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08
'11
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PEPPERL+FUCHS FACTORY AUTOMATION
Funktional sicherer Sinus/Cosinus
Drehgeber: SIL3/PLe-gerechte Antriebslösungen einschließlich Rotorlageerkennung. Um die in der aktuellen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG definierten Sicherheitsanforderungen zu erfüllen setzen Maschinen- und Anlagenbauer vermehrt auf den Einsatz sicherer Einzelkomponenten. In diesem Zusammenhang spielt sichere Sensorik eine wesentliche Rolle, denn sichere Steuerungen sind auf eine Versorgung mit absolut zuverlässlichen Signalen angewiesen. Prädestiniert für solche Einsatzzwecke ist ein neuer funktional sicherer Sinus/Cosinus-Drehgeber, der gleichzeitig mit einer zusätzlichen Absolutspur ausgestattet ist, um die Rotorlage von Motoren eindeutig zu detektieren.
Nur konsequent durchgängige Sicherheitskonzepte sind in der Lage den geforderten Grad an Sicherheit wirklich zu garantieren. So wird auch die Leistungsfähigkeit einer Sicherheitslösung quasi durch das schwächste Glied der Kette bestimmt. Lange Zeit war es üblich, wichtige Systemkomponenten redundant auszulegen und durch den Vergleich korrespondierender Systemgrößen mögliche Fehlfunktionen zu erkennen. Das erfüllt zwar den Zweck, ist aber aus heutiger Sicht nicht mehr zu empfehlen, wenn man die doppelten Kosten für Geräte und Material sowie den hohen Installations- und Verkabelungsaufwand einrechnet. Außerdem führt eine größere Zahl von Einzelkomponenten zu einer höheren Ausfallwahrscheinlichkeit und zu höherem Aufwand bei Konformitätsnachweisen.
Selbstüberwachung ersetzt Redundanz
Inzwischen gibt es effizientere und kostengünstigere Wege. So tritt an die Stelle von Redundanz vielfach eine intelligente Eigenüberwachung um den korrekten Betrieb der verschiedenen Funktionseinheiten sicherzustellen. Bei der Entwicklung sicherer Antriebslösungen leistet beispielsweise der neue Sinus/Cosinus-Drehgeber RVK58S von der Pepperl+Fuchs Drehgeber GmbH in Tuttlingen wertvolle Dienste. Der hochauflösende Sensor im 58 Millimeter-Gehäuse liefert 1024 Inkremente pro Umdrehung, zeichnet sich durch ein funktionales Sicherheitskonzept aus und verfügt als weiteres Highlight über eine zusätzliche Absolutspur. Zur Signalkonditionierung dient ein spezieller ASIC, der gleichzeitig für die Eigendiagnose verantwortlich ist.
Fehler auf der Impulsscheibe sowie im Signalpfad lassen sich durch eine Auswertung der inkrementellen, um 90 Grad zueinander versetzten Sinus/Cosinus-Gebersignale über die Beziehung sin²(x) + cos²(x) = 1 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, so dass der Fehlerfall für die Steuerung über die Leitungsbrucherkennung sofort detektierbar ist. Mit diesen Eigenschaften vereinfacht der neue Drehgeber die Entwicklung sicherer Maschinen erheblich und macht althergebrachte Konzepte der redundaten Auslegung von Sensorkomponenten überflüssig. Der Sinus/Cosinus-Drehgeber ist bereits zertifiziert und für die Erweiterung mit der Absolutspur läuft derzeit beim TÜV Süd ein entsprechendes Zertifizierungsverfahren. Nach Abschluss ist das Gerät für Antriebslösungen mit Sicherheitsanforderungen bis SIL3/PLe unter Verwendung eines einzelnen Gebers zugelassen.
Rotorlageerkennung durch Absolutspur mit einer Periode
Der Drehgeber verfügt neben der hochauflösenden Inkrementalspur zusätzlich über eine Sinus/Cosinus-Absolutspur mit genau einer Periode pro Umdrehung. Sie gibt Auskunft über die genaue Rotorlage des Motors; dieses Wissen benötigt man beispielsweise für die Startkommutierung von Synchronmotoren. 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. Mit der Sinus/Cosinus-Schnittstelle, SSI und BiSS nutzt das Gerät existierende Kommunikationswege und kann vollkommen auf proprietäre Safety-Protokolle verzichten.
Der sichere Drehgeber von Pepperl+Fuchs ermöglicht in Verbindung mit einer entsprechend zertifizierten Steuerung sogenannte Eingeberlösungen, d. h. es ist auch für höhere Sicherheitsanforderungen kein zweiter Geber mehr vorgeschrieben. Voraussetzung ist jedoch, dass man stets beide Kanäle des Sensors mit der Steuerung verbindet. Für diese Anlagenausführungen ist dann eine problemlose Einstufung in höhere Performance Level nach ISO 13849 (PL e) bzw. IEC62061 (SIL 3) möglich. Sämtliche Motoraktivitäten werden zuverlässig verarbeitet und bewertet, so dass sich typische drehzahlbasierende Sicherheitsfunktionen wie „Sicher begrenzte Geschwindigkeit“, „Sichere Geschwindigkeitsüberwachung“, „Sichere Stillstandsüberwachung“, „Sichere Drehrichtung“, „Sichere Beschleunigung/Verzögerung“ und ähnliche realisieren lassen.
Safety-Drehgeber ersetzt mechanische Sicherheitslösungen
Durch die neuartigen Sicherheitsfunktionen lassen sich in vielen Applikationen herkömmliche mechanische und damit verschleißbehaftete Sicherheitseinrichtungen ersetzen. 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.
Sicherheitsfunktionen erleichtern Inbetriebnahmen
Maschinenbediener sind am meisten während Inbetriebnahme-, Einricht- und Servicearbeiten gefährdet, da diese in der Regel im unmittelbaren Gefahrenbereich stattfinden. Der Safety-Drehgeber ermöglicht hier viele erweiterte Sicherheitsfunktionen mit denen sich diese Abläufe bei minimalem Aufwand sicher beherrschen lassen.
Fazit
Da Hersteller und Betreiber von Maschinen angehalten sind, die in der EN ISO 13849 festgeschriebenen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, leistet der erste funktional sichere Sinus/Cosinus-Drehgeber mit zusätzlicher Absolutspur einen wertvollen Beitrag zur Rationalisierung sicherer Antriebslösungen. Der RVK58S fügt sich nahtlos in moderne Sicherheitskonzept ein und vereinfacht es Maschinen- und Anlagenbauern den Nachweis der Konformität ihrer Entwicklung über den Performance Level (PL) oder Safety Integrity Level (SIL) zu erbringen. Durch die integrierte Absolutspur ist der Sensor in verschiedensten Antriebslösungen universell einsetzbar, egal ob sie auf Synchron- oder Asynchron-Maschinen basieren.
Bild 1: Blockdiagramm des funktional sicheren Motor-Feedback Drehgebers. Über SSI oder BiSS ist zusätzlich die Absolutposition für die Startkommunitierung von Synchronmotoren verfügbar.
Bild 2: Safety-Drehgeber von Pepperl+Fuchs als Motoreinbaugeber – höchste Sicherheit auch bis 115°C
Bild 3: Dezentrale SIL3/PLe Safety Lösung bestehend aus Geschwindigkeitswächter und Safety-Drehgeber
Bild 4: Sicherheitsfunktionen erleichtern die Inbetriebnahme, hier am Beispiel „Sicher begrenztes Schrittmaß (SLI) bei einem Abfüllautomaten im Einrichtbetrieb
Selbstüberwachung ersetzt Redundanz
Inzwischen gibt es effizientere und kostengünstigere Wege. So tritt an die Stelle von Redundanz vielfach eine intelligente Eigenüberwachung um den korrekten Betrieb der verschiedenen Funktionseinheiten sicherzustellen. Bei der Entwicklung sicherer Antriebslösungen leistet beispielsweise der neue Sinus/Cosinus-Drehgeber RVK58S von der Pepperl+Fuchs Drehgeber GmbH in Tuttlingen wertvolle Dienste. Der hochauflösende Sensor im 58 Millimeter-Gehäuse liefert 1024 Inkremente pro Umdrehung, zeichnet sich durch ein funktionales Sicherheitskonzept aus und verfügt als weiteres Highlight über eine zusätzliche Absolutspur. Zur Signalkonditionierung dient ein spezieller ASIC, der gleichzeitig für die Eigendiagnose verantwortlich ist.
Fehler auf der Impulsscheibe sowie im Signalpfad lassen sich durch eine Auswertung der inkrementellen, um 90 Grad zueinander versetzten Sinus/Cosinus-Gebersignale über die Beziehung sin²(x) + cos²(x) = 1 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, so dass der Fehlerfall für die Steuerung über die Leitungsbrucherkennung sofort detektierbar ist. Mit diesen Eigenschaften vereinfacht der neue Drehgeber die Entwicklung sicherer Maschinen erheblich und macht althergebrachte Konzepte der redundaten Auslegung von Sensorkomponenten überflüssig. Der Sinus/Cosinus-Drehgeber ist bereits zertifiziert und für die Erweiterung mit der Absolutspur läuft derzeit beim TÜV Süd ein entsprechendes Zertifizierungsverfahren. Nach Abschluss ist das Gerät für Antriebslösungen mit Sicherheitsanforderungen bis SIL3/PLe unter Verwendung eines einzelnen Gebers zugelassen.
Rotorlageerkennung durch Absolutspur mit einer Periode
Der Drehgeber verfügt neben der hochauflösenden Inkrementalspur zusätzlich über eine Sinus/Cosinus-Absolutspur mit genau einer Periode pro Umdrehung. Sie gibt Auskunft über die genaue Rotorlage des Motors; dieses Wissen benötigt man beispielsweise für die Startkommutierung von Synchronmotoren. 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. Mit der Sinus/Cosinus-Schnittstelle, SSI und BiSS nutzt das Gerät existierende Kommunikationswege und kann vollkommen auf proprietäre Safety-Protokolle verzichten.
Der sichere Drehgeber von Pepperl+Fuchs ermöglicht in Verbindung mit einer entsprechend zertifizierten Steuerung sogenannte Eingeberlösungen, d. h. es ist auch für höhere Sicherheitsanforderungen kein zweiter Geber mehr vorgeschrieben. Voraussetzung ist jedoch, dass man stets beide Kanäle des Sensors mit der Steuerung verbindet. Für diese Anlagenausführungen ist dann eine problemlose Einstufung in höhere Performance Level nach ISO 13849 (PL e) bzw. IEC62061 (SIL 3) möglich. Sämtliche Motoraktivitäten werden zuverlässig verarbeitet und bewertet, so dass sich typische drehzahlbasierende Sicherheitsfunktionen wie „Sicher begrenzte Geschwindigkeit“, „Sichere Geschwindigkeitsüberwachung“, „Sichere Stillstandsüberwachung“, „Sichere Drehrichtung“, „Sichere Beschleunigung/Verzögerung“ und ähnliche realisieren lassen.
Safety-Drehgeber ersetzt mechanische Sicherheitslösungen
Durch die neuartigen Sicherheitsfunktionen lassen sich in vielen Applikationen herkömmliche mechanische und damit verschleißbehaftete Sicherheitseinrichtungen ersetzen. 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.
Sicherheitsfunktionen erleichtern Inbetriebnahmen
Maschinenbediener sind am meisten während Inbetriebnahme-, Einricht- und Servicearbeiten gefährdet, da diese in der Regel im unmittelbaren Gefahrenbereich stattfinden. Der Safety-Drehgeber ermöglicht hier viele erweiterte Sicherheitsfunktionen mit denen sich diese Abläufe bei minimalem Aufwand sicher beherrschen lassen.
Fazit
Da Hersteller und Betreiber von Maschinen angehalten sind, die in der EN ISO 13849 festgeschriebenen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, leistet der erste funktional sichere Sinus/Cosinus-Drehgeber mit zusätzlicher Absolutspur einen wertvollen Beitrag zur Rationalisierung sicherer Antriebslösungen. Der RVK58S fügt sich nahtlos in moderne Sicherheitskonzept ein und vereinfacht es Maschinen- und Anlagenbauern den Nachweis der Konformität ihrer Entwicklung über den Performance Level (PL) oder Safety Integrity Level (SIL) zu erbringen. Durch die integrierte Absolutspur ist der Sensor in verschiedensten Antriebslösungen universell einsetzbar, egal ob sie auf Synchron- oder Asynchron-Maschinen basieren.
Bild 1: Blockdiagramm des funktional sicheren Motor-Feedback Drehgebers. Über SSI oder BiSS ist zusätzlich die Absolutposition für die Startkommunitierung von Synchronmotoren verfügbar.
Bild 2: Safety-Drehgeber von Pepperl+Fuchs als Motoreinbaugeber – höchste Sicherheit auch bis 115°C
Bild 3: Dezentrale SIL3/PLe Safety Lösung bestehend aus Geschwindigkeitswächter und Safety-Drehgeber
Bild 4: Sicherheitsfunktionen erleichtern die Inbetriebnahme, hier am Beispiel „Sicher begrenztes Schrittmaß (SLI) bei einem Abfüllautomaten im Einrichtbetrieb
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