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antriebstechnik 3/2017

antriebstechnik 3/2017

STEUERN UND

STEUERN UND AUTOMATISIEREN Großprojekt mit Technik aus Deutschland Magnetostriktiver Wegsensor beim Tunnelausbau in England im Einsatz Das Londoner Crossrail-Projekt ist als die wohl derzeit größte Baustelle Europas weit über die Grenzen Großbritanniens hinaus bekannt. Um das U-Bahnnetz für die Zukunft zu rüsten, entstehen dort zwei neue, je ca. 21 kilometerlange Tunnelröhren mit 6 Meter Durchmesser. Ein solches Bauvorhaben kommt nicht ohne moderne Automatisierungslösungen aus und dazu gehören keineswegs nur die inzwischen üblichen Tunnelbohrmaschinen. Dipl.-Ing. Stefan Sester ist Leiter technischer Vertrieb bei der Novotechnik Messwertaufnehmer OHG in Ostfildern (Ruit) Am 31. Mai 2015 startete das Crossrail- Projekt im Großraum London: Ein gigantisches Vorhaben, bei dem eine ca. 118 km lange Regionalexpresslinie zwischen den Städten Reading im Westen und Shenfield im Osten gebaut und die bis Ende 2019 abschnittsweise in Betrieb genommen werden soll. Ein neuer Eisenbahntunnel stellt das Kernstück des Projekts dar, eine Herausforderung für Ingenieure und Projektmanager zugleich. Das erfordert auch den Einsatz entsprechender Technik und Maschinen: So werden z. B. die Befestigungslöcher für Kabelsysteme, Kabeltrassen und Laufwege nicht mehr manuell von Bautrupps gebohrt, sondern automatisierte Bauwagen übernehmen jetzt diese Aufgaben. Magnetostriktive Wegsensoren, die sich direkt in den Hydraulikzylindern der Bohrmaschinen integrieren lassen, sind beim mobilen Einsatz unter der Erde mit von der Partie. Generell ist zu beobachten, dass sich heute insbesondere kontaktlose Verfahren zur Positionserfassung bei mobilen Arbeitsmaschinen durchsetzen. Gründe dafür gibt es viele: Der magnetrostriktive Wegsensor der Baureihe Tim von Novotechnik liefert z. B. auch bei rauen Umgebungsbedingungen genaue, absolute Messergebnisse. Er überzeugt dabei mit hoher Druckfestigkeit und aufgrund des berührungslosen Messprinzips unbegrenzter mechanischer Lebensdauer. Außerdem eignet er sich zum direkten Einbau im Druckbereich von Hydraulikzylindern. Diese Eigenschaften verdankt er u. a. seinem berührungslosen Messprinzip. Berührungsloses Messprinzip Der Messvorgang wird durch einen kurzen Stromimpuls ausgelöst, der um den Wellenleiter ein zirkulares Magnetfeld erzeugt. Senkrecht dazu verlaufen die Feldlinien des Positionsgebers, der im Wellenleiter die Messposition markiert. An der Überlagerungsstelle der beiden Magnetfelder entsteht im Wellenleiter eine elastische Verformung, hervorgerufen durch den magnetostriktiven Effekt. Die reversible Dimensionsänderung löst einen mechanischen Impuls aus, der sich im Wellenleiter als Torsionswelle mit einer 36 antriebstechnik 3/2017

STEUERN UND AUTOMATISIEREN 01 Der stabförmige Wegsensor arbeitet kontaktlos und eignet sich zum direkten Einbau im Druckbereich von Hydraulik- und Pneumatikzylindern 02 Die Abbildung zeigt das Prinzip der Magnetostriktion 03 Die Wegsensoren sind in den Zylindern integriert und erfüllen die für den mobilen Einsatz geltenden Anforderungen an die EMV-Verträglichkeit 01 02 03 Geschwindigkeit von etwa 2 800 m/s fortpflanzt. An einem Ende des Wellenleiters wird die Torsionswelle in ein elektrisches Signal umgesetzt, am anderen gedämpft, sodass es zu keinen Überlagerungen bei nachfolgenden Messungen kommt. Die Laufzeit vom Entstehungsort der Welle bis zum Signalwandler ist direkt proportional zum Abstand zwischen Positionsgeber und Signalwandler. Die magnetostriktiven Sensoren decken Messlängen von 50 bis 2 500 mm ab und sind durch die Ausführung in Edelstahl unempfindlich gegenüber praktisch allen Hydraulik-Medien. Obendrein arbeiten die Sensoren genau und sind auch unter widrigen Umgebungsbedingungen zuverlässig. Die Linearitätswerte liegen bei 0,04 % (bei Messlängen zwischen 260 und 2 000 mm), die Wiederholgenauigkeit bei +/– 0,1 mm unabhängig von der Messlänge. Die Sensoren sind (dauer-)druckfest bis 350 bar, verkraften problemlos Druckspitzen bis 450 bar und lassen sich aufgrund eines besonderen Steckersystems schnell und ohne Löten, Crimpen oder Schrauben einbauen: Der Kontaktträger des M12-Steckverbinders ist bereits an die Signalleitungen des Sensors angeschlossen; er wird durch eine Bohrung im Zylinder nach außen geführt. Der Anschlussflansch (M18) lässt sich einfach auf den Kontaktträger aufstecken und außen fixieren. Bohrwagen statt Bautrupp Die Sensoren haben sich in vielen unterschiedlichen Anwendungsbereichen bewährt. Dazu zählen mobile Baumaschinen, wie der Bohrwagen für den Tunnelausbau in London, für welchen von ATP Hydraulik die komplette hydraulische und elektronische Systemlösung ausgelegt und entwickelt hat. Für den automatisierten Tunnelausbau sind auf zwei Bohrwagen jeweils 37 Hilti Bohrmaschinen und Hilti Staubsauger montiert, die automatisch die Befestigungslöcher für die Kabelsysteme, Kabeltrassen und Laufwege anbringen. Dazu wurden beide Tunnelröhren zunächst komplett vermessen und die Bohrpläne als Datensätze in der Steuerung des Bohrwagens hinterlegt. Für den Tunnelausbau bekommen die Bohrwagen jetzt alle 6,4 m einen neuen Datensatz. Für jede Bohrung wird zur Dokumentation und späteren Auswertung ein Logfile erstellt. Positionserfassung im mobilen Einsatz Die für die richtige Platzierung und Tiefe der Bohrungen notwendige präzise Positionserfassung übernehmen die magnetostriktiven Wegsensoren. Dafür sprachen gleich mehrere Argumente, wie Dipl.- Ing. (BA) Michael Fabianek, Technischer Leiter bei ATP Hydraulik, erläutert: „Ein Vorteil der Sensoren ist, dass sie sich direkt in die Hydraulikzylinder integrieren lassen, die die Bohrmaschinen bewegen. Die Montage mit den M18-Schraubflansch ist einfach und die kontaktlose Anregung mit dem ringförmigen Positionsgeber macht die Sensoren robust und langlebig. Davon konnten wir uns zum einen in der Testphase des Crossrail-Projekts überzeugen, zum anderen haben wir aber schon in vorangegangenen Projekten durchweg positive Erfahrung mit der Qualität dieser Sensoren gemacht.“ Hinzu kommen weitere Eigenschaften, die für mobile Einsatzbereiche wichtig sind: So erfüllen die Sensoren, die hier geltenden Anforderungen an die EMV- Verträglichkeit (EN13309 für Baumaschinen, auch ISO14982 für land- und forstwirtschaftliche Maschinen), sind gegen HF-Felder geschützt (bis zu 200 V/m, gemäß ISO11452-2) und arbeiten an Versorgungsspannungen zwischen 8 und 34 VDC. Das Messsignal kann als analoges Strom- oder Spannungssignal oder über Feldbusschnittstellen (CAN) ausgegeben werden. Auf den Bohrwagen wird zum Beispiel die 4 bis 20 mA Schnittstelle verwendet. Inzwischen haben sich die Stabsensoren beim Bohrwagen-Einsatz auf der unterirdischen Großbaustelle bewährt. Nach dem Ausbau werden auf dem zentralen Teil der Strecke in den Hauptverkehrszeiten bis zu 24 Züge pro Stunde verkehren und dabei pro Jahr etwa 200 Mio. Fahrgäste transportieren. Dazu haben auch die magnetostriktiven Wegsensoren aus Deutschland ihren Beitrag geleistet. Fotos: ATP Hydraulik, Novotechnik www.novotechnik.de antriebstechnik 3/2017 37

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