09.06.2020

2D-Lidar-Sensor für Abfüllungen im Ex-Bereich

Alles im Blick

Damit eine auf den 2D-Lidar-Sensor R2000 basierende Absturzsicherung für Kesselwagen im Ex-Bereich der ATEX-Zone 1 eingesetzt werden kann, wurde der Sensor in ein in Zündschutzart Ex d ausgeführtes Gehäuse mit Sichtfenster integriert.


Unterhalb des Schutzkorbs einer Bühne bei Abfüllvorgängen im Ex-Bereich erkennt der 2D-Lidar-Sensors R2000, wenn sich Objekte wie Teile des Tankwagens, oder auch Fremdkörper, im Weg befinden.
Bild: Pepperl+Fuchs AG

Ob im Tanklaster auf der Straße oder im Kesselwagen auf der Schiene: Wenn chemische Erzeugnisse transportiert werden, ist oftmals Vorsicht geboten, denn mehr als 40% fallen unter die Kategorie Gefahrgut. Trotz dieses hohen Anteils risikobehafteter Fracht stellt das Befüllen von Fahrzeugen und Wagen mit solchen Stoffen keine immer gleich ablaufende Standardprozedur dar. Zu unterschiedliche Eigenschaften weisen Gase, Flüssigkeiten und Granulate auf. Hinzu kommt oftmals noch eine Explosionsgefahr. Um die bei der Abfüllung chemischer Stoffe entstehenden Risiken weiß Manuel Greefrath, Verladetechnikspezialist bei der im nordrhein-westfälischen Issum ansässigen Voortmann GmbH & Co. KG Steuerungstechnik, einem Marktführer für Steuerungs-, Druckluft-, Verlade- und Sprühsysteme: "Die Befüllung von Straßentankwagen und Kesselwagen erfolgt üblicherweise nicht vollautomatisch, sondern unter Personeneinsatz von einer Bühne aus. Eine individuelle Fehlentscheidung durch einen Mitarbeiter kann dementsprechend katastrophale Folgen für Mensch und Umwelt haben. Da die Fahrzeuge bis zu vier Meter hoch sein können, bewegen sich die Mitarbeiter auf den Verladebühnen in entsprechender Höhe, was ein weiteres Schadensrisiko darstellt." Zudem wird in diesen Umgebungen massive Arbeitskleidung getragen, die gelegentlich sogar Atemschutzgeräte mit einschließt. Die Fehlerwahrscheinlichkeit erhöht sich durch die eingeschränkte Bewegungsfreiheit und ein verkleinertes Sichtfeld also noch weiter. Hier setzen die Experten von Voortmann mit ihren Lösungen an, zu denen vielfältige, auf spezielle Verladezwecke zugeschnittene Absturzsicherungen zählen. Seit einigen Jahren verbauen sie in diesen Konstruktionen bereits Lichtschranken und Kontaktschaltleisten. Besonderes Potenzial wurde jedoch im Bereich der Lasersensorik entdeckt.

Lidar-Sensor für Hebebühne

Der Schutzkorb einer Bühne verfährt nicht nur mittels Knopfdruck, sondern kann dank eines unterhalb der Konstruktion installierten 2D-Lidar-Sensors auch erkennen, wenn sich Objekte wie Teile des Tankwagens, oder auch Fremdkörper, im Weg befinden. In diesem Falle gibt der Scanner ein Signal aus, über das eine Hupe oder ein Warnlicht aktiviert werden und die Hebebühne gestoppt wird. Eventuelle Beschädigungen und Abstürze gehören dank dieser Abschaltautomatik der Vergangenheit an. Zur Umsetzung solcher Applikationen setzt Voortmann auf den 2D-Lidar-Sensor R2000, der auch in Anwendungen im Bereich Automobilfertigung und Lagerhaltung oder an fahrerlosen Transportsystemen (FTS) verwendet wird. Doch auch abseits der ihm vertrauten Innenbereiche überzeugt der Sensor, berichtet Julian Krato, Produktspezialist für komplexe Systeme bei Pepperl+Fuchs: "Mit Hilfe einer Mehrfachauswertung einzelner Scans und einer einstellbaren zu detektierenden Objektgröße werden Störkörper wie Regentropfen oder Schneeflocken zuverlässig als solche erkannt und herausgefiltert. Zudem ist der R2000 in Schutzart IP67 ausgeführt und somit prinzipiell auch für Außenbereiche geeignet." Als technisches Herz kommt im Sensor die Pulse Ranging Technology (PRT) zum Einsatz, bei der eine hohe Anzahl einzelner Messungen in kurzer Zeit erfolgen: Mit bis zu 54.000 Impulsen/s und einer hohen Winkelauflösung erreicht der Sensor äußerst präzise Messergebnisse und detektiert quasi verzögerungsfrei die von ihm erfassten Fremdkörper. "Aus Sicherheitsaspekten ist das schnelle und genaue PRT-Verfahren die perfekte Wahl für unsere Anwendungen. Durch den 360°-Messwinkel kommen wir zudem mit einem einzigen Sensor aus und sparen so für unsere Endkunden Kosten ein", umreißt Greefrath die weiteren Vorteile des Sensors.

Industriesensorik trifft Ex-Schutz

Kürzlich trat ein Kunde mit dem Wunsch an Voortmann heran, eine auf dem R2000 basierende Absturzsicherung für Kesselwagen im Ex-Bereich der ATEX-Zone 1 einsetzen zu können. Dies ist eine echte Herausforderung, denn sowohl die Betriebsspannung des Sensors, als auch die von ihm ausgesendete optische und elektromagnetische Strahlung können potenzielle Zündquellen für explosionsgefährdete Atmosphären sein. Greefrath und Kollegen entwickelten die Idee, den Sensor in ein ATEX-zugelassenes Gehäuse einzubauen. "Da Pepperl+Fuchs nicht nur im Bereich der industriellen Sensorik, sondern auch im elektrischen Explosionsschutz international einen ausgezeichneten Ruf genießt, waren wir uns sicher, dass wir gemeinsam eine Lösung finden würden." Die Anforderung von Voortmann wurden mit sportlichem Ehrgeiz angenommen, wie Henning Hansen, Vertriebsingenieur Prozessautomation bei Pepperl+Fuchs erklärt: "Wir mussten hier ein kleines Paradoxon lösen: Wie kann ich ein optoelektronisches Gerät, das logischerweise eine freie Sichtlinie benötigt, um seinen Dienst zu verrichten, in eine Kompletteinhausung packen?" Diese zentrale Fragestellung beantwortete man, indem der R2000 per Haltewinkel in ein aus kupferfreiem und korrosionsresistentem Aluminium bestehendes Gehäuse der GUB-Serie montiert wurde. Dieses in der Zündschutzart Ex d (druckfeste Kapselung) ausgeführte Gehäuse verfügt über ein integriertes Sichtfenster, das es dem Sensor ermöglicht, sein Scanfeld unterhalb der Hebebühne aufzuspannen. Hierbei wurden eine Flachscheibe und ein um 15° zur Scheibe gekippter R2000 verwendet, wodurch sich eine Lichtbrechung und mögliche Streuung, die zu einem verfälschten Signal führen könnten, umgehen lassen.

Fazit

as durchgängige System kann sowohl für nicht explosionsgefährdete / explosionsgefährdete Bereiche - welches die Zonen 1 und 21 sowie 2 und 22 umschließt - und international eingesetzt werden. Zudem ist die Lösung im Bedarfsfall flexibel ausbaubar, etwa wenn aus klimatischen Bedingungen die Integration einer innenliegenden Heizung oder eines Membranstutzens zur Luftzirkulation gewünscht werden. "Die von uns entwickelte Absturzvorrichtung mit 2D-Lidar-Sensor ist die erste ihrer Art, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden kann", resümiert Greefrath. "Vergleichbare kundenindividuelle Lösungen, etwa druckfest gekapselte RFID-Schreib-/Leseköpfe oder Distanzsensoren, bieten wir bereits seit längerer Zeit an.

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