Safety, Redundanz und SIL

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1 Safety, Redundanz und SIL Winkelcodierer und Neigungssensoren für sicherheitsrelevante Einsätze in der Hebe- und Fördertechnik Mit der Komplexität automatischer Steuerungssysteme wachsen auch die Forderungen nach der Zuverlässigkeit der eingesetzten Sensorik. Dies gilt in besonderem Maße für Anlagen der Hebeund Fördertechnik, bei denen die interaktiven Betriebsabläufe mehrerer Funktionseinheiten stetig aufeinander abgestimmt und überwacht werden müssen. Zum Erfassen von Drehungen, Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Neigungswinkeln und Positionen werden in der Peripherie der Steuerungen daher Winkelcodierer und Neigungssensoren eingesetzt, die die Vorschriften für sicherheitsrelevante Anlagen und Maschinen erfüllen müssen. In dem folgenden Aufsatz werden zwei neue Produktvarianten beschrieben, die im Hinblick auf den Sicherheitslevel SIL2 (Safety Integrity Level) nach EN ausgelegt sind. In dem ersten Beispiel erfolgt die Realisierung mit einer elektro-magnetischer Sensorik zum Anschluss an den CANopen-Bus durch einen redundanten Schaltungsaufbau, im zweiten Fall durch logische Verknüpfungen ohne Veränderung der standardmäßigen Hardware mit elektro-optischer Sensorik für Winkelcodierer mit PROFIBUS Interface. MEMS-Schaltkreise ermitteln die Neigung von Teleskopauslegern. Am Ausgang liefern die Sensoren CANopen oder analoge Messdaten. (Bild: Cavotec Alfo / TWK) WBG AD Seite 1

2 Elektro-magnetische Sensorik für CANopen-Safety Die Winkelcodierer der T-Serie sind mit elektromagnetischen Sensorsystemen bestückt. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die Messwerterfassung berührungslos erfolgt. 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 mm Durchmesser geliefert. Für kundenspezifische Anwendungen sind abgewandelte Versionen verfügbar. So wurde z.b. zum Einbau in Hebelgelenke eine Ausführung mit nur 25 mm Durchmesser entwickelt. Eine weitere Modellreihe umfasst Gehäuse ohne Verstellwelle und ohne Lagerung. Die Aktivierung erfolgt dabei durch eine externe Magnetnabe, die mit dem Messobjekt verbunden ist. Flanschformen können für die Einbauverhältnisse kundenspezifisch angepasst werden. Zur Integration in Messgeräten und mechanischen Stellgliedern sind die Winkelsensoren auch als Bausätze d.h. ohne Gehäuse, Welle und Lager, lieferbar. Sie bestehen aus einer Platine, die außer den Hall-Elementen die gesamte Elektronik trägt und dem kleinen Magneten, der mit einem Verstellglied verbunden wird. Geringer Raumbedarf, kein Drehmoment bedarf und kein Verschleiß zeichnen diese Versionen aus. Der Einbau in Fahrschalter, Schleifringübertrager und Stellglieder verschiedener Art sind einige praktische Beispiele. Winkelcodierer in Zwei-Kammerbauweise (Elektronik-Kammer vollständig vergossen für Schutzart IP69K), Auflösung 4096 Schritte/360, redundanter Schaltungsaufbau, Durchmesser 25 bzw. 58 mm. Bis zu 1024 Umdrehungen werden redundant erfasst Nach dem oben beschriebenem Wirkprinzip arbeiten die Winkelcodierer TMN und die Bausätze TKN. Sie sind mit zwei voneinander getrennten Elektronikschaltungen komplett bestückt. Dadurch entsteht ein redundanter Aufbau mit zwei unabhängigen 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. Dieser wird zusammen mit dem Positionswert ausgegeben. Das Prozessdatenprotokoll ist nach CAN DSP 304 CANopen Framework for safety relevant communication (CiA) ausgeführt und 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 12 Bit entsprechend 4096 Schritte je 360. Zusätzlich ist ein elektronischer Zähler integriert, der bis zu 1024 Umdrehungen erfasst. Beim Abschalten des Gerätes wird die zuletzt erreichte Position dauerhaft gespeichert. Winkelcodierer TMN und TKN in Gehäuse- und Platinenform, mit redundantem Aufbau und für Messbereiche bis 1024 Umdrehungen. WBG AD Seite 2

3 Winkelcodierer als Bausatz mit redundantem Aufbau und für Messbereiche bis 1024 Umdrehungen. Multitour-Winkelcodierer mit CANopen Safety Protokoll und neuartigem spielausgleichendem Zahnrad für Drehkränze und Zahnstangenübertragungen. MEMS-Schaltkreise messen Neigungswinkel 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. 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 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 z.b. bei Mobilkranen zur Austarierung von Unter- und Oberwagen und zur Überwachung der Neigung von langen Auslegern. Viele weitere Verwendungsmöglichkeiten sind bei der Überwachung oder Steuerung von Hebebühnen, Arbeitsplattformen, Sonnenkollektoren, Erntemaschinen und Bauwerken gegeben. Neigungssensor NKN mit redundantem Aufbau und CANopen Safety-Schnittstelle, alternativ mit zwei Analogausgängen lieferbar. Neigungssensoren in Platinen- und Gehäuseform mit MEMS-Elementen, redundanter Aufbau für 2 Messachsen, ausgelegt für CANopen Safety. WBG AD Seite 3

4 Elektro-optische Sensorik für PROFIsafe Bei den 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 erfasst, wobei Auflösungen von 2 bis 8192 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 4096 (12 Bit) Umdrehungen ergibt sich eine Kapazität von maximal 25 Bit. Nach einer Spannungsunterbrechung steht der jeweilige Positionswert wieder als absolute Größe zur Verfügung. Während des Betriebes wird über die zyklisch eingelesenen Positionsdaten ein Geschwindigkeitsmesswert ermittelt. Die Winkelcodierer der beschriebenen Ausführung sind zum direkten Anschluss als Slaveteilnehmer an den PROFIsafe gemäß dem PROFIsafe-Profil für Safety Technology nach No oder (PNO) konzipiert. Das Encoder-Protokoll ist nach No (PNO) ausgelegt. Multitour-Winkelcodierer CRD mit elektro-optischer Sensorik, für Messbereiche bis 4096 Umdrehungen. Multitour-Winkelcodierer CRD mit elektro-optischer Sensorik, für Messbereiche bis 4096 Umdrehungen und mit Lagerbock für hohe Wellenbelastung. Überwachungsfunktionen erfüllen die Vorgabe für SIL Für den sicherheitsrelevanten Einsatz sind eine Reihe von Überwachungsfunktionen implementiert. Damit wird die Einstufung entsprechend SIL 2 realisiert. Dazu gehören u.a. die Überwachung der Controllerfunktion (Speichertest und CRC-Prüfung der Parameter), Überwachung des Programmablaufs durch Implementierung von inversen Funktionen für sicherheitskritischen Programmabläufe, die Prüfung der Codepositionen der ersten Stufe indem Impulse bei den Schrittwechseln zusätzlich generiert werden (Bewegungserkennung) und 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. Für die Einstufung nach SIL2 beträgt die maximal zulässige Drehzahl 1000 U/min. Erforderlich ist gleichzeitig der Einsatz einer externen Auswerteeinheit, die das PROFIsafe-Protokoll für Distributed Safety unterstützt. WBG AD Seite 4

5 Der mechanische Aufbau der Winkelcodierer der C-Serie besteht aus einem robusten Gehäuse mit 65 mm Außendurchmesser in seewasserbeständigem Aluminium oder in Edelstahl. Doppelkugellager und Verstellwelle sind für axiale und radiale Belastungen bis 250 N ausgelegt. Schutzarten bis IP 66 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. Multitour-Winkelcodierer mit Seilzug für maximale 60 m Messlänge, Gesamtkapazität 25 Bit. Elektro-magnetischer Winkelcodierer mit redundantem Schaltungsaufbau als Bausatz. Winkelcodierer ohne Welle, ohne Lagerung, mit externer Magnetnabe zur berührungslosen Aktivierung. Multitour-Winkelcodierer CRD mit elektro-optischer Sensorik, für Messbereiche bis 4096 Umdrehungen. TWK-ELEKTRONIK GmbH PB D Düsseldorf Tel.: +49/211/ Fax: +49/211/ info@twk.de