Bewegungen stets im Blick: Neigungssensoren und Absolutdrehgeber für mobile Maschinen

Bei mobilen Maschinen, wie z.B. Kranen oder Hebebühnen, müssen wie in der klassischen Fabrikautomation zahlreiche Bewegungsabläufe erfasst, geregelt und überwacht werden. Der Automatisierungsgrad ist in beiden Bereichen vergleichbar. Sensoren, die sich in herkömmlichen industriellen Umgebungen bewährt haben, können auch in mobilen Maschinen angewendet werden – allerdings müssen sie passend für die hier oft wesentlich anspruchsvolleren Umwelt- und Einsatzbedingungen ausgelegt sein. Die Posital GmbH, die sich auf die Entwicklung und Produktion von Absolutdrehgebern und Neigungssensoren spezialisiert hat, bietet eine Vielzahl von Spezialsensoren für die mobile Automation, die bereits erfolgreich in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden. Erschwerte Einsatzbedingungen Sensorik für mobile Maschinen muss in vielerlei Hinsicht überaus robust ausgelegt sein. Mobile Maschinen von namhaften Herstellern werden weltweit in verschiedensten Klimazonen eingesetzt – alle eingesetzten Komponenten müssen daher bei Außentemperaturen zwischen -40 und +85°C zuverlässig funktionieren. Mit dem Outdoor-Einsatz gehen zudem oft starke Verschmutzungen durch Staub, Sand oder Schlamm einher. Nicht selten müssen die Maschinen zudem selbst Hochdruckreinigungen standhalten – daher werden höchste Anforderungen an den IP-Schutz gestellt. Weitere Schlüsselanforderungen, speziell bei Maschinen wie Bohrlochsprengwagen, Schlagrammen oder Bohrantrieben, sind Schock- und Vibrationsfestigkeit. Hinzu kommt, dass die Sensoren schnell und einfach zu integrieren sein sollten, damit der Anschluss und ggf. Austausch vor Ort keinerlei Probleme bereitet. Neigungssensoren In zahlreichen mobilen Anwendungen ist es notwendig, Winkel oder Neigungen zu erfassen, um die sichere Funktion von Maschinen zu gewährleisten. Beispiele hierfür sind u.a. die Nivellierung von Fahrzeugen (Kippwinkelüberwachung), der Betrieb von mobilen Plattformen auf Fahrzeugen und die Überwachung von Kranauslegern sowie -stützen. Bei den ausfahrbaren Stützen ist eine Winkelüberwachung erforderlich, um gegebenenfalls das Nachgeben von weichem Untergrund zu erfassen und über die Steuerung einen sicheren Zustand herzustellen. Neigungssensoren bieten im Vergleich zu Drehgebern zahlreiche Vorteile: Zum einen werden Neigungswerte direkt erfasst, d.h. ohne mechanische Kopplung mit Antriebselementen. Zum anderen vereinfacht die Erfassung von mehreren Achsen mit nur einem Sensor in manchen Fällen den konstruktiven Aufwand gegenüber anderen Lösungen, z.B. durch die Einsparung von Montageaufnahmen und Kupplungen. Hierfür hat Posital die Accelens-Serie im Programm: Die Neigungssensoren sind mit kapazitiven Sensorzellen ausgerüstet, die auf MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems) basieren. Ein integrierter A/D-Wandler erlaubt die Erfassung von bis zu 150 Messpunkten je Sekunde – dies sorgt für eine effektive Filterung von Vibrationen und Stößen und minimiert die Einschwingzeit. Die Geräte mit einem Messbereich von ±80° bzw. 360° erhältlich und bieten eine Auflösung von 0,01°. Neben einer CANopen-Schnittstelle stehen auch eine analoge, SSI- oder RS232-Anbindung zur Auswahl. Vor kurzem wurde die Accelens-Familie um die Baureihe ACS II ergänzt, die mit Schutzart IP69K (Hochdruckreiniger) und einer höchst kompakten Bauform auch widrigen Umgebungsbedingungen trotzt und sich optimal für den Einsatz in mobilen Maschinen eignet. Die neuen Sensoren sind für einen weiten Temperaturbereich (-40 bis +85°C) konzipiert. Sie bieten eine Schockfestigkeit bis 100g und eine Vibrationsfestigkeit bis 10g. Die konstruktiv einfach ausgelegten Geräte eröffnen Anwendern erhebliche Einsparpotenziale. Magnetische Absolutdrehgeber Absolutdrehgeber dienen in mobilen Maschinen zur Messung von Drehwinkeln oder linearen Bewegungen. Sie kommen z.B. bei Kranen im Drehkranz des Auslegers zum Einsatz. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind die Drehwinkelüberwachung im Knickarm von Betonverteilermasten sowie die Positionierung von Stützelementen oder Bohrgestängen. Lineare Wegmessungen erfolgen mittels Seilzugvorsätzen beispielsweise bei Teleskopauslegern in mobilen Kranen oder Arbeitsbühnen. Für solche Aufgaben hat Posital robuste Encoder im Programm: In den magnetischen Absolutdrehgebern der Baureihe Magnetocode (MCD) dient eine Wiegandsensorik, die unabhängig von der Geschwindigkeit einer Drehbewegung energiereiche Spannungsimpulse erzeugt, dazu, absolute Positionen zuverlässig zu messen. Die Zählelektronik befindet sich dabei im Normalfall im spannungslosen Zustand. Wenn ein Spannungsimpuls erzeugt wird, wird sie kurzzeitig aktiviert, wertet die Drehrichtung aus und inkrementiert oder dekrementiert entsprechend die gespeicherte Anzahl der Umdrehungen. Störungen im spannungslosen Zustand können das System daher nicht beeinflussen. MCD-Drehgeber erfassen eine Umdrehung mit einer maximalen Auflösung von 12 Bit und können zusätzlich bis zu 15 Bit für die Umdrehungszählung abdecken. Sie sind außerdem als MDW-Ausführung mit integriertem Seilzugvorsatz für die direkte lineare Längenmessung erhältlich. Diese Modelle können durch ihre kompakte Bauform z.B. bei der Höhenmessung in Hubarbeitsbühnen oder in den Stützauslegern von mobilen Kranen und Arbeitsbühnen eingesetzt werden. Je weiter die Stützen ausgefahren sind, desto weiter kann der Ausleger ausgefahren und desto mehr Gewicht kann bewegt werden – durch die exakte Überwachung der ausgefahrenen Stützen wird daher auch bei beengtem Stellplatz für die Fahrzeuge ein sicherer Arbeitsbereich gewährleistet. Die verschleißfesten MDW-Drehgeber messen die Wegstrecke magnetisch und berührungslos mit einer Auflösung von 35µm. Die Länge als Messwert steht zur digitalen Weiterverarbeitung sofort zur Verfügung; die sonst übliche ungenaue Analog-/Digitalwandlung entfällt. Darüber hinaus sind MCD-Encoder auch als Heavy-Duty-Ausführungen aus Edelstahl erhältlich, die Schutz bis IP69K bieten und Achslasten bis 300 sowie Erschütterungen bis 300G standhalten. Diese Modelle können in rauen Umgebungen wie etwa in Bohrlochsprengwagen eingesetzt werden; außerdem widerstehen sie – z.B. in Hafenanwendungen – auch Salzwasser. Die magnetische Technologie bietet sich Anwendern zahlreiche Vorteile: Die Geräte sind äußerst robust, da eine berührungslose Messung erfolgt, und fallen dank der bewährten Wiegand-Technologie äußerst kostengünstig aus – Getriebe und Batterie zur Speicherung der gemessenen Umdrehungen werden nicht benötigt. Zudem sind die Drehgeber unempfindlich gegenüber starken Schocks und Vibrationen, Feuchtigkeit sowie starken Temperaturschwankungen und der damit verbundenen Kondensation – letztere kann im Außeneinsatz bei plötzlichen starken Gewittern oder nach dem Einsatz von Hochdruckreinigern schnell auftreten. Optische Safety-Drehgeber mit SIL CL 3 Mit den vom TÜV Rheinland zertifizierten Safety-Drehgebern der Baureihe Optocode bietet Posital zudem optische Messtechnik zur Überwachung von Drehwinkeln bzw. linearen Bewegungen. Im Vergleich mit redundant ausgelegten Standardprodukten reduzieren die Drehgeber den enormen Engineering-Aufwand, der Maschinenbauern aktuell entsteht: Bis Ende 2011 müssen Anlagen gemäß der neuen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG überarbeitet werden. Vielfach besteht noch die irrige Annahme, dass durch Einsatz von gleichen Standardprodukten und einen homogen redundanten Aufbau SIL-Level 2 oder 3 realisierbar ist. Dies ist jedoch bei Software-basierten Standardprodukten ohne besondere Maßnahmen nicht der Fall. Hier bietet ein bereits SIL-zertifiziertes Produkt erhebliche Vorteile. Der Kostenmehraufwand ist trotz intern redundantem Aufbau der Safety-Drehgeber nur 1,6-mal so groß wie bei Standardprodukten. Anwender können mit den Safety-Drehgebern daher schnell und kostengünstig Projekte direkt realisieren. Darüber hinaus können die Encoder parallel zum Safety-Positionswert auch einen Positionswert über das Standard-CAN­open-Protokoll versenden, es ist also ein gleichzeitiger Mischbetrieb von CAN­open und CANopen Safety möglich.