Redundanter Drucksensor für mehr Sicherheit

Lastüberwachungssysteme mit Druckmessumformern werden verwendet, um sichere Arbeitsumgebungen zu schaffen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung und Überwachung, ob die in Nutzfahrzeugen, inkl. Kränen, Hebebühnen und Gabelstaplern, verwendeten Maschinensteuerungssysteme präzise und sicher arbeiten. \'Fehlersicherheit\' ist das Schlagwort, das die Kreativität der Systementwickler antreibt. Die Systemredundanz ist ein Konzeptentwurf, der dabei hilft, gesetzliche Anforderungen zu erfüllen. Die auf Druckmessumformern basierenden Systeme müssen sicherstellen, dass Systemfehler innerhalb der Hydrauliksteuerung vermieden und zufällige Messabweichungen erkannt werden, sodass alle beweglichen Teile in einer Gefahrsituation ausgeschaltet werden.

Stand der Technik Bei einer typischen Last- und Lastmomentüberwachung in der Mobilhydraulik wird der Druck am Hydraulikzylinder des Auslegers, an der Hydraulikpumpe des Fahrantriebs oder am Druckbehälter des Bremssystems gemessen. Jegliche Fehlfunktion des Messumformers kann das System in einen kritischen Zustand versetzen. Eine Fehlfunktion kann durch extreme Umgebungsbedingungen (EMV, Feuchte, Schock- und Vibrationsbelastungen) oder einer Beschädigung des Sensors hervorgerufen werden. Sie kann aber auch durch ungeeignete Einsatzbedingungen, wie z. B. Sensorüberlast durch Druckspitzen, entstehen. Softwarefehler im Steuerungsmodul oder ein defektes Elektronikbauteil können ebenfalls die Ursachen für ein falsches Ausgangssignal des Messumformers und/oder Systems sein.Die Maschinenentwickler ergreifen viele Vorsorgemaßnahmen, um dauerhaft sichere Einsatzbedingungen zu ermöglichen. Eine einfache, praktische und gängige Lösung ist der Einsatz von zwei Drucksensoren an der gleichen Messstelle. Eine redundante Überwachung der beiden Ausgangssignale wird in der Maschinensteuerung vorgenommen, um jegliche unerwartete Messabweichungen des Druckmessumformers zu erkennen.Der Nachteil dieser Methode ist, dass ein zusätzlicher Druckanschluss mit separater Dichtung und zusätzlicher elektrischer Anschluss mit Gegensteckern benötigt werden. Das Steuerungssystem muss mit mehr elektrischen Baugruppen ausgestattet sein, um zwei einzelne Sensoren verwenden zu können. Unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit stellt diese erhöhte Komplexität eine zusätzliche Fehlerquelle dar. Die Wika-Antwort: \’2 in 1\‘-Sensor MHS-1 Mit dem MHS-1 bietet Wika den ersten Druckmessumformer mit integriertem 2-Kanal-Drucksensor, der speziell für sicherheitskritische und sicherheitsrelevante Anwendungen in der Mobilhydraulik entwickelt wurde. Die 2-Kanal-Druckmessung, getrennte elektrische Signalverarbeitung und zwei voneinander unabhängige 4 bis 20mA Ausgangssignale ermöglichen eine redundante Überwachung von Druckmessstellen. Der Kunde braucht nur einen einzigen Druckanschluss mit nur einer Dichtung und nur einem Gegenstecker mit nur einem Kabel. Nun kann z.B. Kanal 1 ein Sensor mit einem Messbereich von 0 bis 600 bar und einem proportionalen elektrischen Ausgangssignal von 4 bis 20mA sein und Kanal zwei einer mit 0 bis 1000bar und 4 bis 20mA. Es ist wichtig, dass der Sensor mit dem kleineren Messbereich für den maximal möglichen Systemdruck ausgewählt wird, da beide Sensoren physisch in einen Prozessanschluss integriert sind. Auch der Einsatz von zwei identischen Druckbereichen oder ein zweites, invertiertes 20 bis 4mA Signal ist denkbar. Dies ermöglicht eine einfache Überwachung der Messstelle durch Addition beider Signale in der Maschinensteuerung, da das Ergebnis bei korrekter Funktion beide Sensoren immer konstant sein müsste. Ein zufälliger Hardware- oder Softwarefehler des sicherheitskritischen Lastüberwachungssystems kann durch Überwachung der beiden Sensorsignale in der Maschinensteuerung erkannt werden und der Aktor kann in einen sicheren Zustand versetzt werden, wenn eine solche gefährliche Situation identifiziert wird. Somit wird die Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Fehlerzustandes wesentlich reduziert. Diese Lösung erhöht die Prozesssicherheit und ist außerdem wirtschaftlich, da die mechanischen und elektrischen Installationskosten deutlich geringer sind als bei der Installation von zwei einzelnen Drucksensoren. TÜV-geprüfte Sicherheit Die Maschinennorm EN 954-1 sollte eigentlich Ende 2009 außer Kraft treten. Da aber die wenigsten Maschinenbauer darauf vorbereitet waren, wurde die Konformitätsvermutung auf den 31.12.2011 verlängert. Die dann folgende neue europäische Machinenrichtlinie (2006/42/EU) bezieht sich auf zwei allgemeine Normen, die in der Sicherheitstechnik generell Anwendung finden. Der MHS-1 ist so konzipiert, dass er beide Sicherheitsnormen erfüllt: – ISO 13849-1 (Performance Level – PL) – IEC 61508 (Safety Integrity Level – SIL) Die ISO-Norm deckt alle verfügbaren Steuerungssysteme (elektrisch, hydraulisch, pneumatisch und mechanisch) ab, während sich die IEC-Norm auf elektrische/elektronische Systeme konzentriert. Das Wika-Produkt MHS-1 wurde in Abstimmung mit dem TÜV entwickelt und geprüft. Die Anforderungen der neuen Maschinenrichtlinie, die ursprünglich bereits im Dezember 2009 in Europa in Kraft treten sollte, werden von dem Sensor bereits erfüllt. Die von Wika bereitgestellten sicherheitsrelevanten Kenndaten des Drucksensors enthalten auch MTTF-Werte (Mean Time to Failure). Ein komplettes sicherheitsrelevantes Steuerungssystem (Sensor, Steuerung und Aktor) kann damit einfach und schnell durch den Anwender bewertet werden. Das MHS-1 entspricht der funktionalen Sicherheit SIL 2 nach IEC 61508 und der Sicherheitskategorie 3 Performance Level d nach ISO 13849-1. Robuste Bauform für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen In Anbetracht der rauen Umgebungsbedingungen in der Mobilhydraulik hat der Metall-Dünnfilmsensor gegenüber anderen Technologien deutliche Vorteile. Die hermetisch dicht verschweißte Dünnfilm-Messzelle mit gesputterter Wheatstone-Brücke von Wika stellt eine exzellente Langzeitstabilität sicher, auch bei hochdynamischen Lastwechseln. Die Dünnfilmsensorik ist zusätzlich äußerst resistent gegenüber Druckspitzen in Hydrauliksystemen. Das bewährte CDS-System (Capillary Damping System), das in den Prozessanschluss integriert ist, minimiert zusätzlich das Risiko eines Sensorfehlers aufgrund Kavitations- und Mikrodieseleffekten. Da die Druckmessung aller Sensortechnologien durch Temperaturänderungen beeinflusst wird, ist die Kompensation des Temperatureinflusses notwending. Mit der Metall-Dünnfilmtechnologie von Wika wird die Temperaturkompensation direkt auf dem Sensor vorgenommen, indem spezielle Kompensationwiderstände in der Messbrücke laserabgeglichen werden. Die Elektronik ist für raue EMV-Bedingungen bis 100 V/m konzipiert. Das robuste, geschweißte Edelstahlgehäuse inkl. des elektrischen Anschlusses, ist für die extremen Bedingungen in der Mobilhydraulik ausgelegt und mit der Schutzart IP 69 K für Hochdruckreinigung qualifiziert. Das heißt, der MHS-1 Messumformer ist natürlich nicht nur so entwickelt worden, dass er alle oben genannten Anforderungen erfüllt, sondern er ist auch ausführlich dahingehend getestet worden, um seine Eignung für raue Umgebungsbedingungen unter Beweis zu stellen. Kundenspezifische Varianten Wika bietet diverse sicherheitsgeprüfte Konzeptvarianten für eine Vielzahl von Anwendungen sowohl mit als auch ohne Sensorüberlasterkennung. Dies wird durch einen redundanten Einzelsensor oder einen redundanten Doppelsensor ermöglicht. Bei zwei einzelnen Sensoren für verschiedene Messbereiche erreicht der Sensor mit dem niedrigeren Bereich den definierten Überlastdruck zuerst und hat dann einen bleibenden Signaloffset. Diese Offsetverschiebung kann bei der Überwachung beider Sensorsignale in der Maschinensteuerung erkannt werden. Wikas flexibler Geräteaufbau und das moderne Produktionssystem unterstützen die Möglichkeit von kundenspezifischen Lösungen. Die Sensorproduktlinien sind nach der Norm der Automobilindustrie ISO/TS 16949:2002 zertifiziert, die weltweit gültig ist, um höchste Qualität sicherzustellen. Wahlfreiheit

WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG
http://www.wika.de

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