In vielen Maschinen und Anlagen müssen mechanische Messwerte, wie Längen und Winkel, permanent erfasst werden. Häufig müssen aber neben dem reinen Erfassen der Messwerte auch Schaltfunktionen realisiert werden, z. B. um bei End- und/oder Zwischenpositionen bestimmte Peripheriegeräte zu schalten oder Signale zu übermitteln. Bisher kamen hier Kombinationen aus Drehgebern und mechanischen Nockenschaltwerken zum Einsatz. Viele Gründe sprechen zukünftig für ein neu entwickeltes spielfreies elektronisches Nockenschaltwerk.

Beispiel Windkraftanlage: Die Gondel wird bei sich drehender Windrichtung entsprechend nachgefahren. Nun kann sie sich 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 drei Umdrehungen in dieselbe Richtung gestoppt und die Gondel wieder auf ‚Null‘ zurückgedreht. Ein typischer Einsatzbereich für einen Endlagenschalter.

Beispiel 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 u.a. mit in das Rohr integrierten Klappen gemessen. Bei Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten der Durchflussmenge müssen Maßnahmen einsetzen oder Alarme ausgelöst werden. Auch hier werden Endschalter benötigt.

Häufig ist es aber so, dass neben der reinen Erfassung der Endlagen auch Zwischenpositionen kontinuierlich und exakt zu messen sind. Bei Drehbewegungen, wie in den angesprochenen Beispielen, werden Drehgeber eingesetzt. Es ist also die Kombination aus beidem gefragt: Nockenschaltwerke mit Drehgeber. Diese gibt es schon lange: Mechanische Nocken auf Nockenscheiben schalten die angesprochenen Schalter an vorbestimmten Stellen. Ein eingebauter 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. 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. Hier stoßen die mechanischen Nockenschaltwerke mit eingebauten Vorsatzgetrieben an ihre Grenzen und die elektronischen Nockenschaltwerke Noca und Nocn von TWK haben ihren Auftritt.

Ein exakt messender Drehgeber, der 12 Bit Auflösung hat und bis 4.096 Umdrehungen erfassen kann, wird um Schaltausgänge, die die Nockenschalter darstellen, erweitert. 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.

Auf Wunsch: Safety inside

Das sichere Schalten der Relais wird durch direkte Überwachung des Schaltkontaktes, z. B. eines Schließers, gewährleistet. Sollte der Kontakt kleben, kann ein Alarm seitens des Drehgebers an die Steuerung ausgegeben werden. Ein weiterer Vorteil ist die benutzerfreundliche Parametrierbarkeit der Schalter und des Drehgebers. Ein- und Ausschaltpunkt der Nocken können beliebig gewählt und das Ausgangssignal des Drehgebers jederzeit angepasst werden. Dies geschieht per Notebook, über die angeschlossene Steuerung oder per Teach-In-Funktion über zugehörige Anschlussleitungen. 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.

Fazit

Durch die Konstruktion ‚aus einem Guss‘ sind die Geräte nicht nur nutzerfreundlich, sondern auch kompakt und gleichzeitig robust. Viele Gründe, die für den Einsatz eines elektronischen Nockenschaltwerkes anstelle eines mechanischen sprechen.(pe)