Safety, Redundanz und SIL

Mit der Komplexität automatischer Steuerungssysteme wachsen auch die Forderungen nach der Zuverlässigkeit der eingesetzten Sensorik. Winkelcodierer, die Drehungen, Längsbewegungen, Geschwindigkeiten und Positionen erfassen, müssen daher in vielen Fällen den Vorschriften für sicherheitsrelevante Anlagen und Maschinen entsprechen. Wie dies technisch umgesetzt werden kann, zeigen zwei neue Produktvarianten von TWK, die dem Sicherheitslevel SIL 2 nach EN 61508 entsprechen.

Die Winkelcodierer der T-Serie von TWK sind mit elektro-magnetischen 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 12 bit (max. 13 bit) erzeugt. Über verschiedene Schnittstellen stehen dann digitale oder analoge Messwerte am Ausgang zur Verfügung.

Die Geräte werden als Standardausführungen mit 36, 42, 50 oder 58 mm Durchmesser geliefert. Für kundenspezifische Anwendungen sind abgewandelte Versionen verfügbar. Dazu gehören auch Ausführungen ohne Welle und ohne Lagerung mit externer Magnetnabe. Flanschformen können für die Einbauverhältnisse kundenspezifisch angepasst werden. Als Bausatz bestehend aus einer Platine und einem Permanentmagneten können sie auch ohne großen Raumbedarf in Messgeräten oder Steuereinheiten integriert werden. Bei der Version mit externer Magnetnabe ist kein zusätzlicher Drehmomentbedarf erforderlich und das System läuft verschleißfrei. Der Einbau in Hebelgelenke, Fahrschalter, Schleifringübertrager und Stellglieder verschiedener Art sind einige Beispiele aus der Praxis.

Bis zu 32 768 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 zusätzliches Signal 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 maximal 13 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.

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 so 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 Slave-Teilnehmer an den Profisafe-Bus gemäß dem Profisafe-Profil für Safety Technology nach No. 3.092 oder 3.192 (PNO) konzipiert. Das Encoder-Protokoll ist nach No. 3060 (PNO) ausgelegt. Für den sicherheitsrelevanten Einsatz sind eine Reihe von Überwachungsfunktionen implementiert, mit denen die Einstufung entsprechend SIL 2 erreicht wird. Dazu gehören unter anderem die Überwachung der Controllerfunktion (Speichertest und CRC-Prüfung der Parameter) und des Programms durch Implementierung von inversen Funktionen für sicherheitskritischen Programmabläufe. Zudem werden die Codepositionen der ersten Stufe geprüft, indem Impulse bei den Schrittwechseln zusätzlich generiert werden (Bewegungserkennung), und der Umdrehungszähler durch paralleles Zählen der Monotour-Nullübergänge und anschließenden Vergleich mit der Multitourabtastung kontrolliert. Schließlich werden Spannungsversorgung und Stromaufnahmen sowie Takt und Timer zusätzlich überwacht. Für die Einstufung nach SIL 2 beträgt die maximal zulässige Drehzahl 1000 U/min. Erforderlich ist gleichzeitig der Einsatz einer externen Auswerteeinheit, die das Profisafe-Protokoll für Distributed Safety unterstützt.

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, zum Beispiel mit Klemmwelle und Drehmomentstütze zum freitragenden Anbau an Motoren oder Stellglieder, sind lieferbar.

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