Synergie beim Messen

Sensorik - Zum Messen von Distanzen und Erfassen der Positionen von Schienenfahrzeugen eignen sich Rotativsensorik, optoelektronische Distanzmesssysteme sowie lineare, absolute Längenerfassungslösungen auf Magnetbasis. Doch die Prinzipien konkurrieren nur scheinbar.

22. Juni 2005

In der industriellen Wirklichkeit ergänzen sich inkrementale und absolute Drehgeber, lineare Längenmess- sowie Laser-Entfernungsmesssysteme. Positionserfassung schienengebundener Fahrzeuge spielt in folgenden Anwendungen eine entscheidende Rolle:

- Automatische Kleinteilelager (AKL) für Behälter, Pakete oder Tablare mit Gassenlängen bis etwa 40 m und Bauhöhen der Transportfahrzeuge bis etwa 20 m

- Hochregallager (HRL) zur Ein- und Auslagerung palettierter Waren - hier liegen die Fahrweglängen, d. h. die X-Richtung, bei bis zu 150 m und die Hubhöhe (Y-Richtung) der Regalbediengeräte zum Teil über 40 m

- Schwerlast-Portalkräne, z. B. für Langgut oder Container mit unterschiedlich langen Fahrwegen und Hubhöhen sowie

- Portalkränen in Bahn- und Seefrachtumschlagsplätzen mit kilometerlangen Kranfahrwegen und Hubhöhen bis zu 30 m.

Bereits unterschiedlich lange Messdistanzen, die sich aus den X- und Y- Richtungen ergeben, lassen aus technischer Sicht den Einsatz unterschiedlicher Messprinzipien geeignet erscheinen. Einen weiteren Faktor stellen die Umgebungsbedingungen dar. Während AKL und HRL typische Indoor-Einsatzgebiete darstellen, muss Sensorik für Container-Umschlagplätze und zum Teil auch für Schwerlast-Portalkräne für den Einsatz bei Wind und Wetter, Hitze und Kälte, Gegenlicht und Dunkelheit ausgelegt sein. Steuerungstechnische Aspekte fließen ebenfalls in die Auswahl der geeigneten Positionierlösung ein. Welche Schnittstellen sind zu bedienen - SSI wie in AKL und HRL oder Profibus bzw. ein anderer Feldbus, wie er in der Anlagenautomatisierung häufig anzutreffen ist? Reicht eine Sollwertregelung - ggf. mit sensorischer Referenzierung entlang der Messstrecke - aus oder ist eine Istwertregelung auf der Basis direkt und absolut erfasster Daten gewünscht? Und wie sieht es mit der erforderlichen Regeldynamik aus? Die Beschleunigungs- und Bremsrampen der Fahrzeuge unterscheiden sich in AKL aufgrund der dort anzutreffenden Fördergeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s deutlich von denen des Regalbediengerätes eines HRL oder eines Portalkranes, deren Geschwindigkeit typischerweise zwischen 1,5 m/s und 2 m/s liegt. Schließlich zählt auch die Wirtschaftlichkeit. Sie wird im Wesentlichen bestimmt durch den Preis der Messsensorik sowie die Installations- und Betriebskosten. Je nach Messdistanz und dem eingesetzten Messverfahren ergeben sich unterschiedliche Ergebnisse.

Drehgeber wandeln die durch eine Welle übertragenen, mechanischen Bewegungen eines Gerätes in elektrische Signale um. Gemessen werden dabei physikalische Größen wie Winkel, Drehzahl, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg.

Inkrementale Drehgeber mit Strichscheibe liefern pro Messschritt ein elektrisches High/Low-Signal. Durch Aufsummierung in einem Zähler ergibt sich ein Relativwert, z. B. die Länge eines Weges. Während diese Sensoren bei jedem Neustart der Maschine eine aufwändige Nullpunkt-Justierung benötigen, um aus dem Relativwert eine exakte Ist-Position ableiten zu können, ist dies bei Absolut-Drehgebern mit Codescheibe nur einmalig bei der Inbetriebnahme erforderlich. Danach liefern sie für jeden Messschritt eine eindeutige Positions- und Steuerungsinformation, die auch beim Wiedereinschalten des Gerätes noch vorhanden ist. Mit der »CoreTech«-Baureihe ist es gelungen, den Bedienkomfort der inkrementalen und absoluten Drehgeber durch die Nullimpulszuordnung per Drucktaster wesentlich bedienfreundlicher zu gestalten. Drehgeber sind bei der Positionserfassung auf kurze Strecken oft die wirtschaftlichste Alternative. Versionen mit Seilzug oder Zahnriemen erhöhen die mögliche Messdistanz auf bis zu 40 m. Das Gehäuse bildet eine geschützte Atmosphäre für Messwert­erfassung und Auswertung. Drehgeber ermöglichen »nur« eine Sollwertregelung. Da Schlupf und Verschleiß von Antriebsrädern oder -rollen einen Schleppfehler verursachen können, erfolgt die Istwert-Referenzierung in der Regel mit zusätzlichen Hilfen in regelmäßigen Abständen. Gleichzeitig bieten Drehgeber durch ihr hohes Auflösungsvermögen und ihr direktes Signal die höchste Regelungsdynamik aller Positionserfassungssysteme. Typische Einsatzgebiete sind die Y-Achsen von Regalfahrzeugen, vor allem aber deren Z-Achsen, d. h. der Verfahrweg des Lastaufnahmemittels unter einen Behälter, eine Palette oder einen Container. In kleinen AKL und HRL ist auch die Positionserfassung in X-Richtung anzutreffen. Den berührungslosen Laser-Entfernungsmesssystemen der »DME«-Baureihe sind Schlupf und Verschleiß unbekannt. Sie messen die Laufzeit zwischen der Aussendung eines Laserlichtstrahls und dem Empfang der Reflexion von einem gegenüberliegenden Reflektor. Die Auswertung errechnet daraus die genaue Position. Durch die Strahlgeometrie in Verbindung mit der hohen Energiedichte hat sich die Laserlichttechnologie als physikalisches Prinzip bei der Positions­erfassung über größere Abstände durchgesetzt.

Das neue »DME 5000« trägt mit seinen beiden reichweitenorientierten Versionen für 70 m bzw. 150 m den unterschiedlichen Anforderungen von AKL und HRL Rechnung. Die 70-m-Version zeichnet sich durch ein hochdynamisches Regelverhalten aus: in jeder Millisekunde wird ein ak­tueller Messwert ausgegeben. Verschiedene Verbesserungen gegenüber dem Vorgängermodell »DME 3000«, u. a. die auf 0,1 mm/K re­duzierte Temperaturdrift des Sensors, stellen eine Genauigkeit von +/-2 mm bei einer Reproduzierbarkeit von 0,5 mm sicher. Dadurch wird eine äußerst schnelle und präzise Positionierung des Regalbediengerätes (RBG) am Behälter- oder Palettenstellplatz erreicht. In HRL mit seinen längeren RBG-Fahrwegen und größer dimensionierten Palettenstellplätzen ist die 150-m-Variante des DME 5000 die richtige Wahl. Sie gibt alle zwei Millisekunden einen Messwert mit einer Genauigkeit von +/-3 mm aus. Damit sind auch hier besonders schnelle Positioniervorgänge möglich. Die Positionierung von AKL- und HRL-Regalfahrzeugen in X-Richtung ist daher eines der Haupteinsatzgebiete der DME. Hinzu kommt die Dis­-tanzmessung an Hochachsen - vor allem bei sehr hohen Fahrzeugen. Mit dem DME 5000 konnte die Regeldynamik der optoelektronischen Systeme deutlich verbessert werden. Darüber hinaus bieten sie einige Merkmale, die zu einem wirtschaftlichen Betrieb beitragen. Hierzu gehören zwei Multifunktions-Schaltausgänge, z. B. für vorgegebene Distanzwerte, Temperaturwarnungen oder eine Vorausfallmeldung, die aber auch als Eingänge programmiert werden können. So besteht die Möglichkeit, einen der Ausgänge als Stand-by-Eingang zu nutzen, über den das DME 5000 durch ein externes Signal aktiviert werden kann. Durch den Stand-by-Modus wird der Lichtsender nur bei Bedarf gestartet und so eine längere Nutzungszeit erreicht. Eine weitere Systemoption ist die Preset-Funktion. Mit ihr wird - durch einmaliges Anfahren eines Sensors als Referenzmarke - bei Inbetriebnahme des DME 5000 ein schneller und millimetergenauer Abgleich zwischen gemessener Soll- und tatsächlicher Ist-Position des RBG erreicht.Für die DME stehen Staub- und Wetterschutzgehäuse zur Verfügung, die einen Outdoor-Einsatz ermöglichen. Allerdings werden sie hier eher zur Kollisionsüberwachung von Kränen eingesetzt.

Bei der Positionserfassung über besonders lange Messdistanzen im Freibereich stoßen die Systeme an Grenzen, da Vibrationen, Toleranzen - z.B. durch unebene Schienenwege und Wettereinflüsse - ein genaues Erfassen der Reflexion des ausgesandten Lichtstrahls mit der zunehmenden Entfernung erschweren.

In diesen Aufgabenstellungen besitzt das lineare Längenmesssystem »C-Pomux« klare Vorteile. Bei diesem System ermittelt ein Sensorteil berührungslos die absolute Position aus einer entlang der zu messenden Strecke angebrachten Maßverkörperung. Diese besteht aus Aluminiumprofilen mit integrierten Dauermagneten, deren Abstand zueinander eine feste Positions-Codierung darstellt und von den magnetoresistiven Sensoren des Sensorteils identifiziert wird. Aufgrund der absoluten Positionserkennung ist ein Referenzlauf beim Anlagenstart nicht erforderlich. Durch das direkte Messprinzip ist zudem eine Istwertregelung im automatisierungstechnischen Sinne möglich.

Die Funktionsweise ist auch bei widrigen Umgebungsbedingungen, z. B. Schmutz oder Feuchtigkeit, zuverlässig. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -20 °C und +85 °C. Unabhängig von der Messstrecke liegt die Systemauflösung bei 100 µm, die Reproduzierbarkeit bei 300 µm. Damit eignet sich C-Pomux (neue Bezeichnung: KH53) besonders für die Positionserfassung in X-, Y- und Z-Richtung an Groß-Portalkränen mit langen Messdistanzen, z. B. in Häfen und Containerterminals. Realisiert wurden bereits Entfernungen von 1,7 km. Der Systemaufbau von C-Pomux setzt nach oben im Prinzip keine Grenzen, schränkt jedoch den Einsatz des Systems aufgrund der direkten Preis-pro-Meter-Abhängigkeit bei mittleren und kleinen Distanzen ein. Hier sind Drehgeber und vor allem Laser-Entfernungsmesssysteme durch geringen Montageaufwand häufig die wirtschaftlichere Alternative.

Über den optimalen Einsatz der Positionserfassungssysteme entscheidet der Einzelfall. Häufig findet man, z. B. in der Regalbedientechnik, mehrere Sensorprinzipien als technisch und wirtschaftlich optimale Kombination vor, z. B. DME für die X- und Y-Achse sowie Drehgeber für die Z-Achse. Ein anderes Beispiel kommt aus der Welt des Sportes: Vier Laser-Entferungsmessgeräte DME 3000 steuern im Olympia-Fußballstadion von Melbourne das Öffnen und Schließen des riesigen, einziehbaren Daches. Parallel dazu sorgt das Linearmesssystem C-Pomux im Stadion für eine redundante Auslegung der automatischen Positionserfassung. Die ­Substitutionseffekte sind daher geringer als das Ergänzungspotenzial, das Sick aus einer Hand anbieten kann, zumal alle Systeme die industrieüblichen Schnittstellen wie SSI und Profibus bieten.

Erschienen in Ausgabe: 01/2004