Befehlsgeräte und Geräte zum Trennen und Schalten sind immer im Zusammenhang zu diskutieren technische Systeme, ein Begriff, der in diesem Artikel verwendet wird, um Maschinen, Anlagen und Geräte einzuschließen. Jedes technische System erfüllt eine spezifische und zugewiesene praktische Aufgabe. Damit diese praktische Aufgabe bewältigbar oder überhaupt unter sicheren Bedingungen möglich ist, sind entsprechende Sicherheits-Steuerungs- und Schaltgeräte erforderlich. Solche Vorrichtungen werden verwendet, um den Strom und/oder die Impulse von elektrischen, hydraulischen, pneumatischen und auch potentiellen Energien zu steuern, zu unterbrechen oder zu verzögern.

Isolation und Energiereduktion

Trenneinrichtungen dienen der Energietrennung durch Trennung der Versorgungsleitung zwischen der Energiequelle und der technischen Anlage. Die Trenneinrichtung muss normalerweise eine eindeutig bestimmbare tatsächliche Unterbrechung der Energieversorgung bewirken. Eine Abschaltung der Energieversorgung sollte auch immer mit dem Abbau gespeicherter Energie in allen Teilen des technischen Systems einhergehen. Wird die technische Anlage von mehreren Energiequellen gespeist, müssen alle diese Versorgungsleitungen zuverlässig trennbar sein. Personen, die im Umgang mit der jeweiligen Energieart geschult sind und auf der Energieseite der technischen Anlage tätig sind, schirmen sich mit Trenneinrichtungen von den Gefahren der Energie ab. Aus Sicherheitsgründen prüfen diese Personen immer, ob keine potentiell gefährliche Energie in der technischen Anlage verbleibt, z. B. durch Feststellung der Spannungsfreiheit bei elektrischer Energie. Der gefahrlose Umgang mit bestimmten Isoliermitteln ist nur für geschultes Fachpersonal möglich; in solchen Fällen muss die Trenneinrichtung für Unbefugte unzugänglich gemacht werden. (Siehe Abbildung 1.)

Abbildung 1. Prinzipien elektrischer und pneumatischer Trennvorrichtungen

Der Hauptschalter

Eine Hauptschalteinrichtung trennt die technische Anlage von der Energieversorgung. Anders als die Trenneinrichtung kann sie auch von „Nicht-Energiefachkräften“ gefahrlos bedient werden. Die Hauptschalteinrichtung dient dazu, gerade nicht genutzte technische Anlagen freizuschalten, wenn z. B. deren Betrieb durch unbefugte Dritte behindert wird. Es wird auch verwendet, um eine Abschaltung für Wartungszwecke, Störungsbeseitigung, Reinigung, Neueinstellung und Umrüstung vorzunehmen, sofern diese Arbeiten ohne Energie in der Anlage durchgeführt werden können. Wenn eine Hauptschalteinrichtung auch die Eigenschaften einer Trenneinrichtung besitzt, kann sie natürlich auch deren Funktion übernehmen und/oder teilen. (Siehe Abbildung 2.)

Abbildung 2. Beispielhafte Darstellung von elektrischen und pneumatischen Hauptschaltgeräten

Sicherheits-Trennvorrichtung

Eine Sicherheits-Trenneinrichtung trennt nicht die gesamte technische Anlage von der Energiequelle; vielmehr entzieht es den Teilen des Systems, die für ein bestimmtes betriebsbereites Subsystem kritisch sind, Energie. Bei betrieblichen Teilsystemen können Eingriffe von kurzer Dauer vorgesehen werden, z. B. zum Einrichten oder Umrüsten des Systems, zur Behebung von Störungen, zur regelmäßigen Reinigung sowie zu wesentlichen und vorgesehenen Bewegungs- und Funktionsabläufen, die während des Studiums erforderlich sind B. beim Einrichten, Um-/Umrüsten oder Testläufen. Komplexe Produktionsanlagen und Anlagen können in diesen Fällen nicht einfach mit einem Hauptschaltgerät abgeschaltet werden, da die gesamte technische Anlage nach der Behebung einer Störung nicht dort wieder anlaufen könnte, wo sie aufgehört hat. Außerdem befindet sich die Hauptschalteinrichtung bei den umfangreicheren technischen Anlagen selten an der Stelle, an der eingegriffen werden muss. Somit muss die Sicherheits-Trenneinrichtung eine Reihe von Anforderungen erfüllen, wie z. B. die folgenden:

• Es unterbricht den Energiefluss zuverlässig und so, dass gefährliche Bewegungen oder Prozesse nicht durch fehlerhaft eingegebene oder generierte Steuersignale ausgelöst werden.
• Es wird genau dort installiert, wo Unterbrechungen in Gefahrenbereichen von betrieblichen Teilsystemen des technischen Systems vorgenommen werden müssen. Bei Bedarf kann die Installation an mehreren Stellen erfolgen (z. B. auf verschiedenen Stockwerken, in verschiedenen Räumen oder an verschiedenen Zugängen an Maschinen oder Anlagen).
• Sein Steuergerät hat eine deutlich gekennzeichnete „Aus“-Stellung, die nur einmal registriert wird, nachdem der Energiefluss zuverlässig unterbrochen wurde.
• In der „Aus“-Stellung kann seine Steuereinrichtung gegen unbefugtes Wiedereinschalten gesichert werden, (a) wenn die betreffenden Gefahrenbereiche vom Steuerbereich aus nicht zuverlässig einsehbar sind und (b) wenn Personen, die sich im Gefahrenbereich aufhalten, diese nicht selbst einsehen können Steuerungsgerät leicht und ständig, oder (c) wenn eine Verriegelung/Kennzeichnung durch Vorschriften oder organisatorische Verfahren erforderlich ist.
• Es soll nur eine einzelne Funktionseinheit eines erweiterten technischen Systems abschalten, wenn andere Funktionseinheiten ohne Gefährdung der eingreifenden Person selbstständig weiterarbeiten können.

Sofern die in einer technischen Anlage eingesetzte Hauptschalteinrichtung alle Anforderungen an eine Sicherheits-Trenneinrichtung erfüllen kann, kann sie auch diese Funktion übernehmen. Aber das wird natürlich nur in sehr einfachen technischen Systemen ein zuverlässiger Ausweg sein. (Siehe Abbildung 3.)

Bild 3. Darstellung elementarer Prinzipien einer Sicherheits-Trenneinrichtung

Vorschaltgeräte für betriebliche Subsysteme

Vorschaltgeräte ermöglichen es, Bewegungen und Funktionsabläufe, die für funktionsfähige Teilsysteme des technischen Systems erforderlich sind, sicher auszuführen und zu steuern. Vorschaltgeräte für betriebsbereite Teilsysteme können für die Einrichtung (wenn Testläufe durchgeführt werden sollen) erforderlich sein; zur Regulierung (wenn Störungen im Betrieb der Anlage behoben oder Blockaden beseitigt werden müssen); oder Schulungszwecke (Demonstration von Operationen). In solchen Fällen kann der normale Betrieb des Systems nicht einfach wieder aufgenommen werden, da die eingreifende Person durch Bewegungen und Prozesse gefährdet würde, die durch fehlerhaft eingegebene oder fehlerhaft erzeugte Steuersignale ausgelöst werden. Ein Betriebsgerät für betriebsbereite Teilsysteme muss folgende Anforderungen erfüllen:

• Sie soll die sichere Ausführung von Bewegungen und Prozessen ermöglichen, die für funktionsfähige Teilsysteme des technischen Systems erforderlich sind. Beispielsweise werden bestimmte Bewegungen mit reduzierter Geschwindigkeit, schrittweise oder mit geringerer Leistung (je nach Zweckmäßigkeit) ausgeführt und Vorgänge in der Regel sofort unterbrochen, wenn das Bedienfeld nicht mehr bedient wird.
• Seine Bedienpulte sind in Bereichen anzuordnen, in denen ihre Bedienung den Bediener nicht gefährdet und von denen aus die gesteuerten Prozesse vollständig einsehbar sind.
• Befinden sich an einem Ort mehrere Bedienpulte, die unterschiedliche Prozesse steuern, so müssen diese deutlich gekennzeichnet und eindeutig und verständlich angeordnet sein.
• Die Vorschaltgeräte für betriebsbereite Teilsysteme sollten erst dann wirksam werden, wenn der Normalbetrieb zuverlässig abgeschaltet wurde; dh es muss gewährleistet sein, dass kein Steuerbefehl effektiv aus dem Normalbetrieb kommen und das Betriebsgerät übersteuern kann.
• Die unbefugte Verwendung des Betriebsgeräts für betriebsbereite Teilsysteme sollte verhindert werden können, indem beispielsweise die Verwendung eines speziellen Schlüssels oder Codes zum Freigeben der betreffenden Funktion verlangt wird. (Siehe Abbildung 4.)

Abbildung 4. Betätigungseinrichtungen in den Vorschaltgeräten für bewegliche und stationäre Betriebssubsysteme

Der Notschalter

Notschalter sind dort erforderlich, wo durch den normalen Betrieb technischer Anlagen Gefahren entstehen können, die weder durch geeignete Anlagengestaltung noch durch entsprechende Sicherheitsvorkehrungen verhindert werden können. In betriebsbereiten Teilsystemen ist der Notschalter häufig Teil des Betriebsgeräts des betriebsfähigen Teilsystems. Der Notschalter setzt bei Betätigung im Gefahrenfall Vorgänge um, die das technische System schnellstmöglich in einen sicheren Betriebszustand zurückführen. Bei den Sicherheitsprioritäten steht der Personenschutz im Vordergrund; Die Vermeidung von Sachschäden ist zweitrangig, es sei denn, dass diese auch Personen gefährden könnten. Der Notschalter muss folgende Anforderungen erfüllen:

• Sie muss schnellstmöglich einen sicheren Betriebszustand der technischen Anlage herbeiführen.
• Sein Bedienfeld muss leicht erkennbar und so angeordnet und gestaltet sein, dass es von den gefährdeten Personen problemlos bedient und auch von anderen Einsatzkräften erreicht werden kann.
• Die von ihm ausgelösten Notfallprozesse dürfen keine neuen Gefährdungen hervorrufen; sie dürfen beispielsweise keine Spannvorrichtungen lösen oder Magnethalterungen lösen oder Sicherheitseinrichtungen blockieren.
• Nach Auslösung eines Notschaltvorganges darf die technische Anlage nicht automatisch durch das Zurücksetzen des Notschalt-Bedienfeldes wieder gestartet werden können. Vielmehr muss die bewusste Eingabe eines neuen Funktionssteuerbefehls verlangt werden. (Siehe Abbildung 5.)

Abbildung 5. Veranschaulichung der Prinzipien von Bedienfeldern in Notschaltern

Funktionsschalter-Steuergerät

Funktionsschalter-Steuergeräte dienen dazu, die technische Anlage für den Normalbetrieb einzuschalten und die für den Normalbetrieb vorgesehenen Bewegungen und Vorgänge einzuleiten, auszuführen und zu unterbrechen. Das Funktionsschalter-Steuergerät wird ausschließlich im Rahmen des normalen Betriebs des technischen Systems, also während der ungestörten Ausführung aller zugeordneten Funktionen, verwendet. Sie wird von den Personen, die das technische System betreiben, entsprechend genutzt. Die Funktionsschalter-Steuergeräte müssen folgende Anforderungen erfüllen:

• Ihre Bedienfelder müssen leicht zugänglich und gefahrlos zu bedienen sein.
• Ihre Bedienfelder müssen übersichtlich und rationell angeordnet sein; Beispielsweise sollten Bedienknebel hinsichtlich kontrollierter Bewegungen nach oben und unten, rechts und links „rational“ funktionieren. („Rationale“ Steuerbewegungen und entsprechende Effekte können lokalen Schwankungen unterliegen und werden manchmal durch Bestimmungen definiert.)
• Ihre Bedienfelder sind deutlich und verständlich mit leicht verständlichen Symbolen zu kennzeichnen.
• Vorgänge, die zu ihrem sicheren Ablauf die volle Aufmerksamkeit des Benutzers erfordern, dürfen weder durch irrtümlich erzeugte Steuersignale noch durch unbeabsichtigte Betätigung der sie steuernden Steuereinrichtungen ausgelöst werden können. Die Signalverarbeitung der Zentrale muss entsprechend zuverlässig sein, und eine unbeabsichtigte Betätigung muss durch entsprechende Gestaltung des Steuergeräts verhindert werden. (Siehe Abbildung 6).

Abbildung 6. Schematische Darstellung eines Operations Control Panels

Überwachungsschalter

Überwachungsschalter verhindern das Anlaufen des technischen Systems, solange die überwachten Sicherheitsbedingungen nicht erfüllt sind, und sie unterbrechen den Betrieb, sobald eine Sicherheitsbedingung nicht mehr erfüllt ist. Sie werden beispielsweise eingesetzt, um Türen in Schutzräumen zu überwachen, die korrekte Position von Schutzeinrichtungen zu kontrollieren oder sicherzustellen, dass Geschwindigkeits- oder Wegbegrenzungen nicht überschritten werden. Entsprechend müssen Überwachungsschalter folgende Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen:

• Die zur Überwachung eingesetzten Schaltgeräte müssen das Schutzsignal besonders zuverlässig abgeben; so könnte beispielsweise ein mechanischer Überwachungsschalter so ausgelegt sein, dass er den Signalfluss automatisch und besonders zuverlässig unterbricht.
• Das zur Überwachung eingesetzte Schaltwerkzeug soll besonders zuverlässig betrieben werden, wenn die Sicherheitsbedingung nicht erfüllt ist (z. B. wenn der Stößel eines Überwachungsschalters mit automatischer Unterbrechung mechanisch und selbsttätig in die Unterbrechungsstellung gedrängt wird).
• Der Überwachungsschalter darf nicht unsachgemäß abgeschaltet werden können, zumindest nicht unbeabsichtigt und nicht ohne Aufwand; diese Bedingung kann beispielsweise durch einen mechanisch automatisch gesteuerten Schalter mit automatischer Unterbrechung erfüllt werden, wenn der Schalter und das Betätigungselement fest montiert sind. (Siehe Abbildung 7).

Abbildung 7. Diagramm eines Schalters mit positiver mechanischer Betätigung und positiver Trennung

Sicherheitssteuerkreise

Einige der oben beschriebenen Sicherheitsschaltgeräte führen die Sicherheitsfunktion nicht direkt aus, sondern durch Abgabe eines Signals, das dann von einem Sicherheitssteuerkreis übertragen und verarbeitet wird und schließlich die Teile der technischen Anlage erreicht, die die eigentliche Sicherheitsfunktion ausüben. Beispielsweise bewirkt die Sicherheits-Trenneinrichtung häufig indirekt die Trennung der Energie an neuralgischen Punkten, während ein Hauptschalter meist direkt die Stromzufuhr zum technischen System unterbricht.

Da Sicherheitssteuerkreise Sicherheitssignale zuverlässig übertragen müssen, sind daher folgende Grundsätze zu beachten:

• Die Sicherheit soll auch bei fehlender oder unzureichender Fremdenergie gewährleistet sein, beispielsweise bei Unterbrechungen oder Undichtigkeiten.
• Schutzsignale funktionieren zuverlässiger durch Unterbrechung des Signalflusses; B. Sicherheitsschalter mit Öffnerkontakt oder einem geöffneten Relaiskontakt.
• Die Schutzfunktion von Verstärkern, Transformatoren und dergleichen kann ohne Fremdenergie zuverlässiger erreicht werden; solche Mechanismen sind beispielsweise elektromagnetische Schalteinrichtungen oder im Ruhezustand geschlossene Lüftungsöffnungen.
• Fehlerhafte Anschlüsse und Undichtigkeiten im Sicherheits-Steuerkreis dürfen nicht zu Fehlstarts oder Behinderungen des Stillsetzens führen; insbesondere bei Kurzschlüssen zwischen Ein- und Ausgängen, Erdschluss oder Erdung.
• Äußere Einflüsse, die das System in einem Maß beeinflussen, das die Erwartungen des Benutzers nicht übersteigt, sollten die Sicherheitsfunktion des Sicherheitssteuerkreises nicht beeinträchtigen.

Die in Sicherheitsschaltkreisen verwendeten Komponenten müssen die Sicherheitsfunktion besonders zuverlässig ausführen. Die Funktionen von Komponenten, die diese Anforderung nicht erfüllen, sind durch eine möglichst diversifizierte Redundanz zu realisieren und zu überwachen.

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