EnDat-Positionsmesssystem Erster Drehgeber mit integrierter Sicherheitstechnik

Autor / Redakteur: Thilo Schlicksbier* / Gerd Kucera

Im Maschinen- und Anlagenbau gewinnt das Thema Sicherheit zusehends an Brisanz. Dies zeigt sich in der Gesetzgebung und in verschärften Sicherheitsstandards nationaler und internationaler Normen. Alle Maßnahmen dienen in erster Linie dem Personenschutz, behandeln aber auch den Schutz von Sachwerten und der Umwelt. Ziel der funktionalen Sicherheit ist die Minimierung oder gar Beseitigung von Gefahren, die im ungestörten wie im gestörten Betrieb von Maschinen oder Anlagen entstehen können. Sichere Positionsmesssysteme sind hierbei essentiell.

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Der gestiegene Einsatz von Prozessoren und programmierbaren Systemen führte zu einer Überarbeitung der seit 1997 für den Maschinenbau gültigen und unter der Maschinenrichtlinie harmonisierten Norm EN 954-1. Die EN 954-1 wird den neuen Anforderungen durch ihren deterministischen Ansatz nicht mehr gerecht. Das ist jetzt in der Nachfolgenorm EN ISO 13849 berücksichtigt. Sie bezieht daher nun auch die Zuverlässigkeit von Bauteilen und programmierbaren Codes ähnlich der IEC 61 508 und den davon abgeleiteten Produktnormen wie die IEC 62061 für elektrische Antriebe mit ein.

Besonders im Anlagen- und Maschinenbau sind bewegte Achsen eine potenzielle Gefahr, weshalb man die obligaten Sicherheitsfunktionen zunehmend direkt in den Antrieb integriert. Hierbei zeigt sich ein technischer Trend zur rein digitalen Übertragung der Positionswerte von einem Messgerät zur Antriebssteuerung. Mit der Folge, dass zusätzlich komplexe elektronische Systeme in der Antriebssteuerung wie auch in den Messgeräten zur präzisen Positionserfassung notwendig werden. Aufgrund der jetzt gegebenen Funktionalität von Maschinen und Anlagen und den deshalb hohen Sicherheitsanforderungen (in den einschlägigen neuen Normen festgeschrieben) erfordern Positionsmessgeräte mit gänzlich neuen Lösungsansätzen für sicherheitsgerichtete Anwendungen.

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Sicherheitsgerichtete Anwendungen verlangen künftig Ein-Geber-Lösungen

Zur Erzeugung redundanter Positionswerte kommen bisweilen unterschiedliche Konzepte zum Einsatz. Eine echte Zweikanaligkeit ist durch Installation zweier Messgeräte pro Achse gegeben. Aus Kostengründen jedoch strebt jedermann eine Lösung mit nur einem Positionsmessgerät an. Bisher werden dazu analoge Messsysteme mit Sinus/Cosinus-Signalen verwendet.

Künftig werden für sicherheitsgerichtete Anwendungen Ein-Geber-Lösungen notwendig, die eine redundante Positionswertermittlung auf Basis einer rein seriellen Datenübertragung ermöglichen. HEIDENHAIN hat hier mit seinen sicherheitsbezogenen Positionsmesssystemen eine geeignete Lösung entwickelt: Auf Basis der rein seriellen EnDat 2.2-Schnittstelle werden Ein-Geber-Lösungen für sicherheitsgerichtete Anwendungen nach EN 13849 bzw. IEC 61 508 unterstützt. Somit sind nun auch in Sicherheitsapplikationen alle Vorteile der seriellen Datenübertragung nutzbar.

Grundprinzip eines neuen, sicheren Positionsmesssystems

Die HEIDENHAIN-Messsysteme für sicherheitsgerichtete Anwendungen sind nach den Normen DIN EN ISO 13 849-1 (Nachfolger der EN 954-1) sowie DIN EN IEC 61 508 geprüft. In diesen Normen erfolgt die Beurteilung sicherheitsgerichteter Systeme nicht mehr nur anhand der Systemstruktur, sondern auch auf Basis von Ausfallwahrscheinlichkeiten integrierter Bauelemente bzw. Teilsysteme. Dieser modulare Ansatz erleichtert den Herstellern sicherheitsgerichteter Anlagen die Realisierung ihrer Komplettsysteme, weil sie auf bereits qualifizierten Teilsystemen aufbauen können. Diesem Konzept wird beim sicherheitsbezogenen Positionsmesssystem mit rein serieller Datenübertragung über EnDat 2.2 Rechnung getragen.

In einem sicheren Antrieb bildet das sicherheitsbezogene Positionsmesssystem ein derartiges Teilsystem; es besteht aus dem Messgerät mit EnDat-2.2-Sendebaustein, Übertragungsstrecke mit EnDat-2.2-Kommunikation und Kabel, EnDat-2.2-Empfängerbaustein mit Überwachungsfunktion (EnDat-Master).

Das Gesamtsystem „Sicherer Antrieb“ besteht in der Praxis aus sicherheitsbezogenem Positionsmesssystem, sicherheitsgerichteter Steuerung (einschließlich EnDat-Master mit Überwachungsfunktionen),Leistungsteil mit Motorleistungskabel und Antrieb, mechanische Kopplung von Messgerät und Antrieb (z.B. Wellenverbindung/ Kupplung).

Integration des Positionsmesssystems in die Applikation

Das Positionsmesssystem ist über eine mechanische und eine elektrische Schnittstelle in das Gesamtsystem integriert. Die mechanische Kopplung des Messgeräts am Antrieb erfolgt über die Wellenverbindung und die Kupplung, die beide durch die Geometrie des Gerätes vorgegeben sind. Die elektrische Integration ist über die Einbindung des EnDat-Masters mit Überwachungsfunktionen in die sichere Steuerung realisiert. Unter Berücksichtigung vorgegebener Implementierungsmaßnahmen, kann das sicherheitsbezogene Positionsmesssystem als ein Teilsystem mit den entsprechenden Ausfallwahrscheinlichkeiten in die sicherheitstechnische Beurteilung des Gesamtsystems des Anlagen bzw. Antriebsherstellers einbezogen werden.

Positionswertübertragung über die EnDat-2.2-Schnittstelle

Das Sicherheitskonzept des Positionsmesssystems basiert auf zwei im Geber erzeugten, voneinander unabhängigen Positionswerten und zusätzlichen Fehlerbits, die über das EnDat-2.2-Protokoll an den EnDat-Master übertragen werden. Der EnDat-Master übernimmt verschiedene Überwachungsfunktionen mit deren Hilfe Fehler im Messgerät und der Übertragung aufgedeckt werden. Beispielsweise wird ein Vergleich der beiden Positionswerte durchgeführt. Anschließend stellt der EnDat-Master beide Positionswerte und voneinander unabhängige Fehlerbits über zwei Prozessorschnittstellen der sicheren Steuerung bereit. Zusätzlich überwacht die Steuerung die Funktionalität des sicherheitsbezogenen Positionsmesssystems und des EnDat-Masters durch periodisch ausgelöste Tests (Zwangsdynamisierung).

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Die Architektur des EnDat-2.2-Protokolls ermöglicht es, alle sicherheitsrelevanten Informationen bzw. Kontrollmechanismen im uneingeschränkten Regelbetrieb (quasi nebenbei) durchzuführen. Dies wird ermöglicht, weil die sicherheitsrelevanten Informationen in sogenannten Zusatzinformationen hinterlegt sind. Diese Zusatzinformationen können von der Steuerung mit jedem Abfragezyklus neben der eigentlichen Position angefordert werden. Die Architektur des Positionsmesssystems laut IEC 61 508 gilt als einkanaliges, getestetes System.

Zur Integration des sicherheitsbezogenen Positionssystems sind Randbedingungen zu beachten

Sicherheitsbezogene Positionsmesssysteme von HEIDENHAIN sind so konzipiert, dass sie als Ein-Geber-Systeme in Anwendungen mit Steuerungskategorie SIL-2 (nach IEC 61 508) eingesetzt werden können. Dies entspricht dem Perfomance Level „d“ der ISO 13 849 bzw. der Kategorie 3 nach EN 954-1. Dabei können die Funktionen des sicherheitsbezogenen Positionsmesssystems beispielsweise für folgende Sicherheitsfunktionen des Gesamtsystems genutzt werden (siehe auch IEC 61 800-5-2): sicherer Stillsetzen, sicherer Betriebshalt, sicher begrenztes Schrittmaß, sicher begrenzte Geschwindigkeit, sicher begrenzte Beschleunigung, sicher reduzierte Drehzahl, sicher begrenzte Position, sicher abgeschaltetes Moment.

Zur Integration des sicherheitsbezogenen Positionsmesssystems in das Sicherheitskonzept eines Antriebs oder einer Maschine sind bestimmte Randbedingungen zu beachten, die die Normen vorgeben. So muss die sichere Steuerung beispielsweise die beiden EnDat-Master-Schnittstellen (Schnittstelle 1 und 2) über zwei unabhängige Schnittstellen (zweikanalige Struktur) bedienen. Dies können z.B. zwei unterschiedliche Mikroprozessoren sein.

Im Fehlerfall wechselt die Steuerung in einen sicheren Zustand

Während des Betriebs sind von der sicheren Steuerung natürlich die Positionswerte und die Fehlerbits auszuwerten. Hierzu zählen (abhängig von der benötigten Sicherheitsfunktion) beispielsweise die Überwachung des Schleppfehlers, eine Stillstandsüberwachung oder auch der Vergleich zwischen den beiden Positionswerten (Position 1 und Position 2). Auch die Wirksamkeitstests (Testintervall < 8 h) im EnDat-Master und im Messgerät sind von der Steuerung anzustoßen. Dabei werden die Fehlerbits zwangsdynamisiert (d.h. absichtlich ausgelöst) und deren Reaktion bewertet.

Im Fehlerfall muss die Steuerung einen sicheren Zustand einnehmen. Welche Reaktion die sichere Steuerung bei einer Fehleraufdeckung auslöst, ist applikationsabhängig und somit Bestandteil des Konzepts des Antriebs- bzw. Steuerungsherstellers.

Der Traunreuter Messgerätespezialist HEIDENHAIN präsentiert als erster Hersteller sicherheitsbezogene Positionsmesssysteme, die auf Basis einer rein seriellen Datenübertragung über die Schnittstelle EnDat 2.2 in sicherheitsgerichteten Anwendungen eingesetzt werden können. Dem Maschinen- und Anlagenbauer stehen nun auch in Sicherheitsapplikationen alle Vorteile der seriellen Datenübertragung – wie beispielsweise Kostenoptimierung, Diagnosemöglichkeiten, automatische Inbetriebnahme oder schnelle Positionswertbildung – zur Verfügung, für deren Integration HEIDENHAIN eine umfangreiche Unterstützung bietet.Um alle Anwendungsfälle abzudecken, werden neben den bereits verfügbaren Drehgebern zukünftig auch bei absoluten Längen- und Winkelmessgeräten mit EnDat 2.2 das beschrieben Konzept zum Einsatz kommen.

Der Nutzen für Sie als Anwender: Hohe Signalqualität und Regelgüte garantieren Sicherheit

Die ersten verfügbaren „sicheren“ Drehgeber der Baureihe ExN 400 und ExN 1300 kommen in elektrischen Antrieben mit außerordentlich hohen Anforderungen zum Einsatz. Trotz oft rauer Einsatzbedingungen ist hier eine zuverlässige Funktion und sichere Übertragung der Messdaten verlangt. Die optimierte Abtastung (durch die seriell codierte Absolutspur) trägt diesen Forderungen Rechnung. Aufgrund dieser neu entwickelten Abtastung zeichnen sich diese Drehgeber durch eine hohe Qualität der Abtastsignale und deutlich reduzierter Verschmutzungsempfindlichkeit aus und erlauben eine hohe Interpolation bei optimierter Regelgüte. Die Interpolation und Positionswertbildung im Drehgeber ermöglicht eine sichere rein digitale Datenübertragung und entlastet die Folge-Elektronik. Die Abmessungen der Drehgeber bleiben trotz der Neuerungen unverändert, so dass mechanische Veränderungen der Motoranschlüsse nicht notwendig sind.

Ein weiterer Nutzen: Mit EnDat 2.2 sparen Sie Bauraum und Verbindungstechnik ein

Die EnDat-Schnittstelle als schnelle rein serielle und damit vollständig digitale Schnittstelle für hochdynamische Antriebe ermöglicht nach Herstellerangaben im Gesamtsystem deutliche Einsparungen bei der Verbindungstechnik und eine Reduzierung des Einbauraums in der Maschine. Weil die analogen Abtastsignale direkt am Messort digitalisiert und unterteilt werden, lassen sich auch die Eigenschaften von Servoantrieben, wie z. B. die Positioniergenauigkeit und das Gleichlaufverhalten weiter verbessern. Neben der automatischen Inbetriebnahme von Messgeräten und Antrieben in Automatisierungssystemen ist die Übertragung von Zusatzinformationen ohne Zusatzleitungen zur Folge-Elektronik möglich.

*Thilo Schlicksbier arbeitet im Produktmarketing bei HEIDENHAIN, Traunreut.

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