Drehgebersystem U-ONE-SAFETY ersetzt veraltete Technik

Moderne Konkurrenz für mechanische Positionsschalter und Kopierwerke

 

In Kürze

  • Ziel: Verbesserung der Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit bestehender Krananlagen
  • Umsetzung: Austausch veralteter mechanischer Positionsschalter und Kopierwerke gegen das sicherheitszertifizierte Universal-Drehgeber-System U-ONE-SAFETY
  • Ergebnis: Mehr Sicherheit, höhere Schaltgenauigkeiten, weniger Montage- und Inbetriebnahme-Aufwand
Die verschiedenen Funktionsmodule können wahlweise im Schaltschrank installiert werden (oben) oder sind direkt an der Basiseinheit angebaut (unten).Die verschiedenen Funktionsmodule können wahlweise im Schaltschrank installiert werden (oben) oder sind direkt an der Basiseinheit angebaut (unten).  
Das neue Universal-Drehgeber-System U-ONE-SAFETY bietet umfangreiche Diagnosefunktionen sowie einfache Parametriermöglichkeiten.Das neue Universal-Drehgeber-System U-ONE-SAFETY bietet umfangreiche Diagnosefunktionen sowie einfache Parametriermöglichkeiten.  
Die mitgelieferte Konfigurations-Software ermöglicht eine einfache Programmierung der Parameter.Die mitgelieferte Konfigurations-Software ermöglicht eine einfache Programmierung der Parameter.  
 

Weltweit sind bei Anlagen in der Schwerindustrie noch heute tausende von mechanischen Positionsschaltern wie Getriebe- und Spindel-Endschalter bzw. Kopierwerke verbaut. Sie galten einmal als solide und normgerecht, können mit neuzeitlicher Elektronik jedoch nicht konkurrieren und genügen teilweise auch längst nicht mehr den aktuellen sicherheits- und regelungstechnischen Anforderungen. Die Johannes Hübner Fabrik elektrischer Maschinen GmbH bietet jetzt mit ihrer neuen Universal-Drehgeber-Baureihe U-ONE-SAFETY eine robuste sicherheitszertifizierte Ersatzlösung mit einer Vielzahl überzeugender Eigenschaften an.

Beim Be- und Entladen von Cointainerschiffen kommen immer leistungsfähigere, teilweise vollautomatische, Krananlagen zum Einsatz. Um deren Bewegungen präzise zu überwachen, sind sog. Endschalter bzw. Kopierwerke erforderlich. Sie sollen sicherstellen, dass der konstruktiv mögliche bzw. technologisch zulässige Bewegungsbereich keinesfalls verlassen wird bzw. Geschwindigkeiten in Abhängigkeit von erreichten Positionen angepasst werden. Ansonsten bestünde das Risiko, dass Personen gefährdet werden oder dass Krananlagen gar kippen, weil sich z. B. Schwerpunkte plötzlich verschoben haben. Damit der zuvor definierte Arbeitsbereich abgesichert werden kann, muss also zum einen die jeweilige Position exakt erfasst werden. Zum anderen ist aber auch eine sichere Endlagenbegrenzung von beweglichen Anlagenteilen zueinander erforderlich.

Diese Aufgaben übernahmen bei vielen Krananlagen bislang mechanische Hebel- und/oder Spindelendschalter bzw. Kopierwerke, die vor über 30 Jahren entwickelt wurden und inzwischen teilweise gar nicht mehr erhältlich sind. Gerade bei Modernisierungsmaßnahmen muss die Überwachungstechnik jedoch den heute geltenden Sicherheitsanforderungen gerecht werden. Genau hier setzt das Universal-Drehgebersystem U-ONE®-SAFETY von Johannes Hübner Giessen an. Es besteht aus einer Basiseinheit mit zwei Multiturn-Sensorsystemen und zwei Logik-Einheiten. Je nach Anwendung werden passende Funktionsmodule ergänzt. Das Funktionsmodul SRC verfügt z. B. über sechs sichere Positionsschalter und stellt eine Ersatzlösung für mechanische Kopierwerke dar, die sich aus einem Getriebe- und einem Schalterteil zusammensetzen.

Die Basiseinheit ist in ein robustes Gehäuse integriert, das auf die speziellen Anforderungen in der Hafen- und Schwerindustrie ausgelegt ist. Für das Gesamtsystem gibt es zwei Bauformen: als Basiseinheit mit LWL-Signalübertragung und Funktionsmodulen im Schaltschrank (U-ONE-SAFETY-LWL) sowie als Basiseinheit mit direkt angebauten Modulen in einem kompakten, robusten Gehäuse (U-ONE-SAFETY-Compact). Basierend auf einer Auflösung von 13/15 Bit (max. 32768 Umdrehungen) werden Sicherheits-Schaltsignale für Position und Drehzahl bereitgestellt. Anwendungsbezogen können diverse Bus-Schnittstellen sowie ein 4 bis 20 mA-Analogausgang bzw. ein Inkrementalausgang kombiniert werden. Das Universalgebersystem mit seinen zusätzlichen Funktionen und interner Diagnose bei zertifiziertem Sicherheitsniveau ersetzt mehrere Einzelgeräte, wobei die durchgängig zweikanalige Systemstruktur gem. DIN EN ISO 13849 Sicherheitsfunktionen bis Kategorie 3 und Performance Level d sowie SIL 2 bei einfacher Parametrierung ohne separaten Eingriff in die Steuerungs-Software ermöglicht.

Höheres Sicherheitslevel durch duale Systemstruktur

Hierzu Thomas Brandenburger, Leiter der Abteilung Produktmanagement bei Hübner Giessen: „Es gibt zwei parallel und unabhängig voneinander verlaufende Signalwege. Sollte einer ausfallen, transportiert der andere die Information. Liefert ein Vergleich beider Kanäle an gleicher Stelle den exakt gleichen Wert, ist gewährleistet, dass kein Fehler vorliegt. Eine Abweichung ist umgekehrt ein sicheres Indiz dafür, dass etwas nicht stimmt. Bei einem einkanaligen Gerät muss man die gemeldeten Werte als korrekt voraussetzen. Bei einer zweikanaligen Systemstruktur mit internem Kreuzvergleich hingegen wird ein deutlich höheres Sicherheitslevel erreicht.“

Sieht man sich einmal an, wie viele Schaltpunkte das jeweilige System überwachen kann, so zeigt sich, dass das Universal-Drehgeber-System auch hier wesentlich besser abschneidet: Es verfügt über bis zu 54 Positionsschalter, wobei
mit jedem eine Ein- und Ausschaltposition sowie die zugehörigen Hysteresepunkte realisiert werden können. Gebräuchliche mechanische Kopierwerke dagegen kommen nur auf fünf (kleine Baureihe) bis maximal 14 (große Baureihe) Kontakte.

Ein weiterer Schwachpunkt dieser Geräte sind die ungenauen Schaltpunkte. Der Anbau über ein Verteilergetriebe bedingt unter Umständen ein zusätzliches Getriebespiel. Darüber hinaus ist das System verschleißabhängig, da es sich ja um eine rein mechanische Lösung handelt. Dagegen zeigt sich beim Universal-Drehgeber-System eine ungleich höhere Präzision der Schaltpunkte bei einer Gesamtauflösung von 28 Bit (ca. 270 Mio. Schritte) und gänzlicher Spielfreiheit. Zudem ist es verschleißfrei, bietet also über die komplette Betriebszeit hinweg eine konstante Genauigkeit. War die Schalthysterese bisher verwendeter Positionsschalter von den jeweils eingesetzten Schaltelementen abhängig und nicht veränderbar, kann sie beim U-ONE-SAFETY an die Anwendung angepasst werden und ist außerdem auch noch einfach zu parametrieren.

Sollte einmal die Mechanik versagen, können bei den bislang gebräuchlichen Positionsschaltern essenzielle Schaltpunkte verloren gehen, was unter Umständen fatale Folgen nach sich ziehen würde. Bei der Hübner-Ersatzlösung dagegen ist durch eine interne Eigendiagnose eine ständige und sichere Zustandsüberwachung gewährleistet. Sollte doch einmal ein Fehler auftreten, erfolgt umgehend eine Meldung. Den jeweils aktuellen Positionswert liefert beim U-ONE-SAFETY der konfigurierbare Stromausgang (4 bis 20 mA), der sich für zusätzliche Anzeige- oder Überwachungs-aufgaben nutzen lässt. Er ist um ein Bus-Modul (z.B. PROFIBUS, PROFINET) ohne zusätzliches Verteilergetriebe erweiterbar und bei Bedarf auch sicherheitsgerichtet (z.B. PROFIsafe) mit SIL 2 / PL d. Besagter Positionswert war bei mechanischen Kopierwerken bzw. Spindelendschaltern nur in Verbindung mit einem zusätzlichen Absolutwert-Drehgeber abrufbar. Hinzu kam der aufwendige Anbau über ein zusätzliches Verteilergetriebe.

Aktueller Betriebszustand wird angezeigt

Einen Fehlerausgang gibt es bei Kopierwerken nicht, die Produkte der Baureihe U-ONE dagegen verfügen jeweils über einen digitalen Error-Ausgang, überwacht durch Safety-SPS oder Sicherheitsmodule. Zusätzlich kann ein Fehlerschalter (Relais) direkt in eine Not-Aus-Kette eingebunden werden. Aufgrund der fehlenden Eigendiagnose wurde bei herkömmlichen Kopierwerken auch nicht die Lebensdauer überwacht. Beim Drehgebersystem U-ONE werden Geräte- und Lagerlebensdauer sowie Schalthäufigkeit der Relais intern kontrolliert und Warnmeldungen ausgegeben, sollten die entsprechenden Parameter einmal überschritten werden. Hinterfragen lässt sich der Betriebszustand bei mechanischen Kopierwerken aufgrund der nicht vorhandenen Status-/Fehleranzeige in der Regel nicht. Anders beim U-ONE-Drehgebersystem: Der aktuelle Betriebszustand kann über einen Status- und Fehlerausgang abgelesen werden, zusätzlich findet sich im Klemmkasten eine Zustandsanzeige über LEDs.

Bei herkömmlichen mechanischen Nockenschaltwerken und Spindelendschaltern werden eventuelle Fehler weder erkannt noch gemeldet, da es keine internen Diagnosen des Systems gibt. Beim Drehgeber U-ONE-SAFETY jedoch kann der vorhandene Reset-Eingang z. B. zur Fehlerrücksetzung verwendet werden. Möglich ist bei diesem System auch eine rasche Justierung über den Preset-Eingang, wobei die aktuelle Position auf die im Gerät parametrierte Preset-Position gesetzt wird. Mittels dieser Funktion lassen sich Schlupf- oder Verschleißeinflüsse eliminieren; zeitaufwendige mechanische Justierungen an jeder einzelnen Nockenscheibe wie bei herkömmlichen Kopierwerken, z. B. nach Seilwechseln, entfallen.

Ein langwieriges Unterfangen stellt bei einem mechanischen Kopierwerk das Einstellen von Schaltpunkten deshalb dar, weil dazu jedes Mal Nockenscheiben verdreht werden müssen, die je nach Anbaustelle unter Umständen nur schwer zugänglich sind. Im Gegensatz dazu erfolgt die ungleich schnellere Parametrierung bei der Baureihe U-ONE über eine USB-Schnittstelle: Alle Geräteeinstellungen werden in der Bediensoftware US42Pro durchgeführt, Schaltpunkte können dabei sehr einfach eingegeben oder über Drag & Drop direkt aus der Anwendung übernommen werden. Sämtliche Werte bleiben gespeichert und lassen sich jederzeit auch wieder importieren.

Eine zusätzliche Drehzahlüberwachung war bei konventionellen Geräten nur in Verbindung mit einem eigens angebauten Drehgeber mit nachgeschalteter Auswertung oder einem separaten Drehzahlschalter möglich. Hinzu kam, dass der Anbau über ein zusätzliches Verteilergetriebe aufwendig war. Die Drehgeber-Baureihe U-ONE ist ihrerseits um einen Inkrementalausgang bzw. ein weiteres Drehzahlschalter-Modul erweiterbar, ein separates Verteilergetriebe wird überflüssig.

Gespeicherte Parameter können importiert werden

Will man ein mechanisches Kopierwerk verkabeln, bedeutet das in der Regel nicht nur einen erheblichen zeitlichen Aufwand, denn das Schutzgehäuse muss dafür komplett abgebaut, sprich: nach hinten weggezogen werden. Je nach Anbaustelle sind die Klemmen oft nur schwer zugänglich, und solange das Gehäuse offen bleibt, sind die Schalter naturgemäß ungeschützt. Der Klemmkastendeckel der U-ONE-Baureihe dagegen lässt sich einfach nach oben abnehmen, Doppelstock-Schraubklemmen im Klemmkasten ermöglichen eine einfache Verkabelung. Und weil der Klemmkastenboden vollvergossen ist, sind Schalter und Elektronik auch bei offenem Deckel nicht gefährdet.

Da alle Parameter in den Geräten der U-ONE-Baureihe bereits vorab programmiert und gespeichert werden können, kann nach der Montage sofort mit der Kontrolle bzw. ersten Testfahrten begonnen werden. Demgegenüber muss bei mechanischen Kopierwerken erst jedes einzelne Schaltglied eingestellt und dazu die Position eingemessen und angefahren werden, was aus technologischen Gründen aber nicht immer möglich ist. Zudem können Feinjustage und Fixierung je nach Einbaulage recht schwierig sein.

Wollte man eines der bislang verwendeten herkömmlichen Geräte einmal austauschen, bedeutete auch dies ein umständliches Prozedere, da wiederum eine komplette Neueinstellung aller Nocken/Schaltpunkte erforderlich war: Jede einzelne Schaltposition musste separat eingemessen und angefahren werden. Im Gegensatz dazu können bei den Produkten der Baureihe U-ONE alle gespeicherten Parameter schnell in das Austauschgerät importiert werden. Ein einfacher Preset an bekannter Position reicht dabei, um das Gesamtsystem an die jeweilige Anwendung anzupassen.

Je nach Anwendung können bei den vorgeschriebenen Inspektionen sehr unterschiedliche Zyklen gefordert sein (z. B. nach jeder Schicht, täglich oder wöchentlich), wobei bei mechanischen Kopierwerken dann jedes Mal diverse Schaltpositionen angefahren werden müssen. Möchte man die Schaltmechanik in Augenschein nehmen, kommt man nicht umhin, dazu erst einmal das Gehäuse zu öffnen. Bedingt durch die integrierte Schaltertest-Funktion inkl. Protokollierung ist der zeitliche Aufwand bei der Baureihe U-ONE auch hier deutlich geringer.

Sämtliche Schlüsselfunktionalitäten in nur einem System

Stellt man die mechanischen Eigenschaften beider Systeme gegenüber, so wird schnell deutlich, dass die althergebrachte Lösung größere Verschleißprobleme aufweist und korrosionsanfälliger ist. Auch in diesen Punkten zeigt sich das Universalgebersystem überlegen, was auf seine geschlossene, gekapselte Bauform und den Einsatz hochwertiger Materialien zurückzuführen ist. So ist die aus Edelstahl gefertigte Welle korrosionsbeständig und das Gehäuse besteht aus einer Aluminium-legierung, deren Oberfläche durch eine Lackierung geschützt wird. Die Geräte sind zudem schwingungsfest bis 5 g (gemäß DIN EN 60068-2-6) und schockfest bis 25 g (gemäß DIN EN 60068-2-27). Hinsichtlich dieser Eigenschaften liegen bei mechanischen Kopierwerken bis heute keine verlässlichen Angaben vor.

Thomas Brandenburger bilanzierend: „In unser neues Universal-Drehgeber-System haben wir alle wichtigen Schlüsselfunktionalitäten integriert. Der Kunde kann sie somit direkt und anwendungsbezogen realisieren.“