Nockenschaltwerk Elektronische Nockenschaltwerke messen und schalten

In vielen Maschinen müssen neben dem reinen Erfassen der Messwerte auch Schaltfunktionen realisiert werden – dazu eignen sich elektronische Nockenschaltwerke, die gegenüber mechanischen eine Reihe von Vorteilen aufweisen.

Anbieter zum Thema

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

invenio AG

Actronic-Solutions GmbH

TWK-Elektronik GmbH

In vielen Maschinen und Anlagen müssen permanent mechanische Messwerte, wie Längen und Winkel, erfasst werden, um ein gutes Produkt oder sichere Arbeitsabläufe und ein hohes Maß an Effizienz zu erreichen. Man unterscheidet das Erfassen kontinuierlicher Messwerte und die Aktivierung von Schaltfunktionen, die bei bestimmten vorgegebenen Positionen oder Winkeln wirksam werden müssen. Beispielsweise um bei End- und/oder Zwischenpositionen bestimmte Peripheriegeräte zu schalten oder Signale zu übermitteln.

Beispiel Windkraftanlage: Die Gondel und damit der Rotor wird bei sich drehender Windrichtung entsprechend nachgefahren, damit der Rotor immer senkrecht zur Windrichtung steht Nur so wird die im Wind enthaltene Energie optimal genutzt. Nun kann sich die Gondel aber nicht beliebig oft in eine Richtung drehen, da sich sonst die Leitungen verdrillen, die den erzeugten Strom ins Netz speisen. Also wird bei etwa 3 Umdrehungen in dieselbe Richtung gestoppt und die Gondel wieder auf 'Null' zurückgedreht.

Bei der Rotorblatteinstellung gibt es auch zu erfassende Endlagen. Der genutzte Drehbereich eines Rotorblattes beträgt circa 90°. Dieser wird durch Endlagenschalter begrenzt. Bei einem bestimmten Einstellwinkel beispielsweise wird die Anlage im Stillstand geparkt, sie wird aus dem Wind gefahren. Mit den Endschaltern werden in diesem Fall Frequenzumrichter oder Bremsen geschaltet.

Ein weiteres Einsatzbeispiel ist die Durchflussmessung in einem Rohr: Bei großen Anlagen in Kraftwerken oder in der Stahlindustrie gibt es große Mengen Flüssigkeit oder Gas in entsprechend großen Rohren zu transportieren. Die Durchflussmenge wird mit in dem Rohr integrierten Klappen gemessen. Bei Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten der Durchflussmenge müssen Maßnahmen einsetzen oder Alarme ausgelöst werden. Auch hier werden Endschalter benötigt.

Oft sind neben den Endlagen auch Zwischenpositionen nötig

Häufig reicht es aber nicht, nur die angesprochenen diskreten Positionen, d.h. die oben genannten Endlagen zu erfassen. Es müssen auch Zwischenpositionen kontinuierlich und genau gemessen werden, damit die angeschlossenen Steuer- und Regeleinheiten immer mit der Information der genauen Position gespeist werden. Das ist wichtig für den permanenten Regelprozess innerhalb der Anlage. Beim Beispiel der Windkraftanlage müssen die Signale des Windmessers (Anemometer) und der Gondelposition zur genauen Einstellung auf die Windrichtung ständig verglichen werden. Und der Winkel des Rotorblattes muss ständig an die Windstärke angepasst werden, um die maximale Energie aus dem Wind zu gewinnen, ohne die Anlage zu überlasten.

Wie kann diese Messaufgabe elegant gelöst werden? Gefragt ist eine Kombination aus Drehgeber und Nockenschaltwerk: Nockenschaltwerke mit Drehgeber. Diese gibt es sogar schon lange: Mechanische Nocken auf Nockenscheiben schalten die angesprochenen Schalter an vorbestimmten Stellen. Ein Drehgeber erfasst alle Zwischenpositionen. Vorteil ist, dass die Nocken 'immer' schalten; sie brauchen keine Spannungsversorgung.

Es gibt aber auch Nachteile: Sie sind aufgrund der Aufbauweise meist groß und klobig. Die Einstellung von Nocken und Drehgeber geschieht mechanisch und ist zeitaufwändig. Da ein hohes Maß an Effizienz der Applikationen immer wichtiger wird, muss der Winkel mit hoher Genauigkeit erfasst werden und die Endschalter müssen punktgenau schalten. Zusätzlich kommt es mehr und mehr auf kompakte Baugrößen an, da in vielen Fällen der Platz begrenzt ist. Hier stoßen die mechanischen Nockenschaltwerke mit eingebauten Vorsatzgetrieben an ihre Grenzen und die kompakten elektronischen Nockenschaltwerke NOCA und NOCN von TWK-Elektronik haben ihren Auftritt.

Elektronische Nockenschaltwerke kombinieren messen und schalten

Ein exakt messender Drehgeber, der 12 Bit Auflösung hat und bis 4096 Umdrehungen erfassen kann, wird um Schaltausgänge erweitert, die die Nockenschalter darstellen. Die Schaltausgänge werden mit Relais hoher Lebenserwartung und hoher Schaltleistung realisiert. Angesteuert werden diese galvanisch getrennten Kontakte durch den Drehgeber. Durch das spielfreie Arbeiten des elektronischen Systems ist nicht nur das Drehgebersignal, sondern sind auch die Schaltvorgänge exakt und bei Vor- und Rücklauf genau reproduzierbar. Das sichere Schalten der Relais wird durch direkte Überwachung des Schaltkontaktes, z.B. eines Schließers, gewährleistet. Diese Überwachung findet intern im Nockenschaltwerk statt. Sollte der Kontakt beispielsweise kleben, kann ein Alarm seitens des Nockenschaltwerks an die Steuerung ausgegeben werden.

Ein weiterer Vorteil ist die benutzerfreundliche, elektronische Parametrierbarkeit der Schalter und des Drehgebers über die elektrischen Anschlussleitungen. Das Nockenschaltwerk kann optimal an die Kundenapplikation angepasst werden. Ein- und Ausschaltpunkt der Nocken können beliebig gewählt werden. Das Ausgangssignal des Drehgebers kann jederzeit angepasst und referenziert werden.

Dies geschieht per Notebook und den Universalprogrammer PMU oder über die angeschlossene Steuerung bei der CANopen Ausführung oder per Teach-In-Funktion bei der Version mit Analogausgang. Bei der CANopen Version kann die Steuerung über entsprechende CANopen-Objekte jederzeit den Status der Nocken abfragen. Bei dieser Ausführung ist auch ein CANopen-Safety Profil erhältlich. So wird aus dem elektronischen Nockenschaltwerk eine sicherheitsgerichtete Komponente, die nach IEC 61508 einsetzbar ist. Durch die Bootloader-Funktion ist der Kunde in der Lage, die Gerätefirmware bei Bedarf zu aktualisieren. Für die mechanische Anbindung an einen Zahnkranz kann das spielausgleichende Messzahnrad ZRS verwendet werden, das die spielfreie Funktion unterstützt.

Durch die Konstruktion 'aus einem Guss' sind diese Geräte also nicht nur nutzerfreundlich, sondern auch kompakt und gleichzeitig robust. Viele Gründe, die für den Einsatz eines elektronischen Nockenschaltwerkes anstelle eines Mechanischen sprechen. (ud)

* *Dipl.-Phys. Achim Albertini ist zuständig für Technische Beratung und Vertrieb bei der TWK-Elektronik GmbH, Düsseldorf.

(ID:25402760)