Achtbanen en heavy-duty-encoder

Noodzakelijk voor nauwkeurigheid in zware omstandigheden

In de grootste achtbaan van Europa, Helix in pretpark Liseberg in Göteborg, bewaken incrementele POG 10 heavy-duty-encoders van Baumer het toerental van de aandrijving van de wagentjes op hun weg naar het lanceerplatform. De heavy-duty-technologie staat daarbij garant voor extreme betrouwbaarheid en precisie onder moeilijke omstandigheden. Maar waar praten we over? In deze bijdrage een nadere blik op deze encoders.

Heavy duty is geen wettelijk beschermde term en verwijst evenmin naar een bepaalde norm. De productfamilies HOG/POG en HMG/PMG van Baumer Hübner worden echter al jaren beschouwd als voorbeelden van incrementele respectievelijk absolute encoders die deze term gerust mogen dragen. Ze zijn namelijk mechanisch zeer robuust hetgeen wil zeggen dat ze bestendig zijn tegen flinke stoten en trillingen en krachten die inwerken op de draaiende as. Daarnaast is de afdichting tegen vuil, stof en vocht heel hoog, is de elektronica beschermd tegen hoge elektromagnetische velden en zijn ze voorzien van een driver die zorgt voor betrouwbare uitgangssignalen waarmee besturingen en regeleenheden nauwkeurig kunnen worden bestuurd.

Over de kop
Liseberg in Göteborg is het grootste pretpark van Zweden. Achtbaan Helix is een van de attracties die voor een stevige adrenalinekick zorgen. Met een traject van 1380 meter is dit in Europa de langste achtbaan die over de kop gaat en wereldwijd de op een na langste. Helix slingert de passagiers met tot wel 90 km/uur door zes loopings en stelt hen bloot aan krachten van wel 5 g. Dit is wereldwijd de eerste achtbaan waarbij de helft van de tot wel 28 passagiers tegen de rijrichting in zit, wat de rit nog spannender maakt. Aan het einde van elke rit moeten de passagiers terug gebracht worden naar het lanceerplatform op een hoogte van 41 meter. Geregelde asynchrone motoren van 315 kW worden gebruikt om de wagentjes naar de startpositie te brengen. Het toerental van deze aandrijving wordt geregistreerd door incrementele encoders. Een lastige bijkomstigheid is dat de achtbaan volledig is blootgesteld aan de elementen. Daarom is er gekozen voor heavy-duty-encoders van Baumer.

Incrementele encoder
De incrementele encoder POG 10 en het soortgelijke model HOG 10 (afbeelding 1) met een holle as maken deel uit van de veelzijdige productfamilie van heavy-duty-encoders van Baumer. Ze leveren betrouwbare gegevens over het toerental bij tal van mogelijke toepassingen en werken ook onder de meest veeleisende omstandigheden. Ze leveren een essentiële bijdrage als het gaat om het voorkomen van uitvallen en het in stand houden van de beschikbaarheid van machines en installaties. Bij veel toepassingen bespaart dit uitvalkosten en bij een achtbaan draagt het zelfs in belangrijke mate bij aan de veiligheid van de passagiers – een storing in de aandrijving van een wagentje van een achtbaan is tenslotte in het gunstigste geval vervelend, maar in het ergste geval levensgevaarlijk voor passagiers.

De POG10 garandeert door een aantal specifieke eigenschappen maximale betrouwbaarheid in deze veeleisende omgeving. Zo zijn de die-cast-behuizingen door massieve wanden met een ruim bemeten dikte en een tegen buiging en torsie bestendige constructie zeer robuust en in hoge mate trillings- en schokbestendig. Lagers aan beide uiteinden van de encoderas waarop de sensorschijf is gemonteerd zorgen voor enorme prestatiereserves en een ongeëvenaarde levensduur door uitzonderlijke bestendigheid tegen axiale en radiale krachten (afbeelding 2). Voor gebruik in de openlucht speelt ook de uitstekende corrosiebescherming van de encoders een belangrijke rol. Dankzij een goede materiaalkeuze en hoogwaardige coatings zijn ze geschikt voor langdurig gebruik in weer en wind, zelfs dicht bij de kust en offshore. De corrosiebescherming komt overeen met categorie C4 of CX (C5-M) volgens de norm EN ISO 12944. Optioneel kunnen de encoders geleverd worden voor gebruik in de poolstreken, de tropen en woestijnen.
Het binnenwerk van de encoders is beschermd tegen het binnendringen van vocht en vuil door een combinatie van labyrintvormige afdichtingen voor o.a. de as (afbeelding 3). Hiermee wordt een beschermingsklasse IP 66 en IP 67 gehaald voor een groot temperatuurbereik tot 95 graden Celsius. Tot slot beschermen elektrisch geïsoleerde lagers de lagerskogel van de encoders tegen stroomoverslag, waardoor degradatie van de smeermiddelen wordt voorkomen.

Het hart van de encoder is een storingsbestendige optische scanner die is uitgerust met een Opto-ASIC. De opbouw van de schakeling waarborgt optimale elektromagnetische compatibiliteit bij een EMP tot wel 4 kV. Het Enhanced Monitoring System (EMS) controleert bovendien voortdurend tal van encoderfuncties, detecteert snel aansluitings- en encoderfouten en geeft de status van de encoder constant door via een error-uitgang. Maximale SinCos-signaalkwaliteit bereiken de encoders door de LowHarmonics-technologie voor een uitstekende regelkwaliteit, geringe opwarming van de aandrijving en een hoge mate van energie-efficiëntie. Die uitgangen voor incrementele blokgolfsignalen is uitgerust met een tegen kortsluiting beveiligde stroomuitgang met een vermogenstransistor die piekstromen kan leveren tot 300 mA. Hierdoor kunnen signalen betrouwbaar overgedragen worden tot kabellengten van ruim 350 meter.

Absolute encoder
Naast de incrementele encoders maakt men ook absolute encoders die eveneens aan de hoge heavy duty-standaard van Baumer voldoen. Het gaat hier om de families HMG/PMG. Aan de buitenkant zien deze er redelijk vergelijkbaar uit, maar het grote verschil zit van binnen. Niet alleen zijn ze in staat om de stand van de as weer te geven zonder dat daar een nulpositie voor nodig is plus een teller die bijhoudt hoeveel pulsen er voorbij gekomen zijn, maar ook verloopt de communicatie met de buitenwereld totaal anders. Deze encoders maken gebruik van bussystemen zoals o.a. CAN, EtherCAT en Ethernet/IP. Daarnaast is het meetsysteem magnetisch en hebben ze een kleine dynamo aan boord voor energy harvesting (afbeelding 4).

De nieuwe serie HMG 10 en PMG 10 encoders zijn voorzien van een interface voor ProfiBus of ProfiNet. Hiermee zijn ze de eerste heavy-duty-encoders op de markt die de OPC UA communicatiestandaard ondersteunen en dus klaar zijn voor Industry 4.0 en industrieel Internet of Things (IIoT). Deze open en leveranciersonafhankelijke standaard garandeert een veilige en betrouwbare gegevensuitwisseling tussen verschillende besturingssystemen, waardoor ze klaar zijn voor de machines, apparatuur en ideeën van morgen.
Er is zelfs een uitvoering met een ingebouwde Wifi-adapter. Hiermee is het mogelijk om de encoder intuïtief in te stellen en te bewaken met een pc, tablet of smartphone – zelfs als deze al in het systeem is geïnstalleerd. De bewakingsfunctie visualiseert duidelijk de huidige encodersignalen, bijvoorbeeld tijdens de inbedrijfstelling (afbeelding 5).

Tot slot
De encoders worden in achtbaan Helix gebruikt om aan het einde van de rit de trein met een gecontroleerde snelheid het station binnen te rijden. Hiervoor zijn er in de baan meerdere motoren gemonteerd die elk met een wiel met een rubberen band de trein vooruit duwen. Alle motoren moeten samenwerken en dus exact dezelfde snelheid hebben. Een incrementele encoder zoals de hier toegepaste POG10 is daarvoor de ideale sensor. Een absolute encoder levert daarvoor een te ingewikkeld signaal op plus dat plaatsbepaling toch niet mogelijk is omdat er geen vaste relatie is tussen de stand van de motorassen en de plaats van de trein op de achtbaan. Andere sensoren moeten ingezet worden om te bepalen of de trein het exacte stoppunt bereikt heeft.