Winkelcodierer und Neigungssensoren

Safety, Redundanz und SIL

Winkelcodierer und Neigungssensoren in der Hebe- und Fördertechnik
Winkelcodierer als Bausatz zur Integration in Schleifringkörper für die Krantechnik. (Bild: Cavotec Alfo/TWK)
Mit der Komplexität automatischer Steuerungssysteme wachsen die Forderungen nach Zuverlässigkeit der eingesetzten Sensorik. Das gilt besonders für Anlagen der Hebe- und Fördertechnik, bei denen interaktive Betriebsabläufe mehrerer Funktionseinheiten aufeinander abgestimmt und überwacht werden müssen.

Zum Erfassen von Drehungen, Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Neigungswinkeln und Positionen werden in der Peripherie der Steuerungen Winkelcodierer und Neigungssensoren eingesetzt, die die Vorschriften für sicherheitsrelevante Anlagen und Maschinen erfüllen müssen. Winkelcodierer der T-Serie von TWK sind mit elektromagnetischen Sensorsystemen bestückt; 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 kundenspezifische Anwendungen sind abgewandelte Versionen verfügbar. So wurde etwa zum Einbau in Hebelgelenke eine Ausführung mit nur 25 Millimeter Durchmesser entwickelt. Eine weitere Modellreihe umfasst Gehäuse ohne Verstellwelle und ohne Lagerung. Die Aktivierung erfolgt durch eine externe Magnetnabe, die mit dem Messobjekt verbunden ist. Flanschformen können je nach Einbauverhältnissen kundenspezifisch angepasst werden. Zur Integration in Messgeräte und mechanische Stellglieder sind die Winkelsensoren auch als Bausätze lieferbar – also ohne Gehäuse, Welle und Lager. Sie bestehen aus einer Platine, die außer den Hall-Elementen die gesamte Elektronik trägt, sowie dem kleinen Magneten, der mit einem Verstellglied verbunden wird. Geringer Raumbedarf, Drehmomentfreiheit und Verschleißfestigkeit kennzeichnen derlei Versionen. Der Einbau in Fahrschalter, Schleifringübertrager und Stellglieder verschiedener Art sind praktische Beispiele.

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Nach dem beschriebenen Wirkprinzip arbeiten die Winkelcodierer TMN und die Bausätze TKN. Sie sind mit zwei voneinander getrennten Elektronikschaltungen komplett bestückt; daraus resultiert ein redundanter Aufbau mit zwei unabhäng-igen Knoten. Beide Knoten liefern Positions- und Geschwindigkeitsdaten mit dem CANopen Safety Protokoll. Als eine zusätzliche Redundanz zur Überprüfung des Positionswertes steht ein Geschwindigkeitsmesswert zur Verfügung. Er wird zusammen mit dem Positionswert ausgegeben. Das Prozessdatenprotokoll ist nach CAN DSP 304 – CANopen Framework for safety relevant communication (CiA) – ausgeführt, das Encoder Profil entspricht dem CiA Draft Standard 406, Version 3.0, Device Profile for Encoders. Mit dem beschriebenen Aufbau wird der Sicherheitslevel SIL 2 realisiert. Die Auflösung der Winkelcodierer beträgt zwölf Bit entsprechend 4.096 Schritte je 360 Grad. Zusätzlich ist ein elektronischer Zähler integriert, der bis 1.024 Umdrehungen erfasst. Beim Abschalten des Gerätes wird die zuletzt erreichte Position dauerhaft gespeichert.
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 plus/minus 90 Grad. Als Sensorelement dienen MEMS-Schaltkreise (Micro-Electro-Mechanical-System) 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 SIL2 nach IEC 61508. In einer zweiten Version sind die Neigungssensoren mit einem oder zwei analogen Strom- oder Spannungsausgängen lieferbar. Bei allen Versionen können verschiedene Parameter wie Nullpunkt, Presetwert und Signalverlauf anwenderseitig eingestellt werden. Verwendet werden die Neigungssensoren zum Beispiel bei Mobilkranen zur Austarierung von Unter- und Oberwagen und zur Überwachung der Neigung langer Ausleger. PR/pb

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