Motor-Physik clever genutzt: Drehfeld-Frequenz und Motor-EMK werden sensorlos und sicher bis PLe überwacht. Damit lassen sich derzeit die Safety-Funktionen SOS (Safe operating Stop) und SLS (Safely-limited Speed) realisieren.

Motor-Physik clever genutzt: Drehfeld-Frequenz und Motor-EMK werden sensorlos und sicher bis PLe überwacht. Damit lassen sich derzeit die Safety-Funktionen SOS (Safe operating Stop) und SLS (Safely-limited Speed) realisieren. (Bild: Schuler, Dina Elektronik)

Die gängigen Lösungen zur Drehzahlüber­wachung arbeiten mit Standard-Encodern oder zertifizierten Gebern, abhängig vom geforderten Performance Level. Ergänzend zu diesen Lösungen bietet Dina eine sensorlose Überwachung von Drehzahl und Stillstand an.

Nur drei Motorphasen notwendig

Die Stillstandswächter DN3PS2 oder DN3PD1 sind dazu parallel an die drei ­phasen anzuschließen. Dazu reichen in der Regel Anschlussklemmen mit einem zusätzlichen Mess­anschluss aus, über die die Motorphasen abgegriffen und auf die Messeingänge der Sicherheitsprodukte gelegt werden. Der Vorteil dieser speziellen Signal­erfassung ist die Unabhängigkeit von der elektrischen Leistung der Antriebseinheiten: Weder die Motorgröße noch die Bauart haben einen Einfluss auf die Überwachungsmodule. Und mit dem Spannungs­bereich bis 690 V ist auch eine weltweite Nutzung sichergestellt.

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Stillstand-Überwachung: Beim Auslaufen des Motors erzeugt der Motor eine drehzahlabhängige Spannung. Erst ab dem eingestellten Pegel, wird der Sicherheitskreis freigegeben, etwa die Tür­zuhaltung. Dina

Drehzahlüberwachung: Die Frequenz des Drehfelds bestimmt die Motordrehzahl und lässt sich somit für die sichere Drehzahl­erfassung nutzen – aktuell für sicher reduzierte Geschwindigkeit (SLS); später auch sicheren Geschwindigkeits­bereich (SSR) und sichere Maximal­geschwindigkeit (SSM).

Drehzahlüberwachung: Die Frequenz des Drehfelds
bestimmt die Motordrehzahl und lässt sich somit für die
sichere Drehzahl­erfassung nutzen – aktuell für sicher
reduzierte Geschwindigkeit (SLS); später auch sicheren
Geschwindigkeits­bereich (SSR) und
sichere Maximal­geschwindigkeit (SSM). Dina

Bei der sicherheitsgerichteten Motor-Überwachung nutzen die Entwickler zwei unterschiedliche Mess-Prinzipien, mit denen sich die verschiedenen Zustände detektieren lassen. Der sichere Stillstand wird auf andere Weise erfasst als die Einhaltung einer sicher reduzierten Geschwindigkeit. Deshalb gibt es  derzeit zwei unterschiedliche Baureihen, die jeweils eine Funktion abdecken.
Systeme mit oder Servo-Verstärker können genauso überwacht werden wie einfache Asynchronmotoren. Ebenso ist das Verfahren für Anwendungen mit Gleichstrombremsen geeignet. Auch in Kombination mit Wechselstrom-Motoren lassen sich die Geräte einsetzen. Dazu braucht man bei einphasigen Motoren (230 V) lediglich eine Phase am Gerät zu brücken.

Drehzahlen sicher per Drehfeld-Frequenz überwachen

Überall, wo eine sichere Geschwindigkeitsüber­wachung gefordert ist, kann der Drehzahlwächter DN3PD1 eingesetzt werden. Der Wächter erkennt die vom vorgegebene Frequenz des Drehfelds und wertet diese sicher aus. Die maximale Geschwindigkeit eines Motors ist direkt von dessen Drehfeld abhängig. Somit kann die Vorgabegeschwindigkeit nicht überschritten werden. Damit lässt sich diese Messgröße sicherheitstechnisch verwenden. Die Mess-Frequenz steht dreifach (Drehstrom) zur Verfügung und gewährleistet somit eine redundante Über­wachung.
Der Drehzahlwächter überwacht wahlweise eine sicher reduzierte Geschwindigkeit (SLS), einen sicheren Geschwindigkeitsbereich (SSR) oder eine sichere Maximalgeschwindigkeit (SSM).
Einstellbar ist die obere und untere Geschwindigkeitsgrenze über den an der Frontseite integrierten Drucktaster. Jeweils 15 Frequenz-Stufen stehen zur Verfügung. Die Eingabe der Grenzwerte signalisieren die vier integrierten LEDs. Der Anwender benötigt zur Parametrierung keine weiteren Hilfsmittel, etwa einen Laptop oder ein separates .
Die Anwendungsmöglichkeiten dieser sicheren Drehzahlüberwachung sind vielfältig: Bei allen Anwendungen mit gefährlicher Bewegung für Mensch und Maschine kann das Produkt DN3PD1 eingesetzt werden. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Überwachung von Lüftern oder Durchlauföfen auf Einhaltung einer Sollgeschwindigkeit.

Wie der sichere Stillstand funktioniert und Möglichkeiten zum finden Sie auf Seite 2.

Sicherer Stillstand per EMK-Kontrolle

Der Stillstandswächter DN3PS2 nutzt das physikalische Prinzip der Elek­tromagnetischen Kraft (EMK) beim Auslauf der . In diesem Zustand wirkt der Antrieb als Generator und erzeugt – je nach Bauart des Motors – in den Motorleitungen eine Spannung, die der Stillstandswächter erfasst und auswertet. Abhängig von der parame­trierten Schaltgrenze gibt das Stillstandssignal den Zugang zum Gefahrenbereich frei. Bei Bedarf kann das Signal um bis zu 20 Sekunden verzögert werden, um eine mögliche Restbewegung zu überbrücken.
Ein klassischer Anwendungsfall des Stillstandswächters ist die sichere Freigabe von Schutztüren. Ein zweites Szenario ist das Erkennen eines sicheren Stillstands bei offener . Dieser Anwendungsfall erfordert allerdings einen momentenfreien Motor im Stillstand, kann also keine Lasten halten.

Weniger ist mehr: Feedback-Systeme gespart

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Ausblick: Die Funktionen der bislang getrennten Geräte werden in einem einzigen Modul kombiniert sowie in das modulare Sicherheitssystem SL Vario integriert. Dina

Werden die Motoren an Frequenzumrichtern betrieben, gibt es sehr unterschiedliche Feedback-Systeme wie , oder Absolutwertgeber. Deren unterschiedlicher Aufbau erfordert mehrere technische Lösungen zur sicheren Drehzahlüberwachung. Beispielsweise übertragen Absolutwertgeber ihre Signale über serielle Protokolle, die mit herkömmlichen externen Geräten nicht oder nur begrenzt für Sicherheitsfunktionen verwendet werden können.
Mit den sensorlosen Überwachungssystemen sind Anpassungen hinfällig, da man unabhängig von den Gebern ist.  Applikationsabhängig kann auch komplett auf verzichtet werden. Somit ist auch die Diskussion über den Fehlerausschluss bei einem möglichen Bruch der Geberwelle hinfällig.
In einigen Fällen kommen induktive zum Einsatz. Die Montage von zwei Näherungsschaltern ist jedoch mit einigem Aufwand verbunden. Bei Motorspindeln ist beispielsweise der Einbauraum sehr begrenzt und die mechanische Anbringung zusätzlicher Sensoren schwierig. Zudem müssen diese exakt justiert sein. Dieser Mehraufwand bleibt dem Anwender bei der Verwendung des DN3PD1 erspart. Viele Anwendungen haben überhaupt kein Feedback-System. Hier eignen sich die sensorlosen Produkte optimal.
Bei beiden Geräte-Ausführungen erfolgt die Diagnose über LEDs an der Frontseite. Sie zeigen Informationen wie Gerätefehler oder Überdrehzahl direkt am Gerät an. Zwei Meldeausgänge stehen für die Weiterleitung an die über­geordnete bereit. Eine einfache Verdrahtung und die geringen Gehäuseabmessungen erleichtern die Integration in den . Der überschaubare Aufbau und die simple Handhabung unterstützen die Validierung der Sicherheitsfunktionen.

Retrofit ohne Klimmzüge

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Der Stillstandswächter DN3PD1 (im Bild) und der Drehzahlwächter DN3PS2) sind aufgrund ihrer geringen Abmessungen und einfachen Konfiguration auch für Retrofit-Projekte geeignet. Dina

Bei einer Modernisierung von Maschinen ist die Sicherheitstechnik entsprechend dem aktuellen Stand der Normen auszuführen. In der Regel bedeutet das einen erhöhten Platzbedarf im Schaltschrank. Durch ihre geringen Einbaumaße und die einfache Konfiguration eignen sich die Geräte auch zur Nachrüstung an bestehenden Maschinen. Die potenzialfreien Relaiskontakte machen die Integration in den Not-Halt-Kreis der Maschine leicht. Mit einer Breite von nur 22,5 mm passen sie zudem in jeden Schaltschrank. Die steckbaren und kodierten unterstützen eine zügige Umrüstung.
Ein Performance Level e ist sowohl für Neuanlagen als auch bei Nachrüstungen auf einfache Weise zu erreichen. Die TÜV-Zertifizierung für den Drehzahlwächter DN3PD1 soll bis Ende 2017 vorliegen, UL- und CSA-Zulassungen sind ebenfalls in Planung. Der Stillstandswächter DN3PS2 kommt bereits seit Jahren erfolgreich in verschiedenen Märkten zum Einsatz.
Im Laufe des nächsten Jahres wird die Produkt­familie erweitert. Konkret werden die bisher getrennten Funktionen in einem Modul zusammengeführt. Stillstand und Drehzahl in verschiedenen Betriebsarten lassen sich dann mit nur einem einzigen Gerät sicher überwachen.
Im nächsten Schritt folgt die Integration der sensorlosen Überwachungstechnik in das parametrierbare Sicherheitssystem SL Vario. Gemeinsam mit anderen Sicherheitsfunktionen wie Schutztür­überwachung, Zweihandbedienung oder lassen sich dann bis zu 28 Antriebe sensorlos überwachen.

Michael Kocher

ist Vertriebsleiter bei Dina Elektronik in Wolfschlugen.

(sk)

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