Absolutdrehgeber für die mobile Automation

Es ist zwar möglich, Maschinen ohne Anwendung der einschlägigen Normen in den Verkehr zu bringen; Hersteller müssen in diesem Fall jedoch nachweisen, wie sie zu der Aussage kommen, die Maschine sei sicher. Für normgerecht implementierte sichere Maschinen gilt dies nicht. Insbesondere Projektierer und Konstrukteure stehen somit vor enormen Herausforderungen: Wie kann man den Safety-Anforderungen in möglichst kurzer Zeit und mit überschaubarem Aufwand gerecht werden? Entsprechende Lösungen in Form von bereits zertifizierten Safety-Sensoren, die bereits erfolgreich in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, bietet die auf Absolutdrehgeber und Neigungssensoren mit Feldbusschnittstellen spezialisierte Posital GmbH. Diese eignen sich auch für den Einsatz in mobilen Maschinen, wo – ähnlich wie in der Fabrikautomation – zahlreiche Bewegungsabläufe erfasst, geregelt und überwacht werden müssen und wo z.B. in Krananwendungen und fahrbaren Hebebühnen ohnehin der Einsatz von sicherer Sensorik notwendig ist, da hier Produktnormen wie etwa EN13000 entsprechende Vorgaben treffen. Für die im mobilen Umfeld oft wesentlich anspruchsvolleren Umwelt- und Einsatzbedingungen (z.B. extrem hohe oder niedrige Temperaturen, starke Verschmutzungen und Hochdruckreinigungen) sind die Geräte passend ausgelegt. Rolle der Sensorik Bei der Fehlerbetrachtung in SIL-Anwendungen wird in der Regel ein Sensorik-Anteil von 35% angenommen. Dies allein ist Grund genug, Sensoren wie z.B. Drehgeber als Safety-Komponenten zu konzipieren. Darüber hinaus ist zu prüfen, ob in einem gesamten System ein SIL2-Level durch den Einsatz von zahlreichen SIL CL2-Komponenten umgesetzt werden kann, oder ob sogar auf SIL CL3-Geräte zurückgegriffen werden sollte. Posital bietet Absolutdrehgeber mit CANopen Safety-Schnittstelle sowohl in CL2- als auch CL3-Ausführung an. Vergleich: Sichere Absolutdreh-geber – Standardausführungen Im Vergleich mit redundant ausgelegten Standardprodukten reduzieren Safety-Drehgeber die umfangreichen Konstruktionsleistungen, die Maschinenbauer aktuell erbringen müssen. Leider herrscht häufig die irrige Annahme vor, dass durch Einsatz von gleichen, doppelt zu beschaffenden Standardprodukten und einen homogen redundanten Aufbau SIL-Level 2 oder 3 realisiert werden kann. Dies ist jedoch bei Software-basierten Standardprodukten ohne besondere Vorkehrungen nicht der Fall. Zudem werden auf diese Art häufig auch keine gemeinsamen Fehler (Common Cause Failure, CCF) abgedeckt, sodass Anwender gezwungen sind, spezielle, mit weiteren Kosten verbundene Maßnahmen zu ergreifen. Die vermeintliche Kostenersparnis durch den Einsatz von herkömmlichen Produkten wird durch den Engineering-Aufwand auf der Steuerungsseite jedoch erheblich überschritten. Hier bieten bereits SIL-zertifizierte Produkte erhebliche Vorteile. Der Kostenmehraufwand ist trotz intern redundantem Aufbau der Safety-Drehgeber nur ca. 1,6-mal so groß wie bei Standardprodukten. Anwender können mit Safety-Drehgebern daher schneller Projekte umsetzen, wodurch die Engineering-Phase kürzer ausfällt und indirekte Kosten beim Anlagenbauer reduziert werden. Berührungslose Messung: Magnetische Absolutdrehgeber mit SIL CL2 Absolutdrehgeber dienen in mobilen Maschinen zur Messung von Drehwinkeln oder linearen Bewegungen. Sie kommen z.B. bei Kranen im Drehkranz des Auslegers und bei der Erfassung der Winkelposition der einzelnen Kransegmente zueinander zum Einsatz, um die Raumposition zu bestimmen. Weitere Einsatzfelder sind die Drehwinkelüberwachung im Knickarm von Betonverteilermasten sowie die Positionierung von Stützelementen oder Bohrgestängen. Für solche Aufgaben hat Posital robuste und raumsparende Encoder entwickelt, die auf einem magnetischen Messprinzip basieren. Die hier beschriebenen Ausführungen erfüllen die Voraussetzungen von IEC61508 bzw. DIN EN62061 (SIL CL2) und DIN EN ISO13849 (PLd) und werden mit PELV (Protective Extra Low Voltage, Schutzkleinspannung) betrieben. Ihr weiter Eingangsspannungsbereich von 9 bis 35V ermöglicht zudem einen vielseitigen Einsatz, in Fahrzeugen mit 12V-Bordspannung ebenso wie im Schienenverkehr. Die magnetischen Drehgeber erreichen derzeit eine Auflösung von 12Bit und eine Genauigkeit von ca. 10Bit (+/-0,35°) je Umdrehung. Für viele Anwendungen reichen diese Werte aus. Wird eine höhere Präzision benötigt, kommen weiterhin optische Encoder, die eine maximale Auflösung von 16Bit bieten, zum Einsatz. Die magnetische Technologie bietet Anwendern zahlreiche Vorteile: Die Geräte sind äußerst robust, da die Messung berührungslos erfolgt. Zudem sind sie unempfindlich gegenüber Schocks und Vibrationen, Feuchtigkeit sowie starken Temperaturschwankungen und der damit verbundenen Kondensation. Gehäuseseitig ist Schutz bis IP69K, wellenseitig Schutz bis IP66 gewährleistet. Des Weiteren sind die Gehäuse mit zwei unterschiedlichen Durchmessern verfügbar: eine Variante mit 25mm Durchmesser für beengte Einbauverhältnisse und eine 58mm-Variante mit flachem Einbauraum. Durch Einsatz einer geeigneten Legierung ist das magnetisch abschirmende Stahlgehäuse auch gegen Salznebel geschützt. Aufbau des magnetischen Drehgebers Zwei Hall-Sensoren tasten den auf der Welle montierten Permanentmagneten ab und werden jeweils separat durch Microcontroller ausgelesen, wobei die Verrechnung der Werte intern erfolgt. Der ebenfalls redundant ausgeführte CAN-Controller ist über einen Transceiver an den CAN-Bus angebunden. Beide Microcontroller führen eine gegenseitige logische Programmablaufüberwachung durch. Zu den Diagnosefunktionen gehören die Erfassung der Temperatur im Sensor sowie die Ausgabe von Emergency-Meldungen über den CAN-Bus bei Erreichen von festgelegten Grenzwerten. Die Überwachung der Eingangsspannung ist ebenfalls Teil der Diagnose. Mit Hilfe von vier Hardware-Eingängen ist eine Konfiguration der Knotennummer des Sensors optional möglich, wodurch sich der Einbau bzw. Austausch von Geräten vereinfacht, da so keine Konfiguration mit Tools bzw. Verdrahtung mittels Point-to-Point-Verbindung notwendig ist. Optische Drehgeber mit SIL CL3 Mit den bereits Ende 2009 vom TÜV Rheinland zertifizierten optischen Safety-Drehgebern bietet Posital optische Messtechnik. Die Encoder sind nach IEC61508 bzw. DIN EN62061 (SIL CL3) und DIN EN ISO13849 (PLe) konstruiert und werden, wie die oben beschriebenen magnetischen SIL CL2-Ausführungen, mit Schutzkleinspannung betrieben. Die Drehgeber sind mit einer CANopen-Schnittstelle ausgestattet und unterstützen sowohl das CANopenSafety- als auch das Standard-CANopen-Protokoll. Ihre redundante Bauweise mit zwei Opto-Arrays und – in der Multi-Turn-Ausführung – zwei Getrieben soll hohe Zuverlässigkeit gewährleisten. Dabei sind die Geräte nur 16mm länger als die Standardmodelle. Wie alle optischen Drehgeber des Herstellers arbeiten auch die Safety-Modelle nach dem optoelektronischen Abtastprinzip. Ihre Single-Turn-Sensorik liefert eine Auflösung von maximal 16Bit pro Umdrehung. Bis zu 14Bit können zusätzlich im Multi-Turn-Modus erfasst werden, sodass insgesamt ein Messbereich von 30Bit abgedeckt wird. Die Positionserfassung wird zweikanalig und diversitär durchgeführt. Die erfassten Daten werden an einen CANopen Safety-Chip mit SIL3-Zertifikat übertragen. Im Chip werden die Positionsdaten mit zweikanaligen Auswertealgorithmen weiterverarbeitet, außerdem wird ein gegenseitiger Vergleich der Ergebnisse durchgeführt. Die CANopen-Anbindung erfolgt durch zwei CAN-Controller, die abwechselnd jeweils Bit-invertiert den sicheren Positionswert übertragen.