Stromversorgungen Effizient, sicher und kommunikativ

Ob Fertigungsindustrie, Prozesstechnik oder Windparks: Sie alle benötigen eine zuverlässige Energieversorgung für Steuerung, Sensorik und Aktorik. Die Lösung dafür ist ein Stromversorgungssystem aus Netzteil, elektronischer Sicherung und Kommunikationsschnittstelle.

Typischerweise stellen industriell genutzte Stromversorgungen hohe Anforderungen an Energieeffizienz und Langlebigkeit. Mit Wirkungsgraden über 95 Prozent nähern sie sich allmählich den Grenzen des physikalisch Machbaren. Aber es gibt neue Herausforderungen. In den Anlagen der Generation Industrie 4.0 und dem Industrial Internet of Things (IIoT) sind alle Komponenten einer Produktionsumgebung über eine digitale Infrastruktur miteinander verbunden.

Die strikte Master/Slave-Architektur der vergangenen Automatisierungswelle weicht damit einer durchgängig intel­ligenten Organisation. Darin müssen natürlich alle eingebundenen Komponenten intelligent werden, auch die im Hintergrund arbeitenden Stromversorgungen. Weidmüller hat hierfür ein System aus Netzteil, elektronischer Sicherung und Kommunikationsschnittstelle entwickelt, das sich an jede Anwendung anpassen lässt. Basis sind die Stromversorgungen der Reihe »PROtop«.

Stromversorgungen für die Digitalisierung

Die Stromversorgungen der PROtop-Familie bieten elektrische Leistung, Energieeffizienz und Kommunikationsfähigkeit gleichermaßen. Durch den höheren Wirkungsgrad von – je nach Variante – bis zu 95,3 Prozent werden in einer mittleren Produktionsanlage mit circa 100 PROtop-Stromversorgungen mit je 960 W bei Dreischichtbetrieb täglich rund 50 kWh im Vergleich zu einer Standardstromversorgung eingespart. Das sind jährlich über 15.000 kWh. Gleichzeitig bieten sie mit MTBF-Werten von über einer Million Stunden eine hohe Betriebssicherheit und verfügen über die annähernd doppelte Lebensdauer von Standardgeräten. So steigern sie die Anlagenverfügbarkeit und verbessern die CO2-Bilanz gleich mehrfach, durch Energieeffizienz und den langen Zeitraum bis ein Ersatzgerät benötigt wird. Zudem sorgen sie mit mehr als 30 Prozent Platzersparnis für eine höhere Funktionsdichte im Schaltschrank. PROtop-Stromversorgungen sind in Varianten von 72 W bis 960 W mit Ausgangsspannungen von 12 V, 24 V, 36 V und 48 V erhältlich.

Es sind jedoch nicht nur diese grundlegenden Kennzahlen, welche die Baureihe auszeichnen, sondern auch viele weitere Funktionen, die diese Geräte für die anspruchsvollsten Anwendungen prädestinieren.

 

DCL-Technik für Spitzenlastreserven

Eine leistungsfähige Stromversorgung sollte über hohe Impulsenergiereserven verfügen, die beispielsweise ein kraftvolles Hochlaufen von Motoren ermöglichen. Dank der zukunftsweisenden DCL-Technik (Dynamic Current Limiting) ist dies bei der PROtop-Stromversorgung jederzeit gewährleistet (Bild 1). So stehen zum Beispiel im Anlaufmoment von Motoren für einen Zeitraum von etwa 100 ms 300 Prozent und für circa 5 s 150 Prozent an Leistungsreserven zur Verfügung. Dies ist für Anwendungen in der Fördertechnik interessant, in denen oftmals 24-V-DC-Motoren arbeiten.

Der hohe Dynamikbereich der PROtop-Geräte sorgt auch für ein zuverlässiges Auslösen von Leitungsschutzschaltern. Da gängige Schaltnetzteile systembedingt den Ausgangsstrom begrenzen, wird ein Schutzelement bei Kurzschluss womöglich nicht ansprechen. Die Anlage läuft dann einfach mit dem Maximalstrom des Netzteils weiter. Ein Fehler bleibt somit unentdeckt oder es können Folgeschäden entstehen. Mit einer Leistungsreserve von 600 Prozent für 15 ms bringt eine PROtop Stromversorgung jeden Leitungsschutzschalter mit Sicherheit zum Auslösen.

Redundante Lösung einfach realisieren

Besonders kritische Anwendungen verfügen häufig über eine redundante Stromversorgung. Allerdings kann auch in der Stromversorgung selbst ein Kurzschluss auftreten. Sind die Netzteile einfach parallel geschaltet, würde auch das Reservegerät kurzgeschlossen. Herkömmliche Redundanzkonzepte sehen deshalb spezielle Redundanz- oder Diodenmodule vor, die die Netzteile im Fehlerfall entkoppeln. Diese separaten Komponenten ziehen jedoch zusätzlichen Installationsaufwand und Platzbedarf nach sich.

Anders bei den PROtop-Stromversorgungen. In diesen ist bereits ein Entkopplungsmodul auf Basis eines ORing-MOSFET integriert (Bild 2). Im Fehlerfall schaltet diese Vorrichtung den Geräteausgang automatisch hochohmig. Damit lassen sich die Stromversorgungen ohne weitere Schutzmaßnahmen parallel beitreiben. Die Systemkosten werden reduziert und im Schaltschrank lässt sich mehr als 30 Prozent Platz einsparen. Der optional schaltbare Parallelbetrieb vereinfacht die Stromsymmetrierung und führt zu einer höchstmöglichen Langzeitstabilität.

Kommunikation für Industrie 4.0

Die beschriebenen technischen Lösungen sind zwar wichtige Voraussetzungen für den Einsatz in anspruchsvollen und sensiblen Anwendungen; sie arbeiten allerdings weiterhin autark. Im industriellen IoT jedoch sind alle Komponenten einer Produktionsumgebung über eine digitale Infrastruktur miteinander verbunden und müssen deshalb kommunikationsfähig sein – sogar die Stromversorgungen. Weidmüller hat hierfür den PROtop-Geräten das Last­überwachungssystem »topGUARD« und eine aufsteckbare Kommunikationsschnittstelle zur Seite gestellt.

Die Lösung topGUARD ist ein modular aufgebautes, elektronisches Lastabgangssystem, welches aus einem Einspeisemodul und mehreren angereihten Abgangsmodulen besteht. Die Abgangsmodule sind sowohl mit fest eingestellten als auch mit frei einstellbaren Sicherungswerten bis zu 12 A pro Modul verfügbar. Die spannungsadaptive NEC-Class-2-Lastüberwachung (National Electric Code) erlaubt erstmalig den durchgängigen Einsatz einer Betriebsspannung von 18 bis 30 V DC für eine NEC-konforme Verteilung. Sollte es zu einer Überlast oder einem Kurzschluss kommen, schaltet top­GUARD den betroffenen Kanal ab.

Dazu gibt es noch ein Kommunikationsmodul, mit dem sich sowohl die Stromversorgung PROtop als auch das Last­überwachungssystem topGUARD (Bild 3) nachrüsten lassen. Durch den Einsatz der standardisierten IO-Link-Verbindung (IEC 61131-9) erhält der Anwender die Möglichkeit der Datenübertragung einschließlich Datentransparenz und Fernsteuerbarkeit der Lastüberwachung topGUARD.

Das Kommunikationsmodul ermöglicht beispielsweise ein Monitoring jedes einzelnen Moduls in Bezug auf die Spannung und Stromabgabe, ebenso ein Ein- und Ausschalten der einzelnen Kanäle sowie auch das Rücksetzen im Fehlerfall. Weiterhin können die verwendeten Module direkt über die Steuerung parametriert werden. Die Betriebsdaten werden in einer »IODD«-Datei erfasst.

Als Retrofit-Lösung konzipiert, wird das Kommunikationsmodul einfach aufgesteckt. Änderungen an der eigentlichen Stromversorgung sind nicht nötig. So kann der Anwender seine Anlage zunächst klassisch aufbauen und nach Bedarf erweitern. Derzeit wird neben IO-Link auch CANopen als Kommunikationsprotokoll unterstützt, weitere sind in Planung. So kann der Betreiber bei Bedarf das Bussystem mit geringem Aufwand wechseln, vor allem aber eine tatsächlich durchgängige Kommunikationsstruktur schaffen.

Transparenz in der Stromversorgung

Die kommunikationsfähige Lastüberwachung bietet Fernsteuermöglichkeiten, stellt Betriebsdaten zur optimalen Zustandsüberwachung bereit und erlaubt es, die 24/48-V-Systemspannung zuverlässig zu überwachen und zu schützen. Diese intelligente Vernetzung zwischen Maschine, Schaltschrank und IT-System eröffnet völlig neue Steuerungs-, Monitoring- und Analyselösungen. Mit der kommunikationsfähigen Lastüberwachung topGUARD versetzt Weidmüller Maschinen- und Anlagenbetreiber erstmals in die Lage, neuartige Dienste zur Diagnose und Verbesserung ihrer Prozesse aufzubauen, einfach gesagt: Maschinendaten lassen sich in Mehrwert überführen.

Mit topGUARD wird selektive Absicherung fit für die Digitalisierung, denn die Module ermöglichen die Weitergabe von Prozessdaten an die übergeordnete Steuerung. Dadurch ist eine Vernetzung auch mit anderen Komponenten der Anlage sichergestellt. Die Stromversorgung und das Lastüberwachungssystem sind fernsteuerbar und in das Condition-Monitoring-System einer Anlage eingebunden. Damit kann man den Energieverbrauch reduzieren und die Wartungseinsätze gezielt planen. Das steigert die Funktionssicherheit und Wirtschaftlichkeit verschiedenster Anlagen erheblich – bei Lebensmittel- und Verpackungsanlagen im 24/7-Betrieb ebenso wie bei schwer zugänglichen Offshore-Windparks.

Vom Netzteil zum Smart Grid

Intelligente Netzwerke für Daten, Energie und zum Teil auch Material bilden die Infrastruktur für das moderne Anlagenfeld. Mit den Powermanagement-Lösungen von Weidmüller lassen sich solche Konzepte auch für die Versorgung mit 24 V und 48 V DC realisieren. Für den zuverlässigen Schutz gegen Schmutz oder auch Nässe im Feld können Komponenten wie PROtop oder topGUARD einfach in ein robustes IP65-Gehäuse integriert werden. So lassen sich versorgungstechnisch Linien-, Ring- oder auch Grid-Strukturen einschließlich abgesicherter Lastabgangskreise realisieren und zudem mittels Feldbus­anbindung überwachen.

Darüber hinaus bietet Weidmüller auch kostengünstigere Spannungsversorgungen wie die Baureihen PROeco und PROmax. Diese verfügen nicht über die Kommunikationsmöglichkeiten von PROtop, genügen ansonsten aber in vollem Umfang den typischen Anforderungen für den industriellen Einsatz. So sind alle Geräte UL-zertifiziert und damit für den weltweiten Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau geeignet. Mit vielen weiteren Komponenten, wie unterbrechungsfreien Stromversorgungen oder Kapazitätsmodulen, lässt sich für jede Anwendung genau die richtige DC-Versorgung realisieren.

 

 

Der Autor

Klaus Schürmann begann nach Abschluss seines Studiums der Elektrotechnik seine Karriere als Entwickler für Schaltnetzteile bei einem mittelständischen Sondermaschinenbauer. Seit elf Jahren verantwortet er als Produktmanager den Bereich Strom­versorgungen bei Weidmüller.
E-Mail: klaus.schuermann@weidmueller.com