Intelligent messen

Sensoren – Neue Winkelcodierer und Neigungssensoren mit CANopen-Safety-Protokoll und Profibus Interface eignen sich für sicherheitsrelevante Einsätze nach SIL 2 in der Hebe- und Fördertechnik.

17. Oktober 2008

Mit der Komplexität automatischer Steuerungssysteme wachsen auch die Forderungen nach hoher Zuverlässigkeit der eingesetzten Sensorik. Dies gilt besonders für Anlagen der Hebe- und Fördertechnik, bei denen interaktive Betriebsabläufe mehrerer Funktionseinheiten stetig aufeinander abgestimmt und überwacht werden müssen. Zum Erfassen von Drehungen, Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Neigungswinkeln und Positionen werden daher Winkelcodierer und Neigungssensoren eingesetzt. Diese müssen die Vorschriften für sicherheitsrelevante Anlagen und Maschinen erfüllen. Hierfür bieten sich zwei Produkte an, die auf dem Sicherheitslevel SIL 2 nach EN 61508 basieren.

Die neuen Winkelcodierer der T-Serie sind mit elektromagnetischen Sensorsystemen bestückt. Besonderheit: Die Messwerterfassung erfolgt berührungslos. Ein kleiner Permanentmagnet aktiviert Hall-Elemente in einem ASIC und generiert dadurch jeweils ein Sinus- und Cosinussignal. Durch Interpolation werden maximal 13 Bit erzeugt. Über verschiedene Schnittstellen stehen dann digitale oder analoge Messwerte am Ausgang zur Verfügung. In Gehäuseform werden die Winkelcodierer als Standardausführungen mit 50 oder 58 Millimeter Durchmesser geliefert. Für spezielle Anwendungen sind auch abgewandelte Versionen verfügbar. Die Aktivierung erfolgt durch eine externe Magnetnabe, die mit dem Messobjekt verbunden ist.

Nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeiten die Winkelcodierer TMN und die Bausätze TKN. Diese sind mit zwei voneinander getrennten Elektronikschaltungen komplett bestückt. So ist ein redundanter Aufbau mit zwei unabhängigen Knoten realisiert. Beide Knoten liefern Positions- und Geschwindigkeitsdaten mit dem CANopen- Safety-Protokoll. Als eine zusätzliche Redundanz zur Überprüfung des Positionswertes steht ein Geschwindigkeitsmesswert zur Verfügung, der zusammen mit dem Positionswert ausgegeben wird.

Als autonomes Bauelement in Platinenform oder in einem robusten Gehäuse sind die Neigungssensoren NKN und NBN lieferbar. Sie erfassen zwei Messachsen jeweils in einem Bereich von ± 90 Grad. Als Sensorelement dienen MEMS-Schaltkreise mit nachfolgender Digitalisierung und Linearisierung durch Micro-Controller. Zwei voneinander unabhängige Kanäle führen zum CANopen-Bus. Durch Implementierung des CANopen-Safety-Protokolls erfolgt die Realisierung entsprechend SIL 2 nach IEC 61508. In einer zweiten Version sind die Neigungssensoren mit einem oder zwei analogen Strom- oder Spannungsausgängen lieferbar. Bei allen Versionen können Parameter wie Nullpunkt, Presetwert und Signalverlauf anwenderseitig eingestellt werden.

Profisafe-Sensor

Bei Winkelcodierern der C-Serie 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 Grad erfasst, wobei Auflösungen von 2 bis 8.192 Schritte (1 bis 13 Bit) je Umdrehung gewählt werden können. Weitere Umdrehungen werden von einem mechanischen Getriebe stufenweise aufgenommen. Die einzelnen Getrieberäder werden ebenfalls optoelektronisch abgetastet. Für einen Messbereich von 4.096 (12 Bit) Umdrehungen ergibt sich eine Kapazität von maximal 25 Bit. Nach einer Spannungsunterbrechung steht der Positionswert wieder als absolute Größe zur Verfügung. Im Betriebs wird über die zyklisch eingelesenen Positionsdaten ein Geschwindigkeitsmesswert ermittelt. Die beschriebenen Winkelcodierer sind zum direkten Anschluss als Slave an den Profisafe gemäß Profisafe-Profil konzipiert. Für den sicherheitsrelevanten Einsatz ist eine Reihe von Überwachungsfunktionen implementiert. So wird die Einstufung entsprechend SIL 2 realisiert Dazu gehören die Überwachung der Controllerfunktion, Überwachung des Programmablaufs durch Implementierung von inversen Funktionen für sicherheitskritische Programmabläufe, die Prüfung der Codepositionen der ersten Stufe und die Überwachung des Umdrehungszählers durch paralleles Zählen der Monotour-Nullübergänge und anschließender Vergleich mit der Multitourabtastung. Schließlich werden noch die Spannungsversorgung und die Stromaufnahmen sowie Takt und Timer überwacht. Für die Einstufung nach SIL 2 beträgt die zulässige Drehzahl 1.000 U/min. Erforderlich ist gleichzeitig der Einsatz einer externen Auswerteeinheit, die das Profisafe-Protokoll unterstützt.

Fakten

TWK-Elektronik liefert seit über 40 Jahren Messwertaufnehmer und Sensoren zum Erfassen und Messen von Dreh- und Neigungswinkeln, Wegen und Positionen. Verwendet werden elektrooptische, elektromagnetische, magnetostriktive, induktive und potenziometrische Sensortechnologien.

Eingesetzt werden die Produkte im Maschinen- und Anlagenbau, bei der Energieerzeugung sowie in der Regel- und Messtechnik.

Erschienen in Ausgabe: 07/2008