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Safety Sichere Sensoren für die Kunststoffindustrie

Von Kai Weigand*

Anbieter zum Thema

GEFRAN S.p.A.
TURCK GmbH
GGB Heilbronn GmbH
ipf electronic gmbh

Betriebssicherheitsverordnung, RoHS II, Industrie 4.0 – Hersteller und Betreiber von Maschinen und Anlagen für die Kunststoffindustrie stehen vor vielen Herausforderungen. Sichere Sensorik hilft dabei, diese zu meistern.

Der selbstüberwachende Massedrucksensor schaltet den Extruder bei Erreichen eines kritischen Drucks ab.(Gefran)
Der selbstüberwachende Massedrucksensor schaltet den Extruder bei Erreichen eines kritischen Drucks ab.
(Gefran)

Das gerät schnell einmal in Vergessenheit: Ältere Anlagen genießen laut Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) keinen Bestandsschutz, sondern müssen regelmäßig einer Gefährdungsbeurteilung unterzogen werden – schreibt § 5 über „Anforderungen an die zur Verfügung gestellten Arbeitsmittel“ der BetrSichV vor.

Dieser Paragraph besagt, dass die zur Verfügung gestellten Arbeitsmittel und Maschinen für die Art der auszuführenden Arbeiten geeignet sein und über die erforderlichen sicherheitsrelevanten Ausrüstungen verfügen müssen. Eine Gefährdung muss dabei so gering wie möglich gehalten werden. Dabei gilt: sämtliche Arbeitsmittel müssen in Sicherheitsfragen immer dem Stand der Technik entsprechen.

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Hersteller von Farben profitiert von robuster Sensormembran

Das Unternehmen Clariant Masterbatches hat die Impact-Sensoren bereits in sein Lastenheft für Doppelschneckenextruder geschrieben. Der Hersteller von Farb- und Additivkonzentraten für die Kunststoffproduktion nutzt in seinen Kunststoffextrudern den füllmedienfreien Massedrucksensor Impact IE/PL’c‘. Da Clariant von den Konzentraten jeweils nur vergleichsweise geringe Mengen – ca. 100 bis 1000 kg pro Charge – produziert, müssen die Extruder entsprechend häufig gesäubert werden. Hierbei spielt die robuste Sensormembran ihre Vorzüge aus: Anders als die Membrane füllmedienhaltiger Sensoren sind sie weniger empfindlich gegenüber erkaltender Schmelze und verzeihen auch einmal einen gröberen Reinigungsvorgang.

Normen verlangen eine sichere Überdruckabschaltung

Geht es beispielsweise um kunststoff- und gummiverarbeitendenen Anlagen, müssen dementsprechend Extruder mit sicherheitsrelevanten Schmelzedrucksensoren ausgerüstet werden. Denn die Maschinenrichtlinie sowie die überarbeitete Extruder-Norm (EN 1114-1) verlangen eine sichere Überdruckabschaltung – teilweise nach PL c oder höher.

In älteren Anlagen kommt es allerdings häufig vor, dass die installierten Schmelzedrucksensoren keine Sicherheitszertifizierung erfüllen, oder – noch bedenklicher – in seltenen Fällen ist überhaupt kein Massedrucksensor am Austritt des Extruders montiert. Damit besteht die realistische Gefahr, dass ein gefährlicher, entstehender Überdruck nicht erkannt wird. Der Betrieb einer solchen nicht oder mangelhaft gesicherten Anlage stellt somit ein hohes Risiko für die Mitarbeiter dar.

Quecksilber in Sensoren verboten

Überdies fordert die RoHS II-Verordnung (EU-Richtlinie 2011/65/EU) die Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten. Von geltenden Quecksilberverbot für neu in Verkehr gebrachte industriell genutzte Sensoren sind unter anderem Massedruckmessumformer betroffen, die als Füllmedium Quecksilber nutzen. Alternativen sind Sensoren mit ungiftigen Füllmedien (NaK, Öl) und seit einiger Zeit auch füllmedienfreie Schmelzedrucksensoren. Diese füllmedienfreien Sensoren, die man bereits in rund 15 % aller Extrusions- und Spritzgießanwendungen findet, wenden die piezoresitive Druckmesstechnik an.

Speziell für die Kunststoffindustrie bietet Gefran mit der Serie Impact (Innovative Melt Pressure Accurate Transductor) robuste, füllmedienfreien Sensoren zur Schmelzedruckmessung für Dauertemperaturen von 350 °C an. Sie erfüllen mit Überdruckabschaltung nach PL c und PL d sowie IO-Link-Protokoll für die Einbindung in vollautomatisierte Fertigungsprozesse nicht nur die gesetzlichen Anforderungen, sondern eignen sich auch zum Nachrüsten von Bestandsanlagen.

Sensor arbeitet mit dem piezoresistiven Messprinzip

Das Messelement des Impact arbeitet nach dem piezoresistiven Messprinzip. Der Druck des Messstoffs wird nicht über eine Flüssigkeit, sondern über eine Membrane großer Dicke direkt auf die Messzelle aus Silizium übertragen. Durch diese Bauart entsteht ein Sensor, der nur eine sehr geringe Auslenkung zum Vollausschlag benötigt. Die Durchbiegung beträgt lediglich 10 µm, was die robuste Ausführung des Sensors erst ermöglicht, und in dynamischen Prozessen keinerlei Materialermüdung verursacht. Die messstoffberührte Membran aus Edelstahl besitzt je nach Druckbereich eine Stärke von bis zu 1 mm und ist somit bis zu zehn Mal dicker als die Membranen herkömmlicher Schmelzedruckaufnehmer mit Füllmedium.

Buchtipp

Das Buch Industriesensorik beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Für Extrusionsanwendungen mit höheren Temperaturen (> 350 °C) bieten herkömmliche füllmedienhaltige Sensoren die besten Eigenschaften. So sind beispielsweise Sensoren mit einer Füllung aus Natrium-Kalium (NaK) bis zu einer Schmelzedauertemperatur von 538 °C verwendbar und punkten durch Langzeitstabilität.

Überdruckabschaltung nach PL c

Sowohl die sich selbstüberwachenden Impact-Massedrucksensoren als auch die gefüllten Sensoren verfügen über eine Überdruckabschaltung nach PL c (bzw. Pl d in Verbindung mit IO-Link). Sie erkennen Überdrücke zuverlässig, schalten die überwachte Anlage rechtzeitig selbsttätig ab und erhöhen damit maßgeblich die Maschinensicherheit. Zugleich sorgt die kontinuierliche Überwachung und Regelung des Schmelzedrucks für eine gleichbleibende Produktqualität, da die Geometrie des Extrudats und damit seine Qualität über den Schmelzedruck bestimmt wird.

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Zusätzlich zu der Überdruckabschaltung überwacht ein Relaiskontakt im Sensor verschiedene sicherheitskritische Zustände wie beispielsweise die Brückenspannung, die Funktion der Vorverstärkerstufe, die Temperatur im Verstärkergehäuse oder die Versorgungsspannung. Er trägt damit auch hier zu einer erhöhten Maschinensicherheit bei.

Für alle Anwendungen der funktionalen Sicherheit

Ein weiterer wichtiger Faktor in Zeiten von Industrie 4.0 ist die erfolgreiche Maschine-zu-Maschine- und Mensch-zu-Maschine-Kommunikation. Sie gestatten den optimalen Datenaustausch zwischen den verschiedenen Automatisierungssystemen, die Maschinensteuerung und -synchronisierung sowie die Überwachung von Maschinen und Produktionsanlagen.

Daher unterstützen die neuesten Sensoren, Leistungssteller und Regler von Gefran den Kommunikationsstandard IO-Link sowie RTE/Profinet für den ehternetbasierten Datenaustausch in Echtzeit – darunter auch die Massedrucksensoren der neuen Baureihe IL. Das IO-Link-Protokoll gestattet die Selbstdiagnostik der Sensoren zur vorbeugenden Wartung und Vermeidung von Maschinenstillständen. Gleichzeitig steigt durch die automatische Prüfung der Sensorparameter wie beispielsweise Druck, Sicherheitsabschaltung oder Nullpunktüberwachung die Anlagenzuverlässigkeit. Zudem verfügen alle IL-Massedrucksensoren über PLd- und SIL2-Zulassungen. Damit eignen sie sich für sämtliche Anwendungen der funktionalen Sicherheit.

* Kai Weigand ist Produktmanager bei der Gefran Deutschland GmbH

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