Safety first!

Sensorik

Sicherheitssensoren – Sensorik und Sicherheit liegen eng zusammen. So nimmt es kein Wunder, dass der Anbieter TWK zahlreiche Ausführungen für Sicherheitsanwendungen im Programm hat.

01. Juni 2017

Mit dem Motto »Safety Last!« hat Harold Lloyd in den 1920er-Jahren in seinem gleichnamigen Film eine Hochhausfassade erklommen. Er kam oben an – aber auch haarscharf an der Katastrophe vorbei. Also doch lieber Safety First: So sollen Maschinen, Anlagen und Arbeitsgeräte heute ausgelegt sein, damit niemand zu Schaden kommt. Die Zeiten, in denen Menschen beim Umgang mit Maschinen verletzt wurden oder sogar ums Leben kamen, sind Vergangenheit – Sicherheit als wesentlicher Aspekt tritt schon bei der Planung in den Vordergrund.

Dies geschieht aufgrund gesetzlicher Vorgaben und noch wichtiger aufgrund der Einsicht, dass ohne Kollateralschäden gearbeitet werden muss und auch kann. Nicht zuletzt ergibt sich daraus ein deutlicher Wettbewerbsvorteil der Maschinenhersteller, die Anlagen mit diesem Anspruch anbieten können, wobei sich die Sicherheitsthematik auf jede Komponente bis zur Schraube herunterbricht.

Heutzutage geht das nicht mehr ohne Sensoren, wie sie zum Beispiel TWK in seinem großen Sortiment anbietet und die unter anderem Winkel und Wege messen. Das Unternehmen hat schon früh die Bedeutung der Sicherheit erkannt und kann deshalb auf viel Erfahrung zurückgreifen und bewährte Produkte zur Verfügung stellen. Zu der bekannten Robustheit bei TWK gesellt sich darum zunehmend der besondere Sicherheitsaspekt.

Stabilität für Kräne

Zuerst kamen Drehgeber mit SIL2-Klassifizierung, die vor allem in mobilen Maschinen Verwendung finden. Zum Beispiel muss die Position von Auslegerarmen bei Kranen erfasst werden, um einerseits bestimmte Positionen exakt und zügig anzufahren und um andererseits sicherzustellen, dass definierte Maximalpositionen nicht überschritten werden. Sonst bestünde die Gefahr, dass der Kran instabil wird und kippt.

So misst der Sensor etwa den Winkel an der Übergangsstelle vom Unterwagen zum Ausleger und auch an den Knickarmen weiter oben im Ausleger. Im ersten Fall kann man über ein Zahnrad einen Drehgeber an den meist vorhandenen Zahnkranz ankoppeln und die Auslegerposition erfassen. Hier bietet TWK Safety-Drehgeber an, die auf Wunsch mittels des speziellen Drehkranz-Algorithmus immer den exakten Stellungswinkel des Auslegers in Grad liefern, egal wie oft er in ein und derselben Richtung gedreht wird.

Flanscht man den Geber mit dem spielfreien Zahnrad ZRS an, liegt auch bei geringsten Vor- und Zurückbewegungen immer die bitgenaue Position vor. TWK liefert auch Zubehör wie besondere Flanschausführungen und Wellenankopplungen sowie zusätzliche sichere Relais-Schaltausgänge.

Normen erfüllen

Safety umfasst bestimmte Kriterien, die in Normen und Richtlinien wie der IEC 61508 und der Maschinenrichtlinie EN ISO 13849 formuliert sind. Beispiele sind die Wahrscheinlichkeit eines gefahrbringenden Fehlers, die nicht überschritten werden darf, Diagnosedeckungsgrad oder Fehlerroutinen.

TWK-Sensoren sind mit der entsprechenden, zum Teil redundanten Elektronik ausgestattet, um diese Kriterien zu erfüllen. Entscheidend sind aber auch die Software-Algorithmen, die eine permanente Selbstüberwachung von Hard- und Software im Sensor vornehmen und somit Fehler erkennen und über die Schnittstelle zur Steuerung übermitteln. Der Sensor kann so einen sicheren Zustand einnehmen.

Soll ein Safety-Sensor parametriert werden, ist dieses nur unter Einhaltung des Sicherheitsprotokolls möglich: Neben den Parametern sind Checksummen an den Sensor zu senden und Valid-Flags zur nachfolgenden Aktivierung zu setzen. Die Übertragung der Messwerte an den Master ist ebenfalls abgesichert, beispielsweise durch eine zusätzliche bitinvertierte Übertragung. Die SIL-Sensoren von TWK unterstützen digitale Schnittstellen wie CANopen Safety, Profisafe oder Failsafe over Ethercat.

Eine weitere Möglichkeit, den Sicherheitsaspekt bei Sensoren zu erhöhen, ist, sie vollredundant aufzubauen. Sie umfassen je zweimal Positionserfassung und Verarbeitung im Sensor sowie die Ausgabe durch zwei Schnittstellen. Diese Vorgehensweise ist aber im Sicherheitskonzept des Anwenders zu berücksichtigen.

Schwingungen erfassen

Nicht immer aber führen Drehgeber zum Ziel. Wenn stattdessen die Erfassung von Neigungswinkeln im Schwerefeld der Erde oder – im Rahmen eines Condition-Monitorings – Schwingungen und Vibrationen zu messen sind, kommen MEMS-basierte Sensoren zum Einsatz.

Denn mobile Maschinen, Kräne oder Betonpumpen müssen am Einsatzort ausgerichtet oder nivelliert werden. Ein TWK-Neigungssensor vom Typ NBN/NBT am Unterwagen, der in x- und y-Achse messen kann, ermittelt die korrekte Horizontalausrichtung des Krans. Anschließend kann der Ausleger in Betrieb genommen werden: Über einen 1-Achs-Neigungssensor lässt sich die vertikale Neigung zusammen mit dem Drehwinkel heranziehen, um die Position eines Korbes zu bestimmen. Wenn der Ausleger teleskopierbar ist, hilft bei der Längenmessung ein sehr kompakt bauendes Seilzugmesssystem mit integriertem SIL-Drehgeber vom Typ NOCN125-D.

Ein wichtiger Aspekt der Sicherheit ist auch die Messung von Schwingungen. Hierfür bietet TWK-Elektronik den Schwingungssensor NVA115 an. Dieser SIL2-Sensor kann in einem Bereich von 0,1 bis 60 Hertz – auf Wunsch selektiert in unterschiedliche Bänder – Beschleunigungen bis zu mehreren g messen, an die Steuerung übermitteln und auch bewerten.

Bewerten heißt hier, eine wählbare Verarbeitung der g-Werte dazu zu nutzen, mit den SIL2-Schaltausgängen des NVA Fehler zu erkennen, eine Sicherheitskette zu unterbrechen und zum Beispiel eine Windkraftanlage herunterzufahren, wenn Grenzwerte überschritten werden. Die zwei Relais-Schaltausgänge des Sensors sind dazu jeweils mit zwei Relais bestückt, um sicher abzuschalten. Der NVA geht dann als Aktor in einen sicheren Zustand über.

Schnittstellen integriert

Neben dem Safety-CAN Interface sind noch zwei 4...20-Milliampere-Schnittstellen für eine Messwertübertragung vorhanden. Diese können SIL2-tauglich gemacht werden, in dem der regulär nicht erlaubte Wert von zwei Milliampere durch Rücklesung des Stromwertes und Fehlermeldung an den Master sicher angenommen wird.

Durch all diese Maßnahmen will TWK-Elektronik die unerwünschte Wahrscheinlichkeit, dass der Sensor Umwelt und Mensch in Gefahr bringt, so klein wie möglich halten. mk

Auf einen Blick 

TWK Elektronik

• Seit 1962 über 50 Jahre Erfahrung im Bereich der Entwicklung, Fertigung und Vertrieb von Sensorik für Winkel- und Längenmessung.

• Das zunächst nur auf Handel und Vertrieb ausgelegte Düsseldorfer Unternehmen wurde wenige Jahre nach Gründung durch eine eigene Entwicklung und Fertigung, angesiedelt in Wedel bei Hamburg, erweitert.

• Das breit gefächerte Sensorikprogramm wird in allen Bereichen der Industrie- und Messtechnikanwendungen verwendet.

Erschienen in Ausgabe: 05/2017