Weg- und Winkelsensorik für Windkraft- & Solaranlagen: Sensorik im CANopen-Bus ermittelt optimale Position

Ob in Turm- oder Portalkranen, stationären und mobilen Maschinen, in Windkraft- und Solaranlagen – überall werden Winkelcodierer, Wegaufnehmer und Neigungssensoren mit CAN­open-Schnittstellen eingesetzt. Kompakte, robuste mechanische Bauformen, Schutzarten bis IP69K und Ausführungen in Edelstahl ermöglichen die Verwendung auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Als Rückmelder für Positionen und Bewegungen sind sie zuverlässige Teilnehmer bei der Automatisierung komplexer mechanischer Aggregate. Zum Einsatz im sicherheitsrelevantem Bereich, wenn Gefahren für Mensch und Umwelt vermieden werden müssen, werden Winkelcodierer und Neigungssensoren mit CANopen-Safety-Schnitt­stellen eingesetzt, die vom TÜV SIL2 zertifiziert sind. Prinzip der CANopen-Schnittstelle Der CANopen-Bus ist nach dem \’master-slave relationship\‘ aufgebaut. Innerhalb des Bussystems erfüllt immer ein Gerät, meistens die zentrale Steuerung, die Aufgabe des Masters für eine bestimmte Aufgabe. Alle anderen Teilnehmer, z.B. die peripheren Sensoren und Aktoren, agieren innerhalb des Netzwerkes als Slaves. Die heute verfügbaren CANopen-Sensoren sind so ausgelegt, dass sie je nach vorgegebener Betriebsart (mode) ihren Positionswert zyklisch oder azyklisch ohne Aufforderung an den Master senden. Die im Folgenden beschriebenen Winkel-, Weg- und Neigungssensoren sind alle nach dem CiA Draft-Standard 301 auf-gebaut und können als Class-2 Teilnehmer im CANopen-Netz eingesetzt werden. Die in den Aufnehmern implementierte Software ermöglicht die Programmierung verschiedener Parameter, die im \’object dictionary\‘ abgelegt sind. So können z.B. der Messbereich und die Signalrichtung bei Rechts- oder Linkslauf eines Winkelcodierers oder bei Einzug oder Auszug eines Wegaufnehmers über den Bus geändert werden. Induktiv und magnetostriktiv Wesentlicher Gesichtspunkt bei der Implementierung der CANopen-Schnittstelle in kleine Gehäuse ist die geringe Baugröße der CAN-Controller und die Abwesenheit aufwendiger Beschaltung. Diese Merkmale ermöglichen es, die CANopen-Schnittstelle auch in induktive Wegaufnehmer IW zu integrieren. In einem Gehäuserohr von nur 25mm Außendurchmesser sind neben den zwei Spulen, die als Halbrücken ausgelegt sind, die gesamte Elektronik untergebracht. Lieferbar sind diese Wegaufnehmer für Messhübe bis 360mm in verschiedenen mechanischen Versionen, z.B. auch als Taster mit Rückholfeder oder mit Kugelgelenken zur vertikalen Befestigung. Für Messhübe von 25 bis 7.600mm sind magnetostriktive Wegaufnehmer ausgelegt. Die Version mit runder Messstange und Magnetringen eignet sich zum Einbau in Hydraulik- und Pneumatikzylinder. Sie ist druckfest bis 350bar. Bei der Ausführung im Profilgehäuse läuft der Permanentmagnet in einem seitlichen Schlitten, der über eine Kugelstange mit dem Messobjekt zu verbinden ist. Arbeitsbereich, Presetwerte und vier Grenzwerte können über den CANopen-Bus programmiert werden. Redundantes CANopen-Interface Bei den Neigungssensoren der Modellreihe NBN werden als Sensorelement MEMS-Schaltungen eingesetzt. In Form mikro-elektro-mechanischer Strukturen werden Doppelkapazitäten gebildet, deren Werte sich bei einer Beschleunigung im Gravitationsfeld der Erde verändern. Elektronische Folgeschaltungen konvertieren die Veränderung in proportionale Neigungswinkel. In zwei voneinander unabhängigen Kanälen erfolgt die Aufbereitung der Messwerte und die Weitergabe an zwei Controller zur Einbindung in das CANopen-Netz. Das Protokoll ist nach CiA Draft-Standard 410, Version 1.2 \’Device profile for inclinometers\‘ ausgelegt. Drei Messachsen für Winkel bis ±90°, auch unsymmetrisch, stehen zur Verfügung. Elektro-optisch und -magnetisch Zur Winkel- und Positionsmessung sind die elektro-optische Winkelcodierer der Modellreihen CRN/KBN ausgelegt. Ihre Auflösung beträgt bis zu 16Bit/360°, ihr Messbereich bis zu 4.096 Umdrehungen. Angeschlossen werden sie über eine rückseitige Haube, die einen Dipschalter zur Einstellung der Datenrate von 20kBaud bis 1MBaud und zur Wahl der Knotenadresse enthält. In Kombination mit Seilzügen, Zahnriemen oder Zahnstangen können translatorische Bewegungen bis zu 100m erfasst werden. Kompakte Bauform bei gleichzeitiger hoher Widerstandsfähigkeit gegen Schock, Vibration, Feuchte und aggressive Medien waren die Leitlinien bei der Entwicklung elektro-magnetischer Winkelcodierer der T-Serie. Sie sind mit Hall-Elementen und einem oder mehreren kleinen Permanentmagneten aufgebaut. Dabei sind der rotierende Teil in der Vorkammer und die Elektronik in der Hauptkammer durch eine Metallwand getrennt. Durch Verguss der Hauptkammer und Dichtungen der Vorkammer wird somit eine hohe Sicherheit gegen Schock, Erschütterungen und Feuchte erreicht. Schutzarten bis IP69K und Ausführungen in Edelstahl machen auch den Einsatz unter Wasser möglich. Die besonderen Konstruktionsmerkmale dieser Serie erlauben die Anpassung an anwenderspezifische Einbauverhältnisse. Sie sind in verschiedenen mechanischen Bauformen und Gehäusedurchmessern von 25 bis 65mm lieferbar. Bootloader-Funktionalität Mittels einer neuen, erweiterten Bootloader-Funktionalität können Softwareänderungen auf der bestehenden Hardwareplattform der T-Serie vorgenommen werden – sei es zur Fehlerbehebung oder zur Erweiterung des Funktionsumfanges. Dazu wird über einen PC mit CAN­open-Interface ein neuer Programmcode übertragen. Dabei ist der PC parallel zum bestehenden CAN-Bus-System geschaltet. Der Bootloader im Controller des Winkelcodierers programmiert den Flash-Speicher mit dem neuen Programmcode. Das Bootloaderprogramm ist passwort-geschützt, sodass nur autorisierten Anwendern der Zugang ermöglicht wird. Der neue Programmcode ist sowohl für den Standard-Bus als auch für die CANopen-Safety-Version verfügbar. SIL2-zertifiziert Mehrere Modelle der T-Serie und die Neigungssensoren NBN sind nach der ICE-Norm 61508 und dem CiA Draft-Standard 304, Version 1.0.1 \’CANopen Framework for safety-relevant communication\‘ ausgelegt und vom TÜV SIL2 zertifiziert. Sie werden dort eingesetzt, wo durch fehlerhaftes Verhalten von Maschinen und Anlagen Gefahren für Mensch und Umwelt auftreten könnten. Permanente Überwachung des Safe-Zustandes Voraussetzung für die Zertifizierung ist ein zuverlässiges Sensorsystem mit redundantem Aufbau und die Kommunikation auf Basis sicherer Steuerungen. Dabei bilden Sensor und Kommunikation eine Einheit und dürfen nicht losgelöst voneinander betrachtet werden. Die Zielfunktionen bestehen darin, alle möglichen Fehler zu erkennen und auf einem vorhersagbaren, sicheren Weg zu reagieren. Die Überwachung des \’Safe-Zustandes\‘ muss permanent und die Reaktion innerhalb einer bestimmten Zeit erfolgen. Zur Realisierung dieser Bedingungen sind in den Winkelcodierern und Neigungssensoren zwei getrennte Sensorsysteme implementiert. Beide verfügen über eine eigene Versorgung und Signalaufbereitung. Diese wird zu je einem Bus-Knoten geführt. Zwei Knoten und zusätzliche Optionen Um den Anwendern die Handhabung des redundanten Aufbaues zu erleichtern, verhalten sich die zwei Knoten zu einander wie logisch ein Knoten. Das heißt, wenn der Anwender Parametrierungen vornimmt, braucht er nur den Master-Knoten zu parametrieren. Über die implementierte UART-Schittstelle (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) unterhalten sich die zwei physikalisch vorhandenen Knoten. Somit wird dann der Slave-Knoten automatisch mit parametriert. Es werden die Positions-Istwerte der Winkelcodierer sowie ein Geschwindigkeitssignal zur Bewegungsdetektierung übertragen. Das Gleiche gilt für die Positionswerte der Neigungssensoren. Das Geschwindigkeitssignal wird auf Basis \’Schritte/Torzeit\‘ berechnet. Die Torzeit kann bei der Werksprogrammierung variabel gestaltet werden. Praktische Erfahrungen in Zusammenarbeit mit Anwendern haben dazu geführt, weitere Optionen basierend auf dem Standard DS304 bereitzustellen. Dazu gehören z. B. das Abschalten der UART nach erfolgter Werksprogrammierung, das Hinzufügen zusätzlicher CRC-Berechnungen bzw. Zeitstempel (Counter), Toggle-Bits und die Überprüfung des Gleichlaufverhaltens zwischen Sensor 1 und 2, wobei zwischen statisch und dynamischen Forderungswerten unterschieden wird.