Der Induktive Doppelsensor F31K2 mit Betätiger und Anzeige ist hier auf einem Schwenkantrieb montiert.

Bild: Pepperl+Fuchs

Prozesssicherheit Rückmelden mit induktiver Sensorik

01.09.2016

Für die Prozesssicherheit ist die aktuelle Ventilstellung elementar. Zum Rückmelden sind Endschalterboxen weit verbreitet. Oftmals sind diese Boxen auf Dauer nicht dicht, sodass die mechanischen Kontakte korrodieren und nicht mehr zuverlässig schalten. Abhilfe schafft hier ein induktives Rückmeldesystem.

Die Frage nach der optimalen Lösung zur Ventilstellungsrückmeldung und Endlagenüberwachung ist ein stets aktuelles Thema. Denn vielfach sind noch Rückmeldungen mit mechanischen verschleißbehafteten Kontakten im Einsatz, die einen regelmäßigen Austausch erfordern. Eine zeitgemäße Antwort liefern induktive Sensoren, die die Vorteile des elektronischen Sensors mit denen des mechanischen Schalters vereinen. Zu den neuesten Entwicklungen der berührungslos arbeitenden Rückmeldungen gehören Ausführungen für den Ex-Bereich Zone 2/22 sowie Sensoren mit Low-Power-Elektronik. Letztere sind an Eingangsstufen von Prozessleitsystemen anschließbar, die vormals nur für mechanische Schalter vorgesehen waren.

Die genaue Kenntnis der aktuellen Ventilstellung, insbesondere von automatischen Stell- und Regelarmaturen, ist eine elementare Voraussetzung für die reibungslose Funktion von Prozessleitsystemen und grundsätzlich für die Prozesssicherheit. Am meisten verbreitet zur Ventilstellungsrückmeldung sind nach wie vor Endschalterboxen mit mechanischen Kontakten. An einer verlängerten und in das Boxengehäuse geführten Antriebswelle befinden sich Metallfahnen, die durch die Drehbewegung den Kontakt des jeweiligen Endschalters schließen. Die Box hat die Aufgabe, die Komponenten dieser Vorrichtung vor Umgebungseinflüssen zu schützen, stellt aber letztlich keine nachhaltige Lösung dar, weil eine dauerhaft sichere Abdichtung nicht gegeben ist. Als Folge korrodieren die mechanischen Kontakte vor allem in Außenbereichen und in chemisch aggressiven Umgebungen nach kurzer Zeit. Weitere Nachteile sind die aufwendige Montage und Justage der zahlreichen Anbauteile, zum Beispiel Befestigungskonsolen.

Ventilrückstellungen mit induktiver Sensorik

Alle diese Probleme lassen sich heute durch den Einsatz von Ventilstellungsrückmeldungen auf Basis induktiver Sensorik lösen. Induktive Sensoren nutzen die dämpfende Wirkung eines metallischen Targetobjekts auf einen LC-Schwingkreis beim Einführen in dessen induktives Magnetfeld. Die im Sensor integrierte Auswerteeinheit erkennt dies und generiert ein entsprechendes Ausgangsschaltsignal. Induktive Sensoren lassen sich in hochdichte Gehäuse einbauen, sodass Staub, Schmutz, Öl, Feuchtigkeit und Salz die Funktionalität nicht beeinträchtigen können. Im Unterschied zu magnetischen Systemen, zum Beispiel Reed-Sensoren, können hier Targets aus Standardmetall wie zum Beispiel Edelstahl eingesetzt werden.

Angesichts dieser interessanten Eigenschaften einerseits und des hohen Wartungsaufwands der herkömmlichen Technik andererseits, gehört die Zukunft eindeutig den induktiven Rückmeldesystemen. Als besonders elegant erweisen sich sogenannte offene Lösungen mit induktiven Doppelsensoren, die nicht nur die Endschalterboxen überflüssig machen, sondern auch durch eine Reihe weiterer Vorteile glänzen, wie etwa hohe Präzision, exakte Hysterese und hervorragende Wiederholgenauigkeit.

Puck aufstecken und fixieren

Ein über die Antriebswelle gesteckter und passend fixierter Betätiger, ein sogenannter Puck, enthält zwei übereinander angeordnete Edelstahl-Targets, die von einem im definierten Abstand montierten Doppelsensor erfasst werden. Für die Montage an standardisierten Antrieben nach VDI/VDE 3845 ist weder sonstiges Zubehör noch eine mechanische Justage erforderlich. Mit nur zwei verschiedenen Betätigern lassen sich sämtliche Wellendurchmesser bis 90 mm abdecken.

Solche offenen Lösungen sind gleichermaßen für manuell, elektrisch oder pneumatisch betriebene Armaturen erhältlich und verfügen idealerweise über weit sichtbare LEDs zum visuellen Signalisieren der aktuellen Ventilstellung. Ausgangsseitig stehen zum Anschluss an die verschiedenen Steuerungssysteme Sensor-Varianten mit allen gebräuchlichen Anschlusslogiken und Schnittstellen zur Verfügung, einschließlich AS-Interface- und Ex-Ausführungen, zum Beispiel nach NAMUR.

Ein Grund, warum manche Anwender ihre Anlagen bisher noch nicht auf induktive Lösungen umgerüstet haben, mag mit der Problematik des „Reststroms 0“ zusammenhängen. Viele Prozessleitsysteme sind noch mit I/O-Karten ausgestattet, die nur für mechanische Schalter ausgelegt sind. Diese I/O-Karten erwartet bei geöffnetem Schalter auch tatsächlich einen Strom von nahezu null Ampere (A). Induktive Sensoren jedoch benötigen auch im Schaltzustand „offen“ einen geringen Reststrom zur Versorgung der Elektronik, der typisch bei etwa 0,7 mA liegt. Aus diesem Grund war es bisher nicht in jedem Fall möglich, alte Lösungen mit mechanischen Schaltern gegen moderne induktive Systeme auszutauschen, ohne gleichzeitig die Kosten für neue I/O-Karten mit in die Rechnung einzukalkulieren.

Die neuesten Entwicklungen bei induktiven Ventilstellungsrückmeldungen ändern diese Situation grundlegend. Die offene Lösung vom Typ F31K2 ist nun in einer speziellen Low-Power-Variante erhältlich, bei der der Reststrom derart gering ausfällt, dass der Betrieb auch an „alten“ I/O-Karten möglich ist. So muss der Reststrom nicht exakt 0 A sein, sondern lediglich unter 0,2 mA bleiben, damit die Eingangsstufe des Prozessleitsystems nicht durchschaltet. Einem direkten Austausch von Systemen mit mechanischen Kontakten gegen induktive wartungsfreie Lösungen steht somit nichts mehr entgegen. Klassische Vorteile des mechanischen Schalters, wie die Fähigkeit große Stromstärken und Wechselstöme zu schalten, sind angesichts der 24-V-DC-Technik moderner Prozesssteuerungen kaum noch von Bedeutung.

Endschalterboxen modernisieren

Damit auch diejenigen Anwender von der Low-Power-Innovation profitieren können, die auf Endschalterboxen nicht verzichten wollen, überträgt der Sensorhersteller Pepperl+Fuchs die patentierte Technik des Low-Power-Oszillators auch auf andere induktive Sensorbauformen, wie zum Beispiel den kleinen V3-Sensor. Dessen Abmessungen sind identisch zu denjenigen der früheren Microswitch-Bauform, sodass auch die Modernisierung von Endschalterboxen durch einfachen Tausch möglich ist.

Ebenfalls neu in der Sensor-Serie F31K2 ist eine Version mit Atex-Zulassung für den Einsatz in Zone 2/Zone 22. Diese Ex-Schutzart realisiert den Schutz über eine besonders dichte und robuste Gehäuseausführung, sodass keine Begrenzung der elektrischen Energie über Spannung und Strom notwendig ist, wie bei eigensicheren Installationen sonst üblich. Das erlaubt den Anschluss an normale Stromkreise ohne Spezial­elektronik. Sensoren, die diese Zertifizierung erhalten wollen, müssen unter anderem eine feuchte Wärmeeinlagerung über mehrere Wochen überstehen sowie diverse Temperatur- und Schlagtests. In wetterfesten und UV-beständigen Kunststoffgehäusen mit hohen Schutzarten IP66, IP67 und IP69K untergebracht, halten solche hochoptimierten Lösungen jeder Herausforderung im In- und Outdoor-Einsatz stand.

Induktive offene Sensorlösungen des Typs F31K2 bewähren sich seit 2014 unter anderem bei Frisia Zout, einem niederländischen Salzproduzenten in Harlingen an der Nordsee. Dort ist Salz und Salzlauge nicht nur in den Tanks und Rohrleitungen allgegenwärtig, auch die salzhaltige Atmosphäre von der angrenzenden Nordsee stellt eine zusätzliche Belastungsprobe für die Ventilstellungsrückmeldungen dar. Die in den Außenbereichen installierten Endschalterboxen machen dem Unternehmen nach kurzer Zeit immer wieder Probleme. Nachdem in einer sechsmonatigen Testphase ausgezeichnete Ergebnisse mit der induktiven Alternative erzielt wurden, stattet Frisia nun nach und nach alle Rückmeldungen mit offenen Lösungen aus dem Hause Pepperl+Fuchs aus.

Für die Ventilstellungsrückmeldung an Schwenkantrieben sind neue Ex- und Low-Power-Lösungen verfügbar, die einen Wechsel von mechanischen Kontakten zu wartungsfreien induktiven Lösungen jetzt noch einfacher machen. Die beschriebenen Low-Power-Systeme arbeiten mit Prozesssteuerungen aller namhaften Hersteller zusammen und sind direkt an I/O-Karten für mechanische Kontakte anschließbar.

Bildergalerie

  • Der Kompakte induktive Doppelsensor als Ventilstellungsrückmelder befestigt auf einer Handarmatur.

    Bild: Pepperl+Fuchs

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