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Kollaboration und funktionale Maschinensicherheit – Gefährdungen einer Maschinenfunktion ermitteln

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Kollaboration und funktionale Maschinensicherheit – Gefährdungen einer Maschinenfunktion ermitteln

Zielgruppe: Ausbildung in Metall-, Elektro-, Mechatronik- und Automatisierungsberufen.

Kurzbeschreibung: Du lernst an einem konkreten Ausbildungsfall, Gefährdungen einer Maschinenfunktion über Lebensphasen und vorhersehbare Fehlanwendung hinweg zu erkennen. Virtuelle Anlagen, Signalverläufe sowie Steuerungs- und Diagnoseaufgaben trainieren sichere Entscheidungen und Eskalation.

Wichtiger Sicherheitshinweis: Dieser Lernkurs ersetzt weder betriebliche Unterweisung, praktische Qualifikation, Gefährdungsbeurteilung noch eine betriebliche Freigabe. Ein Quiz darf niemals als Nachweis dienen, dass Du eine reale Maschine sicher bedienen, einrichten, instand halten oder freigeben darfst.

Freies Medium: Wikimedia Commons, „Collaborative Robot Cobot.png“, CC BY 4.0.

Einleitung

Eine Maschine ist nicht allein im störungsfreien Automatikbetrieb zu betrachten. Gefährdungen können beim Transport, Aufbau, Einrichten, Programmieren, Produzieren, Reinigen, Entstören, Instandhalten, Umbauen und Außerbetriebnehmen entstehen. Für die Risikobeurteilung sind außerdem vernünftigerweise vorhersehbare Fehlanwendungen zu berücksichtigen. Genau hier setzt dieser Kurs an.

Im Mittelpunkt steht eine virtuelle Ausbildungsanlage mit Fördertechnik und kollaborierendem Roboter. Du beobachtest Zustände, wertest Signale aus, erkennst Gefährdungen, entscheidest über Stoppen, Sichern, Prüfen und Eskalieren und begründest Deine Entscheidung.

Video: Pilz, „Ihr Weg zur Maschinensicherheit: 1/6 Risikobeurteilung von Maschinen“. Das Video dient der Einführung; betriebliche Vorgaben und aktuelle Normen bleiben maßgeblich.

Ausbildungsfall: Virtuelle Anlage VA-01

Die Anlage transportiert Werkstücke zu einer Bearbeitungsstation. Ein kollaborierender Roboter nimmt Werkstücke auf und legt sie in eine Prüfaufnahme. Eine Bedienperson darf Material nachlegen und Prüfteile entnehmen. Für Einrichten, Diagnose und Instandhaltung gelten gesonderte Freigaben.

Freies Medium: Wikimedia Commons, kollaborativer Roboter in industrieller Anwendung.

Bereich	Funktion	Typische Gefährdung
Zuführung	Werkstück fördern	Quetschen und Einziehen
Roboterraum	Greifen und Ablegen	Stoßen, Quetschen, Klemmen
Prüfaufnahme	Werkstück fixieren	Quetschen an Spannstelle
Bedienplatz	Start, Stopp, Quittierung	Unerwarteter Wiederanlauf
Diagnose	Fehler suchen	Aufenthalt im Gefahrenbereich bei unklarer Energie- oder Freigabesituation

Lerneinheit 1: Gefährdung statt Bauteil denken

Eine Gefährdung entsteht durch eine mögliche schädigende Einwirkung. Frage deshalb nicht nur „Welches Bauteil ist defekt?“, sondern:

Gefahrenerkennung: Welche Bewegung, Energie oder Situation kann schädigen?
Gefährdungssituation: Wer kann wann und wie in den Wirkbereich gelangen?
Gefährdungsereignis: Welcher Fehler, Bedienvorgang oder unerwartete Zustand kann die Situation auslösen?
Risikominderung: Welche technische, organisatorische oder personenbezogene Maßnahme verhindert oder begrenzt den Schaden?

Merksatz: Erst Gefährdung verstehen, dann Signal interpretieren, dann handeln.

Lerneinheit 2: Lebensphasen prüfen

Für VA-01 wird dieselbe Maschinenfunktion in mehreren Lebensphasen betrachtet. Die Gefährdung kann sich ändern, obwohl die Hardware gleich bleibt.

Lebensphase	Leitfrage
Aufbau und Inbetriebnahme	Welche Bewegungen sind bei noch unvollständiger Absicherung möglich?
Automatikbetrieb	Wer kann in den Wirkbereich gelangen und welche Schutzfunktion muss reagieren?
Einrichten	Welche reduzierten oder besonderen Betriebsarten sind vorgesehen und freigegeben?
Reinigung	Muss in Bereiche gegriffen werden, die im Produktionsbetrieb unzugänglich sind?
Störungsbeseitigung	Entsteht Zeitdruck oder der Anreiz, Schutzeinrichtungen zu umgehen?
Instandhaltung	Welche gespeicherten Energien oder unerwarteten Bewegungen sind möglich?
Umbau	Ändern Werkzeug, Programm, Greifer oder Takt die Risikosituation?
Außerbetriebnahme	Welche Restenergien und instabilen Teile bleiben gefährlich?

Lerneinheit 3: Vorhersehbare Fehlanwendung

Vorhersehbare Fehlanwendung ist keine beliebige Fantasie. Gemeint sind Nutzungen, die vom vorgesehenen Gebrauch abweichen, aber aufgrund menschlichen Verhaltens vernünftigerweise erwartet werden können. Ein typisches Beispiel ist der Versuch, eine störende Schutzeinrichtung zu umgehen, wenn Produktions- oder Diagnoseabläufe sonst kaum möglich sind.

VA-01-Beispiel: Ein Werkstück verkantet regelmäßig. Eine Person könnte versucht sein, während eines kurzen Stillstands in den Bereich zu greifen, ohne einen gesicherten Zustand herzustellen. Diese Handlung muss bei der Gefährdungsermittlung betrachtet werden.

Lerneinheit 4: Funktionale Maschinensicherheit

Funktionale Sicherheit betrachtet Sicherheitsfunktionen, die von Steuerungen, Sensoren und Aktoren abhängen. Entscheidend ist nicht nur, dass ein Signal vorhanden ist, sondern dass die gesamte Sicherheitsfunktion die erforderliche Risikominderung zuverlässig erreicht.

Beispiel Sicherheitskette: Person betritt Schutzfeld → sichere Erfassung → sichere Logik → gefahrbringende Bewegung wird rechtzeitig verhindert oder beendet.

Freies Medium: Wikimedia Commons, Not-Halt-Betätiger, CC BY-SA/GFDL.

Achtung: Ein Not-Halt ist eine ergänzende Schutzmaßnahme für den Notfall. Er ersetzt keine konstruktive Risikominderung und keine für den Normalbetrieb erforderliche Schutzeinrichtung.

Lerneinheit 5: Kollaboration richtig beurteilen

Bei kollaborierenden Roboteranwendungen können Mensch und Roboter räumlich nah zusammenarbeiten. Dadurch entstehen besondere Kollisions-, Quetsch- und Klemmgefahren. Entscheidend ist die gesamte Anwendung: Roboter, Werkzeug, Werkstück, Bewegungsbahn, Geschwindigkeit, Raumgeometrie und Tätigkeit der Person.

Freies Medium: Wikimedia Commons, „Cobot.svg“, CC-Lizenz gemäß Dateiseite.

Für aktuelle industrielle Roboteranwendungen sind insbesondere ISO 10218-1:2025 und ISO 10218-2:2025 relevant. Die konkrete Risikobeurteilung und Validierung muss durch fachkundige Personen für die reale Anwendung erfolgen.

Virtuelle Anlage: Signalverlauf lesen

Situation: VA-01 läuft im Automatikbetrieb. Eine Person nähert sich dem überwachten Bereich. Der Roboter soll vor einem gefährlichen Kontakt in einen sicheren Zustand übergehen.

Zeit	Schutzfeld frei	Sicherheitsfreigabe	Antrieb aktiv	Beobachtung
t0	1	1	1	Produktion läuft
t1	0	1	1	Person betritt Schutzfeld, Reaktion noch nicht sichtbar
t2	0	0	0	Sicherheitsfunktion hat Bewegung abgeschaltet
t3	1	0	0	Bereich wieder frei, aber noch keine Freigabe
t4	1	1	1	Wiederanlauf nur nach vorgesehener Freigabelogik

Diagnosefrage: Wäre ein automatischer Wiederanlauf unmittelbar bei t3 sicher? Nein, wenn die vorgesehene Sicherheitslogik eine bewusste Wiederanlaufentscheidung verlangt oder Personen noch im Gefahrenbereich sein könnten. Das Freigabekonzept ist anlagenspezifisch zu prüfen.

Interaktive Steuerungsaufgabe: Startfreigabe

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Zustand der virtuellen Anlage
Stoppen und Ursache klären	Schutzfeld wechselt unerwartet mehrfach zwischen frei und belegt
Keine Freigabe erteilen	Person oder Werkzeug befindet sich noch im Gefahrenbereich
Freigabe nach Verfahren prüfen	Gefahrenbereich ist kontrolliert frei und die Ursache ist behoben
Eskalieren	Sicherheitsfunktion reagiert nicht eindeutig oder Diagnosewerte widersprechen sich
Dokumentieren	Fehler trat wiederholt auf oder erforderte Eingriff in die Schutzfunktion

Begründetes Feedback: Bei widersprüchlichen oder unklaren Sicherheitssignalen ist „weiterprobieren“ keine sichere Diagnosemethode. Stoppen, sicheren Zustand herstellen und an die zuständige Fachkraft eskalieren ist die richtige Entscheidung.

Diagnoseaufgabe: Fehlerbild S-17

Anzeige: Schutzfeld frei = 1, Sicherheitsfreigabe = 0, Antrieb aktiv = 0, Diagnosemeldung „Quittierung fehlt“.

Basisfrage: Darf der Antrieb durch Überbrücken der Freigabe gestartet werden? Nein.

Anwendungsfrage: Welche Information prüfst Du zuerst? Prüfe, ob der Gefahrenbereich tatsächlich frei ist und ob das vorgesehene Rückstell- bzw. Freigabeverfahren erfüllt ist.

Transferfrage: Die Meldung kommt nach jedem dritten Takt erneut. Was ist zu tun? Wiederkehrende Fehler sind nicht durch routinemäßiges Quittieren zu normalisieren. Ursache dokumentieren, Anlage nach betrieblichem Verfahren sichern und an Instandhaltung bzw. zuständige verantwortliche Stelle eskalieren.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Beobachten: Trenne Prozesssignal, Sicherheitssignal und Aktorzustand.

Hilfe 2 – Gefährdung denken: Frage, welche gefährliche Bewegung bei einer falschen Freigabe möglich wäre.

Hilfe 3 – Entscheiden: Wenn Du die sichere Wirkung nicht begründen kannst, darfst Du nicht freigeben. Sicheren Zustand herstellen und eskalieren.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben mit Feedback

Basis: Nenne die Gefährdung, wenn die Spannvorrichtung schließt, während eine Hand im Aufnahmebereich liegt. Feedback: „Quetschen“ beschreibt die Gefährdung besser als „Sensorfehler“, weil zuerst die schädigende Einwirkung benannt werden muss.

Anwendung: Ein Lichtschutzsystem meldet frei, obwohl eine Person sichtbar im Schutzbereich steht. Wie entscheidest Du? Feedback: Keine Freigabe. Widerspruch zwischen Realität und Sicherheitssignal bedeutet: sicheren Zustand halten, Ursache klären, Fachkraft einschalten.

Transfer: Nach einem Greiferumbau bleibt das Sicherheitsprogramm unverändert. Reicht die bisherige Bewertung? Feedback: Nicht automatisch. Werkzeuggeometrie, Masse, mögliche Kontaktstellen und Bewegungsräume können sich geändert haben; deshalb ist die Risikobeurteilung bzw. Validierung des geänderten Systems zu prüfen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Betrachtung gehört zur Gefährdungsermittlung einer Maschinenfunktion? (Alle relevanten Lebensphasen der Maschine) (!Nur der störungsfreie Automatikbetrieb) (!Nur elektrische Fehler) (!Nur Unfälle aus der Vergangenheit)

Was beschreibt eine vorhersehbare Fehlanwendung am besten? (Eine abweichende Nutzung, die aufgrund menschlichen Verhaltens vernünftigerweise erwartet werden kann) (!Jede theoretisch denkbare Handlung) (!Nur absichtliche Sabotage) (!Ausschließlich einen Bauteilausfall)

Was ist bei widersprüchlichen Sicherheitssignalen die sichere Entscheidung? (Sicheren Zustand halten und Ursache klären) (!Mehrfach starten und beobachten) (!Sicherheitsfunktion überbrücken) (!Nur die Störmeldung löschen)

Was muss bei einer kollaborierenden Roboteranwendung betrachtet werden? (Die gesamte Anwendung einschließlich Werkzeug und Werkstück) (!Nur der Roboterarm) (!Nur die Nenngeschwindigkeit) (!Nur die Steuerungssoftware)

Welche Aussage zum Not-Halt ist richtig? (Er ist eine ergänzende Schutzmaßnahme für den Notfall) (!Er ersetzt alle Schutzeinrichtungen) (!Er erlaubt Arbeiten im Gefahrenbereich) (!Er macht eine Risikobeurteilung unnötig)

Was ist nach einem Greiferumbau besonders zu prüfen? (Ob sich Gefährdungen und erforderliche Schutzmaßnahmen geändert haben) (!Nur die Farbe des Greifers) (!Nur die Stückzahl pro Schicht) (!Nur die Bedienoberfläche)

Was ist bei wiederkehrender Störung mit Sicherheitsbezug sinnvoll? (Ursache dokumentieren und nach betrieblichem Verfahren eskalieren) (!Störung dauerhaft ignorieren) (!Warnmeldung abkleben) (!Schutzfunktion abschalten)

Welche Frage hilft beim Lesen eines Signalverlaufs zuerst? (Welches Signal gehört zu welcher Sicherheitsfunktion und welchem Aktor?) (!Welche Farbe hat der Schaltschrank?) (!Wie alt ist die Bedienperson?) (!Welche Schicht produziert am schnellsten?)

Wann ist eine Startfreigabe fachlich nicht begründbar? (Wenn der sichere Zustand oder die Schutzwirkung unklar ist) (!Wenn der Takt kurz unterbrochen war) (!Wenn die Anlage neu lackiert wurde) (!Wenn ein Werkstück bereits geprüft wurde)

Was ersetzt dieser Lernkurs ausdrücklich nicht? (Betriebliche Unterweisung, praktische Qualifikation und Freigabe) (!Ein freiwilliges Lernprotokoll) (!Eine Wiederholungsfrage) (!Eine virtuelle Diagnoseaufgabe)

Memory

Lebensphase	Zeitpunkt der Maschinenverwendung
Gefährdung	mögliche schädigende Einwirkung
Schutzfeld	überwachter Bereich
Sicherheitsfunktion	risikomindernde Steuerungsfunktion
Eskalation	Weitergabe an zuständige Fachkraft
Fehlanwendung	vorhersehbare abweichende Nutzung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Gefährdung erkennen	mögliche schädigende Einwirkung bestimmen
Situation bewerten	Zugang und Exposition prüfen
Sicheren Zustand herstellen	gefährliche Bewegung verhindern
Ursache diagnostizieren	Signale und reale Anlage vergleichen
Eskalation auslösen	bei Unklarheit zuständige Fachkraft einbeziehen

Kreuzworträtsel

Risiko	Kombination aus möglichem Schaden und Eintrittswahrscheinlichkeit
Cobot	Kurzbezeichnung für einen kollaborativen Roboter
Sensor	Bauteil zur Erfassung eines Zustands
Freigabe	Erlaubnis für eine vorgesehene Funktion
Wartung	Tätigkeit zum Erhalt des funktionsfähigen Zustands
Diagnose	systematische Fehlersuche anhand von Beobachtungen und Signalen

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Gefahrenfoto: Fotografiere oder skizziere an einer freigegebenen Übungsanlage drei mögliche Gefahrenstellen und benenne die schädigende Einwirkung.
Lebensphasenkarte: Erstelle eine Bildfolge zu Aufbau, Betrieb, Reinigung und Instandhaltung einer Maschine.
Signallegende: Entwickle für VA-01 eine Legende für fünf Prozess- und Sicherheitssignale.
Sicherheitsentscheidung: Formuliere drei Situationen, in denen Du nicht selbst freigibst, sondern eskalierst.

Standard

Virtuelle Diagnose: Entwirf einen Signalverlauf mit einem plausiblen Sensorfehler und markiere den ersten Punkt, an dem eine sichere Reaktion nötig ist.
Fehlanwendung analysieren: Beschreibe eine vorhersehbare Fehlanwendung und entwickle eine Maßnahme, die den Anreiz zur Umgehung reduziert.
Betriebsartenvergleich: Vergleiche Automatikbetrieb, Einrichten und Instandhaltung hinsichtlich Zugang, Bewegung und Freigabe.
Medienanalyse Maschinensicherheit: Analysiere das eingebettete Video. Trenne allgemeine Prinzipien von betrieblich zu prüfenden Vorgaben.

Schwer

Änderungsbewertung: Bewerte einen Greiferumbau hinsichtlich neuer Quetsch-, Stoß- und Klemmstellen.
Diagnosekonzept: Entwickle ein gestuftes Diagnoseverfahren mit Stoppen, Prüfen, Dokumentieren und Eskalieren.
Sicherheitsfunktion argumentieren: Beschreibe eine Sicherheitsfunktion als Kette aus Erfassung, Logik und Reaktion und nenne mögliche Fehler jeder Stufe.
Transfer auf reale Anlage: Übertrage VA-01 auf eine reale Ausbildungsmaschine und dokumentiere, welche Aussagen ohne betriebliche Freigabe ausdrücklich nicht praktisch erprobt werden dürfen.

Lernkontrolle

Lebensphasenanalyse: Erkläre an einer Maschinenfunktion, warum dieselbe Bewegung im Automatikbetrieb und bei Instandhaltung zu unterschiedlichen Gefährdungssituationen führen kann.
Fehlanwendung und Konstruktion: Begründe, wie ein umständlicher Arbeitsablauf die Manipulationsneigung erhöhen kann und welche Art von Maßnahme vorrangig zu prüfen ist.
Signaldiagnose: Analysiere einen widersprüchlichen Signalverlauf und leite eine sichere Handlungsfolge ab.
Änderungsmanagement: Beurteile, warum eine Programm-, Werkzeug- oder Teileänderung eine erneute Betrachtung der Risikosituation auslösen kann.
Eskalationsentscheidung: Entwickle Kriterien dafür, wann eine auszubildende Person die Diagnose abbrechen und eine zuständige Fachkraft hinzuziehen muss.
Kollaborationsrisiko: Übertrage die Gefährdungsermittlung auf einen Cobot mit neuem scharfkantigem Werkstück und begründe, warum die Bezeichnung „Cobot“ allein keine Sicherheit garantiert.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du Gefährdungen nicht nur aufzählst, sondern aus Maschinenfunktion, Lebensphase, Zugang und Signalzustand ableitest. Du sollst sichere Entscheidungen begründen, Grenzen Deiner eigenen Befugnis erkennen, wiederkehrende oder unklare Fehler dokumentieren und korrekt eskalieren können. Praktische Tätigkeiten an realen Maschinen dürfen nur im Rahmen betrieblicher Unterweisung, Qualifikation, Aufsicht und Freigabe erfolgen.

Fachliche Quellen und Medienrechte

ISO 10218-1:2025: Sicherheitsanforderungen an Industrieroboter.
ISO 10218-2:2025: Sicherheitsanforderungen an Industrieroboteranwendungen und Roboterzellen.
DIN EN ISO 12100: Grundsätze zu Risikobeurteilung und Risikominderung über relevante Lebensphasen.
DGUV/IFA: Kollaborierende Roboter: Praxisinformationen zu Kollaboration und technischen Schutzmaßnahmen.
DGUV/IFA-Praxishilfe: biomechanische Bewertung kollaborierender Anwendungen.
Betriebssicherheitsverordnung: Gefährdungsbeurteilung bei der Verwendung von Arbeitsmitteln.
Verordnung EU 2023/1230: neue EU-Maschinenverordnung; verpflichtende Anwendung ab 20. Januar 2027.
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