Zuverlässigkeit und Sicherheit: Winkelcodierer – vom Profibus zum Profisafe

Bei den Multitour-Winkelcodierern der C-Serie von TWK dient eine Codescheibe mit drehender Welle als Maßverkörperung in der ersten Stufe. Sie wird von einem Opto-Chip abgetastet und damit die jeweilige Winkelposition über einen Bereich von 360° erfasst, wobei Auflösungen von 2 bis 8.192 Schritte (1 bis 13Bit) je Umdrehung gewählt werden können. Weitere Umdrehungen werden von einem mechanischen Getriebe stufenweise aufgenommen. Die einzelnen Getrieberäder werden ebenfalls opto-elektronisch abgetastet. Für einen Messbereich von 4.096 (12Bit) Umdrehungen ergibt sich eine Kapazität von maximal 25Bit. Nach einer Spannungsunterbrechung steht der jeweilige Positions-Istwert wieder als absolute Größe zur Verfügung. Der mechanische Aufbau der Winkelcodierer der C-Serie besteht aus einem robusten Gehäuse mit 65mm Außendurchmesser in seewasserbeständigem Aluminium oder in Edelstahl. Doppelkugellager und Verstellwelle sind für axiale und radiale Belastungen bis 250N ausgelegt. Schutzarten bis IP66 werden gewährleistet. Zum elektrischen Anschluss dient eine abnehmbare Haube mit T-Kopplerfunktionalität und Einstellmöglichkeit für die Stationsadresse und für die Bus-Abschlusswiderstände. Sonderbauformen, z.B. mit Klemmwelle und Drehmomentstütze zum freitragenden An­bau an Motoren oder Stellglieder, sind lieferbar. Für den Einsatz an Tiefbohrgeräten in Sibirien wurde eine Gehäusegröße mit 105mm Durchmesser gewählt. Zur Gewährleistung der Funktion bis -40°C Außentemperatur sorgt eine integrierte Heizung mit eigenem Steckeranschluss. Die Arbeitsdrehzahl wurde für 2.500min-1 ausgelegt. Die zusätzliche Erfassung der Drehgeschwindigkeit erfolgt auf der Zeitbasis von 10ms. Intelligente Software erfüllt Safety-Funktionen Die Winkelcodierer der Varianten CRD/S sind zum direkten Anschluss als Slave-Teilnehmer an den Profisafe gemäß dem Profisafe-Profil für Safety Technology nach No. 3.092 oder 3.192 (PNO) konzipiert. Das Encoder-Protokoll ist nach No. 3060 (PNO) ausgelegt. Erforderlich ist gleichzeitig der Einsatz einer externen Auswerteeinheit, die das Profisafe-Protokoll für Distributed Safety unterstützt. Zur Einstufung entsprechend SIL2 sind eine Reihe von Überwachungsfunktionen implementiert. Dazu gehören u.a. die Überwachung der Controllerfunktion (Speichertest und CRC-Prüfung der Parameter), Überwachung des Programmablaufs durch Implementierung von inversen Funktionen für sicherheitskritische Programmabläufe, die Prüfung der Codepositionen der ersten Stufe, indem Impulse bei den Schrittwechseln zusätzlich generiert werden (Bewegungserkennung) sowie die Überwachung des Umdrehungszählers durch paralleles Zählen der Monotour-Nullübergänge und anschließenden Vergleich mit der Multitourabtastung. Schließlich werden Spannungsversorgung und Stromaufnahmen sowie Takt und Timer zusätzlich überwacht. Bei den Geräten mit Profisafe-Interface wird zwischen den Positionsparametern der Winkelcodierer und den Überwachungsparametern, den F-Parametern, unterschieden. Zu den Positionsparametern zählen: – Auflösung: max. 8.192 Schritte/360° – Gesamtschrittzahl: max. 2²5Bit – Coderichtung: CW oder CCW – Skalierung: Freigabe spezifischer Werte für Auflösung und Gesamtschrittzahl – Zusätzlich: Geschwindigkeitssignal Sie unterscheiden sich von folgenden F-Parametern: – F_Prm_Flag1,2 (Parameter) – F_Source_Add (Adresse) – F_Dest_Add (Adresse) – F_WD_Time (Watchdog) – F_Par_CRC (CRC) Geschwindigkeitswerte stehen zur Verfügung In vielen Anwendungsfällen hat sich die Ausgabe eines Geschwindigkeitssignals als zweckmäßig gezeigt. Dabei werden die Digits mit einer Zeitbasis von 10 (100)ms erfasst und als 16Bit-Wert als Inputdaten gemeinsam mit dem Positionsistwert und den F-Parametern auf den Bus gesendet. Der Geschwindigkeitswert ist ein sicherheits-relevanter Wert und mit den entsprechenden Kennwerten für die Wahrscheinlichkeit eines gefahrbringenden Fehlers pro Stunde (PFH), den Anteil ungefährlicher Ausfälle (SFF) und Hardwarefehlertoleranzen (HFT) ausgewiesen. Er kann z.B. zur Detektierung der Bewegung der Antriebseinheit genutzt werden und steht als zusätzliche Information für die Applikation zur Verfügung. Die Input-Daten für Positionswert, Geschwindigkeitswert und für die F-Parameter werden als Datenframe auf den Bus ausgegeben. Die Output-Daten umfassen neben dem Control-Bit für den Referenzwert den Referenzwert selbst und die F-Daten. Implementierung der Profisafe-Software in weitere Drehgeber Auf dem Entwicklungsprogramm steht die Implementierung der Profisafe Software in die elektromagnetische Winkelcodierer der Modellreihe TRD. Zu deren Merkmalen zählen eine kleinere Bauform mit 50mm Gehäusedurchmesser, höhere Schutzarten bis IP69K, ein Arbeitstemperaturbereich von -40 bis +85°C und die Verwendungsfähigkeit unter Wasser bis 200m Tiefe. Die Modellreihe findet mit dem Profibus-Interface ebenfalls seit einigen Jahren in Maschinen und Anlagen Verwendung.