Sicherheitszertifizierte Drehgeber als Schlüsselkomponente für IEC 61800-5-2-konforme Antriebssysteme

(WK-intern) – Funktionale Sicherheit im Maschinenbau beginnt nicht im Antrieb, sondern am Sensor.

Sicherheitsfunktionen wie Safe Limited Speed, Safe Limited Position oder Safe Direction, die die IEC 61800-5-2 für Servoantriebe definiert, sind in der Praxis nur so zuverlässig wie die Ausgabe des Sensors, auf der sie basieren.

TWK bietet neue sicherheitszertifizierte Ring Encoder als lagerlose KIT Encoder an, die den Funktionsumfang moderner Safety-Antriebsarchitekturen absichern – insbesondere bei Robotern und Roboterarmen.

Mit der Veröffentlichung der IEC 61508 im Jahr 1998 wandelte sich das grundlegende Verständnis von Maschinensicherheit. Anstatt die Stromversorgung einfach zu unterbrechen, schreibt die Norm seither vor, dass ein System bei jedem Einzelfehler in einen definierten, kontrollierten sicheren Zustand übergeht. Moderne Servoantriebe nach IEC 61800-5-2 setzen dieses Prinzip mit einer umfassenden Bibliothek an Sicherheitsfunktionen um, zu der STO (Safe Torque Off), SS1 und SS2 (Safe Stop 1 und 2), SOS (Safe Operating Stop), SLS (Safe Limited Speed), SLP (Safe Limited Position), SDI (Safe Direction) sowie SBC (Safe Brake Control) gehören. Die aktuell entwickelten induktiven oder magnetischen Ring Encoder von TWK können mehrere Schnittstellen gleichzeitig bedienen und sind nach den Normen IEC 61508, EN ISO 13849-1 oder IEC 62061 zertifiziert. Sie erfüllen die Voraussetzungen für diese Sicherheitsfunktionen, die die SIL2 oder SIL3 bzw. PLd oder PLe Anforderungen nur dann erreichen, wenn der eingesetzte Sensor mit seinen Positions- und Geschwindigkeitsdaten eine entsprechende Einstufung aufweist.
Parallel zur Weiterentwicklung der Sicherheitsfunktionen hat sich in den vergangenen Jahren die zugrunde liegende Kommunikationsarchitektur grundlegend verändert. Sicherheitsgerichtete Feldbus-Protokolle wie CANopen Safety, FSoE, PROFIsafe oder CIP Safety lösen dedizierte Safety-Signalleitungen zunehmend ab. SRIS-Signale (Safety Request Input Signals) lassen sich damit über dieselbe Industrial-Ethernet-Infrastruktur übertragen, die ohnehin für die Bewegungssteuerung im Einsatz ist. Das senkt den Verdrahtungsaufwand, verkleinert den Schaltschrankbedarf und verkürzt die Zeit der Inbetriebnahme spürbar.
Hier kommt nun die neue Kategorie der Ring Encoder zum Einsatz. Sie sind so vielseitig und anpassungsfähig, dass unterschiedlichste Anforderungen bedient werden können – insbesondere bei sehr wenig Platz am Ort der Messung. Das lagerlose Hohlwellen-System besteht aus einem passiven Rotor und dem Stator mit Sensor und Auswertelektronik. Zwei Messprinzipien stehen zur Auswahl: Das magnetische Prinzip, bei dem der Rotor aus einem Magnetring besteht, der eine bestimmte Anzahl von Magnetpolen nach dem Noniusprinzip trägt. Oder das induktive Prinzip, bei dem der Rotor einen Spulenträger darstellt. Der Rotor kann auf einfache Weise per Schraubanbindung montiert werden.

Die Encoder haben ein sehr flach bauendes und dennoch robustes Aluminium- oder Edelstahlgehäuse. Eine reine Platinenlösung ist ebenfalls möglich. Der Stator kann zusätzlich in Sensor- und Auswerte-/Schnittstelleneinheit aufgeteilt werden. Es wird dann nur sehr wenig Platz durch den Sensor am Messort benötigt, während die weiterführende Elektronik in platzneutrale Bereiche der Anwendung ausgelagert werden kann. Selbstverständlich bleibt die Funktionale Sicherheit bei dieser Modul-Bauweise in vollem Umfang erhalten. Die Platinenlösung spart nochmals Platz. Hierbei gilt: Die besonders kompakten Magnetring-Encoder finden ihren Einsatz auf kleinstem Raum, während die induktiven Ring Encoder mit Innendurchmessern bis 200 mm aufwarten können. Letztere sind robuster gegenüber Einbautoleranzen sowie Schmutz und Umwelteinflüssen, wie Magnetfelder. Durch die Bauform- und Größenvielfalt lassen sich die Ring Encoder in fast jegliche Art von Gelenken und Getrieben beispielsweise von Roboterarmen integrieren.

Je nach Ausführung und Größe bieten die Geräte mehrere Schnittstellenpakete: CANopen Safety, FSoE oder PROFIsafe auf der Sicherheitsseite und BiSS oder SSI auf der Standardseite, wo es auf minimale Reaktionszeiten ankommt. Zusätzlich können Inkrementalsignale (ABZ, UVW) ausgegeben werden. Die Auflösung ist pro Schnittstelle wählbar. Durch diese Multischnittstellenfunktion können Sicherheitssteuerungen und schnelle Motor-Feedback-Systeme gleichzeitig mit Sensordaten versorgt werden, bei Auflösungen bis 20 Bit und einem Temperaturbereich bis 125 °C.

Die Auslegung eines IEC 61800-5-2-konformen Antriebssystems erfordert, Sicherheitsfunktion, Performance-Level und Datenkommunikationssystem gemeinsam zu betrachten und daraus die passende Sensor-Kategorie abzuleiten. TWK stellt für unterschiedliche Anforderungen passende Drehgeber bereit. In kollaborativen Roboterzellen etwa, wo ISO/TS 15066 Grenzgeschwindigkeiten von typischerweise 250 mm/s oder weniger vorschreibt, bildet die Kombination aus hoher Auflösung und Messdynamik die Grundlage für eine zuverlässige SLS-Überwachung.

Darüber hinaus bietet TWK für Pressenanwendungen mit sicher begrenzter Achsposition (SLP) Absolutwertgeber an, die auch nach einer Spannungsunterbrechung die korrekte Position liefern – ohne Referenzfahrt, ohne Datenverlust. An schwerkraftbelasteten Vertikalachsen, wo STO stets mit SBC kombiniert wird, schließt sich der Kreis: Hier liefern TWK-Drehgeber nicht nur die Positionsrückmeldung, sondern ermöglichen darüber hinaus eine sichere Bremsenüberwachung per Safe Brake Test.
Lassen Sie sich individuell beraten oder besuchen Sie unsere Website twk.de für weitere Informationen.

PM: TWK-ELEKTRONIK GmbH

PB: Sicherheitszertifizierte Drehgeber als Schlüsselkomponente für IEC 61800-5-2-konforme Antriebssysteme / ©: TWK