Winkelcodierer Aufgerüstet für sicherheitsrelevante Anwendungen

Autor / Redakteur: Theo W. Kessler, Dipl.-Ing. A. Meyer und Dipl.-Ing. W. Stark* / Ute Drescher

Winkelcodierer erfassen Dreh- und Längsbewegungen häufig in sicherheitsrelevanten Anwendungen. Auf der Grundlage bewährter Geräte hat TWK-ELEKTRONIK jetzt Lösungen entwickelt, die die Integration in PROFIsafe DP und CANopen safety ermöglichen.

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Als Positionsmelder in der Hebe- und Fördertechnik werden Winkelcodierer in verschiedenen mechanischen und elektrischen Ausführungen eingesetzt.
Als Positionsmelder in der Hebe- und Fördertechnik werden Winkelcodierer in verschiedenen mechanischen und elektrischen Ausführungen eingesetzt.
( Archiv: Vogel Business Media )

Krananlagen, mobile Bühnenausrüstungen, Transporteinrichtungen für Gefahrgüter und Aufzüge können Gefahren für Menschen und Umwelt bergen. Sie müssen, wie viele Maschinen, Anlagen und Gebäudeeinrichtungen, bestimmten sicherheitstechnischen Forderungen entsprechen. Mechanische, hydraulische, pneumatische, elektrische und elektronische Schutzmaßnahmen werden deshalb in vielen Fällen installiert. Sehr häufig sind z.B. binäre Sensoren im Einsatz. Viele Einrichtungen erfordern jedoch zum kontinuierlichen Erfassen und Rückmelden von Positionen mechanischer Stellglieder den Einsatz von Absolutwertgebern für translatorische und rotatorische Bewegungen. Winkelcodierer mit elektro-magnetischen oder elektro-optischen Sensortechnologien liefern in diesen Fällen die Messsignale in digitaler oder analoger Form.

Zwei verschiedene Lösungen

Komplexe Maschinen und Anlagen mit vielen Sensoren, Aktoren und Steuerungselementen werden über Feldbusse vernetzt. Am häufigsten werden heute PROFIBUS-DP und CANopen Busse eingesetzt. Da die Standard-Übertragungsprotokolle den sicherheitsrelevanten Bedingungen der IEC-Norm 61508 nicht entsprechen, wurden sie durch spezielle Protokolle der Nutzerorganisationen PNO und CIA ergänzt. Für TWK-Winkelcodierer wurden zwei verschiedene Lösungen in Zusammenarbeit mit maßgeblichen Anlagenherstellern entwickelt und auf verschiedene Weise implementiert. Grundlagen bilden dabei zwei Baureihen von Winkelcodierern, die sich sowohl hinsichtlich der Sensortechnologien als auch der robusten mechanischen Ausführungen seit langem bewährt haben.

Drehbewegungen, z.B. eines Turmkrans, werden von Winkelcodierern erfasst und an eine Steuerung gemeldet. Das gleiche gilt für Längsbewegungen, die durch Seilzüge oder Zahnriemen-Wandler in Drehungen umgesetzt werden. Dies ist. z.B. bei Laufkatzen von Portalkränen der Fall. Abgesehen davon, dass die verwendeten Winkelcodierer hinsichtlich ihres mechanischen Aufbaus und der Auslegung der Elektronik den rauen Einsatzbedingungen und einem breiten Arbeitstemperaturbereich von z.B. – 40°C bis + 85°C standhalten müssen, soll die Einbindung in den PROFIBUS-DP den erwähnten sicherheitsrelevanten Bedingungen entsprechen. Die Winkelcodierer CRD/S sind daher zum direkten Anschluss als Slave-Teilnehmer an den PROFIsafe gemäß PROFIsafe Profile for Safety Technology (PNO No. 3.092 for encoder profile) konzipiert. Voraussetzung für den Betrieb ist ein fehlersicherer Master, z.B. eine F-CPU in F-Systemen wie Siemens S7 Distributed Safety.

Für den direkten Anschluss an PROFISafe

Die Winkelcodierer CRD/S sind mit einem elektro-optischen Sensorsystem ausgerüstet. Die Auflösung beträgt 13 Bit/360°, der maximale Messbereich 4096 Umdrehungen. Zum elektrischen Anschluss dient eine rückseitige, abnehmbare Haube mit T-Koppler Funktionalität und Dip-Schalter für Adresseinstellung und Bus-Abschluss-Widerstände. Diagnose-LEDs ermöglichen die Kontrolle vor Ort von Betriebsspannung, Datentransfer, Class und Fehler. Die maximale Übertragungsrate beträgt 12 MBaud.

Eine zweite Version von PROFIsafe–Winkelcodierern der Serie TMD ist mit einem elektro-magnetischen Sensorsystem bestückt. Sie ist als Zwei-Kammer-Bauweise ausgeführt. Der Gehäusedurchmesser beträgt 50 mm. Dabei ist der Rotor mit einem kleinen Permanentmagneten durch eine Metallwand von der Elektronik in der rückseitigen Kammer getrennt. Durch den Verguss dieser Kammer wird der vollständige Schutz gegen Nässe und eine hohe Vibrations- und Schockfestigkeit erreicht. Schutzarten bis IP 69K sind gewährleistet. Die Besonderheit der elektronischen Schaltung ermöglicht Messbereiche bis 32768 Umdrehungen.

Messbereiche bis 32768 Umdrehungen

Während bei den zuvor beschriebenen PROFIBUS-Codierern die Sicherheitsrelevanz durch die Implementierung der PROFIsafe-Protokolle ohne Änderung der Standard-Hardware realisiert wurde, sind bei den elektro-magnetischen Geräten der Baureihen TBN zwei redundante Sensorik-Systeme auf der Basis des CANopen safety implementiert. Beide verfügen über eine eigene Versorgung mit Signalaufbereitung und werden zu je einem Bus-Knoten geführt. Ausgelegt sind beide Monotour-Winkelcodierer für eine Auflösung bis 13 Bit/360°.

Zur Realisierung der „Safety relevant communication“ des redundanten Systems werden zunächst die Daten des Knotens 1 auf Anforderung durch die SyncMessage ausgegeben. Nach einer vorgegebenen Validationszeit sendet der Knoten 2 die Daten bit-invertiert. Die Einhaltung der Validationszeit (SRVT) und der Zeit bis zum erneuten Senden der Daten von Knoten 1, der Sicherheitszykluszeit SCT, ist entscheidend für den zuverlässigen Betrieb einer Anlage. Das Kommunikationsprotokoll ist nach CANopen 301V4.1 und safety CAN DS 304 ausgelegt.

Der redundante Aufbau der Winkelcodierer ist an die spezifische Auslegung der elektro-magnetischen Sensorik in der Zwei-Kammer-Baureihe gebunden. Sie erlaubt es, zwei Sensorelemente synchron zu aktivieren und in der beschriebenen Weise die sicherheitsrelevante Funktion nach CANopen safety zu gewährleisten.

Winkelcodierer bis Level 2 konzipiert

In vielen Anwendungen des Maschinen- und Anlagenbaus werden sicherheitsrelevante Funktionen ausgeführt. Die IEC-Norm 61508 mit ihren Teilen 1 bis 7 definiert die Bedingungen, nach denen sowohl das Gesamtsystem einer Einrichtung als auch einzelne Bestandteile wie Sensoren, Aktoren und Steuereinheiten auszulegen sind. Unterschieden werden so genannte Sicherheits-Integritätslevel (SIL = Safety Integrity Level) mit den Stufen 1 bis 3. Winkelcodierer sind bis Level SIL 2 konzipiert. Bei einer Betriebsart mit hoher Anforderungsrate (High Demand Mode) beträgt die Wahrscheinlichkeit eines gefahrbringenden Ausfalls je Stunde ≥10-7 bis < 10-6 für SIL 2.

*Theo W. Kessler ist Geschäftsführer bei der TWK Consult, A. Meyer und W. Stark sind Feldbusspezialisten bei der TWK-ELEKTRONIK GmbH, Düsseldorf.

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