Schutztüren, Lichtgitter, Laserscanner

Maschinen erzeugen Bewegungen, und Bewegungen erzeugen Gefahrstellen. An einer Quetschstelle wird der Körper zwischen zwei sich annähernden Teilen eingeklemmt, an einer Scherstelle bewegen sich zwei Kanten gegeneinander wie bei einer Schere, an einer Einzugstelle wird Material – oder ein Ärmel, ein Finger – von rotierenden Teilen eingezogen. Dazu kommen Stoß-, Stich- und Schneidstellen.

Wenn sich eine solche Gefahrstelle konstruktiv nicht beseitigen lässt, muss sie gesichert werden. Dafür gibt es zwei grundsätzliche Wege.

Trennende Schutzeinrichtungen stellen eine körperliche Barriere zwischen Mensch und Gefahr: ein Gitter, eine Verkleidung, eine Schutztür. Der Zugang ist physisch versperrt.

Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen – kurz BWS – arbeiten ohne mechanische Barriere. Sie überwachen einen Bereich optisch und lösen ein Stoppsignal aus, sobald jemand das überwachte Feld durchbricht. Lichtgitter und Laserscanner gehören hierher.

Welche Variante passt, ergibt sich nicht aus dem Bauchgefühl, sondern aus der vorgeschalteten Risikobeurteilung und dem geforderten Performance Level. Beides ist in eigenen Beiträgen ausführlich behandelt. Hier reicht der Merksatz: Je höher das Risiko und je häufiger der nötige Zugriff, desto höhere Anforderungen an die Schutzeinrichtung und ihre sichere Anbindung.

Trennende Schutzeinrichtungen teilt man danach ein, ob sie sich im Betrieb öffnen lassen. Eine feststehende trennende Schutzeinrichtung – etwa eine fest verschraubte Verkleidung – wird nur mit Werkzeug entfernt und braucht keine eigene Überwachung. Eine bewegliche trennende Schutzeinrichtung dagegen, die typische Schutztür oder Klappe, lässt sich ohne Werkzeug öffnen. Genau deshalb muss sie überwacht werden: Die Maschine darf nicht weiterlaufen, wenn die Tür offen ist.

Dafür sorgt die Verriegelung. Ein Positionsschalter erfasst die Stellung der Tür und meldet sie an die Sicherheitssteuerung. Wird die Tür geöffnet, geht das Signal weg und die gefährliche Bewegung wird gestoppt. Man unterscheidet zwei Stufen.

Bei der Verriegelung ohne Zuhaltung wird beim Öffnen der Tür sofort der Stopp ausgelöst, die Tür selbst bleibt aber frei beweglich. Das genügt, wenn die gefährliche Bewegung schnell genug zum Stillstand kommt, sodass beim Hineingreifen keine Gefahr mehr besteht.

Bei der Verriegelung mit Zuhaltung wird die Tür zusätzlich verriegelt gehalten und gibt erst frei, wenn die Maschine wirklich stillsteht. Die Zuhaltung ist also dann nötig, wenn ein gefährlicher Nachlauf besteht – etwa eine Schwungmasse, die nach dem Abschalten noch eine Weile dreht. Würde die Tür hier sofort freigeben, könnte man in die noch laufende Bewegung greifen.

Beim Halten der Zuhaltung gibt es zwei Prinzipien, die man nicht verwechseln darf. Beim Ruhestromprinzip (Federkraft verriegelt, Strom entriegelt) bleibt die Tür auch bei Stromausfall zugehalten – die sichere Variante für gefährlichen Nachlauf. Beim Arbeitsstromprinzip (Strom verriegelt) würde ein Stromausfall die Tür freigeben, was bei Nachlaufgefahr unzulässig ist.

Ein praktisches Dauerthema ist der Manipulationsschutz. Einfache Schalter lassen sich mit einem Ersatzbetätiger oder einem Stück Draht überlisten – und genau das passiert in der Praxis, wenn die Tür beim Einrichten als lästig empfunden wird. Deshalb verwendet man kodierte Betätiger (mechanisch, magnetisch oder per Transponder eindeutig zugeordnet), die sich nicht ohne Weiteres nachbilden lassen.

Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen überwachen einen Bereich mit Licht, statt ihn körperlich zu versperren. Das hat einen großen praktischen Vorteil: Es gibt keine Tür zu öffnen, der Zugang bleibt frei, und trotzdem wird jeder Eingriff erkannt. Gerade dort, wo häufig Material oder Personen die Grenze passieren, ist das oft die einzige sinnvolle Lösung.

Lichtgitter und Lichtvorhang

Ein Lichtgitter besteht aus einer Senderleiste und einer gegenüberliegenden Empfängerleiste. Der Sender schickt mehrere parallele Infrarotstrahlen aus, der Empfänger überwacht, ob alle ankommen. Wird auch nur ein Strahl unterbrochen – durch eine Hand, einen Arm, einen Körper –, erkennt der Empfänger das und löst das Stoppsignal aus. Spricht man von einem Lichtvorhang, ist dasselbe Prinzip mit besonders eng stehenden Strahlen gemeint.

Entscheidend ist die Auflösung. Sie gibt an, welches kleinste Objekt sicher erkannt wird, und ergibt sich aus dem Abstand der Strahlen. Eine Auflösung von 14 mm erkennt einen Finger, 30 mm eine Hand, gröbere Auflösungen nur noch den ganzen Körper oder ein Bein. Daraus folgt der Einsatzzweck:

• Fingerschutz / Handschutz (feine Auflösung): direkt an der Gefahrstelle als Eingriffsschutz, wenn man dicht heranmuss.
• Körperschutz (grobe Auflösung): als Zugangsschutz an der Grenze einer Zelle, um das Betreten zu erkennen.

Die Schutzfeldhöhe muss so gewählt sein, dass man nicht unbemerkt unten durch oder oben drüber gelangt.

Laserscanner

Ein Laserscanner arbeitet anders. Er sendet einen Laserpuls aus, der von einem rotierenden Spiegel fächerförmig über die Fläche geführt wird, und misst für jeden Winkel die Lichtlaufzeit bis zum reflektierten Echo. Aus Winkel und Laufzeit ergibt sich, in welcher Entfernung sich in jeder Richtung ein Objekt befindet. So tastet der Scanner eine ganze Fläche ab – meist horizontal knapp über dem Boden oder vertikal als Wand.

Der große Vorteil: Die überwachten Bereiche sind frei definierbar. Man legt ein Schutzfeld fest, dessen Verletzung sofort den Stopp auslöst, und davor ein Warnfeld, das nur eine Vorwarnung gibt – etwa damit ein automatisches Fahrzeug rechtzeitig abbremst, bevor es ganz anhalten muss. So lässt sich auch eine unregelmäßig geformte Fläche flächig absichern, ohne mechanische Barriere.

Muting und Blanking

Zwei Funktionen sind in der automatisierten Fertigung so wichtig, dass man sie sauber auseinanderhalten muss – sie werden in der Praxis oft verwechselt.

Muting ist das gezielte, vorübergehende automatische Überbrücken der Schutzfunktion. Klassischer Fall: An einer Förderanlage muss Material durch das Lichtgitter laufen, ohne die Maschine zu stoppen. Damit das nicht jedes Palettenende als „Mensch“ wertet, erkennen zusätzliche Mutingsensoren das Material anhand einer eindeutigen Signalfolge und schalten das Schutzfeld nur für die Dauer des Materialdurchlaufs inaktiv. Geht ein Mensch durch, fehlt die korrekte Sensorfolge – und der Schutz greift weiter. Muting ist also zeitlich und an eine plausible Bedingung gebunden.

Blanking dagegen ist das dauerhafte oder bereichsweise Ausblenden bestimmter Strahlen. Ragt eine feste Maschinenkomponente, eine Zuführung oder ein Werkstückträger ständig ins Schutzfeld, würde das Lichtgitter sonst dauernd auslösen. Beim festen Blanking wird ein klar abgegrenzter Bereich fest ausgeblendet; das ausgeblendete Objekt muss dort tatsächlich vorhanden sein, sonst meldet das Gerät einen Fehler. Beim schwimmenden Blanking darf ein Objekt definierter Größe innerhalb des Schutzfeldes wandern, ohne den Stopp auszuschalten – etwa wenn sich durchhängendes Material leicht bewegt.

Der Kernunterschied: Muting überbrückt zeitlich begrenzt den ganzen Schutz für einen plausiblen Materialfluss, Blanking blendet räumlich begrenzte, ständig vorhandene Bereiche aus. Beide Funktionen reduzieren die Schutzwirkung gezielt und müssen deshalb sorgfältig projektiert werden – ein zu großzügiges Blanking oder ein manipulierbares Muting macht die Schutzeinrichtung wirkungslos.

Eine BWS stoppt die Maschine nicht in dem Moment, in dem die Hand schon an der Gefahrstelle ist – das wäre zu spät. Sie muss früher auslösen. Zwischen dem Durchbrechen des Schutzfeldes und dem tatsächlichen Stillstand vergeht Zeit: die Reaktionszeit der BWS und der Steuerung plus die Nachlaufzeit der Maschine. In dieser Gesamtzeit bewegt sich der Mensch weiter auf die Gefahr zu. Der Sicherheitsabstand muss so groß sein, dass die Bewegung steht, bevor er sie erreicht.

Die Berechnung regelt die ÖNORM EN ISO 13855. Der Grundgedanke ist immer gleich:

Der Term K * T ist der Weg, den der Mensch während der Gesamtzeit zurücklegt. Der Zuschlag C berücksichtigt, dass man je nach Anordnung schon ein Stück durch das Feld hindurchgreifen kann, bevor es überhaupt auslöst.

Die beiden Größen K und C hängen von der Art der BWS und der Zugriffsrichtung ab:

Senkrechter Zugriff (Lichtgitter als Eingriffsschutz, Strahlen vertikal): Hier nähert man sich mit der Hand. Man rechnet mit einer höheren Annäherungsgeschwindigkeit. Der Zuschlag hängt von der Auflösung d ab, weil ein gröberes Gitter erst später anspricht:

Die beiden Konstanten sind nicht willkürlich. Die 14 steht für die Größenordnung eines menschlichen Fingers in Millimetern: Ist die Auflösung d höchstens 14 mm, kann ein Finger nicht unbemerkt zwischen die Strahlen greifen, und der Zuschlag wird null. Die 8 ist ein empirischer Faktor, der abbildet, wie weit eine Hand bei gröberer Auflösung schon eindringen kann, bevor sie sicher erfasst wird – je größer d, desto tiefer der mögliche Vorgriff und desto größer der nötige Zuschlag. Bei einer Auflösung von 14 mm wird C damit zu null; je gröber das Gitter, desto größer der Abstand.

Waagrechter Zugriff (Laserscanner am Boden, horizontal): Hier geht man auf die Fläche zu. Man rechnet mit einer geringeren Annäherungsgeschwindigkeit, dafür kommt ein zusätzlicher, fester Zuschlag hinzu, der den Erfassungsbereich und die Bodennähe berücksichtigt. Dieser Zuschlag ist bei horizontaler Anordnung deutlich größer als beim senkrechten Eingriff.

Der folgende Rechner bildet den Grundzusammenhang S = K · T + C ab. Den Zuschlag C ermittelst du je nach Anordnung vorab – beim Lichtgitter aus der Formel C = 8 · (d − 14), beim waagrechten Scanner als festen Wert – und trägst ihn als Eingabe ein.

Welche Schutzeinrichtung passt, entscheidet vor allem die Frage, wie oft und wie tief jemand in den Bereich muss. Ist der Zugang selten – etwa nur zur Wartung –, ist eine verriegelte Schutztür meist die einfachste und robusteste Lösung. Muss dagegen ständig Material zugeführt oder von Hand eingelegt werden, wäre eine Tür, die hundertmal pro Schicht auf- und zugeht, unpraktisch und würde zur Manipulation einladen. Dann ist ein Lichtgitter oder Scanner die bessere Wahl, weil der Zugang frei bleibt.

Eine zentrale Frage bei jeder BWS ist, ob jemand das Schutzfeld hintertreten kann. Bleibt zwischen Feld und Gefahrstelle so viel Platz, dass eine Person dahinter stehen kann, reicht das bloße Erkennen des Durchschreitens nicht. Dann braucht es einen zusätzlichen Hintertretschutz und eine Wiederanlaufsperre: Die Maschine darf nach dem Stopp nicht von selbst wieder anlaufen, sondern erst nach bewusstem Quittieren – und zwar von einer Stelle aus, von der man den ganzen Gefahrenbereich überblickt.

Das Signal der Schutzeinrichtung muss sicher verarbeitet werden. Dazu wird sie an ein Sicherheitsschaltgerät oder eine Sicherheits-SPS angebunden, die das Abschalten zweikanalig und überwacht ausführt. Wie diese Geräte intern aufgebaut sind und welchen Performance Level sie erreichen, ist Thema eigener Beiträge – hier zählt der Grundsatz: Die Schutzeinrichtung allein genügt nicht, erst die sichere Anbindung macht die Schutzfunktion vollständig.

Im laufenden Betrieb are regelmäßige Prüfungen Pflicht. Bei Lichtgittern und Scannern gehört dazu der Funktionstest mit einem Prüfstab in der jeweiligen Auflösungsgröße: Führt man ihn durch das Schutzfeld, muss die Maschine zuverlässig stoppen. Typische Fehler in der Praxis sind verschmutzte oder dejustierte Optiken, ein zu klein gewählter Sicherheitsabstand nach Umbauten an der Maschine, überbrückte oder falsch projektierte Mutingfunktionen und – immer wieder – manipulierte Türschalter. Jede dieser Schwächen hebt die Schutzwirkung teilweise oder ganz auf, ohne dass es im Normalbetrieb auffällt.