Artikel SUCO

Produktmerkmale

SUCO Drucktransmitter der Serie 0630 unterstützen das CANopen®-Protokoll (gemäß CiA DS-301) mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 1 Mbit/s, das sich vor allem im Automotive-Bereich und der industriellen Automatisierungstechnik als Standard durchgesetzt hat. Die Serie 0631 basiert auf dem J1939-Protokoll (gemäß SAE J1939), das überwiegend in schweren Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt wird.

Die Drucktransmitter der Serie 063X sind für Druckbereiche von 0-1 bis 0-600 bar ausgelegt, vereinen dank ihrem robusten Edelstahlgehäuse 1.4301 / AISI 304 die vorteilhaften Materialeigenschaften analoger Transmitter mit den Vorzügen digitaler Übertragungstechnik. Die vollständig verschweißte Messzelle aus Edelstahl 1.4542 ist besonders korrosionsbeständig und gewährleistet eine problemlose Medienverträglichkeit bei Temperaturen von -40°C bis +125°C.

Die CAN-Bus Transmitter der Schutzart IP67 sind äußerst widerstandfähig gegenüber Stößen und Vibrationen, die gerade im Bereich mobiler Maschinen und Industrieanlagen zur Tagesordnung gehören. Weitere Alleinstellungsmerkmale sind eine außerordentliche Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit bei einer Lebensdauer von bis zu 107 Pulsationen.

Derzeit bietet SUCO den CAN J1939-Drucktransmitter Typ 0631 als vorkonfigurierte Plug’n’Play-Version ab Werk an, die ohne größeren Aufwand direkt in das jeweilige System eingebaut werden kann. Der CANopen®-Transmitter Typ 0630 kann entweder mit vordefinierten Werten oder nach Kundenwunsch spezifiziert werden. In beiden Fällen können die Werte die nachträglich vom Kunden vor Ort mittels Software verändert.

Vorteile

Drucktransmitter mit CANopen®-Protokoll der Firma SUCO erweitern die Möglichkeiten analoger Transmitter um zahlreiche Funktionen, wie beispielsweise die Übertragung zusätzlicher Prozess- und Parameterdaten (Temperatur, Druckwerte in verschiedenen Datentypen, Fehlermeldungen, Betriebszustand, Zeitstempel) in Echtzeit oder die Einrichtung ereignisgesteuerter Datentransfers (Events).

Des Weiteren ermöglichen sowohl das CANopen®, als auch das J1939-Protokoll eine störungsfreie, serielle Datenübertragung, bei der Übertragungsfehler dank zahlreicher Kontrollmechanismen auf ein Minimum reduziert werden. Dank der integrierten Diagnosefunktion können Störsignale und Fehlerquellen schnell ausgeschlossen werden, was wiederum die Ausfallsicherheit des Systems erhöht.

In komplexen Systemen mit vielen Schnittstellen und langen Kabelstrecken können mit Hilfe eines CAN Bus-Netzwerks sowohl Material- als auch Montage und Wartungskosten verringert werden.

Anwendungen

Die neuen digitalen CAN-Bus Transmitter von SUCO können in einem breiten Anwendungsgebiet eingesetzt werden. Neben ihrem Ursprung in der Automobilbranche werden CAN-Systeme heute überwiegend in Spezial- und Nutzfahrzeugen (Bau-, Land- und Straßenmaschinen) sowie dem öffentlichen Nahverkehr (Straßen- und U-Bahnen) eingesetzt, um Komponenten wie Türsteuerungen, Anfahrt- und Bremsregulierung sowie sicherheitsrelevante Systemen wie Abstandskontrolle oder ABS zu steuern.

Die Vorteile des CAN-Buses in Bezug auf Platz- und Kostenersparnisse sowie eine flexible Erweiterbarkeit werden heute auch in der Luftfahrt und bei komplexen Marine-Anwendungen genutzt. Dank der fortschreitenden Digitalisierung haben sich CAN-Netzwerke ebenfalls in der Gebäude- und Automatisierungstechnik sowie der Medizintechnik etabliert.

Die mechanischen SUCO Druckschalter mit integriertem Stecker haben sich in den letzten Jahren als feste Größe innerhalb der Fluid- und Hydraulikbranche etabliert. Neben den zahlreichen, kundenspezifischen Stecker- und Gewindeoptionen stellt vor allem die hohe IP-Schutzklasse (IP67 bis IP6K9K) einen Vorteil gegenüber konventionellen Druckschaltern dar.

Unter der Bezeichnung Druckschalter PLUS bietet SUCO bereits die 2. Generation integrierter Druckschalter an. Das PLUS steht für optionale, elektronische Zusatzfunktionen, die je nach Kunde oder Anwendung integriert werden können. Beispiele hierfür sind eine NAMUR-Diagnosefunktion, Schutzfunktion mittels Varistor, Heiß- oder Kaltleiter oder eine LED-Schaltzustandsanzeige.

In der Ausführung mit Widerstandsbeschaltung nach NAMUR bietet die PLUS-Serie eine zusätzliche Diagnosefunktion („Fail-safe“) mit Kurzschluss- und Kabelbrucherkennung an, die insbesondere für sicherheitskritische Systeme wie z. B. Bremsanlagen, hydrostatische Lenksysteme, Feuer-Löschsysteme oder automatisierte Regel- und Stellventile interessant ist.

SUCO Druckschalter PLUS NAMUR

Gemäß DIN EN 60947-5-6 (VDE 0660 Teil 212) wird als NAMUR ein Schaltkontakt mit zwei Widerständen bezeichnet, der als Öffner oder Schließer agieren kann. Die zusätzliche Beschaltung ermöglicht es, neben den Zuständen ein- (AN) und ausgeschaltet (AUS) zusätzlich auch einen Leitungsbruch oder Kurzschluss im Stromkreis abzufragen. Typische Stromschwellen nach NAMUR sind 1,2 mA für den Auszustand und 2,1 mA für den Einzustand.

SUCO Druckschalter PLUS NAMUR sind potentialfrei und werden direkt über den Messstromkreis (Betriebsstrom IB) gespeist. Die spannungsführenden Teilen sind galvanisch vom Gehäuse getrennt, es besteht keine elektrische Verbindung zwischen Schaltkontakt und Gehäuse. Durch die Widerstandsbeschaltung liegt am Ausgang des Druckschalters dauerhaft ein Strompegel an, unabhängig davon, ob der Kontakt betätigt oder nicht betätigt ist. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Ruhestromprinzip.

Im Falle eines Leitungsbruchs oder abgezogenen Steckers wird der Stromkreis unterbrochen und tritt aus dem NAMUR-Bereich nach unten aus. Der Strom beträgt 0 mA bei einem unendlich großen Widerstandswert. Entsteht an der Leitung oder dem Stecker ein Kurzschluss, steigt die Stromstärke deutlich über den NAMUR-Bereich an, da sich im Stromkreis nur noch ein sehr kleiner Widerstand befindet.

Diese vier Stromwerte können nunmehr als vier verschiedene Schaltzustände über eine geeignete Auswerteeinheit ausgelesen werden. Für einen NAMUR-konformen Betrieb ist eine Betriebsspannung von 8,2 ±0,1 VDC vorzusehen. Die Realisierung der Stromschwelle von 1,2 mA wird mit einem Widerstand von 11 kΩ bei offenem Schaltkontakt erreicht. Wird der Schaltkontakt geschlossen, beträgt der resultierende Widerstand 1 kΩ, wodurch die Stromschwelle mit 2,1 mA sicher überschritten wird.

Fail-safe

Durch die besondere Beschaltung des SUCO Druckschalter PLUS NAMUR kann ein sogenanntes Fail-safe-System realisiert werden. Sobald die Auswerteeinheit am Ausgang einen Betriebs- bzw. Messstrom von 0 mA misst, geht das System in den sicheren Zustand „AUS“.

Gemäß DIN VDE 0660, Teil 209 bezeichnet Fail-safe (zu Dt.: signaltechnisch sicher) die Fähigkeit eines Systems, beim Auftreten eines Ausfalls im sicheren Zustand zu bleiben oder unmittelbar in einen anderen sicheren Zustand überzugehen. Nach der DIN VDE 0660, Teil 209 ist der gesicherte Zustand des Systems dann erreicht, wenn am Ausgangskontakt ein Ausschaltbefehl ansteht, d. h. der Steuerstromkreis unterbrochen ist.

Anwendungen

Drucküberwachungsgeräte für sicherheitsrelevante Anwendungen müssen zuverlässig arbeiten und nach den jeweils relevanten Richtlinien geprüft sein. Mechanische Druckschalter werden zu einem Großteil in sicherheitsrelevanten Industrieanwendungen (z. B. Prozessüberwachung, Verfahrens-technik) und in Systemen der Mobilhydraulik verbaut, die sicherheitskritische Funktionalitäten überwachen (z. B. hydraulische Lenk- oder Bremssysteme).

In beiden Fällen kann ein Ausfall des Systems oder eine Fehlfunktion gesundheitlichen oder finanziellen Schaden anrichten und im schlimmsten Falle lebensgefährlich für den Bediener einer Anlage / Maschine sein. Die Notwendigkeit einer sicheren und zuverlässigen Zustandsüberwachung hat daher höchste Priorität.

Neben unseren Kunden im Bereich der Mobilhydraulik und des Maschinen- und Anlagenbaus bedienen wir seit etlichen Jahren ebenfalls Kunden der Medizintechnik mit unseren Druckschaltern und Transmitter für anspruchsvolle und sicherheitsrelevante Anwendungen. Im Bereich der Medizintechnik spielt eine 100%ige Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit der Geräte und Komponenten eine entscheidende Rolle. Neben gesetzlichen Vorgaben für Reinheit (öl-, fett- und silikonfrei) liegt der Anforderungsfokus hinsichtlich Ausfallsicherheit auf dem Einsatz redundanter Systeme (fail-safe).    

Unsere mechanischen und elektronischen Druck- und Vakuumschalter sowie Transmitter haben sich aufgrund der hohen Überdrucksicherheit (bis zu 4-fach), Robustheit und Langlebigkeit einen exzellenten Ruf erworben. Als Hersteller "Made in Germany" garantieren wir mit unserem Qualitätsversprechen, dass jedes einzelne Produkt vor der Inverkehrsbringung eine 3-stufigen Qualitäsprüfung durchläuft.

Im folgenden Blog-Beitrag möchten wir daher neben den medizintechnischen Anwendungen v.a. auf die vorteilhaften Produkteigenschaften unserer Komponenten eingehen.

Materialien und Zulassungen

Aufgrund der hohen Temperatur- und Korrisionsbeständigkeit werden innerhalb der Medizintechnik sehr häufig Druckschalter aus Edelstahl eingesetzt. Zu Überwachung von Trinkwasser oder wasserhaltigen Medien hat sich der Gehäusewerkstoff Messing (Nickel- und Schadstoffrei) als Standard in vielen Produkten der Medizintechnik etabliert.

Für Sauerstoff- und Wasseranwendungen empfiehlt SUCO ausschließlich die Verwendung der folgenden EPDM1)-Membrane:

• EPDM für allgemeine Anwendungen (u.a. Sauerstoff). Die Ausbrennsicherheit wurde durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) geprüft
• EPDM-TW ist für Trinkwasseranwendungen nach Elastomerleitlinie, WRAS, ACS und NSF 61 und der Verwendung in Medizin- und Pharma-Applikationen ausgelegt

Neben EPDM kommen v.a. die folgenden Membrane in der Medizintechnik zum Einsatz:

• FKM2) wurde im Zuge der Evaluation für Beatmungsgeräte erfolgreich auf Biokompatibilität (Leuchtbakteriumtest mit Vibrio fischeri) getestet
• FFKM erfüllt die höchste Elastomerklasse und wird aufgrund seiner extrem hohen Temperatur- und Medienresistenz v.a. in der Vakuumtechnik und Bioanalytik eingesetzt
• Silikon ist nach US-amerikanischer Zulassung der FDA (Food & Drug Administration) für Lebensmittel und pharmazeutische Anwendungen freigegeben

Medizinische Anwendungen

Anästhesie und Beatmungsgeräte

Beatmungsgeräte sind ein Oberbegriff für eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen, darunter mobile Geräte für den Rettungsdienst, Heimbeatmungsgeräte oder stationäre Maschinen in Operationssälen. Auf Intensivstationen werden Beatmungsgeräte eingesetzt, um Patienten über längere Zeiträume zu beatmen. Die zur Behandlung von COVID-19 verwendeten Beatmungsgeräte gehören zur Klasse der Anästhesie- und Intensivbeatmungsgeräte.

Während einer Operation übernimmt ein Anästhesiegerät die Atemfunktion (Beatmung) des Patienten, da bei einer Vollnarkose der Atemtrieb des Patienten oft ausgesetzt ist. Dem Gasgemisch - bestehend aus Druckluft, Sauerstoff (O2) und Lachgas (N2O) - wird je nach Operation ein zusätzliches Schmerzmittel (Anästhetikum) beigeschmischt. Unsere Druckschalter überwachen die Sauerstoffzufuhr zwischen Gas-Steckdose / -anschluss und Beatmungsgerät. Im Umgang mit Sauerstoff empfehlen wir ausschließlich den Einsatz plasmagereinigter Druckschalter und Transmitter mit EPDM-Membran.

Desinfektions- und Reinigungssysteme

Desinfektions- und Reinigungssysteme werden in Krankenhäusern und Arztpraxen zur sterilen Reinigung von Instrumenten, Werkzeugen, Bestecken, Endoskopen sowie Klamotten und Schuhen verwendet. Die Systeme werden in unterschiedlichen Bauformen hergestellt, angefangen von kleinen Tischmaschinen für Zahnarztpraxen, bis hin zu Großgeräten in Krankenhäusern.

Die Maschinen arbeiten ähnlich einer Geschirrspühlmaschine mit sehr hohenTemperaturen und haben die Möglichkeit, spezielle Reinigungsflüssigkeiten und Desinfektionsmittel einzusetzen, um sowohl mechanische als auch biologische Verschmutzungen auf den Instrumenten sicher zu entfernen.

Autoklaven und Sterilisatoren

Autoklaven und Sterilisatoren erreichen die Abtötung aller vermehrungsfähigen Krankheitserreger durch Hitze mit Wasserdampf unter hohem Druck. Um den hohen Drücken zu widerstehen, werden die Kammern normalerweise tonnenförmig gebaut. In der Regel sterilisieren Autoklaven bei 134°C mit einer Haltezeit von ~5,5 Minuten. Die Anlagen werden zunächst evakuiert und anschließend mit Heißdampf befüllt. Diese Geräte sterilisieren mit Keimen und Viren verunreinigte Instrumente und Werkzeuge in Kombination mit vorgeschalteten Reinigungssystemen.

Sowohl bei Reinigungssystemen als auch bei Autoklaven übernehmen unsere Druckschalter die folgenden Funktionen:

• Überwachung des Türverschlusses: Während des Reinigungs- oder Sterilisationsprozesses überwacht ein Druckschalter den Druck im Innenraum der Prozesskammer, um ein ungewolltes Öffnes des Gerätes zu verhinden. 
• Überwachung der Wasserversorgung: Am Ende des Reinigungs- oder Sterilisationsprozesses überwacht ein Druckschalter die Wasserversorgung der Wasserringpumpe, welche die Prozesskammer evakuiert.

Gasversorgung medizinischer Geräte

In Krankenhäusern wird die Gas- und Medienversorgung normalerweise durch fest installierte Versorgungsleitungen gewährleistet. SUCO Druckschalter und Drucktransmitter werden sowohl bei der zentralen Gasbereitstellung zur Überwachung von Flaschendrücken als auch im Behandlungsraum unmittelbar hinter der Gassteckdose zur Überwachung medizinischer Geräte eingesetzt.

SUCO bietet für Sauerstoff (O2) geeignete Druckschalter auch für hohe Drücke an. Aufgrund der verbrennungsfördernden Wirkung von Sauerstoff unterliegen Produkte im Einsatz mit Sauerstoff besonderen Einschränkungen in der Materialauswahl sowie landesspezifischen Zulassungen und Handhabungsvorschriften. SUCO bietet für Sauerstoff bis 200 bar zugelassene und geprüfte Druckschalter. Eine Anwendung ist z. B. die Überwachung des Eingangsdrucks von Ozonanalysatoren in der Ozontherapie.

1) EPDM = Ethylen-Propylen-Dien-(Monomer) Kautschuk  2) FKM = Fluorkarbon-(Monomer) Kautschuk

Die SIL-Berechnung soll den Ausfall von elektrischen, elektronischen und programmierbaren elektronischen Komponenten (E/E/PE-Systeme) durch zufällige Fehler quantifizieren.

Bei rein mechanischen Komponenten und Bauteilen wie unseren mechanischen Druckschaltern ist eine SIL Berechnung aufgrund der SIL-Definition nicht möglich.

Sicherheitsbetrachtung

Für mechanische Komponenten kann die EN ISO 13849-1:2008 Anhang C (Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen) als Grundlage der Sicherheitsbetrachtung dienen.

Darauf basierend, geben wir für unsere mechanischen Druckschalter einen B10d-Wert mit 1 Millionen Schaltzyklen an, aus dem man den MTTFd-Wert ableiten kann.

Der MTTFd-Wert geht dann wiederum in die SIL-Berechnung des Gesamtsystems mit ein.

B10d und MTTFd

Konkret spezifiziert der B10d-Wert die Lebensdauer, bei der mit einer Wahrscheinlichkeit von 10 % mit Ausfällen gerechnet werden muss. Für die SUCO-Druckschalter gilt der B10d-Wert mit 1 Millionen Schaltzyklen mit den Randbedingungen bei Raumtemperatur für eine ohmsche Belastung und Ströme < 1 A und einer Druckanstiegsrate von <= 1000 bar/s im Rahmen der zulässigen Überdruckfestigkeit.

Die Angabe einer MTTFd-Zeit ist für mechanische Druckschalter nicht sinnvoll, denn die individuellen anwenderspezifischen Schaltbedingungen müssten dazu bekannt sein. Die MTTFd-Zeit lässt sich jedoch einfach aus dem B10d‑Wert wie folgt ermitteln:

.

B10d

———— = MTTFd

0,1 nop

.

nop = mittlere Anzahl jährlicher Schaltspiele

B10d = mittlere Anzahl Zyklen, bis 10% der Bauteile ausgefallen sind 

Mechanische Druckschalter

Nach DIN EN ISO 13849 können die meisten mechanischen Druckschalter von SUCO in sicherheitsbezogenen Teilen einer Steuerung eingesetzt werden. Diese Druckschalter wurden nach grundlegenden und bewährten Sicherheitsprinzipien entwickelt und hergestellt.

Das Konstruktionsprinzip der mechanischen SUCO Druckschalter SW24 Schließer (Bauform A) und Öffner (Bauform B) gemäß DIN EN 60947-5-1 (Einfachunterbrechung, Schaltglied mit zwei Anschlüssen) bzw. SW27 mit Wechslerkontakt (Bauform C) gemäß DIN EN 60947-5-1 (Einfachunterbrechung, Schaltglied mit drei Anschlüssen) wird als zwangsgeführt betrachtet.

Unsere Druckschalter SW 24 mit integriertem Stecker erfüllen die Voraussetzung der Bauform A, unsere Druckschalter mit Wechsler SW27 und SW30 erfüllen die Voraussetzung der Bauform C. 

Fail-safe

Als Maßnahme zur Beherrschung systematischer Ausfälle "Fail-Safe" hat der Anwender das Ruhestromprinzip zu berücksichtigen, d.h. der sichere Zustand ist jeweils der geschlossene Kontakt, unabhängig ob Schließer oder Öffner. Der Anwender hat abhängig von der zu überwachenden Funktion, das geeignete Kontaktsystem auszuwählen.

Die Serie Druckschalter PLUS nimmt dem Anwender einen Teil der Verantwortung ab, da die im Druckschalter integrierte NAMUR-Widerstandsbeschaltung das Ruhstromprinzip direkt umsetzt. Mit der NAMUR-Beschaltung können Kabelbruch (kein Strom) und auch Kurzschluss zwischen den Leitern (Strom zu groß) erkannt werden.

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SIL = Safety Integritiy Level (dt.: Sicherheitsanforderungsstufe)

MTTFd = Mean time to (dangerous) failure (dt.: Mittlere Betriebsdauer bis zum gefahrbringenden Ausfall)

Mechanische SUCO Druckschalter haben sich im Laufe der Jahrzehnte weltweit einen exzellenten Ruf erworben. Zu den Kunden zählen namhafte Hersteller aus den Bereichen Mobilhydraulik, Maschinen- und Anlagenbau, sowie der Medizin- und Prozesstechnik. SUCO Druckschalter „Made in Germany“ sind in allen Industriebereichen vertreten, in denen hydraulischer oder pneumatischer Druck zuverlässig und sicher gemessen, überwacht und geregelt werden muss.

Neben der Variantenvielfalt und Temperaturbeständigkeit (NBR-Membrane bis -40°C, FFKM bis +120 °C) zählen vor allem die Langlebigkeit und Überdrucksicherheit zu den herausragenden Merkmalen der mechanischen Druckschalter von SUCO.

Durch die kontinuierliche Optimierung und Kontrolle der Prozesse und Komponenten ist es SUCO gelungen, die bereits überdurchschnittlich hohe Überdruckfestigkeit der mechanischen Druckschalter noch deutlich zu steigern. Dies wurde nun im Rahmen eines dynamischen Druckwechseltest durch ein externes, unabhängiges Prüflabor bestätigt.

Getestet wurde eine repräsentative Auswahl an mechanischen Membran- und Kolbendruckschaltern. Basierend auf den Versuchsergebnissen ist festzustellen, dass bei allen getesteten Druckschaltern die überdurchschnittlich hohen Werte der Überdruckfestigkeit bestätigt werden konnten. Einige der getesteten Baureihen haben das gesamte Versuchsszenario mit insgesamt 1,5 Mio. Zyklen bei verschiedenen Druckstufen bis max. 720 bar ohne Ausfall absolviert. Basierend auf diesen Ergebnissen und den eigenen Messungen kann SUCO für einige Baureihen die Werte für die statische Überdruckfestigkeit noch weiter ausdehnen. Darüber hinaus wird SUCO zukünftig für die mechanischen Druckschalter SW24 und SW27 Werte für den statischen Berstdruck spezifizieren, welcher beachtliche Werte bis zu 1.000 bar erreicht.

Im Bereich der Fluidtechnik liegt der durchschnittliche Berstdruck ca. 20-30 % über der Überdrucksicherheit. Mit Berstdruckwerten von bis zum 1,75-fachen der Überdrucksicherheit liegt SUCO auch hier deutlich darüber. Dank dieser Verbesserung nähert sich die SUCO-Familie zielstrebig Ihrer Vision, sich als einer der führenden Lösungsanbieter im Bereich der Drucküberwachung und Antriebstechnik zu positionieren.