Winkelcodierer für Profisafe und Canopen Safety

Sicherheitsbusse für Lastkräne

Winkelcodierer in sicherheitsrelevanten Anwendungen müssen der IEC-Norm 61508 entsprechen
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Wenn durch Fehlfunktionen einer Anlage, einer Maschine oder eines Gebäudeteils Menschen oder Umwelt in Gefahr geraten können, müssen die entsprechenden Steuerungen, Komponenten und Zwischenglieder so ausgelegt werden, dass im Notfall die ganze Einrichtung einen sicheren Zustand einnimmt. Maßgeblich für solche sicherheitsrelevanten Anwendungen ist die IEC-Norm 61508 für „Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer und programmierbarer elektronischer Systeme“.

Sensoren zum Erfassen mechanischer und anderer physikalischer Größen gehören zu den nach IEC 61508 sicherheitsbezogenen elektrischen und programmierbaren elektronischen Systemen. Das gilt besonders für Winkelcodierer, die als Positionsrückmelder an mechanischen Funktionsgliedern eingesetzt werden. Anwendungsbeispiele sind Krananlagen, Bühnen- und Kulissensteuerungen in Theatern sowie Aufzüge und Transportanlagen für Gefahrgüter. Üblicherweise sorgen Lichtschranken, Grenzwertmelder, binäre Sensoren oder Sicherheitsrelais für die Abschaltung im Notfall. Da bei Winkelcodierern im Vergleich zu den genannten Komponenten eine erheblich erweiterte Funktionalität gegeben ist, müssen Hard- und Software dieser Geräte den Forderungen für sicherheitsrelevante Anwendungen in besonderer Weise entsprechen. Das gilt sowohl für die Datenerfassung als auch für die Umsetzung und Ausgabe der Signale in digitaler Form.

Komplexe Systeme mit vielen Aktoren und Sensoren werden heute über Feldbusnetze gesteuert. Profibus-DP und Canopen gehören zu den Bus-Systemen, die von Maschinenbauern und Anlagenherstellern am häufigsten eingesetzt werden. Da die Zuverlässigkeit der Standard-Bus-Protokolle die eingangs erwähnten Bedingungen der IEC-Norm nicht erfüllt, wurden für TWK-Winkelcodierer zwei verschiedene Lösungen implementiert, die den von den jeweiligen Nutzerorganisationen vorgegebenen Standards entsprechen.
Multitour-Winkelcodierer für Profisafe
Abgesehen davon, dass Winkelcodierer hinsichtlich ihres mechanischen Aufbaus und der Auslegung der Elektronik den rauen Einsatzbedingungen und einem breiten Arbeitstemperaturbereich 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 Profisafe gemäß Profibus Profile for Safety Technology (PNO No. 3.092) konzipiert. Das Encoder-Protokoll ist entsprechend DP-Slave Class 2 Funktionalität gemäß Profisafe Profile for Encoder (PNO No. 3.062) ausgelegt. Voraussetzung für den sicherheitsrelevanten Betrieb ist ein fehlersicherer Master, zum Beispiel eine F-CPU in F-Systemen wie Siemens S7 Distributed Safety.
Die Winkelcodierer CRD/S sind mit einem elektro-optischen Sensorsystem ausgerüstet. Die Auflösung beträgt 13 bit/360°, der maximale Messbereich 4096 Umdrehungen. Damit steht eine Gesamtkapazität von 25 bit zur Verfügung. 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 Statusanzeige vor Ort von Betriebsspannung, Datentransfer, Class und Fehler. Die maximale Übertragungsrate beträgt 12 MBaud. Zum Einsatz unter aggressiven Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise bei der Aufbereitung der Rohstoffe bei der Papierherstellung vorkommen, können die Winkelcodierer mit Haube in Edelstahlausführung eingesetzt werden. Eine zweite Version von Profisafe-Winkelcodierern unter der Bezeichnung TMD/S ist mit einem elektromagnetischen Sensorsystem bestückt. Sie ist als Zwei-Kammer-Bauweise ausgeführt. Der Gehäusedurchmesser beträgt 50 mm. Schutzarten bis IP69K sind möglich. Die Besonderheit der elektronischen Schaltung ermöglicht Messbereiche bis 32 768 Umdrehungen.
Monotour-Winkelcodierer für Canopen Safety
Während bei den zuvor beschriebenen Profibus-Codierern die Sicherheitsrelevanz durch die Implementierung der Profisafe-Protokolle ohne Änderung der Standard-Hardware realisiert wurde, ist bei den elektro-magnetischen Geräten der Baureihen TBN 25 und TBN 58 ein redundantes Sensorik-System auf der Basis des Canopen Safety implementiert. Zwei getrennte Sensorsysteme mit eigener Versorgung und Signalaufbereitung werden zu je einem Busknoten geführt. Jedes System besteht aus einem Asic mit Hall-Elementen. Aktiviert werden die Sensoren durch einen kleinen Permanentmagneten, der sich am Wellenende in der Vorkammer des Codierers befindet. Dazwischen liegt eine Metallwand. Dieser Aufbau ermöglicht es, die gesamte redundante Elektronik zu vergießen und damit einen hohen Schutz gegen Feuchtigkeit, Stoß und Erschütterungen zu gewährleisten. 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 erneutem Senden der Daten von Knoten 1, der Sicherheitszykluszeit SCT, sind entscheidend für den zuverlässigen Betrieb einer Anlage. Das Kommunikationsprotokoll ist nach Canopen 301V4.1 und Safety CAN DS 304 ausgelegt.
Der beschriebene redundante Aufbau der Winkelcodierer ist gebunden an die spezifische Auslegung der elektro-magnetischen Sensorik in der Zwei-Kammer-Baureihe. Sie erlaubt es, zwei Sensorelemente synchron zu aktivieren und in der beschriebenen Weise die sicherheitsrelavante Funktion nach Canopen Safety zu gewährleisten.
eA 476

eA-INFO-TIPP
Eine Beschreibung des Canopen-Safety-Protokolls sowie ausführliche Informationen, wie es mit dem zertifizierten Chip CSC01 in Geräte implementiert werden kann findet sich auf der Website der CiA. Näheres unter:

Eine Beschreibung des Canopen-Safety-Protokolls sowie ausführliche Informationen, wie es mit dem zertifizierten Chip CSC01 in Geräte implementiert werden kann findet sich auf der Website der CiA.
Weitere Angaben zu den Winkelcodierern von TWK gibt es auf der Homepage des Unternehmens.

praxis plus
TWK bietet Winkelcodierer mit implementiertem Profisafe und Canopen Safety für sicherheitsrelevante Applikationen an. So lassen sich die Multitour-Drehgeber CRD/S mit elektro-optischem Sensorsystem als Slaves direkt an Profisafe anschließen. Gleiches gilt für die Baureihe TMD/S, die über eine elektromagnetische Sensorik verfügt und in Zweikammer-Bauweise ausge-führt ist. Die Modelle TBN 25 und TBN 58 besitzen ein redundantes Sensoriksystem auf Basis von Canopen Safety. Die Monotour-Winkelcodierer haben eine vollvergossene Elektronik und sind daher unempfindlich gegen Feuchtigkeit, Schock und Vibrationen.
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