Der Stahlwasserbau mit seinen beweglichen Verschlusskonstruktionen wie Schleusen, Docktoren, Stemm-, Hub- oder Schwenkbrücken stellt hohe Ansprüche an die hydraulische Antriebstechnik - und an die integrierte Positionsermittlung. Herausforderung neben der exakten Positionsermittlung: die rauen Umgebungs- und Witterungsbedingungen.

Um Elemente im Stahlwasserbau zu bewegen, werden häufig hydraulische Antriebssysteme eingesetzt. Dabei erfassen Positionssensoren die Hubbewegung und steuern die einzelnen Zylinder. Die Nutzungsdauer solcher Konstruktionen ist auf viele Jahre angelegt - die Kaiserschleuse in Bremerhaven wurde beispielsweise für eine Lebensdauer von mindestens 80 Jahren konzipiert. Neben Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit spielt daher die Lebensdauer von Wegmesssystemen eine große Rolle. Im besten Falle sollten sie verschleiß- und wartungsfrei sein sowie Umwelteinflüssen standhalten. Design und Technik müssen unanfällig gegenüber Schmutz und mit einer längswasserdichten Verkabelung ausgestattet sein. Zudem sind oftmals besondere Anforderungen im Hinblick auf die Sicherheit und den Platzbedarf zu erfüllen.
Am Beispiel der Kaiserschleuse in Bremerhaven soll erläutert werden, wo die Wegaufnehmer eingesetzt werden und welche Positionen sie ermitteln. Die Hydraulikanlage der Kaiserschleuse besteht mit der Hubtor-, Hubdecken- und Seilspannhydraulik aus drei Einzelsystemen mit unterschiedlichen Funktionen. Die Antriebshydraulik stammt von Parker Hannifin. In 27 Hydraulikzylindern wurden magnetostriktive Positionsgeber von MTS integriert, sodass die Antriebssysteme automatisiert und an SPSen angeschlossen werden können. Die Sensoren dienen dabei zur Überwachung und exakten Regelung der Zylinderhübe.

Wegaufnehmer gewährleisten Gleichlauf beider Torseiten

Die Hubschiebetore am Außen- und Binnenhaupt der Kaiserschleuse bestehen aus einem zweigeteilten Torkörper. Das Oberteil lässt sich zum Befüllen oder Entleeren der Schleusenkammer hydraulisch um bis zu 700 mm anheben. Je Schiebetor ist dazu eine Hubtorhydraulik mit vier großen Hydraulikzylindern und zwei Aggregaten notwendig. Die Zylinder befinden sich paarweise an beiden Seiten des Schiebetores. Durch die in jedem Zylinder installierten Wegaufnehmer wird die Gleichlaufregelung der beiden Torseiten - bis zu einer Abweichung von maximal 15 mm - gewährleistet. Die Positionssensoren von MTS arbeiten nach dem magnetostriktiven Messverfahren, das heißt sie erfassen die Positionen linear und ohne Referenzanfahrt. Zu jedem Zeitpunkt lassen sich direkt exakte Hubbewegungen ermitteln und Abweichungen mit dem Regelungssystem unmittelbar nachregulieren. Die symmetrische Bewegung aller Torkomponenten während des Hubvorgangs ist für die Lebensdauer von Bedeutung.
Die Hubschiebetore der Kaiserschleuse lassen sich sowohl vertikal als auch horizontal bewegen. Zum Öffnen und Schließen der Schleusenkammern werden sie mit Seilantrieben in beziehungsweise aus den Torkammern herausbewegt, das heißt seitlich verfahren. Um während dieses Verfahrvorgangs die Seile mit konstanter Kraft ohne Durchhängen über eine Strecke von 55 m zu bewegen, müssen sie beim Öffnen und Schließen gleichmäßig gespannt sein. Da sich der Spanndruck in Abhängigkeit des zurückgelegten Weges der Antriebstraverse verändert, sorgt eine Spannvorrichtung über die Nachregelung der Hydraulikzylinder für die gleichmäßige Spannung. Die dazu erforderliche Erfassung der exakten Hubbewegung in den Zylindern erfolgt wiederum durch integrierte Positionssensoren.

Hubbewegungen von beweglichem ­Straßenelement erfassen

Um die Erreichbarkeit des Kreuzfahrt-und Frachtterminals auf der Columbusinsel zu verbessern, erhielten beide Schleusenhäupter eine zweispurige Fahrbahn. Dazu verbindet ein bewegliches Straßenelement - die Hubdecke - die feste Fahrbahn an Land mit der Fahrbahn auf der Insel. Die Decke liegt auf vier Pendelstützen gelagert über der Torkammer des geschlossenen Tores. Vor dem horizontalen Verfahren des Hubschiebetors in die Torkammer wird das jeweilige Straßenelement mit zwei kardanisch gelagerten Sonderzylindern angehoben. Diese sind auf einem Stahlbetonbalken über der Torkammer angebracht. Zum Anheben der Hubdecken fahren die Zylinder ein. Auch die Hubdeckenzylinder sind mit integrierten Wegmesssystemen von MTS ausgestattet und erfassen die Hubbewegungen. Für maximale Verfügbarkeit kann die Decke auch im Einzelzylinderbetrieb verfahren werden.
Bei den zur intelligenten Huberfassung verwendeten Positionssensoren handelt es sich um magnetostriktive Wegaufnehmer von MTS. Zur Positionsermittlung gleitet ein Positionsmagnet am magnetostriktiven Wellenleiter berührungslos entlang. Das macht die Sensoren verschleiß- und wartungsfrei und erfüllt die hohen Anforderungen hinsichtlich der Wartungsfreundlichkeit und der langen Lebensdauer von stahlwasserbaulichen Konstruktionen. Die Positionsermittlung erfolgt absolut. Zudem zeichnen sich die Hochleistungssensoren durch ihre Robustheit gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen aus. Die Gehäuse sind druckfest bis 350 bar, widerstehen also den hohen Drücken der Hydraulikflüssigkeit. Bei gleichem mechanischem Aufbau sind sie mit zahlreichen Ausgangssignalen erhältlich und lassen sich einfach an die Steuerungen anschließen. Die Sensoren sind so gestaltet, dass die Messwerte innerhalb eines Temperaturbereichs von -40 bis +75 °C eine besonders gute Stabilität aufweisen.
Flexible Bauformen für unterschiedliche Anwendungen.
Neben den Vorteilen, die sich durch die magnetostriktive Messtechnologie ergeben, bietet MTS für unterschiedliche Anwendungen und Einbausituationen Sensoren mit unterschiedlichen mechanischen Designs an.
Das gesamte Hydrauliksystem der Kaiserschleuse besteht aus fünf Hydraulikaggregaten, der kompletten Verrohrung sowie 27 Hydraulikzylindern. Für die integrierte Wegmessung in den Hub- und Seilspannzylindern wurde die Stabvariante der Temposonics-Industriesensoren, den RH, gewählt. Dieser lässt sich leicht in den Zylinder integrieren und im Servicefall einfach austauschen.

Weiteres Beispiel: Ernst-August-Schleuse

Auch in der im Oktober 2011 fertiggestellten Ernst-August-Schleuse in Wilhelmsburg werden Temposonics-Wegaufnehmer eingesetzt. Die Schleuse überwindet den tideabhängigen Höhenunterschied zwischen dem Ernst-August-Kanal und der Elbe, sie be- und entwässert Abschnitte des Wilhelmsburger Kanalsystems und schützt das dahinterliegende Gebiet gegen Sturmfluten. Das hydraulische Antriebssystem zum Öffnen und Schließen des Schleusentors verwendet den flexiblen Sensor RF zur integrierten Wegmessung.
Die Besonderheit bei dieser Anwendung ist die stehende Zylinderstange. Das Schleusentor fährt am Zylinderrohr hoch. Als redundante Auslegung befinden sich zwei Positionssensoren mit flexiblem Sensorstab im Zylinderrohr, die Sensorköpfe mit der Auswerteelektronik sind um 180° versetzt abgebogen. Aufgrund der benötigten Messlänge von 11 Metern kam nur der flexible Sensor in Betracht, der bis zu einer Messlänge von 20 Metern erhältlich ist.