Unterschiedliche elektronische Positionssensoren haben sich in industriellen Anwendungen bewährt und Sicherheitsschalter mit mechanischen Kontakten abgelöst. Der Hauptgrund für diese Entwicklung sind die in der EN ISO 13849-1 und die EN 62061 definierten Richtlinien. Entsprechend den dort beschriebenen Safety-Ansätzen müssen mechanische Sicherheitsschalter unter Berücksichtigung des Lebenszyklus regelmäßig auf sichere Funktion und Schaltverhalten geprüft werden. Diese Prüfungen sind von einer geschulten Fachkraft durchzuführen, um die sichere Weiterverwendung zu gewährleisten. Ein enormer Aufwand, der bei den elektronischen Pendants entfällt.

Bei elektronischen sicheren Sensoren gibt es verschiedene Systeme, die mit unterschiedlichen Wirkprinzipien und Betätigungselementen arbeiten:

• Magnetische Sensoren erfassen das Feld von Dauermagneten.
• RFID-Systeme benötigen einen Transponder.
• Induktive Sensoren nutzen metallische Betätigungselemente.

Daraus leiten sich wiederum spezifische Eigenschaften und Besonderheiten ab. Beispielsweise ist bei den magnetisch arbeitenden Sensoren die korrekte Ausrichtung des Betätigers sehr wichtig. Dessen Magnetfeldlinien sind hinsichtlich Polung (Nord/Süd) so zu montieren, dass der Sensor nur einen Schaltpunkt an der sicheren Endposition aufweist. Dazu muss der Betätigungsmagnet immer längs zur Bewegung angeordnet sein. Bei einer Fehlausrichtung würde der Sensor das Magnetfeld mehrfach erfassen und mehrere Schaltsignale an die Auswerte-Elektronik weiterleiten.

Beim Einsatz von mehreren Magneten in einem Betätiger ist eine Codierung möglich, welche eine Manipulation der Sicherheitseinrichtung deutlich erschwert. Die Codierung erfolgt mittels einer definierten Anordnung der Magnete, zum Beispiel Nord-Süd-Nord. Bei Annäherung erfasst der sichere Sensor die wechselnden Magnetfelder und vergleicht das Muster mit dem zuvor per Teach-in eingeprägten Muster. Dadurch ist der Betätiger eindeutig einem Sensor zugeordnet.

Sichere, induktiv arbeitende Sensoren erfassen beliebige metallische Betätigungselemente, ohne spezielle Codierung oder aufwendige Montage.

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Magnetisch arbeitende Sensoren bieten gegenüber anderen Systemen einen Preisvorteil, erfordern jedoch eine genaue Ausrichtung der Polfelder und eine unverlierbare Befestigung des magnetischen Betätigungselements.

Ähnlich funktionieren sichere Sensoren mit RFID-Technologie, nur dass ein codierter Transponder als Betätigungselement zum Einsatz kommt. Je nach Ausführung lässt sich eine vielfältige Codierung innerhalb der 1:1-Beziehung zwischen Transponder und Sensor realisieren. Entscheidend ist der Umfang der Codierungs-Information, die auf dem Transponder gespeichert werden kann. Möglich sind numerische und alphanumerische Codierungen bis hin zu Angaben zum Montage-Ort oder zur Funktion.

Bei einem Preisvergleich von magnetischen und RFID-Systemen mit induktiven Sensoren sind die Aufwendungen zur Befestigung des Gegenstücks mit zu berücksichtigen. Der Anwender hat dafür Sorge zu tragen, dass die Betätiger nicht abfallen oder entfernt werden können – entweder durch dauerhaftes Verkleben oder mittels Spezialschrauben. Bei einem Austausch ist der Zeitaufwand für die spezielle Montage, Neucodierung und Justierung mit zu betrachten.

Als Alternative zu den magnetischen und RFID-Wirkprinzipien bieten sich induktiv arbeitende sichere Sensoren an, die auf einen metallischen Betätiger reagieren. Vor der aktiven Fläche des Sensors wird dazu ein elektrisches Feld erzeugt, das beim Eindringen von Metall geschwächt wird. Bei Unterschreiten eines definierten Pegels gibt die Elektronik dann das Schaltsignal aus. Aufgrund des Wirkprinzips sind die im Maschinen- und Anlagenbau üblichen Materialien wie Stahl, Edelstahl oder Aluminium als Betätigungselemente einsetzbar. Abhängig vom Material ist nur der Schaltabstand mit einem so genannten Korrekturfaktor zu bewerten und der Abstand zwischen Sensor und Betätiger entsprechend zu justieren. Zudem kann das Betätigungselement individuell gestaltet werden. Lediglich die für eine sichere Erfassung notwendige Mindestgröße ist zu beachten.

Safety-Funktion einfach nachzurüsten

Der besondere Reiz dieses Wirkprinzips besteht darin, dass ein bisher nicht sicherer induktiver Sensor durch eine sichere Variante ersetzt werden kann. Anschließend braucht nur noch der korrekte Abstand vom Sensor zum Betätiger neu justiert zu werden. Ebenso lassen sich mit solchen Sensoren metallische Produkte im Fertigungsprozess direkt überwachen. Beispielsweise erfasst ein induktiver Sicherheitssensor in einem Laserbeschriftungsprozess von Edelstahltüren die richtige Position der Edelstahltür und gibt die Freigabe zum Lasern der Edelstahltür. Bei Roboter-Applikationen sind solche Sensoren zur Überwachung des Drehwinkels im Einsatz.

Bei den sicheren induktiven Sensoren gibt es zwei Varianten mit verschiedenen Schnittstellen zur Auswerte-Elektronik – mit Taktsignal oder mit zwei Transistor-Endstufen.

Sichere induktive Sensoren mit taktender Schnittstelle benötigen ein definiertes Signal von der Auswerte-Elektronik.

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Bei Sensoren mit Taktsignal speist die Auswerte-Elektronik den Sensor über dessen Takteingang mit einem definierten Rechteck-Signal. Befindet sich der metallische Betätiger im korrekten Abstand, schaltet der Sensor das Taktsignal mit einer kurzen Verzögerung auf seinen Ausgang. Diese Verzögerung vergleicht die Auswerte-Elektronik mit dem eingespeisten Takt. Ist keine Verzögerung vorhanden, kein Sensor angeschlossen oder der Sensor kurzgeschlossen, geht die Auswerte-Einheit in den sicheren Zustand. Das Taktsignal ermöglicht es, mehrere Sensoren in Reihe zu schalten und somit eine UND-Verknüpfung von Sensoren zu realisieren. In Verbindung mit der passenden Auswerte-Elektronik mit integriertem Taktgeber oder einem Funktionsbaustein in der Safety-Steuerung sind diese Sensoren einfach in vorhandene Sicherheitskonzepte integrierbar. Darüber hinaus können mit den getakteten Sensoren zwangsgeführte mechanische Kontakte von Sicherheitskomponenten in Reihe geschaltet und überwacht werden, etwa von einem Schaltrelais oder einem Hilfsschütz.

Der Anwender erhält damit die Möglichkeit, berührungslose sichere induktive Sensoren bei einer Nachrüstung einfach zu integrieren. Da induktive Sensoren keinerlei Verschleiß unterliegen, bieten sie bei häufigen Schaltspielen eine hohe Verfügbarkeit der sicheren Funktion.

Sensoren mit zwei Transistor-Endstufen, so genannte OSSD-Ausgänge (Output Signal Switching Device), werden mittels Auswerte-Einheit oder Safety-SPS in die Anlage eingebunden. Die OSSD-Ausgänge können unter Berücksichtigung der Strom- und Spannungspegel an jede sichere Steuerung angeschlossen werden. Eine taktende Versorgungsspannung, wie sie bei rein mechanisch arbeitenden Schaltkontakten zur Kurzschluss- und Querschluss-Erkennung benötigt wird, ist nicht erforderlich. Eine integrierte Überwachung von Über- und Unterspannung sowie Quer- oder Kurzschluss an den Ausgängen erhöht die Sicherheit in der Anlage. Im Fehlerfall werden beide Endstufen stromlos geschaltet und signalisieren den sicheren Zustand.

Auslöse-Charakteristik invertiert

Mit einer speziellen Funktion erlaubt es der induktive Sicherheitssensor GG851S (M18), Applikationen einfacher zu lösen: Der sichere Zustand ist erreicht, wenn sich das metallische Bedämpfungselement innerhalb des gesicherten Ausschaltbereichs befindet.

Bei den induktiven Sensoren mit invertiertem Schaltverhalten wird die bislang notwendige permanente Bedämpfung über den Fahrweg überflüssig.

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Bisher musste der Anwender die metallischen Betätiger so auslegen, dass die sicheren Sensoren stetig bedämpft wurden. An einer Kranbahn beispielsweise musste der Sensor über den gesamten Fahrweg bedämpft sein. Die Konsequenz: Der metallische Betätiger war in Form eines Metallstreifens oder des Trägers über den gesamten Verfahrweg aufwendig zu montieren und präzise zu justieren. Nur an den Endpunkten durfte das Metall unterbrochen oder ausgespart sein, um dort das Abschalten sicherzustellen. Dieser Aufwand entfällt mit der invertierten Funktionsweise: Der Sensor geht nur in den sicheren Zustand, wenn sich das metallische Bedämpfungselement innerhalb des gesicherten Ausschaltbereiches befindet. Dazu reicht ein an den Haltepositionen montiertes Metallplättchen (24 mm × 24 mm × 1 mm) aus. Entsprechend gering fallen Montage, Justierung und Materialaufwand aus.

Autor: Bernd Bruckmann ist Produktmanager für induktive Positions­sensoren bei der Firma ifm in Essen.