Sicherheit ohne Kompromisse

Neigungssensoren sichern die Stabilität mobiler Maschinen. Redundante, MEMS-basierte Systeme sind Standard, stoßen aber bei Vibrationen, Temperaturdrift oder Stick-Slip an Grenzen. Moba löst dies mit einer neuen Sensorgeneration, die zwei Messprinzipien innovativ kombiniert. 

Neigungssensoren sind die wichtigsten Verbündeten von Maschinenbauern, wenn es um die Sicherheit und Verfügbarkeit ihrer Hebebühnen geht. Als integraler Bestandteil der Sicherheitsarchitektur überwachen sie kontinuierlich die Fahrzeugbasis und den Winkel zwischen Basis und Ausleger. Positionsänderungen werden in Echtzeit von den kleinen Sensoren erfasst und an die Steuerung übermittelt. Sobald die Neigung einen kritischen Grenzwert überschreitet, greift das System blitzschnell ein – ein entscheidender Schutzmechanismus für Mensch und Maschine. 

Der Industriestandard dabei: Redundant aufgebaute MEMS-Sensoren, die mit zwei unabhängigen Messkanälen zuverlässige Messungen sicherstellen. Ihr Messprinzip basiert auf einer federnd gelagerten Masse, die selbst kleinste Bewegungen in Kapazitätsänderungen umwandelt – eine bewährte Technologie. „MEMS-Sensoren sind in mobilen Maschinen längst State-Of-The-Art – und das aus gutem Grund. Sie vereinen hohe Genauigkeit mit einem kompakten Design und sind äußerst kosteneffizient“, erklärt Boris Zils von Moba Mobile Automation. 

Kalibrierung auf höchstem Niveau  

Der Produktmanager für den Bereich Krane und Bühne weiß, wovon er spricht: Moba gilt als einer der führenden Anbieter für Neigungssensorik. Das Unternehmen verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung und Optimierung von MEMS-Sensoren. „Natürlich sind MEMS-Sensoren gut, aber nicht alle sind gleich gut. Ihre Leistungsfähigkeit hängt auch von der Kalibrierung und Temperaturkompensation ab. Genau hier haben wir zunächst angesetzt und unsere MEMS-Sensoren über Jahre hinweg kontinuierlich perfektioniert“, berichtet er.  

„Jeder Sensor wird bereits bei uns im Werk aufwendig mithilfe eines Roboters kalibriert. Alle Sensoren werden außerdem bei Temperaturen von - 40 bis + 85 °C ‚angelernt‘, sodass sie temperaturbedingte Abweichungen im Einsatz automatisch kompensieren können. Dadurch können einige unserer Sensoren selbst unter schwierigsten Bedingungen Neigungsdaten mit einer Genauigkeit von bis zu ± 0,2° liefern – und das über die gesamte Fehlerkette hinweg“, schildert der Produktmanager den ausgeklügelten Prozess, der die Sicherheit von Maschinen sicherstellt. 

MEMS-Sensoren stoßen an Grenzen 

Doch während seiner jahrelangen Erfahrung konnte das Unternehmen nicht nur die Vorteile von MEMS-Sensoren perfektionieren, sondern auch deren Grenzen analysieren. Denn so zuverlässig MEMS-Sensoren auch sind, gibt es dennoch Einsatzbedingungen, in denen selbst diese bewährte Technologie an ihre Grenzen stößt. „Klassische MEMS-Sensoren sind zuverlässig und sicher – keine Frage – und oft auch ausreichend. Doch die Praxis zeigt, dass es bestimmte Situationen gibt, in denen auch sie an ihre Grenzen kommen“, so Zils. „So können in bestimmten Fällen äußere Einflüsse wie starke Vibrationen oder der Stick-Slip-Effekt das Messergebnis „verfälschen“.“ 

Der sogenannte Stick-Slip-Effekt entsteht durch das ruckartige Wechselspiel zwischen Haften und Gleiten zweier Oberflächen. In hydraulisch gesteuerten Maschinen tritt er beispielsweise an den Kolbendichtungen eines Hydraulikzylinders auf. Die dabei entstehenden ruckartigen Bewegungen können Schwingungen erzeugen, die in der Nähe der Eigenfrequenz des Neigungssensors liegen. Dadurch können verfälschte Messergebnisse entstehen. Das Problem: Anders als bei anderen Störfaktoren oder Fehlfunktionen, hilft dann auch nicht der redundante Aufbau mit zwei MEMS-Kanälen.  

„In solchen Fällen sind beide MEMS-basierten Kanäle denselben physikalischen Einflüssen ausgesetzt. Das bedeutet, dass beide Sensoren unter bestimmten Bedingungen dieselben falschen Werte liefern – ein sogenannter Common-Cause-Failure“, erläutert er. „In der Praxis führt das dazu, dass die Steuerung fälschlicherweise eine Korrektur einleitet, die zur Abschaltung der Maschine führt oder – im schlimmsten Fall – die Stabilität der Maschine gefährdet.“ 

Hybridtechnologie für störungsfreie Messung 

Genau für solche Fälle hat Moba Mobile Automation den MOBA Slope Sensor Hybrid (MSSH) entwickelt. Der E1-zugelassene Neigungssensor kombiniert zwei verschiedene Messprinzipien in einem hybriden Sensorkonzept und setzt damit neue Maßstäbe in puncto Präzision und Stabilität. Neben der bewährten MEMS-Technologie nutzt der patentierte MSSH ein zusätzliches, konvektionsbasiertes Messprinzip, das Fehlsignale zuverlässig herausfiltert und für eine unübertroffene Messstabilität sorgt. 

„Das Besondere an unserer Lösung ist die intelligente Fusionierung von Messelementen“, erklärt der Produktmanager. „Der MEMS-Sensor garantiert höchste Genauigkeit, während das Thermo-Element für zusätzliche Stabilität sorgt. Erkennt der Sensor eine Abweichung, wird das Thermoelement automatisch hinzugezogen. Seine Messwerte sind zwar grundsätzlich etwas ungenauer, aber besonders unempfindlich gegenüber Vibrationen und dem Stick-Slip-Effekt. Durch den permanenten Abgleich mit den exakten MEMS-Daten werden Abweichungen kontinuierlich korrigiert, was eine außergewöhnliche Messgenauigkeit gewährleistet.“ 

Vielseitige Einsatzmöglichkeiten 

Dank seiner Zertifizierung nach DIN EN ISO 13849-1:2015 ist der MSSH für sicherheitskritische Anwendungen der Kategorie 3, Performance Level d (KAT 3 PLd) geeignet. Durch den diversitären Aufbau mit zwei unterschiedlichen Sensorelementen pro Kanal liefert er präzisere Messwerte und bietet eine höhere Betriebssicherheit. 

Für Anwendungen, die keine sicherheitskritische Zertifizierung erfordern, ist zudem eine einkanalige Variante verfügbar. Zusätzlich ermöglicht die flexible Bauweise eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten: Der MSSH ist sowohl in einer 1-achsigen als auch in einer 2-achsigen Ausführung erhältlich und für Temperaturen von -40 bis + 85 °C konzipiert – perfekt für anspruchsvolle mobile Anwendungen in Baumaschinen. 

Ein weiterer Vorteil liegt in der einfachen Systemintegration: Dank CANopen-Schnittstelle lässt sich der Sensor mühelos in bestehende Maschinensteuerungen einbinden. Die redundante Version bietet mit CAN-In/CAN-Out sowie zwei separaten CAN-Bussen flexible Verdrahtungsoptionen. Das bedeutet nicht nur maximale Sicherheit, sondern auch eine reibungslose Integration in bestehende Maschinenkonzepte. 

Neigungssensoren auf höchstem Level 

Mit MSSH bietet Moba Mobile Automation damit eine Lösung, die sowohl den stetig wachsenden Sicherheitsanforderungen als auch den steigenden Erwartungen der Maschinenbauer gerecht wird. „Mit dem MSSH haben wir eine zukunftssichere Lösung entwickelt – für alle, die auf höchste Messgenauigkeit und maximale Betriebssicherheit setzen“, so Boris Zils.  

Bilder: MOBA Mobile Automation