Winkelcodierer über und unter Wasser Für Schleusensteuerungen

Winkelcodierer über und unter Wasser
Für Schleusensteuerungen, Staubeckenüberwachung,
Hafenausbau und Arbeiten auf dem Meeresboden.
Die zunehmende Automatisierung in allen Arten des Wasserbaus erfordert Geräte, die über oder
unter Wasser Bewegungen und Positionen von mechanischen Stellgliedern und Antrieben erfassen
und als elektrische Messgröße an Steuerungen oder Anzeigen weitergeben. Abhängig von den
örtlichen Bedingungen müssen diese allgemein als „Geber“ bezeichneten Geräte den vorliegenden Umweltbedingungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, Dichtigkeit und Temperaturbereich
standhalten. In dem Aufsatz werden sogenannte Winkelcodierer beschrieben, die in verschiedenen
Ausführungen für die erwähnten Aufgaben ausgelegt sind und eingesetzt werden.
Elektro-optische Winkelcodierer für
den Überwasserbereich
Bei dieser Bauart wird ein Sensorsystem bestehend aus
LED`s als Lichtquelle und Fotozellen als Lichtempfänger benutzt. Eine Codescheibe zwischen diesen beiden
Elementen generiert bei Drehung ein winkelproportionales, digitales Ausgangssignal. Über ein nachgeschaltetes
Getriebe wird jede weitere Umdrehung digital erfasst,
sodass nach der elektronischen Aufbereitung am Ausgang
des Winkelcodierers für jede Position ein absoluter, eindeutiger Messwert zur Verfügung steht. Dieser kann an eine
Steuerung oder Anzeige weitergeleitet werden.
Mechanisch bestehen die Gehäuse der Multitour-Winkelcodierer aus seewasserbeständigem Aluminium und Wellen aus Edelstahl. Doppelkugellager und Wellendichtring
gewährleisten Belastbarkeiten und Feuchtigkeitsbeständigkeit, wie sie in rauer Umgebung erforderlich sind. Sie
entsprechen Schutzarten bis IP 66. (Bild1)
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Bild 1: Elektro-optischer MultitourWinkelcodierer für maximal 4096
Umdrehungen.
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Bild 2: Winkelcodierer mit Seilzug zur
elektrischen Übertragung des Wasserstandes
(WVB Eifel-Rur, Staubecken Obermaubach).
Zur Wasserstandsanzeige und Schleusensteuerung
Bild 2 zeigt einen Winkelcodierer, der zusammen mit einem Seilzug zur Wasserstandsmessung an einem Staubecken dient. Messbereiche
von 2 bis 10 m werden damit erfasst. Die Parameter
können über ein Programmiergerät auf den benötigten
Grenzwert vorgegeben werden. Die Programmierung ist
vor Ort möglich und kann auch später wieder geändert
werden.
In einem anderen Einsatzfall
an einer Wehrklappe
werden
Winkelcodierer
mit
analoger
Schnittstelle verwendet. Sie liefern ein Messsignal von
4 bis 20 mA. Eine zusätzliche Heizung mit Außenanschluss
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dient zur Vermeidung von Kondenswasserbildung
im Gehäuseinneren und damit zum Schutz der
Elektronik.
Zur interaktiven Koordination von Funktionsabläufen, wie dies z. B. bei Flussschleusen
erforderlich ist, werden Antriebs- und Rückmeldesysteme über Feldbusse und entsprechende
Steuerungen miteinander verbunden. Bild 3 zeigt
Multitour-Winkelcodierer mit PROFIBUS-Schnittstelle, die die Position von Obertor, Untertor und
Längswasserkanaltoren erfassen und an die
zentrale Steuerung weiterleiten. Wegen der hohen
Sicherheitsrelevanz sind die Winkelcodierer in der
PROFIsafe-Version ausgeführt. Diese beinhaltet eine Reihe von Überwachungsfunktionen,
die durch eine zusätzliche Protokollschicht der
Software umgesetzt werden. Die Geräte sind für
den Safety Integrity Level SIL2 ausgelegt und
zertifiziert.
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Bild 3: ROFIsafe-Multitour-Winkelcodierer bei der
Automatisierung von Flussschleusen in Duisburg-Meiderich:
Elektromagnetische Winkelcodierer arbeiten auch unter Wasser
Anders als vorstehend beschrieben, besteht das Sensorsystem dieser Modellreihe aus HallElementen, die in einem ASIC integriert sind, und einem kleinen Permanentmagneten. Dreht
sich der Magnet, wird eine winkelpropotionale Spannung erzeugt. Anschließend wird das Signal
digitalisiert oder analogisiert. Dementsprechend erhält man z.B. 4096 Schritte im Gray-Code oder
ein Stromsignal von 0 bis 20 mA je Umdrehung. Ausgeführt sind diese Winkelcodierer in ZweiKammer-Bauweise, d.h. der Magnet befindet sich mit der Verstellwelle in der Vorkammer und wirkt
durch eine Metallwand auf die Elektronik in der Hauptkammer. Ein Wellendichtring vor zwei robusten Doppelkugellagern sorgt für die Druckfestigkeit auf der Frontseite während die Elektronik in
der Hauptkammer durch vollständigen Verguss druckdicht gegen Wassereintritt geschützt ist. Auch
bei Überflutung und bei Wassertiefen bis mindestens 30 m ist daher eine einwandfreie Funktion
gewährleistet. (Bild 4)
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Bild 4: Elektromagnetischer Winkelcodierer
in Zwei-Kammer-Bauweise.
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Bild 6: Wasserdichte Winkelcodierer ohne
eigene Lagerung der Welle zur berührungslosen Aktivierung.
Bei einer zweiten Modellreihe wird der Magnet mit der Welle eines Motors oder eines Stellgliedes
verbunden und berührungslos ohne eigene Lagerung in das Rundloch des dichten Codierergehäuses eingeführt. Diese Version wird z. B. an Seil- und Kabelwinden verwendet, um Ablauflängen und
–geschwindigkeiten zu ermitteln. (Bild 6)
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Für Stauklappensteuerung und im Hafenbau
Die Winkelcodierer werden z.B. als Stellungsmelder an Stau- und Spülklappen von Wasserkraftanlagen eingesetzt Bild 5. Ein anderes
Beispiel ist die Verwendung der Multitour-Version
zum Erfassen von vielen Umdrehungen in einer
Spezial-Baumaschine. Diese wurde zur Erweiterung eines Hafenbeckens vor der australischen
Küste entwickelt. Winkelcodierer dienen dabei
als Positionsmelder zur Fernsteuerung mehrerer
Achsen der Maschine in 30 m Tiefe. Bei den erwähnten Einsätzen sind Gehäuse, Welle und Kabelanschlüsse in Edelstahl ausgeführt.
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Bild 5: Winkelcodierer als Positionsmelder an
Stauklappen von Wasserkraftanlagen.
(Bild: Lukas Anlagenbau)
Viele mechanische und elektrische
Versionen sind möglich
Wie bereits erwähnt, können die Winkelcodierer
mit analogen oder digitalen Ausgangsschnittstellen geliefert werden. Für die Einbindung in
Feldbus-Netze wie PROFIBUS, CANopen oder
InterBus sind geeignete Versionen verfügbar.
Das Gleiche gilt für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Anlagen. Dafür werden die Geräte
entsprechend den Bedingungen für SIL2 oder
SIL3 ausgelegt. Eine neue Entwicklung befasst
sich mit der Verwendung von Winkelcodierern zur
Steuerung mobiler Arbeitsgeräte in Meerestiefen
bis 200 m.
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Bild 7: Multitour-Winkelcodierer in Edelstahl
zum Einsatz in 30 m Meerestiefe.
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