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Redundanzkonzepte

Läuft und läuft und läuft!

27. August 2019, 09:00 Uhr   |  Alexander Haneke, Phoenix Contact

Läuft und läuft und läuft!
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Verfügbarkeit spielt bei verfahrenstechnischen Anlagen eine übergeordnete Rolle. Fällt die Spannungsversorgung in Anlagenteilen oder bei einzelnen Komponenten aus, kann die Anlage lange stehen und damit zu hohen Kosten führen. Hier gilt es, entsprechende Redundanzkonzepte zu implementieren.

Bei den gängigen Lasten in der Prozessindustrie rücken DCS-Systeme (Distribution Control System), Remote-I/O-Stationen sowie aktive Rangierverteiler, die oft über zwei voneinander entkoppelte Einspeiseklemmen versorgt werden immer mehr in den Fokus. Daneben finden sich zahlreiche weitere Verbraucher, etwa Trennschaltverstärker, Relais oder Vierleiter-Transmitter, die nur über einen einzigen Spannungseingang verfügen.

Redundante Systeme sind in vielen Fällen ein probates Mittel, um den einzelnen Fehlerfall (Single Point of Failure) zu vermeiden. Dies gilt auch für die überall erforderliche Hilfsspannungsversorgung, für die sich in den meisten Anwendungsbereichen 24 V Gleichspannung durchgesetzt hat. Um dies redundant zu implementieren, werden zwei Hilfsspannungsnetze parallelgeschaltet und mithilfe von Redundanzmodulen voneinander entkoppelt; diese Konfiguration nennt sich »1+1-Redundanz«. Auch gewährleisten diese Module, dass im Kurzschlussfall die Anlage unterbrechungsfrei weiterläuft.

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Bild 1: Redundanzkonzepte im Überblick: Entkopplung mit Diodenmodul (oben), Entkopplung mit MOSFET-Modul (Mitte) sowie Entkopplung mit zwei separaten MOSFET-Modulen (unten).

Verschiedene Redundanzkonzepte

Passive Diodenmodule sind die einfachste Art zu entkoppeln (Bild 1, oben). Dabei müssen die Anlagenplaner im gesamten Lebenszyklus einer Anlage darauf achten, dass eine Redundanz nur dann gegeben ist, wenn die Summe aller Lastströme nicht größer ist als der maximale Strom eines einzelnen Netzteils. Denn nur so ist sichergestellt, dass bei Ausfall eines Pfades der jeweils andere die Versorgung vollständig übernehmen kann.

Aktive Redundanzmodule – wie etwa vom Typ Quint ORing von Phoenix Contact – überwachen zudem den Summenstrom und schlagen Alarm, wenn die Stromentnahme zu hoch wird (Bild 1, Mitte). Durch diese Funktion lassen sich eine Anlage leichter nachträglich erweitern und schleichende Fehler im Rahmen einer vorrausschauenden Wartung (Predictive Maintenance) identifizieren. Zudem sorgen diese Module durch die ACB-Technologie (Auto Current Balancing) dafür, dass beide Stromversorgungspfade gleichmäßig belastet werden. Die Geräte regeln und signalisieren aktiv die Stromaufteilung beider Versorgungspfade, was die Lebensdauer von Netzteilen und DC/DC-Wandlern maximiert. Durch den Einsatz leistungsstarker MOSFETs anstelle von Dioden zum Entkoppeln reduziert sich außerdem die Verlustleistung.

Driftet eine Ausgangsspannung einer Stromversorgung zu stark, so meldet ein aktives Redundanzmodul auch dieses Verhalten rechtzeitig. Oft folgt nach dem Entkopplungsmodul ein Sicherungsverteiler. Der Versorgungsstrang ist ab hier jedoch nicht mehr redundant, auch wenn man Lasten mit redundanten Einspeiseklemmen über zwei unterschiedliche Sicherungen versorgt. Auftretende Fehler am Strang oder am Sicherungsverteiler können hier immer noch zum Ausfall der Anlage führen.

Das optimale Redundanzkonzept mit vollständigem Monitoring besteht durchgängig aus zwei räumlich getrennten Strompfaden (Bild 1, unten). Diese bestehen jeweils aus dem Versorgungsnetz, einem Netzteil oder einem DC/DC-Wandler sowie aus einem aktiven Single-Redundanzmodul wie dem Quint-4-S-ORing, das die Pfade einzeln voneinander entkoppelt. Dadurch wird der einzelne Fehlerfall vermieden. Auch hier halten Mosfets die Verlustleistung niedrig und eine redundante Verdrahtung bis zur Last sorgt dafür, dass ein System maximal prozesssicher ist. In Verbindung mit den passenden Stromversorgungen aus der Baureihe Quint 4 werden auch die einzelnen Spannungsnetze gleichmäßig belastet, und das Prozessleitsystem kann die Entkopplung an allen Punkten des Versorgungssystems vollständig überwachen.

Noch mehr Sicherheit

Prozessleitsysteme sind immer auf eine maximale Verfügbarkeit ausgelegt. Um die empfindliche Hardware gegen Überspannung zu schützen, begrenzen die Stromversorgungssysteme die Ausgangsspannung sicher auf ein ungefährliches Niveau. Der Überspannungsschutz (Over Voltage Protection, OVP) verhindert, dass bei einem internen Fehler der Stromversorgung hohe Spannungen oberhalb der vorgegebenen OVP-Schwelle das Modul verlassen und die zu versorgenden Anlagenteile beschädigen oder zerstören.

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Bild 2: OVP-Schwellwerte sind gerade für die Prozessindustrie bedeutsam. Leitsystemhersteller haben hier unterschiedlichste Anforderungen.

Um hier Systeme vollständig zu schützen, fordern viele Hersteller von Prozessleitsystemen daher auch einen doppelten Überspannungsschutz. Die Quint-4-Stromversorgungen in Verbindung mit den Varianten S-ORing/Plus und S-ORing/VP aus der gleichen Baureihe sichern Prozessleitsysteme auf diese Weise doppelt ab. Durch die Zertifizierung des doppelten Überspannungsschutzes im Gesamtsystem nach SIL3 (Safety Integrated Level 3) ist auch ein Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen möglich. Verschiedene Anwendungsfälle und Prozessleitsysteme erfordern verschiedene OVP-Schwellen für eine hohe Prozesssicherheit (Bild 2).

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Bild 3: Der gesperrte Spannungsbereich zwischen U(in,Max) und OVP_Min verhindert, dass der Überspannungsschutz ungewollt auslöst und damit die Anlage stilllegt.

Durch Bauteilvarianzen liegt der tatsächlichen OVP-Schwelle eines jeden Geräts die Gaußsche Normalverteilung zugrunde. Die Toleranzbetrachtung liefert einen Spannungsbereich, an dessen oberer Grenze der von Phoenix Contact im Datenblatt angegebene OVP-Wert liegt. Dadurch ist sichergestellt, dass tatsächlich keine Spannung oberhalb dieser Grenze am Ausgang des Geräts anliegt.

Der gesperrte Spannungsbereich zwischen maximaler Eingangsspannung und OVP-Schwelle ist für eine hohe Flexibilität und einen sicheren Betrieb ausgelegt. Dies verhindert das ungewollte Auslösen des Überspannungsschutzes – und damit den Anlagenstillstand – durch Spannungstransienten im Normalbetrieb (Bild 3). Diese können beispielsweise durch dynamische Lasten und Lastabwürfe verursacht werden.

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