SLS-Sicherheitsfunktionen ohne Drehgeber, SSR mit DOLD-Frequenzüberwachung
11
1 Einführung
1.1 Zweck
In diesem Handbuch wird die Implementierung der Sicherheitsfunktionen „Sicher begrenzte Drehzahl“ (SLS – Safely Limited
Speed) oder „Sicherer Drehzahlbereich“ (SSR – Safe Speed Range) über die DOLD UH 6937-Frequenzüberwachung ohne
Drehgeber erläutert.
Sie können das DOLD-Modul mit folgenden Produkten einsetzen:
VLT® HVAC Drive FC102
•
VLT® Refrigeration Drive FC103
•
VLT® AQUA Drive FC202
•
VLT® Midi Drive FC 280
•
VLT® AutomationDrive FC301
•
VLT® AutomationDrive FC302
•
VACON® 100 Industrial
•
VACON® 100 Flow
•
VACON® NXP Liquid Cooled
•
VACON® NXP System Drive
•
VACON® NXP Air Cooled
•
VACON® NXP Common DC Bus
•
VACON® NXP Liquid Cooled Enclosed Drive
•
VACON® NXP Liquid Cooled Common DC Bus
•
Scope
1.2
Dieses Handbuch richtet sich an Anwendungs-Designer, die Frequenzumrichterfunktionen mit sicherer Drehzahl ohne
Geberrückführung mithilfe einer externen Frequenzüberwachung realisieren möchten.
Abkürzungen
1.3
PLPerformance Level
SILSafety Integrity Level
SLSSafely Limited Speed (Sicher begrenzte Drehzahl)
SSRSafe Speed Range (Sicherer Drehzahlbereich)
STOSafe Torque Off
Die Sicherheitsfunktionen S...Anwendungshandbuch für Funktionssicherheit
2 Die Sicherheitsfunktionen SLS und SSR
Die Funktion „Sicher begrenzte Drehzahl“ (SLS) überwacht
die Drehzahl anhand eines festgelegten Grenzwerts ohne
Geberrückführung, siehe Abbildung 2.1. Die Frequenz des
Motors wird gemessen und mit dem Grenzwert verglichen.
Liegt der Messwert oberhalb des festgelegten Grenzwerts,
schaltet das Sicherheitsausgangsrelais ab, damit die STOFunktion ausgelöst wird.
Abbildung 2.1 SLS-Funktion
Die Funktion Sicherer Drehzahlbereich (SSR) überwacht die
Drehzahl innerhalb oder außerhalb eines festgelegten
Bereichs. Siehe Abbildung 2.2.
Bei der Standardmodul-Ausführung 0 wird eine der
folgenden Überwachungsfunktionen ausgewählt:
Überfrequenz
•
Unterfrequenz
•
Innerhalb des Frequenzbereichs
•
Außerhalb des Frequenzbereichs
•
Die Variante 1 des Moduls verfügt über zusätzliche
Eingänge für die Auswahl von 4 Frequenzmodi während
des Betriebs.
HINWEIS
Verfügt der Frequenzumrichter nicht über eine
integrierte STO-Funktion, können Sie die Relaisausgänge
für die Aktivierung der Motorschütze einsetzen, um
so die Stromversorgung zum Motor zu unterbrechen.
22
Abbildung 2.2 SSR-Funktion
Überwachung innerhalb des festgelegten Bereichs:
Liegt die Frequenz innerhalb des festgelegten Bereichs, ist
das STO-Signal nicht aktiv. Liegt die gemessene Frequenz
außerhalb der festgelegten Grenzwerte, löst der Relaisausgang die STO-Funktion des Frequenzumrichters aus.
Überwachung außerhalb des festgelegten Bereichs:
Liegt die Frequenz außerhalb des festgelegten Bereichs, ist
das STO-Signal nicht aktiv. Liegt die gemessene Frequenz
innerhalb der festgelegten Grenzwerte, aktiviert der Relaisausgang die STO-Funktion des Frequenzumrichters.
SLS-Sicherheitsfunktionen ohne Drehgeber, SSR mit DOLD-Frequenzüberwachung
3 SLS- und SSR-Implementierung
Die Implementierung der SLS-Sicherheitsfunktion erfolgt
auf Grundlage der STO-Funktion und folgender sicherheits-
33
relevanter Komponenten:
Frequenzüberwachung (DOLD UH 6937 von
•
einem Drittanbieter)
Das UH-6937-Frequenzmodul besitzt keine
sicheren Eingänge für die Aktivierung und Deaktivierung der Sicherheitsfunktionen. Bei Ausführung
0 überwacht das Modul stets die Frequenz. Sie
können die Überwachung nur durch Auswahl der
entsprechenden Parameter im Display
stummschalten. Bei Ausführung 1 stehen für die
Auswahl verschiedener Frequenzmodi 4 sichere
Digitaleingänge zur Verfügung und eine der
Kombinationen dient für die Stummschaltfunktion.
Entstörfilter für Messrelais (DOLD LG 5130 von
•
einem Drittanbieter), optional
Diese Filter sind nur erforderlich, wenn nach
Abschluss der Installation Messfehler auftreten.
Systeme für funktionale Sicherheit oder ausfalls-
•
ichere SPS (≤ SIL2), optional
Für die Implementierung der Sicherheitslogik auf
Grundlage des Status der Relaisausgänge eines
Frequenzmoduls ist eine ausfallsichere SPS
erforderlich. In einem Anwendungsfall wird der
Relaisausgangsstatus ignoriert, solange die Sicherheitstür für die SLS-Drehzahl verriegelt ist.
Nachdem die Tür geöffnet wurde, dient der
Sicherheitsrelaisausgang zur Aktivierung der STOFunktion des Frequenzumrichters aufgrund einer
Überschreitung der Drehzahlgrenze.
Der Beispielstromkreis in Kapitel 3.1 Schaltdiagramm
veranschaulicht den Einsatz der DOLD UH 6937 mit einem
Danfoss Frequenzumrichter der FC-Serie oder VACON®Serie.
Die Hilfsspannung von 24 V wird an die Klemmen A1–A2
angelegt. Dazu können Sie jede 24 V PELV- oder SELVStromversorgung verwenden. Wenn keine zusätzlichen
Geräte an Klemme 12 oder 13 (+24 V) angeschlossen sind,
können Sie A1 an Klemme 12 oder 13 anschließen. Sie
können A2 an Klemme 20 (0 V) anschließen.
Die Klemmen E1a, E1b, E2L, E2H, E3L und E3H bilden den
Messeingang. Für Niederspannungen (AC 8–280 V) wird die
Messspannung an die Klemmen E1a–E2L und E1b–E3L
angelegt. Für Hochspannungen (AC 16–600 V) wird die
Messspannung an die Klemmen E1a–E2H und E1b–E3H
angelegt.
Bei der Überwachung einer AC-Spannung mit einer Phase
müssen Sie die Klemmen E1a–E2L oder E1a–E2H direkt an
den Frequenzumrichter anschließen. Die Klemmen E1b–E3L
oder E1b–E3H müssen Sie direkt an die Motoranschlussklemmen anschließen.
HINWEIS
Für die einzelnen Frequenzeingänge müssen Sie separate
Adern in separaten Kabeln mit einem Abstand
dazwischen verwenden. Bei der Überwachung einer ACSpannung mit 3 Phasen müssen Sie diese Klemmen
direkt an die Motoranschlussklemmen anschließen.
WARNUNG
LEBENSGEFAHR UND GEFAHR SCHWERER
VERLETZUNGEN
Wenn externe Kräfte auf den Motor wirken, zum Beispiel
bei einer vertikalen Achse (hängende Lasten), und eine
unerwünschte Bewegung z. B. durch Schwerkraft eine
Gefahr darstellen könnte, müssen Sie den Motor mit
zusätzlichen Fallschutzmaßnahmen ausstatten. Installieren Sie beispielsweise zusätzliche mechanische
Bremsen.
Bei dem Entstörfilter (LG 5130) sind für die einzelnen
Strompfade der 3 Phasen (Eingang L1/L2/L3) 4 Induktivitäten in Reihe geschaltet. Dies filtert Breitbandrauschen
bis zu hohen Frequenzen. Ist der Schutzleiter
angeschlossen, wird ein an den Schutzleiter
angeschlossener Y-Kondensator aktiviert, der die Filterleistung erhöht (T-Filter). Der Entstörfilter ist über die
Eingangsklemmen L1/L2/L3 am Frequenzumrichterausgang
und die Frequenzüberwachungsvorrichtung an den Filterausgängen L1’/L2’/L3’ angeschlossen.
Indem der Entstörfilter zwischen den Frequenzumrichter
und die Messfrequenzüberwachungsvorrichtung geschaltet
wird, wird der Stromfluss über die Kopplungskapazität
verringert. Die Verringerung tritt auf, da die Filterelemente
eine ansteigende Impedanz und eine ansteigende
Frequenz erzeugen. Das vermeidet Störungen oder Beschädigungen an den angeschlossenen Geräten. Schutz siehe
Abbildung 3.5. Es ist nicht zwingend erforderlich, den
Schutzleiter an die Klemmen der Frequenzüberwachungsvorrichtung anzuschließen, allerdings verbessert dies die
Filterwirkung.
Kapitel 3.2 Betrieb und Zeitsteuerung der Sicherheitsfunktion
Remove the jumper wire between control
terminals 12, 37, 38 in the frequency converter.
-SF8
RESET
+FIELD
+FIELD
Ensure that the STO cables are shielded if they
are longer than 20 m (65.6 ft) or outside the cabinet.
-TA1
VLT FC 280
Frequency
converter
PE/GND
PE/GND
PE/GND
PE/GND
PE/GND
GND
PE/GND
L1 L2 L3
F
-FC1
_
95(PE)
91(L1)
92(L2)
93(L3)98(W)
97(V)
96(U)
99(PE)
12
37
38
55
U
-U2
V
W
U
NSGAFÖU 1.8/3 kV
BK
min. 2.5 mm
2
(14 AWG)
-WD1
-MA1
M
3~
BN BK GY
U1 V1 W1
E1a
E2L
E2H
E1b
E3L
E3H
13
13
14
142324A1+A2REST1T2RF
4838
UH6937
E
-FC31
1
2
24 V DC 0 V DC
1
2 4 6
3 5
SH
130BF784.10
SLS- und SSR-Implementierun...Anwendungshandbuch für Funktionssicherheit
3.1 Schaltdiagramm
In Abbildung 3.1 ist das UH 6937-Schaltdiagramm dargestellt. Sie können die Relaiskontakte 13–14 und 23–24 als STOEingang zum Frequenzumrichter einsetzen.
SLS- und SSR-Implementierun...Anwendungshandbuch für Funktionssicherheit
In Abbildung 3.5 ist das LG 5130-Schaltdiagramm mit Entstörfilter zwischen den 3 Phasen des Frequenzumrichters und der
Frequenzüberwachung UH 6937 dargestellt.
SLS-Sicherheitsfunktionen ohne Drehgeber, SSR mit DOLD-Frequenzüberwachung
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KlemmenbezeichnungSignalbezeichnung
A1+24 V DC
A20 V
E1a, E1b, E2L, E2H, E3L, E3HFrequenzmesseingänge
GNDReferenzpotential für den Halbleiterüberwachungsausgang und die Steuerausgänge
13, 14, 23, 24Zwangsgeführte Schließerkontakte für die Auslöserschaltung
38, 48Halbleiterüberwachungsausgang
T1, T2Steuerausgang
RES, RF, SW1, SW2, SW3, SW4Steuereingang
A+, A GNDAnalogausgang
SLS- und SSR-Implementierun...Anwendungshandbuch für Funktionssicherheit
3.2 Betrieb und Zeitsteuerung der
Sicherheitsfunktion
Sie müssen die Überwachung auf sichere Drehzahl für
Drehzahlgrenzen in Frequenzumrichteranwendungen
konfigurieren. Es liegt in der Verantwortung des Kunden,
die Drehzahlgrenzen anhand einer Risikobeurteilung zu
definieren. Der Inbetriebnahmeprüfbericht wird zur
abschließenden Prüfung und zum zukünftigen
Nachschlagen zur Verfügung gestellt.
3.2.1 Ausgangsbedingungen
Wenn die Überwachung mit sicherer Drehzahlgrenze ohne
Startverzögerung konfiguriert ist und der RF-Istwertkreis
geschlossen ist, ist sie sofort nach dem Einschalten aktiv.
3.2.2 Fehlerbehandlung
Werden Fehler von der Vorrichtung erkannt, werden sie mit
einer Meldung im Display angezeigt. Ist ein Reset der
Vorrichtung zum Beheben des Fehlers erforderlich, müssen
Sie zunächst den Alarm und die dazugehörige Diagnosemeldung quittieren. Drücken Sie die linke Taste ca. 3
Sekunden, um einen Reset der Vorrichtung zu initiieren.
HINWEIS
Wird nach dem Neustart erneut ein Systemausfall
erkannt, müssen Sie die Vorrichtung austauschen und an
den Hersteller zurückschicken.
3.2.3 SLS-Betrieb
In der Regel wird die SLS-Sicherheitsfunktion eingesetzt,
um eine Überwachung der sichereren Drehzahl anhand
einer festgelegten Drehzahlgrenze zu realisieren. In diesem
Fall wird über die SLS-Funktion die Drehzahlgrenze
festgelegt, die für eine Interaktion von Personen mit der
Maschine als sicher erachtet wird. Solange die Frequenz
des Frequenzumrichters innerhalb des festgelegten
Grenzwerts liegt, ist die STO-Funktion nicht aktiv. Wenn die
Ausgangsfrequenz den Grenzwert überschreitet, wird die
STO-Funktion sofort aktiviert, wodurch der Motor über den
Freilauf zum Stillstand kommt. Sie müssen diese Motorfreilaufzeit festlegen, bevor der Zugang zur Gefahrenzone
gewährt wird.
Der sichere Ausgang der Frequenzüberwachung UH 6937
ist aktiv und die Ausgangsrelais bleiben geschlossen,
solange die Istdrehzahl unter dem Parameter „Sichere
Drehzahlgrenze“ (SLS-Grenze) liegt.
gangsrelais geöffnet, und das sichere Ausgangssignal wird
getrennt.
Tritt ein interner Fehler auf, können Sie bei der SLS-Sicherheitsfunktion einen automatischen Reset konfigurieren. Ist
die Funktion auf einen manuellen Reset konfiguriert,
müssen Sie den RESET-Eingang für den Normalbetrieb
bereitstellen, nachdem die Grenzwert-Überschreitungen
behoben wurden.
Das Modul UH 6937 überwacht stets die konfigurierten
Frequenzgrenzwerte. Das Frequenzmodul besitzt keine
eigenen sicheren Eingänge, deshalb wird ein Funktionssicherheitssystem eines Drittanbieters eingesetzt, z. B. ein
ausfallsicheres SPS-System. Es aktiviert die Sicherheitsfunktion, sobald die Sicherheitsfunktion angefordert ist.
Dadurch können Sie auf Grundlage des Status der
Frequenzmodulrelais in der SPS eine optimierte Sicherheitslogik vorbereiten. Die SPS-Logik steuert beispielsweise
den Zugang zur Gefahrenzone über ihr Ausgangssignal
(Türsteuerung). Der SLS-Ausgang (Relais) ist an den Sicherheitsausgang der ausfallsicheren SPS angeschlossen. Der
Zugang wird gewährt, solange die Frequenz unter der SLSGrenze liegt. Wird die Drehzahlgrenze überschritten, erfolgt
eine sofortige Aktivierung der STO-Funktion des Frequenzumrichters über den Ausgang der ausfallsicheren SPS, um
das System in einen sicheren Zustand zu versetzen.
Die Eingangsfrequenz wird mit dem festgelegten Wert
verglichen. Da die Vorrichtung die Zyklusdauer misst, kann
so die schnellste Frequenzmessung erfolgen. Wurde die
Überfrequenzfunktion eingestellt, schaltet das Ausgangsrelais in den Alarmmodus, wenn der eingestellte
Antwortparameterwert den in der Alarmverzögerungsfunktion (tV) festgelegten Wert überschreitet. Sinkt die
Frequenz unter den für den Antwortparameter festgelegten Wert abzüglich der festgelegten Hysterese, wird das
Ausgangsrelais nach Ablauf der Resetverzögerungszeit (tF)
aktiviert. Anschließend wird das System in seinen
zulässigen Einstellzustand versetzt. Wurde die Unterfrequenzfunktion eingestellt, schaltet das Ausgangsrelais in
den Alarmmodus, wenn der eingestellte Antwortparameterwert unter den in der Alarmverzögerungsfunktion (tV)
festgelegten Zeitraum fällt. Kehrt die Frequenz wieder
zurück in den vom Antwortparameter gesteuerten Bereich
zuzüglich der festgelegten Hysterese, wird das Ausgangsrelais nach Ablauf der Resetverzögerungszeit (tF) in seinen
zulässigen Einstellzustand versetzt.
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Überschreitet die Istdrehzahl den Parameter „Sichere
Drehzahlgrenze“ (SLS-Grenze), werden die Drehzahlaus-
SLS-Sicherheitsfunktionen ohne Drehgeber, SSR mit DOLD-Frequenzüberwachung
3.2.4 SSR-Betrieb
Die SSR-Funktion dient zur Drehzahlüberwachung
innerhalb oder außerhalb eines festgelegten Drehzahlbereichs.
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Im Modus interne Fensterfunktion schaltet das Ausgangsrelais auf die Alarmeinstellung, wenn die Frequenz den
zulässigen Einstellbereich der oberen und unteren Antwortparameter überschreitet abzüglich und/oder zuzüglich der
festgelegten Hysteresewerte (oberer Antwortparameter
abzüglich und/oder unterer Antwortparameter zuzüglich
der relativen Hysteresewerte). Das Ausgangsrelais schaltet
nach Ablauf der Resetverzögerungszeit (tF) erneut zurück
auf den Einstellbereich.
Im Modus externe Fensterfunktion agiert die Überwa-
chungsfunktion umgekehrt zur internen Fensterfunktion.
Wird die manuelle Quittierfunktion aktiviert, verbleibt das
Ausgangsrelais im Alarmmodus, wenn die Frequenz in den
Einstellbereich zurückkehrt. Wird der Reseteingang aktiviert
oder die Hilfsspannung abgeschaltet, ist ein Reset des
gespeicherten Parameters möglich.
Ist eine Anlaufverzögerungszeit (tA) festgelegt, läuft diese
zunächst ab, wenn die Hilfsspannung des Geräts angelegt
wird und der „RF“-Istwertkreis geschlossen ist. Die Anlaufverzögerungszeit läuft ebenfalls nach einem Reset der
manuellen Quittierfunktion ab. Während dieses Zeitraums
ist die Frequenzprüfung deaktiviert und die Ausgangsrelais
behalten die zulässige Einstellung bei. Die Startverzögerungsfunktion kann beispielsweise eine Alarmmeldung
während des Anlaufs eines Generators oder Elektromotors
aufheben. Sollte der Istwertkreis nach einem Reset (mittels
der manuellen Quittierfunktion) nicht geschlossen sein,
wird das Gerät in einen Sicherheitsfehler-Zustand versetzt.
Die Frequenzüberwachung ist in Abbildung 3.7 dargestellt.
SLS-Sicherheitsfunktionen ohne Drehgeber, SSR mit DOLD-Frequenzüberwachung
3.3 Parameter und Konfiguration
Eine detaillierte Beschreibung finden Sie im Installationshandbuch des Herstellers. In Tabelle 3.1 wird eine
Sie können das Gerät über das Display und die Einstelltasten auf dem Display konfigurieren. Siehe Abbildung 3.8.
Gehen Sie folgendermaßen vor, um den Paramet-
33
riermodus auf dem Gerät aufzurufen:
1.Drücken Sie die Taste [OK].
2.Drücken Sie die [Reset]-Taste.
Standardkonfiguration der Frequenzüberwachung
veranschaulicht.
Der Parameter „Sichere Drehzahlgrenze“ (SLS-Grenze) wird
auf den oberen Grenzwertparameter des Frequenzmodus 1
konfiguriert. Der untere Grenzwert wird auf 0,0 Hz
konfiguriert.
3.Es wird ein Displaytest durchgeführt, den Sie
nach erfolgreichem Abschluss über die [OK]-Taste
quittieren müssen.
4.Es ist nun möglich, Änderungen an der Parametrierung vorzunehmen. Bevor das Gerät die
geänderten Parameter übernimmt, müssen Sie
diese aus Sicherheitsgründen erneut bestätigen.
1OK
2
3
4Reset
Abbildung 3.8 Anzeige der Frequenzüberwachungsvorrichtung
1) Auch wenn die UH6937 für normale Bedingungen über eine ausreichend hohe EMV-Immunität verfügt, wird der Entstörfilter für
die einzelnen Messkanäle benötigt, wenn das Frequenzüberwachungsmodul aufgrund einer hohen EMV oder eines hochfrequenten
Rauschens nicht korrekt funktioniert.
Die in Katalogen, Prospekten und anderen schriftlichen Unterlagen, wie z.B. Zeichnungen und Vorschlägen enthaltenen Angaben und technischen Daten sind vom Käufer vor Übernahme und
Anwendung zu prüfen. Der Käufer kann aus diesen Unterlagen und zusätzlichen Diensten keinerlei Ansprüche gegenüber Danfoss oder Danfoss-Mitarbeitern ableiten, es sei denn, dass diese
vorsätzlich oder grob fahrlässig gehandelt haben. Danfoss behält sich das Recht vor, ohne vorherige Bekanntmachung im Rahmen der angemessenen und zumutbaren Änderungen an seinen
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