Eingeberlösung bis SIL3/PLe

Die Pepperl+Fuchs Drehgeber GmbH in Tuttlingen hat einen funktional sicheren Sinus/Cosinus-Drehgeber mit zusätzlicher Absolutspur entwickelt, der die redundante Auslegung von Sensorkomponenten im Antrieb überflüssig macht. Der Drehgeber vereinfacht Sicherheitsmaßnahmen, Dokumentationen und den Nachweis der Konformität über den Performance- (PL) oder Safety Integrity Level (SIL) und erlaubt drehzahlbasierende Sicherheitsfunktionen in Verbindung mit einer sicheren Steuerung.

Neben der hochauflösenden Inkrementalspur mit 1024 Perioden pro Umdrehung verfügt der Drehgeber RVK58S im 58-mm-Gehäuse über eine Sinus/Cosinus-Absolutspur mit genau einer Periode pro Umdrehung. Sie gibt Auskunft über die genaue Rotorlage des Motors, z.B. für die Startkommutierung von Synchronmotoren. Der Absolutwert wird ausgangsseitig als digitalisiertes Signal mit 13 Bit Auflösung mittels SSI- oder BiSS-Protokoll zur Verfügung gestellt. Nach Abschluss der beim TÜV-Süd beantragten Zertifizierung eignet sich der Motorfeedback-Drehgeber für Antriebslösungen bis zu SIL3/PLe bei Verwendung eines einzelnen Gebers.

Sicherheit und Personenschutz gewinnen in Anlagen mit heutigen hochdynamischen Antrieben ständig an Bedeutung und werden zu einem ernstzunehmenden Kostenfaktor. Mit der richtigen Strategie kann man diesen allerdings in vernünftigen Grenzen halten. So lassen sich Sicherheitsmaßnahmen, Dokumentation und der Nachweis der Konformität erheblich vereinfachen, wenn man neben einer sicheren Steuerung sichere Einzelkomponenten verwendet. Ein neuer funktional sicherer Sinus/Cosinus-Drehgeber führt als Eingeberlösung zu schlanken und innovativen Antriebslösungen.

Moderne Betriebe arbeiten mit immer schnelleren und leistungsfähigeren Maschinen und Anlagen, von deren beweglichen Komponenten ein steigendes Risikopotential ausgeht. Die neue Maschinenrichtlinie 2006/42/EG nimmt daher sowohl Hersteller als auch Betreiber von Maschinen hinsichtlich der in EN ISO 13849 festgelegten Sicherheitsanforderungen in die Pflicht. Unter anderem gilt es, für den geforderten Sicherheitslevel von Maschinenkonstruktionen einen entsprechenden Nachweis der Konformität über den Performance Level (PL) oder Safety Integrity Level (SIL) zu erbringen.

Kein sicherer Antrieb ohne sicheres Motorfeedback

Im Mittelpunkt einer sicheren Anlage bzw. Antriebslösung steht nach wie vor eine sichere Steuerung einschließlich aller notwendigen Komponenten wie sichere Regler, sichere Frequenzumrichter, sichere Ein- und Ausgänge usw. Sichere Steuerungen bzw. Antriebsregler verfügen beispielsweise sowohl über die Eigenüberwachung als auch über diverse sichere Fahrbefehle. Der komplette Aufwand für solch eine sichere Steuerung wird jedoch in dem Moment hinfällig, wenn man sie nicht gleichzeitig mit absolut zuverlässlichen Eingangssignalen versorgt. Die übliche Praxis besteht daher in einer redundanten Auslegung der Sensorik, bei der man neben dem Motorgeber zusätzlich einen Streckengeber einsetzt. Hierbei stellt sich keine besondere Anforderung an eine Eigendiagnosefähigkeit der Sensoren, da die übergeordnete Steuerung jeweils durch den Vergleich zweier korrespondierender Geberwerte Fehlfunktionen erkennt. Die Nachteile einer solchen Lösung liegen in hohen Kosten durch den redundanten Materialaufwand einschließlich der Verkabelung, in einer höheren Ausfallwahrscheinlichkeit auf Grund mehrerer Einzelkomponenten und einem hohen Aufwand beim Nachweis der Konformität.

Da die Signalerfassung an erster Stelle der Informationsverarbeitung steht, leistet der funktional sichere Sinus/Cosinus-Drehgeber mit zusätzlicher Absolutspur hier einen wertvollen Beitrag zur Rationalisierung sicherer Antriebslösungen.

Elektronische Eigendiagnose im ASIC verankert

Das von Pepperl+Fuchs Drehgeber in Tuttlingen entwickelte System macht die bisher übliche Praxis der redundanten Auslegung von Sensorkomponenten im Antrieb überflüssig. Nach Abschluss der beim TÜV-Süd beantragten Zertifizierung eignet sich der Motorfeedback-Drehgeber mit der Bezeichnung RVK58S für Antriebslösungen von bis zu SIL3/PLe unter Verwendung eines einzelnen Gebers.

Das Sicherheitskonzept des Sensors basiert großteils auf einem ASIC, der einerseits zur Signalkonditionierung dient und andererseits für die Eigendiagnose verantwortlich ist. Durch Auswertung der inkrementellen, um 90° zueinander versetzten Sinus/Cosinus-Gebersignale über die Beziehung sin²(x) + cos²(x) = 1 lassen sich Fehler auf der Impulsscheibe sowie im Signalpfad sicher detektieren. Außerdem überwacht werden die Versorgungsspannung, die Temperatur, die LED-Ansteuerung und die Prüfsumme der Kalibrierdaten. Wird eine der Bedingungen verletzt, schaltet die Drehgeberelektronik die Ausgänge hochohmig, sodass der Fehlerfall auch für bestehende Steuerungen, die in der Regel über eine Leitungsbrucherkennung verfügen, leicht detektierbar ist. Ein Rücksetzen des Drehgebers ist anschließend nur durch einen Aus- gefolgt von einem Einschaltvorgang möglich.

Zusätzliche Absolutspur detektiert Rotorlage

Neben der hochauflösenden Inkrementalspur mit 1024 Perioden pro Umdrehung verfügt der Drehgeber im 58-mm-Gehäuse über eine Sinus/Cosinus-Absolutspur mit genau einer Periode pro Umdrehung. Sie gibt Auskunft über die genaue Rotorlage des Motors, eine Information, die man z. B. bei Synchronmotoren für die Startkommutierung benötigt. Der Absolutwert wird ausgangsseitig als digitalisiertes Signal mit 13 Bit Auflösung mittels SSI (synchron serielles Interface) oder BiSS-Protokoll (bidirektionale Sensor-Schnittstelle) zur Verfügung gestellt.

Die Kombination einer zertifizierten Steuerung und des zertifizierten Drehgebers von Pepperl+Fuchs führt somit zu einer durchgängig sicheren Detektion, Verarbeitung und Bewertung der Motoraktivitäten. Antriebslösungen mit dem RVK58S erlauben eine Einstufung in höhere Performance Level nach ISO 13849 (PLe) bzw. IEC62061 (SIL3). Da der sichere Geber verlässliche Messgrößen liefert, ist für höhere Sicherheitsforderungen, wie etwa SIL3, kein zweiter Geber erforderlich, sondern es genügt lediglich die zweikanalige Anbindung des Sinus/Cosinus-Sensors. Realisierbar sind damit drehzahlbasierende Sicherheitsfunktionen wie Sicher begrenzte Geschwindigkeit, Sichere Geschwindigkeitsüberwachung, Sichere Stillstandsüberwachung, Sichere Drehrichtung sowie Sichere Beschleunigung/Verzögerung und weitere.

Anwendungen profitieren von Sicherheitsfunktionen

Solche innovativen Sicherheitsfunktionen machen in vielen Anwendungen den Aufwand für herkömmliche mechanische Sicherheitseinrichtungen überflüssig. In Hochregallagern beispielsweise können die teuren hydraulischen Endanschlagpuffer am Fahrwegende von Regalbediengeräten komplett entfallen. Weiterhin spart man umbauten Raum und das Fahrzeug kann wegen der geringeren Bremsverzögerungen leichter dimensioniert werden. Der RVK58S überwacht in Verbindung mit einer geeigneten Sicherheitssteuerung – sei es dezentral oder im Antriebsregler integriert – nicht nur die Geschwindigkeit (Safely Limited Speed) des Regalbediengerätes, sondern auch die Einhaltung der vorgegebenen Bremsrampe (Safely Limited Acceleration). Beim Überschreiten von parametrierten Limits wird das System entweder über den Antrieb abgebremst oder bei völligem Versagen der Antriebsregelung eine mechanische Bremse am Fahrzeug aktiviert.

Dipl.-Ing. Rudolf Huber, Business Development Manager Safety, sowie Dipl.-Ing. Horst Hanisch, Entwicklungsleitung Safety, Pepperl+Fuchs Drehgeber GmbH in Tuttlingen ( www.pepperl-fuchs.de )