Je höher, desto wackeliger - Das soll natürlich keinesfalls gelten. Ganz im Gegenteil: Wenn es hoch hinausgeht, soll der Sicherheitsanspruch nicht darunter leiden. Deshalb müssen Krane und Mobilkrane sowie Hubbühnen mit Safety-Sensorik ausgestattet werden, um die Stand- und Betriebssicherheit in jedem Fall zu gewährleisten.
Hier kommen nun die Sensoren von TWK ins Spiel. TWK ist ein führendes Unternehmen im Bereich von SIL Sicherheits-Sensorik. Dabei handelt es sich nicht nur um Drehgeber in Single- und Multiturn Ausführung. Die am Markt erforderlichen Produkte gehen weit darüber hinaus:
▪ Neigungssensoren für Nivellierungsvorgänge und zur Erfassung der Auslegerposition von Mobilkranen
▪ Elektronische Nockenschaltwerke, die neben dem Drehgeberpositionssignal auch Schaltvorgänge sicher gewährleisten
▪Schwingungssensoren, um Maschinen vor Schaden zu bewahren, beispielsweise durch Verschleiß und Defekt von mechanischen Komponenten oder ungünstiger Betriebsbedingungen wie Windböen und die daraus resultierenden Schwingungen und Vibrationen.
Betrachten wir das elektronische Nockenschaltwerk NOCN/S3. Diese Safety Komponente ist SIL2 zertifiziert und verfügt über eine CANopen Safety Schnittstelle, die eine sichere Datenübertragung zum Master gewährleistet. Über diese Schnittstelle ist das Gerät für den Kunden weitgehend parametrierbar. Eine einzuhaltende Sicherheitsprozedur stellt sicher, dass keine unbeabsichtigte Änderung der Parameter erfolgen kann. Über die zwei SRDO wird das Positions- und Geschwindigkeitssignal normal und bitinvertiert übertragen.
Das war die Drehgeberseite des NOCN. Es verfügt aber zusätzlich über 2 Safety-SIL2-Schaltkontakte, die bei bestimmten Positionen Schaltvorgänge initiieren. Diese Funktion kann beispielsweise bei Erreichen von Endlagen oder Endstellungen verwendet werden, damit bestimmte Punkte nicht überfahren werden - und zwar Bit-genau. Jedes NOCN hat zwei solche Schaltkontakte, die jeweils wiederum aus zwei in Reihe geschalteten Relais bestehen. Dieses Design gewährleistet sicheres Kontaktöffnen, auch bei widrigen Strom- und Spannungsverhältnissen auf der Leitung. Ein Kontaktkleben ist de facto ausgeschlossen.
Ein typischer Einsatzfall für diese Funktionen sind Hubtrommeln an Last- und Baukränen - auch Turmkrane genannt. Über diese Hubtrommeln werden die Laufkatze und der Lasthaken verfahren. Damit die Laufkatze - auch Trolley genannt - und die angehängte Last nicht zu weit fahren, müssen die Maximalwege auch über die Hubtrommel kontrolliert werden. Endschalter schalten, bevor die Endstellung, die nicht überfahren werden darf, erreicht wird. Dieser Einsatz ist sicherheitsrelevant, damit keine Unfälle passieren. Die Komponenten müssen demnach entsprechende Sicherheits-Anforderungen einhalten.
Häufig werden mechanische Nockenschaltwerke (NSW) über eine Zahnradanbindung an die Hubtrommel angekoppelt (Bild 2).
Die mechanischen NSW mit oder ohne integrierten Drehgeber haben den Nachteil, dass sie den rauen Einsatzbedingungen häufig nicht lange gewachsen sind. Zusätzlich müssen sie mechanisch eingestellt werden, beispielsweise über Einstellschrauben, die langwierig justiert werden müssen. Vielleicht müssen sogar die Schaltpositionen direkt angefahren werden. Die elektronischen SIL2 Nockenschaltwerke NOCN von TWK bieten die Möglichkeit, bequem vom Schaltschrank aus parametriert zu werden. Über die SIL2 zertifizierte CANopen Safety Schnittstelle können die Schaltpunkte über entsprechende Objekte direkt programmiert werden (Low- und High-Limit). Oder man fährt die gewünschten Positionen direkt an und weist dann den Positionswert dem Schaltkontakt zu. Die Inbetriebnahme der Hubtrommel vereinfacht sich damit erheblich. Neben den Schaltkontakten steht natürlich immer das hochaufgelöste Positions- und Geschwindigkeitssignal seitens des NOCN der Steuerung zur Verfügung. Durch die vergossene Bauweise und den äußerst robusten Aufbau erfüllen sie Schutzarten bis IP69K und sind gegen jegliche Witterung sowie gegen Stöße und Vibrationen bestens geschützt. Sie sind auch eine gute Alternative zu den heute vielfach verwendeten absoluten Drehgebern mit zusätzlichem Inkrementalsignal für die Laufkatzenregelung.
Bewährt haben sich die Safety Drehgeber von TWK ebenso bei der Erfassung der Winkel-Position eines Kran-Auslegers. Sollte der Ausleger über einen Zahnkranz angetrieben werden, kann der Drehgeber einfach über ein spielfreies Zahnrad ZRS angebracht werden. Auf Wunsch rechnet eine spezielle Software des NOCN immer die exakte Auslegerposition aus - kalibriert auf 360° des Zahnkranzes. Es handelt sich um die spezielle Drehkranzsoftware.
Wenn nicht mit CANopen Safety gearbeitet werden soll, können auch die Schnittstellen SSI und Analog bei den elektronischen Nockenschaltwerken gewählt werden. Bei diesen Schnittstellen sind nur die Schaltkontakte in SIL2 Ausführung möglich. Parametriert werden die Geräte über Teach-In Leitungen.
Weitere Sensoren aus dem TWK Portfolio für SIL2 Sicherheitsanwendungen sind die Neigungssensoren der Serien NBN/S3 und NBT/S3 für Unterwagennivellierung und Auslegerneigung bei Mobilkränen (Bild 3). Auch hier wird die sichere CANopen Safety Schnittstelle verwendet bzw. PROFIsafe über PROFINET. Nun kann es sein, dass kurzzeitig - beispielsweise durch das Anlaufen eines Motors - Störbeschleunigungen aufgrund von Vibrationen auftreten, die die Neigungsmessung verhindern oder aufgrund ihrer Stärke vielleicht sogar einen Übersteuerungs-Fehler im NBN hervorrufen. Häufig ist es für diese kurze Zeit aber nicht erforderlich, Neigungsmesswerte vorliegen zu haben. Durch ein integriertes Softwaremodul werden die Störungen erkannt und es wird ein Wert vom Neigungssensor ausgegeben, an dem die Steuerung erkennt, dass in diesem Moment eine Messung nicht möglich ist. Sie initiiert in diesem Fall keine Sicherheitsabschaltung des Krans. Ist die Störung vorüber, liefert der NBN wieder seine regulären Messwerte.
Eine Version mit integriertem Gyroskop-Sensor, der diese Störungen weitgehend eliminiert, wird bald zur Verfügung stehen.
Zum guten Schluss sei noch der SIL2-zertifizierte Vibrations- oder Schwingungssensor NVA115/S3 erwähnt. Dieses Gerät misst Schwingungen in einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 60 Hz. Ab Werk können Teil-Frequenzbänder eingestellt werden, z.B. für langsame Turmschwingungen. Zwei SIL2-Schaltkontakte schalten bei Grenzwertüberschreitungen sicher ab. Auf diese Weise können Schäden am Kran durch zu starke Schwingungen und Vibrationen vermieden werden. Die Applikation geht in den sicheren Zustand, um Gefahr zu vermeiden. Durch einstellbare Zeitkonstanten ist es sogar möglich, in einer bestimmten Schwingungsphase des Krans die NVA-Sicherheitsabschaltung erfolgen zu lassen, um zusätzliche mechanische Belastungen durch eine Abschaltung ‚zum falschen Zeitpunkt‘ zu umgehen. Die kontinuierlichen Beschleunigungswerte der Schwingung werden über die Schnittstellen CANopen Safety und/oder analog 4 ... 20 mA übertragen.
Das TWK Programm an sicheren SIL2 / SIL3 Sensoren wird abgerundet durch Drehgeber mit PROFIsafe über PROFINET und Failsafe over EtherCAT Schnittstelle. In naher Zukunft sind entsprechende PROFINET Nockenschaltwerke erhältlich. Schließlich seien noch erwähnt die redundanten Sensoren der Kategorie 3 - für jeden Kran ist etwas dabei.