“Safety Last!“ - Mit diesem Motto hat Harold Lloyd in den 1920er Jahren in seinem gleichnamigen Film eine Hochhausfassade erklommen. Er kam auch oben an - aber wie! So gewagt und haarscharf an der Katastrophe vorbei soll es eigentlich nicht sein. Also doch lieber Safety First: So sollen Maschinen, Anlagen und Arbeitsgeräte ausgelegt sein, damit niemand in die Tiefe stürzt oder sonst zu Schaden kommt. Harold Lloyd wäre damals froh gewesen.
Ein hoher Anspruch wird heutzutage an Maschinen und Anlagen gestellt, damit sie sicher arbeiten, und niemanden verletzen - weder Umwelt noch Mensch Schaden zufügen. Die Zeiten, in denen beim Umgang mit Maschinen und bei Bau- und Industrieprojekten eine nicht unwesentliche Anzahl von Personen verletzt wurde oder sogar umkam sind glücklicherweise Vergangenheit. Der Grundgedanke, jegliches Tun möglichst so zu planen und umzusetzen, dass ‚Sicherheit‘ ein wesentlicher Aspekt ist, wird mehr und mehr berücksichtigt. Dies geschieht aufgrund gesetzlicher Vorgaben sowie - und das ist als noch wichtiger einzuschätzen - aufgrund der Einsicht, dass ohne Kollateralschäden gearbeitet werden muss und auch kann. Nicht zuletzt ergibt sich daraus ein deutlicher Wettbewerbsvorteil der Maschinenhersteller, die Anlagen mit diesem Anspruch anbieten können, wobei sich die Safety-Thematik sich auf jede eingesetzte Komponente herunterbricht - bis zur qualitativ geeigneten Schraube.
Kommen wir aber nun zu den Sensoren, die unter anderem Winkel und Wege messen. TWK bietet ein großes Programm, das dem hohen Anspruch der Safety-Thematik entspricht. Denn TWK hat schon früh auf das ‚Safety-Pferd‘ gesetzt und kann deshalb auf ein hohes Maß an Erfahrung zurückgreifen und entsprechend viele Produkte, die sich bereits gut bewährt haben, anbieten. Zu der schon bekannten Robustheit kommt nun der besondere Sicherheitsaspekt.
Drehgeber mit sicherer Schnittstelle
Die zuerst entwickelten und schon seit Jahren bei unseren Kunden im Einsatz befindlichen SIL2 Sensoren sind Drehgeber. Ihre Verwendung finden sie insbesondere in mobilen Maschinen. Die Position von Auslegerarmen bei Kranen muss erfasst werden, um einerseits bestimmte Positionen exakt und zügig anzufahren und um andererseits sicherzustellen, dass über definierte Maximal-Positionen nicht hinaus gefahren wird. Sonst würde die Gefahr bestehen, dass der Kran instabil wird und kippt. Beispielsweise wird an der Übergangsstelle vom Unterwagen zum Ausleger der Winkel gemessen und teilweise auch an den Knickarmen weiter oben im Ausleger. Im ersten Fall kann man über ein Zahnrad einen Drehgeber an den meist vorhandenen Zahnkranz ankoppeln und die Auslegerposition erfassen. Hier bietet TWK Safety-Drehgeber an, die auf Wunsch mittels des speziellen Drehkranz-Algorithmus immer den exakten Stellungswinkel des Auslegers in Grad liefert, egal, wie oft er in ein und derselben Richtung gedreht wird. Flanscht man den Geber mit dem spielfreien Zahnrad ZRS an, hat man auch bei geringsten Vor- und Zurückbewegungen immer die bitgenaue Position vorliegen. Andere Spezialitäten, wie besondere Flanschausführungen und Wellenankopplungen und zusätzliche sichere Relais-Schaltausgänge sind ohne weiteres lieferbar.
Was bedeutet Safety?
Safety bedeutet - ohne zu sehr ins Detail zu gehen - dass bestimmte Kriterien, die in Normen und Richtlinien formuliert sind, eingehalten werden müssen. So sind die Norm IEC 61508 und die Maschinenrichtlinie EN ISO 13849 von Relevanz. Dort sind viele einzuhaltende Kriterien erfasst: Die Wahrscheinlichkeit eines gefahrbringenden Fehlers, die nicht überschritten werden darf, Diagnosedeckungsgrad, Fehlerroutinen und vieles mehr, wobei die Darstellung in den Normen unterschiedlich ist.
Unsere Sensoren sind mit der entsprechenden Elektronik - zum Teil redundant - ausgestattet, um diese Kriterien zu erfüllen. Jedoch ein wesentlicher Aspekt sind die Software-Algorithmen, die eine permanente Selbstüberwachung von Hard- und Software im Sensor vornehmen und somit Fehler erkennen und über die Schnittstelle zur Steuerung übermitteln. Der Sensor kann auch einen sicheren Zustand einnehmen - siehe weiter unten bei Schaltausgängen und Analog-Schnittstellen.
Soll ein Safety-Sensor parametriert werden, ist dieses nur unter Einhaltung des Sicherheits-Protokolls möglich: Neben den Parametern müssen Checksummen an den Sensor gesendet werden und zur nachfolgenden Aktivierung Valid-Flags gesetzt werden. Dass die Übertragung der Messwerte an den Master durch Maßnahmen abgesichert ist, versteht sich von selbst - beispielsweise durch eine zusätzliche bitinvertierte Übertragung.
Mittlerweile haben sich einige digitale Schnittstellen in der Familie der SIL Sensoren eingefunden: CANopen Safety, PROFIsafe, Failsafe over EtherCAT.
Eine weitere Möglichkeit, den Sicherheitsaspekt bei Sensoren zu erhöhen, ist, sie voll-redundant aufzubauen: 2 x Positionserfassung, 2 x Verarbeitung im Sensor, 2 x Ausgabe durch 2 Schnittstellen. Diese Vorgehensweise muss natürlich in das Sicherheitskonzept des Anwenders passen.
Weitere SIL Sensoren
Nicht immer führen Drehgeber zum Ziel. Wenn stattdessen die Erfassung von Neigungswinkeln im Schwerefeld der Erde oder, im Rahmen eines Condition-Monitorings, Schwingungen und Vibrationen gemessen werden müssen, kommen unsere MEMS basierten Sensoren zum Einsatz.
Wenn wir uns die mobilen Maschinen, Kräne, Betonpumpen usw. nochmal ansehen, stellen wir fest, dass sie bei Benutzung vor Ort zunächst ausgerichtet oder nivelliert werden müssen. Ein Neigungssensor NBN/NBT am Unterwagen, der in zwei Achsen messen kann (x, y), ermittelt die korrekte Horizontal-Ausrichtung des Krans. Anschließend kann der Ausleger in Betrieb genommen werden: Über einen 1-Achs-Neigungssensor kann nun die vertikale Neigung zusammen mit dem Drehwinkel herangezogen werden, um die Position eines Korbes zu bestimmen. Wenn der Ausleger teleskopierbar ist, hilft bei der Längenmessung ein sehr kompakt bauendes Seilzugmesssystem mit integriertem SIL-Drehgeber (Typ NOCN125-D).
Das vielseitige Sensoren-Programm von TWK hat seinen guten Grund: Seit geraumer Zeit legt TWK ein Augenmerk auf typische Applikationen und entsprechend ausgelegte, optimierte Sensorik. Dadurch können viele Funktionen und Messaufgaben mit bewährten TWK Sensoren abgedeckt werden.
Kommen wir zum Schluss zum Schwingungssensor NVA115. Dieser SIL2 Sensor kann in einem Bereich von 0,1 bis 60 Hz - auf Wunsch selektiert in unterschiedliche Bänder - Beschleunigungen bis zu mehreren g messen, an die Steuerung übermitteln und auch bewerten. Bewerten heißt hier, dass eine wählbare Verarbeitung der g-Werte im NVA (RMS oder Integral) dazu genutzt werden kann, mit den SIL2 Schaltausgängen des NVA bei Überschreitung von Grenzwerten eine Sicherheitskette zu unterbrechen, um die Anlage, z.B. eine Windkraftanlage, herunterzufahren. Die zwei Relais-Schaltausgänge sind jeweils mit zwei Relais bestückt, um sichere Abschaltung zu gewährleisten. Detektiert der NVA durch die Selbstdiagnose einen Fehler, unterbrechen die Relais die Sicherheitskette (sicherer Zustand des NVA als Aktor).
Neben dem Safety-CAN Interface sind noch zwei 4...20 mA Schnittstellen für eine Messwertübertragung vorhanden. Diese können durch geschickte Maßnahmen SIL2 tauglich gemacht werden: Rücklesung des Stromwertes für die Überwachung und Fehlermeldung an den Master dadurch, dass der regulär nicht erlaubte Wert von 2 mA sicher angenommen wird.
Diese Maßnahmen sorgen dafür, dass die Wahrscheinlichkeit, dass der Sensor Umwelt und Mensch in Gefahr bringt, so klein wie irgend möglich ist.