteter Anlagen die Realisierung
ihrer Komplettsysteme, da sie auf bereits
qualifizierte Teilsysteme aufbauen können.
Diesem Konzept wird beim sicherheitsbezogenen Positionsmesssystem mit rein
­serieller Datenübertragung über EnDat 2.2Rechnung getragen. In einem sicheren Antrieb bildet das sicherheitsbezogene Positionsmesssystem ein derartiges Teilsystem.

Sicherheitsbezogene Positionsmesssysteme

Das sicherheitsbezogene Positionsmesssystem besteht aus:
• Messgerät mit EnDat 2.2-Sendebaustein• Übertragungsstrecke mit EnDat 2.2-Kommunikation und HEIDENHAIN-Kabel• EnDat 2.2-Empfängerbaustein mit Überwachungsfunktion (EnDat-Master)
Das Gesamtsystem „Sicherer Antrieb“
besteht in der Praxis aus:
• Sicherheitsbezogenem Positionsmesssystem• Sicherheitsgerichtete Steuerung (inkl.
­EnDat-Master mit Überwachungsfunktionen)• Leistungsteil mit Motorleistungskabelund Antrieb• Mechanische Anbindung zwischen
Messgerät und Antrieb (z. B. Rotor-/­Statoranbindung)
Einsatzbereich
Sicherheitsbezogene Positionsmesssystemevon HEIDENHAIN sind so konzipiert, dasssie als Ein-Geber-Systeme in Anwendungen mit Steuerungskategorie SIL-2 (nachEN 61508), Performance Level „d“, Kategorie 3 (nach EN ISO 13849) eingesetzt werden können.
Bestimmte Messgeräte können durch zusätzliche Maßnahmen in der Steuerung bisSIL-3, PL „e“, Kategorie 4 eingesetzt werden. Die Eignung dieser Geräte ist in derDokumentation (Prospekte / Produktinformationen) entsprechend gekennzeichnet.
Dabei können die Funktionen des sicherheitsbezogenen Positionsmesssystems füreine Vielzahl von Sicherheitsfunktionen desGesamtsystems genutzt werden (sieheauch EN 61800-5-2).

des sicherheitsbezogenen Positionsmesssystems durch periodisch ausgelöste Tests.
Die Architektur des EnDat 2.2-Protokolls ermöglicht es, alle sicherheitsrelevanten Informationen bzw. Kontrollmechanismen imuneingeschränkten Regelbetrieb zu verarbeiten. Dies wird ermöglicht, weil die sicherheitsrelevanten Informationen in so­genannten Zusatzinformationen hinterlegt
sind. Die Architektur des Positionsmesssystems gilt laut EN 61508 als einkanaliges,getestetes System.

Funktion
Das Sicherheitskonzept des Positionsmesssystems basiert auf zwei im Geber erzeugten, voneinander unabhängigen Positionswerten und zusätzlichen Fehlerbits, dieüber das EnDat-2.2-Protokoll an den EnDatMaster übertragen werden. Der EnDatMaster übernimmt verschiedene Überwachungsfunktionen mit deren Hilfe Fehler im
Messgerät und der Übertragung aufgedeckt werden. Beispielsweise wird ein Vergleich der beiden Positionswerte durchgeführt. Anschließend stellt der EnDat-Masterdie Daten für die sichere Steuerung bereit.
Die Steuerung überwacht die Funktionalität

Sicherheitsbezogenes Positionsmesssystem

EnDat-Master

Antrieb

Sichere Steuerung

Messgerät

Leistungskabel

Leistungsteil

Gesamtsystem Sicherer Antrieb

MesswertermittlungÜbertragungsstreckeMesswertempfang

Neben den sicherheitsbezogenen Positionsmesssystemen mit EnDat 2.2 Schnittstelle bietet HEIDENHAIN auch sicherheitsgerichtete Messgeräte-Lösungen fürAnwendungen mit DRIVE-CLiQ1)-Schnittstelle an. Details hierzu sind der jeweiligen
Produktdokumentation zu entnehmen.
Für den Einsatz von Standardmessgeräten (z.B. mit 1 VSS-Ausgangssignalen) insicherheitsgerichteten Applikationen können bei HEIDENHAIN zusätzliche Daten
zu den einzelnen Produkten (Ausfallrate,Fehlermodell nach EN 61800-5-2, D16)
angefragt werden.
1)

 RIVE-CLiQ ist eine geschützte Marke derD
Siemens Aktiengesellschaft

Position 1

Position 2

EnDat Interface

Sichere Steuerung

EnDat 2.2
(Protokoll und Kabel)

Schnittstelle 1
EnDatMaster
Schnittstelle 2Maßnahmenkatalog

Zwei unabhängige­PositionswerteSerielle­Datenübertragung

Positionswerte und Fehlerbits(z.B über zwei Prozessorschnittstellen)

Interne ÜberwachungÜberwachungsfunktionen

Protokollbildung

Wirksamkeitstest

Sicherheitsbezogenes Positionsmesssystem

Einbindung des Positionsmesssystems –Dokumentation
Eine bestimmungsgemäße Verwendungdes Positionsmesssystems stellt sowohl
Forderungen an die Steuerung, den Maschinenkonstrukteur, sowie den Monteur,den Service etc. In der Dokumentation zu
den Positionsmesssystemen werden die
notwendigen Informationen gegeben.
Um ein Positionsmesssystem in einer sicherheitsgerichteten Applikation einsetzen
zu können, ist eine geeignete Steuerung zuverwenden. Der Steuerung kommt die
grundlegende Aufgabe zu, die Kommunikation mit dem Messgerät und die sichere
Auswertung der Messgerätedaten durchzuführen.

Die Anforderungen zur Einbindung des­EnDat-Masters mit Überwachungsfunktionen in die sichere Steuerung werden in dem
HEIDENHAIN-Dokument 533095 beschrieben. Hierin enthalten sind beispielsweise
Vorgaben zur Auswertung und Weiterverarbeitung der Positionswerte und Fehlerbits,
zum elektrischen Anschluss und zu zyklischen Tests der Positionsmesssysteme.
Ergänzend dazu werden im Dokument
1000344 Maßnahmen beschrieben, die einen Einsatz geeigneter Messgeräte in Anwendungen bis SIL 3, PL „e“, Kategorie 4ermöglichen.
Anlagen- und Maschinenhersteller müssen
sich um diese Details nicht selbst kümmern.
Diese Funktionalität muss von der Steuerung bereitgestellt werden. Für die Auswahleines geeigneten Messgeräts sind die Informationen aus den Produktinformationen
bzw. Prospekten und den Montageanlei-tungen relevant. In der Produktinformation
bzw. im Prospekt sind allgemeine Angaben
zur Funktion und zum Einsatz der Messgeräte sowie technische Daten und zulässige
Umgebungsbedingungen enthalten. Die
Montageanleitungen enthalten detaillierte
Angaben zur Montage der Geräte.
Aus der Architektur des Sicherheitssystems
und den Diagnosemöglichkeiten der Steuerung definieren bzw. detaillieren sich evtl.
noch weitere Anforderungen. So muss inder Betriebsanleitung der Steuerung explizit
darauf hingewiesen werden, ob ein Fehlerausschluss für das Lösen der mechanischen Verbindung zwischen Messgerät undAntrieb erforderlich ist. Daraus resultierende
Vorgaben sind vom Maschinenkonstrukteurz.B. an den Monteur und an den Service
weiterzugeben (siehe auch Hinweise unter„Sicherheitstechnische Kennwerte“).

Sicherheitstechnische Kennwerte
Für den Einsatz der Positionsmesssysteme
in sicherheitsgerichteten Anwendungenwerden zusätzliche Kennwerte relevant,welche nachfolgend erläutert werden. Diese Kennwerte sind bei der Auslegung desSicherheitssystems einer Maschine zu beachten.
Der PFH-Wert (Probability of dangerous­failure per hour) gibt die Wahrscheinlichkeit
eines gefahrbringenden Ausfalls pro Stunde
für das Messgerät wieder. Die Ausfallrate
des Messgerätes fließt in die Berechnung
des PFH-Werts für das Gesamtsystem ein.
Die Fehlerreaktionszeit in der Applikation
hängt in erster Linie von den Zykluszeiten
des Sicherheitsmoduls in der Steuerung
und den angeschlossenen Aktoren (Bremse,Schütze etc.) ab. Zudem können applikationsspezifische Einstellungen (z. B. EnDatTaktfrequenz) diesen Wert beeinflussen.
Aus diesem Grund ist die Fehlerreaktionszeit der Steuerungsdokumentation zu entnehmen.
Die Sichere Position beschreibt die maximal mögliche Positionsverfälschung, ab dereine sichere Fehleraufdeckung gewährleistet wird. Der Kennwert bezieht sich auf denPositionswert 1 im fehlerfreien Betrieb undwird in der Maßeinheit des Messgerätes

angegeben. Er beeinflusst maßgeblich den
Mindestabstand, der zum Schutz vonQuetschungen (z.B. Finger) gefordert ist.
Die Sichere Position untergliedert sich indie Werte für das Gerät und die mechanische Ankopplung.
Der Wert für das Gerät beschreibt den maximalen Positionsversatz inklusive Einfluss
des Positionswertvergleichs in der Steuerung (Algorithmus nach 536402). Er beinhaltet neben Quantisierungsfehlern auchevtl. auftretende Positionsabweichungen imMessgerät. Abhängig von der Steuerung
und der Applikation kann zusätzlich der Kennwert sicherheitsrelevanter Messschritt(SM) für die Parametrierung der Sicherheitsfunktion relevant sein. In diesen Fällen
befindet sich ein entsprechender Hinweis
in der Dokumentation der Steuerung.
Der Kennwert mechanische Ankopplung
liefert Aussagen für den Fehlerfall „Lösen
der mechanischen Verbindung“. In der Norm
für elektrische Antriebe EN 61800-5-2, Tabelle D16 ist das Lösen der mechanischen
Verbindung zwischen Messgerät und Antrieb als zu betrachtender Fehlerfall aufgeführt. Da die Steuerung derartige Fehler
nicht zwingend aufdecken kann, wird invielen Fällen hierfür ein Fehlerausschluss
benötigt. Wenn in der Betriebsanleitung

der Steuerung ein Fehlerausschluss gefordert wird, dann sind die Informationen für
die sichere mechanische Ankopplung zu
berücksichtigen, andernfalls können sie­ignoriert werden.
Bei einer reibschlüssigen Verbindung mit
Fehlerausschluss muss kein zusätzlicher
mechanischer Versatz für die sichere Position
berücksichtigt werden.
Wird der Fehlerausschluss nur über einenspielbehafteten mechanischen Anschlag erreicht, so ist dieser maximal mögliche Versatz in die sichere Position mit einzurechnen.
Dies erfolgt durch Addition der Werte für das
Gerät und die mechanische Ankopplung.
Wichtig! An einen Fehlerausschluss können Einschränkungen hinsichtlich der zulässigen technischen Daten gekoppelt sein.
Bei der Auswahl eines geeigneten Geräts
bzw. einer Montageart ist dies zu berücksichtigen. Zudem erfordern Fehlerausschlüsse für das Lösen der mechanischen
Ankopplung in der Regel zusätzliche Maßnahmen bei der Montage der Messgeräteoder im Servicefall (z.B. Losdrehsicherungfür Schrauben) welche in Standardanwendungen nicht notwendig sind. Der Konstrukteur einer Maschine hat diese zusätzlichen Maßnahmen zwingend einzuhalten.

Messgeräte für sicherheitsgerichtete AnwendungenDas umfassende Produktprogramm von
HEIDENHAIN bietet Lösungen für Anwendungen, in denen höchste Genauigkeit, zuverlässige Reproduzier- und Wiederholbarkeit, sichere Prozessbeherrschung, hoheMaschinendynamik, einfache Bedienung
und maximale Effizienz gefordert sind.
Diese Produkte kommen deshalb vor allemin folgenden Bereichen zum Einsatz:• Werkzeugmaschinen• Elektronikfertigung• Automatisierungsanlagen• Aufzugsanlagen• Medizintechnik

Drehgeber

Baureihe
ExI 1300

Baureihe
ExI 1100

Baureihe
ECN 1100/
EQN 1100

Baureihe
ExN 1100/
ExN 1300

Baureihe
ECN 400/
EQN 400
Baureihe ECI/EBI 4000

Winkelmessgeräte

Das HEIDENHAIN-Produktprogramm be­inhaltet auch zahlreiche Messgeräte für­sicherheitsgerichtete Anwendungen.
Drehgeber für elektrische Antriebe,­Maschinen und Anlagen
HEIDENHAIN bietet passende Drehgeber
für verschiedene Einsatzgebiete. Die Drehgeber für sicherheitsgerichtete Anwendungen sind in unterschiedlichen Ausführungenmit absoluter Positionserfassung verfügbar.
Winkelmessgeräte für Rundachsen
Winkelmessgeräte zeichnen sich durchhohe Genauigkeiten im WinkelsekundenBereich und darunter aus. Die Winkelmessgeräte für sicherheitsgerichtete Anwendungen sind mit oder ohne Eigenlagerung als
gekapselte Anbaumessgeräte oder als Einbaumessgeräte verfügbar.
Längenmessgeräte für Linearachsen
HEIDENHAIN bietet offene und gekapselte
Längenmessgeräte für sicherheitsgerichtete
Anwendungen. Diese Längemessgerätesind in unterschiedlichen Größen, Längen
und Genauigkeitsklassen erhältlich.

Baureihe
RCN 2000

Baureihe ECA 4000

Baureihe
RCN 5000
Baureihe RCN 8000

Baureihe RCN 6000

Längenmessgeräte
Baureihe LC 400

Baureihe LC 100

Baureihe LIC 4000

Weitere Informationen:          
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596632 · 05 · A · 01 · 11/2019 · PDF

Für die bestimmungsgemäße Verwendung eines Messgeräts sind die Angaben
in den folgenden Dokumenten einzuhalten:• Produktinformation / Prospekt + Montageanleitung der sicherheitsbezogenen­Positionsmesssysteme
Zur Implementierung in eine Steuerung:• Spezifikation für die sichere Steuerung 					  533095• Ergänzende Spezifikation für SIL 3, PL „e“, Kat. 4			
1000344• EnDat-Schnittstellenbeschreibung 						 297403• Elektrische Anschlussrichtlinie 						 231929• Vorgaben zum Positionswertvergleich 					  536402