Bei Druckschaltern für sicherheitskritische Anwendungen fordern international gültige Normen die Anwendung diverser Methoden zur Beherrschung von systematisch und zufällig erkannten Fehlern. Nachfolgend wird eine Applikation im Hydraulikbereich in einer solchen sicherheitskritischen Anwendung näher betrachtet.
Exklusiv in KEM Der Autor Andreas Huster ist Projektmanager im Bereich Messtechnik und Sensorik bei der Sensor-Technik Wiedemann GmbH, Kaufbeuren
Für den Einsatz von Druckschaltern in sicherheitskritischen Anwendungen werden bereits bei der Entwicklung andere Anforderungen als bei Standard-Schaltern vorausgesetzt. Diese hohen Anforderungen beeinflussen entsprechend auch den Signalweg innerhalb des Geräts sowie dessen Auswertung und Ausgabe.
Die bis 2011 gültige Norm EN 954 wurde durch die DIN EN ISO 13849 ersetzt. Diese gilt für alle Arten von Maschinen. Ihr Schwerpunkt liegt auf der Beschreibung allgemeiner Gestaltungsleitsätze sicherheitsbezogener Teile sowie deren Validierung. Die Risikoauswertung erfolgt, wie auch schon bei der EN 954, über einen Risikographen und führt zu einem PL-Wert (Performance Level). Die Einstufung geht von „a“ (niedriger Beitrag zur Risikoreduzierung) bis zu „e“ (hoher Beitrag zur Risikoreduzierung). Im Unterschied zur EN 954 lässt die ISO 13849 jedoch mehrere Wege zum Erreichen eines bestimmten PL-Wertes, sogenannte Kategorien, zu. Je nach Anforderung des Gesamtsystems sind statt der ISO 13849 die IEC 62061 bzw. IEC 61508 (Einstufung nach SIL – Safety Integrity Level) oder für automotive Systeme die ISO 26262 (Einstufung nach ASIL) zu berücksichtigen.
Wenn in einem System PLd Kategorie 2 genügt, ist es ausreichend, wenn der Druckschalter über nur ein Sensorelement verfügt, sofern der Diagnoseabdeckungsgrad (DC) hoch genug und der Zeitraum bis zum ersten kritischen Fehler (MTTfd) entsprechend lang ist. Da unter anderem das Langzeitdriftverhalten der verwendeten Messzelle maßgeblich für den MTTfd-Wert ist, spielt diese hier eine zentrale Rolle. Mit einer entsprechend hochwertigen Dünnschichtmesszelle lässt sich ein kostenoptimiertes einkanaliges System in Kombination mit einer Überwachungseinheit (DC-Subsystem) realisieren.
Drift lässt sich zuverlässig detektieren
Auf dieser Basis wurde von Sensor-Technik Wiedemann der Druckschalter F01 mit eigener Messzelle entwickelt. Die Messzelle wird durch die Elektronik entsprechend überwacht, sodass auch eine Drift bei Berücksichtigung einiger Randbedingungen zuverlässig detektiert werden kann. Bei der A/D-Wandlung des Messsignals wird durch einen zweiten, weniger genauen Wandler, der Messwert verifiziert. Die beiden Ergebnisse werden in einem Prozessor verglichen, um Abweichungen zu erkennen. Auch die beiden Ausgangssignale werden intern auf Konsistenz überprüft und von der übergeordneten Steuerung ausgewertet. Bei einem erkannten Fehler werden die Ausgänge abgeschaltet, um der Steuerung zu signalisieren, dass der Druckschalter nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Optional stehen beim F01 zu dem ersten Schaltausgang ein zweiter antivalenter Schaltausgang oder alternativ ein analoges, druckproportionales 4-20-mA-Signal zur Verfügung.
Der F01 ist speziell für den Einsatz in den rauen Umgebungsbedingungen mobilhydraulischer Anwendungen entwickelt. Neben den klimatischen und chemischen Belastungen sind dies vor allem EMV-Einflüsse und Vibrationen. Es ist somit sichergestellt, dass dieser Transmitter unter allen Betriebsbedingungen zuverlässig funktioniert. I
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