24-V-Steuerstromkreise im Schaltschrank zuverlässig absichern

Die Fragen stellte Andreas Gees, stv. Chefredakteur KEM Konstruktion|Automation

Inhaltsverzeichnis

1. Zum Stand der Absicherung der 24-V-Versorgung in der Praxis
2. Einsatz von Leistungsschaltern und elektronischen Sicherungen
3. Elektronische Sicherungen in Verbindung mit Schaltnetzteilen
4. Zum Einfluss auf die Effizienzbewertung von Prozessen

Zum Stand der Absicherung der 24-V-Versorgung in der Praxis

KEM Konstruktion|Automation: Die Digitalisierung in der Industrie ist weiter auf dem Vormarsch. Elektronische Steuerungen, Sensoren und Antriebe, oft auch mit 24 oder 48 V, sind vermehrt im Einsatz. Dabei ist eine zuverlässige Spannungsversorgung unerlässlich für den Betrieb. Doch ist die Problematik, die sich aus dem Einsatz von Schaltnetzteilen im Schaltschrank ergibt, in vollem Umfang bei den Verantwortlichen in der Praxis bekannt?

Erich Fischer (E-T-A): Viele Elektroplaner und Endanwender haben diese Aufgabestellung mittlerweile verstärkt im Fokus. Die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit von Produktionsanlagen hängen sehr stark vom reibungslosen Zusammenspiel der eingesetzten Komponenten ab. Die frühzeitige Einbindung von Anlagenservice und Instandhaltung spielt in der Wertschöpfungskette von Maschinen und Anlagen eine wichtige Rolle. Sie stellt bereits in der Planungsphase die Stabilität der 24-V_DC-Steuerspannung sicher. Denn ohne Energie bleibt die Digitalisierung auf der Strecke. Die gut aufeinander abgestimmte Kombination einer Stromversorgung mit robustem Überlastverhalten mit einer selektiven, elektronischen Absicherung der 24-V_DC-Stromkreise erhöht Sicherheit und Laufzeit von Maschinen und Anlagen.

Florian Holzmann (Murrelektronik): Die normativen Vorgaben lassen wenig Spielraum: sie stellen sicher, dass Anlagen vor ihrer Inbetriebnahme ins Detail geprüft sind. Eine spannende Anforderung aus der Praxis ist die Frage, ob elektromagnetische Einflüsse (Stichwort EMV), die durch Schaltnetzgeräte entstehen können, einen negativen Einfluss auf die Datenkommunikation haben. Hier vertreten wir bei Murrelektronik die Ansicht, dass es von großer Bedeutung ist, Stromversorgungssysteme als Ganzes zu betrachten und sie perfekt aufeinander abzustimmen. Wir arbeiten deshalb mit einem durchdachten Portfolio: Zu den Schaltnetzgeräten gibt es zuverlässige Puffermodule und wirkungsvolle Filter im gleichen Design. Eine weitere Option, die in Kundengesprächen zunehmend nachgefragt wird, ist die Verlagerung der Stromversorgung ins industrielle Feld. Dazu bieten wir IP67-Lösungen an, die auf einem stark aufsteigenden Ast sind.

Karsten Kronsbein (Siemens): Im Gegensatz zu Trafos, die früher eingesetzt wurden, begrenzen Schaltnetzteile zum Selbstschutz ihren Ausgangsstrom. Mit konventionellen Leitungsschutzschaltern kann die elektronische Strombegrenzung vor allem bei Kurzschlüssen zu Problemen führen. Denn hier kommt die Kennlinie zur schnellen elektromagnetischen Auslösung zum Tragen, die bei Gleichstrom bis zum 14-fachen des Nennstroms benötigt, die eine Stromversorgung nicht unbedingt liefern kann. Die Selektivitätsmodule Sitop PSE200U sind optimal auf Schaltnetzteile abgestimmt und begrenzen den Strom auf das 1,5-fache des eingestellten Werts. Damit es zu keiner Zeit zum Einbruch der 24 V kommt, wird die Spannung stetig überwacht und der kritische Abzweig sofort abgeschaltet. Die anderen Abzweige werden absolut unterbrechungsfrei weiter versorgt und die SPS bleibt im Run-Modus.

Jens Marten (Block): Die Vorteile eines Schaltnetzteils gegenüber der konventionellen Transformatorstromversorgung liegen auf der Hand: Höhere Leistungsdichte und Energieeffizienz – das spart Platz im Schaltschrank und erhöht die Lebensdauer aller Komponenten durch reduzierte Erwärmung. Im Zusammenspiel mit Schaltnetzteilen als Quelle begrenzter Leistung funktionieren jedoch bekannte Absicherungskonzepte basierend auf Schmelzsicherungen und klassischen Leitungsschutzschaltern oft nicht mehr wie gewünscht. Der Grund: Für die magnetische Schnellauslösung von Standard-Leitungsschutzschaltern ist ein kurzzeitiger Überstrom notwendig. Insbesondere die unterschiedlichen Abregelkennlinien im Überlastfall unterschiedlicher Hersteller und Baureihen stellen den Anwender vor neue Herausforderungen bei der Konzipierung eines Absicherungskonzeptes. Doch selbst bei Verwendung eines Schaltnetzteils mit hohen Leistungsreserven, im Kurzschlussfall setzt die Physik Grenzen: Lange Leitungen und kleine Querschnitte verhindern durch hohe Leitungsimpedanzen, dass der notwendige Stromfluss zum Auslösen eines Leitungsschutzschalters zustande kommt. Bei hohen Leitungsimpedanzen oder bei Verwendung von Netzteilen ohne Stromreserve machen sich die Vorteile elektronischer Schutzschalter somit besonders bemerkbar. Die zunehmende Verbreitung und Akzeptanz elektronischer Absicherungskonzepte zeigt, dass die Vorteile gegenüber dem klassischen Leitungsschutz Anwendern bereits heute bekannt sind, die richtige Auslegung stellt jedoch für viele Anwender immer noch eine Herausforderung dar.

„Die Novellierung der Maschinenrichtlinie hat nochmals für dieses Thema sensibilisiert. Danach ist die ‚Vermeidung von Fehlern gemeinsamer Ursache‘ hohes Gebot.“

Klaus Schürman (Weidmüller): Die Novellierung der Maschinenrichtlinie vor einigen Jahren hat nochmals für dieses Thema sensibilisiert. Danach ist die ‚Vermeidung von Fehlern gemeinsamer Ursache‘ ein hohes Gebot. So kann im Kurzschlussfall eine Nichtauslösung einer Sicherung in den DC-Abgangskreisen zum Ausfall der kompletten Steuerspannung führen und damit ein gefährlicher Betriebszustand der Maschine entstehen. Um dies zu vermeiden, müssen DC-Absicherungssysteme so konzipiert sein, dass im Kurzschlussfall der fehlerhafte Stromkreis innerhalb kürzester Zeit abgeschaltet wird. Gemäß dem Standard IEC 61131-1 gilt der Betrieb einer Steuerung als sicher, wenn auftretende Spannungseinbrüche (z.B. wie in diesem Fall kurzschlussbedingt) nicht länger als 10 ms anstehen. Gerade die elektronischen Sicherungen dienen genau diesem Schutzziel und setzen sich daher seit Jahren in immer mehr Applikationen durch.

„In der Breite der Anwendungsfälle besteht häufig Erklärungsbedarf hinsichtlich der Ausführung und Funktionsweise der elektronischen Absicherung.“

Mario Stolzenberg (Phoenix Contact): Bei vielen unserer Kunden und Geschäftspartner besteht bereits ein tiefes Verständnis der Problematik. Insbesondere im Bereich des Maschinen- und Anlagenbaus ist das Zusammenspiel von Stromversorgung, Leitungsquerschnitten und -längen sowie dem Abschaltverhalten von Sicherungen oder anderen Überstromschutzeinrichtungen selbstverständlich. In den meisten Fällen werden bereits elektronische Sicherungen eingesetzt, um einen Zusammenbruch der Spannung zu verhindern. In der Breite der Anwendungsfälle besteht allerdings häufig Erklärungsbedarf hinsichtlich der Ausführung und Funktionsweise der elektronischen Absicherung. Beispielsweise erkennt man bei der Frage nach der Kennlinie noch oft das jahrzehntelang geprägte Denken in Begrifflichkeiten wie Trägheit einer Sicherung oder unterschiedliche Auslösecharakteristik von Automaten.

Peter Tillmann (Wago): Tatsächlich war die Problematik lange Zeit in der Praxis nur wenig bekannt. Das ändert sich aber momentan immer mehr. In der Vergangenheit haben wir immer wieder bei Kundenbesuchen und auf Messen darauf hingewiesen, dass bei der sekundärseitigen Absicherung hinter einem Schaltnetzteil oft besondere Maßnahmen erforderlich sind. Mit herkömmlichen Methoden der Absicherung ist eine zuverlässige Abschaltung gemäß EN 60204 nicht unbedingt gewährleistet. Meine Beobachtung ist, dass unsere Arbeit langsam fruchtet und das Bewusstsein zu dieser Problematik in der Branche insgesamt auch wächst.

Einsatz von Leistungsschaltern und elektronischen Sicherungen

KEM Konstruktion|Automation: Was können konventionelle Leitungsschutzschalter zur selektiven Absicherung einzelner Schaltkreise leisten und wann ist der Einsatz elektronischer Sicherungen zwingend erforderlich? Wie lässt sich das Problem besonders langer Leitungen beispielsweise in der Prozessindustrie lösen?

„Konventionelle Schutzschalter erfüllen nur die Funktion des Leitungsschutzes nach EN 60947-2.“

Fischer: Konventionelle Schutzschalter erfüllen nur die Funktion des Leitungsschutzes nach EN 60947-2. Das weite Toleranzband der magnetischen B- oder C-Kennlinie oder der Leitungswiderstand im 24-V_DC-System verhindern im Kurzschlussfall die unverzögerte Auslösung. Die Steuerspannung bricht ein, da das Netzteil in den Eigenschutz geht und den notwendigen Strom nicht liefert. Ein elektronischer Überstromschutz ist immer dann erste Wahl, wenn das Netzteil dynamisch bis zur Belastungsgrenze betrieben wird oder lange Lastleitungen im Überlastfall wesentlich engere Abschaltparameter benötigen. Das Problem mit langen Leitungen in der Prozessindustrie löst der elektronische Schutzschalter ESS30 durch die Kombination einer zeitlich optimierten Überlast- und Kurzschlussabschaltung mit galvanischer Trennung und der integrierten Strombegrenzung. Das sieht übrigens auch der TÜV so.

„Leitungsschutzschalter haben ihre Berechtigung, werden aber vermehrt nur in Einzelfällen zum Einsatz kommen.“

Holzmann: Die Berechtigung des konventionellen Leitungsschutzschalters soll nicht in Frage gestellt werden, aber er wird vermehrt nur in Einzelfällen zum Einsatz kommen. Schon wenn nur wenige Kanäle abzusichern sind, ist eine Konzeption mit elektronischen Sicherungen wirtschaftlicher und auch einfacher zu handhaben. Unser Beispiel ist das intelligente Stromüberwachungssystem Mico, das wir exakt auf 24-V-Anwendungen hin entwickelt haben; gerade weil wir noch mehr Zuverlässigkeit bieten wollten, als mit Leitungsschutzschaltern möglich ist. Natürlich ist es dann erfreulich, dass dafür weniger Platz benötigt wird und mit wesentlich reduziertem Aufwand weitaus mehr Kanäle überwacht werden können als mit Leitungsschutzschaltern. Mico Pro ist dann die folgerichtige Weiterentwicklung. Der modulare Aufbau ermöglicht es, Systeme exakt auf die konkrete Anwendung anzupassen – das bietet einen günstigen Kosten-Nutzen-Effekt bei maximaler Platzeinsparung.

Kronsbein: Die Dimensionierung eines Leitungsschutzschalters ist aufwändig, denn es müssen die Nennströme aller angeschlossenen Verbraucher je Abzweig bekannt sein. Damit der LSS nicht zu früh auslöst, sind zudem die Einschaltströme zu berücksichtigen. Beim Selektivitätsmodul Sitop PSE200U lässt sich der Auslösestrom je Abzweig nach dem Einbau einstellen. Entweder mit Hilfe des Strommonitors, der den Strom als Spannungswert für die Messung mit einem Voltmeter ausgibt (1 V entspricht 1 A) oder durch Drehung des Potentiometers bis zum Blinken der LED wegen Überlast. Bei langen Leitungen bieten LSS generell keine ausreichende Selektivität. Weil durch den ohmschen Widerstand selbst bei Kurzschluss der Maximalstrom begrenzt wird, löst der LSS erst aus, wenn die Spannung bereits eingebrochen und die SPS in den Stopp-Betrieb gegangen ist. Im schlimmsten Fall löst der LSS gar nicht aus und die Fehlersuche wird zum Geduldspiel. Sitop PSE200U löst spätestens nach 5 s kritischen Überstroms aus. Speziell für das Prozessleitsystem Simatic PCS7 gibt es eine Bibliothek, über die der abgeschaltete Ausgang visualisiert wird. Die Einzelkanalmeldung gibt hierzu die Information als seriellen Code an einen digitalen Eingang.

Marten: Nach wie vor ist der konventionelle Leistungsschutzschalter in kleineren Maschinen mit begrenzten Leitungslängen eine kostengünstige und bewährte Lösung. Bei der Versorgung einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren im Feld bei Leitungslängen von bis zu 100 m auf der 24-V- und 48-V_DC-Seite sind die physikalischen Grenzen konventioneller Absicherungskonzepte erreicht: Hier können elektronische Lösungen neue Ansätze bieten. Elektronische Schutzschalter sind speziell auf das Verhalten von Schaltnetzteilen und den zu versorgenden DC-Verbrauchern abgestimmt. Sie teilen den Laststrom auf mehrere Stromkreise auf, um angeschlossene Verbraucher und deren Zuleitungen selbst bei langen Leitungslängen und geringen Querschnitten zuverlässig zu schützen. Doch damit nicht genug: Elektronische Schutzschalter können durch sequentielles Einschalten der Kanäle den Einschaltstrom der Anlage reduzieren, sodass überdimensionierte Stromversorgungen nicht mehr erforderlich sind. Darüber hinaus bietet der elektronische Geräteschutz die Möglichkeit, zwischen Einschaltströmen (z. B. verursacht durch kapazitive Verbraucher) und einem echten Kurzschlussfall zu unterscheiden. So schalten die elektronischen Schutzschalter von Block im Kurzschlussfall zuverlässig innerhalb weniger Millisekunden ab und ermöglichen zugleich das Einschalten von Lastkapazitäten über 70.000 µF. Nicht zu unterschätzen ist zudem die Platzersparnis im Schaltschrank: So reduziert sich die Breite pro Kanal bei Verwendung eines elektronischen 8-Kanal-Schutzschalters der Baureihe Power Compact auf gerade einmal 5,25 mm.

Schürmann: Die Absicherung der DC-Lastkreise mittels Leitungsschutzschaltern ist der eher traditionelle Ansatz. Auch hiermit lassen sich zuverlässige DC-Absicherungen realisieren, aber nur, wenn einige Design-Regeln strikt eingehalten werden. Die gewünschte Kurzschlussschnellabschaltung in maximal 10 ms kann nur durch die magnetische Auslösung bei Leitungsschutzschaltern erreicht werden. Bei Leitungsschutzschaltern mit B-Charakteristik muss hierzu zwingend ein Strom von 600 % des Nennstroms fließen. Dazu bedarf es einerseits einer Stromversorgung mit außergewöhnlich hohen Spitzenstromreserven, so wie dies unsere Stromversorgungen der Protop-Serie leisten können, und andererseits einer maximalen Kurzschlussimpedanz, damit der Strom überhaupt in vorgenannter Höhe fließen kann. Dies bedeutet, dass maximale Leitungslängen oder auch Mindestkabelquerschnitte eingehalten werden müssen. Weidmüller bietet hierzu eine Projektierungstabelle an. Der Engineering-Aufwand im Sinne der Bestimmung maximaler Leitungslängen der Steuerleitungen kann erheblich reduziert werden, wenn elektronische Sicherungen eingesetzt werden, da diese nahezu unabhängig von den Leitungslängen die geforderte Selektivität gewährleisten. Darüber hinaus ergeben sich erhebliche Platzvorteile oder die Möglichkeit zur Fernsteuerbarkeit. Mit dem maxGuard-System ergeben sich zusätzlich die Möglichkeiten einer integrierten Potentialverteilung. Die sonst übliche, diskret verbaute, Reihenklemmenleiste zur Potentialverteilung in den DC-Abgangskreisen entfällt. Hierdurch reduzieren sich Verdrahtungsaufwände und Verdrahtungsfehler. Sollten die Leitungslängen der Steuerleitungen die Designregeln für den Einsatz mit Leitungsschutzschaltern übersteigen, dann führt kein Weg an den elektronischen Sicherungen vorbei. Nur sie sind in der Lage, beispielsweise bei sehr langen Leitungen, die Selektivitätskriterien der DC-Lastabsicherung einzuhalten.

Stolzenberg: Bei Lasten mit großen Anlaufströmen kann es dazu kommen, dass elektronische Sicherungen diese bereits als Fehler interpretieren und ungewollt abschalten. In diesen Fällen kann ein konventioneller Leitungsschutzschalter die passende Lösung sein. Allerdings ist hier bei der Auswahl darauf zu achten, dass die Stromversorgung im Fehlerfall – also bei Kurzschluss oder Überstrom – auch den nötigen Auslösestrom des Schutzschalters liefern kann. Unsere Stromversorgungen der Familie Quint Power adressieren mit der SFB-Technologie (Selective Fuse Breaking) genau diese Notwendigkeit. Um auch mit möglichst langen Leitungen eine optimal zuverlässige Auslösung sicher zu stellen, ist die Kennlinie der thermomagnetischen Schutzschalter-Familie vom Typ CB TM exakt auf das Verhalten der SFB-Technologie abgestimmt. Wenn bei besonders langen Leitungen der Widerstand selbst bei der leistungsfähigsten Stromversorgung keinen ausreichenden Auslösestrom zulässt, führt kein Weg an einer elektronischen Sicherung vorbei.

Tillmann: Konventionelle Leitungsschutzschalter benötigen zur sicheren Auslösung einen deutlich höheren Strom als den Nennstrom. Darüber hinaus erhöht sich dieser Strom für DC-Anwendungen noch weiter, da die Hersteller einen DC-Faktor angeben. Das vorgeschaltete Netzteil muss also in der Lage sein, diesen Strom im Fehlerfall zu liefern. Das gewährleisten zum Beispiel Netzgeräte mit einer Boost-Funktion. Eine selektive Absicherung mit konventionellen Leitungsschutzschaltern kann insofern nur gegeben sein, wenn das Netzteil bei dem vom Fehlerfall hervorgerufenen Strom keinen Spannungseinbruch verursacht. Darüber hinaus kann die Leitungsimpedanz auch so hoch sein, dass ein derart großer Auslösestrom gar nicht in der Leitung fließen kann. In diesem Fall funktioniert die sekundärseitige Absicherung mit klassischen Leitungsschutzschaltern nicht. Hier können elektronische Schutzschalter Abhilfe schaffen, denn diese zeichnen sich durch eine exakt definierte Auslösekennlinie aus und schalten so bereits bei deutlich geringeren Überströmen ab.

Elektronische Sicherungen in Verbindung mit Schaltnetzteilen

KEM Konstruktion|Automation: Sie als Hersteller bieten inzwischen ein vielseitiges Portfolio an elektronischen Sicherungen auch in Kombination mit Schaltnetzteilen. Nach welchen Auswahlkriterien und in welcher Granularität sollte der Anwender die für ihn optimale Lösung auswählen? Bieten Sie Unterstützung bei der gemeinsamen Spezifikation von Stromversorgungen und Sicherungen?

Fischer: Die optimale Koordination der Ausgangscharakteristik von Puls-Netzteilen mit der Abschaltkennlinie unserer elektronischen Sicherungen REX12 und ESX10-T bietet dem Anwender bei allen Betriebs- und Fehlerzuständen eine optimale Performance der Steuerspannung im Bereich DC 12/24/48 V. Welche Granularität der Nennströme optimal ist, hängt von der konkreten Anwendung ab. Diese kann beispielsweise eine Einzelabsicherung von Steuerungskomponenten oder eine Gruppenabsicherung für die Peripheriekomponenten vorsehen. Ein weiteres Kriterium ist die Wahl des Energieverteilungskonzepts. Hier kann ein zentrales, ein dezentrales oder ein Mischkonzept vorliegen. E-T-A bietet eine umfassende Beratung für die optimale Lösung bezüglich Stromversorgung, Überstromschutz, Stromverteilung und Kommunikation.

Holzmann: Wenn es um Granularität geht, dann ist der Fall für uns klar: Wir bauen keinen Kanal mehr ein als nötig, sondern wir richten unsere Mico-Pro-Station exakt auf die Anforderung aus. Das bietet unseren Kunden den optimalen Bedarf-/Aufwand-Effekt. Wobei nicht unerwähnt bleiben sollte: durch die modulare Konfiguration ist es auch kein Problem, noch ein zusätzliches Modul anzureihen, wenn beispielweise eine zusätzliche Einheit an die Maschine angebaut wird. Zur Unterstützung unserer Kunden haben wir einen praktischen Konfigurator entwickelt, und natürlich sind auch unser Ansprechpartner, die im regelmäßigen Dialog mit unseren Kunden stehen, in dieser Fragestellung sehr lösungsorientiert und firm.

Kronsbein: Siemens als Spezialist für Totally Integrated Automation bietet das TIA Selection Tool, um eine Anlage in der Planungsphase von der Steuerung, über die Antriebe, die HMI-Komponenten bis hin zur 24-V_DC-Versorgung optimal zu designen. Dieses Tool beinhaltet eine 24-V-Verbrauchersicht, mit der die Stromversorgung für die zu versorgenden Lasten einfach ermittelt wird. Nach Festlegung der Stromversorgung kann auch das richtige Selektivitätsmodul bestimmt werden. Hierzu wird der Strombedarf der eingeplanten Siemens-Komponenten automatisch herangezogen und der von weiteren Verbrauchern über händische Eingabe. Zusätzliche Auswahlkriterien sind z.B. die Anzahl der Abzweige, NEC-Class 2-Anforderungen und der Umfang an Diagnosemeldungen. Aber auch ohne TIA Selection Tool gibt es bei der Dimensionierung der Sitop-Selektivitätsmodule keine Probleme, weil der Stromschwellwert individuell vor Ort eingestellt werden kann.

Marten: Die elektronischen Schutzschalter von Block sind für unterschiedliche Anforderungen in Maschinen und Anlagen ausgelegt. So stellt die Absicherung von Antrieben und Schützen andere Anforderungen an das Auslöseverhalten eines Schutzschalters als die Absicherung einer SPS. Um dem Anwender immer die optimale Lösung für die jeweilige Applikation bieten zu können, sind sowohl die Mehrkanalschutzschalter der Baureihen Power Compact und Power Mini als auch das Einkanalsystem EasyB mit zwei unterschiedlichen Auslösekennlinien verfügbar. Während Verbraucher, die keine kurzzeitigen Einbrüche der Systemspannung tolerieren, optimal mit einem elektronische Schutzschalter mit aktiver Strombegrenzung abgesichert werden, bietet eine Kennlinie, die bewusst kurzzeitig hohe Spitzenströme zulässt und trotzdem im Kurzschlussfall bereits bei geringer Überschreitung des gewählten Auslösestromes zuverlässig abschaltet, die optimale Charakteristik zur Absicherung von Antrieben und Schützen. Bei der Konzipierung eines Absicherungskonzeptes ist neben der Wahl des Schutzschalters jedoch auch das Abregelverhalten der eingesetzten Stromversorgung zu berücksichtigen. Block unterstützt den Anwender bei der Auswahl der passenden Stromversorgungs- und Schutzschalterkomponenten für Neukonzipierungen sowie Optimierung und Umrüstung bestehender Systeme mit konventionellem Geräteschutz.

Schürmann: Tendenziell sind die elektronischen Sicherungen weiter auf dem Vormarsch. Sie sind platzsparend, gerade wenn viele Lastkreise vorhanden sind. Des Weiteren bestehen diverse Fernsteuermöglichkeiten bis hin zu Feldbusanbindungen. Leitungsschutzschalter können in Maschinen mit kurzen Leitungslängen eine gute Op-
tion sein, auch muss nicht in allen Applikationen zwingend die Selektivität gewahrt bleiben. Heutige Stromversorgungssysteme müssen ganzheitlich betrachtet werden. Es beginnt mit der Versorgungsqualität der speisenden Netze und den Umgebungsbedingungen des Einsatzortes sowie den Dynamik- oder Überlastanforderungen der angeschlossenen Lasten und endet mit einer geeigneten Lastabsicherung. Weidmüller bietet hier zahlreiche Lösungen. Gern beraten unsere Vertriebsingenieure und erarbeiten optimale Konzepte.

Stolzenberg: Unsere Erfahrungen zeigen, dass sich der überwiegende Teil der Anwender möglichst wenig Gedanken über die technischen Details der Grundfunktion einer Sicherung machen möchte. Sie muss ganz einfach funktionieren. Als Entscheidungskriterien rücken stattdessen andere Produkteigenschaften in den Vordergrund. Sind in einer Applikation viele Verbraucherkreise selektiv abzusichern, empfehlen wir mehrkanalige Sicherungen. Damit lässt sich der benötigte Platz im Schaltschrank erheblich reduzieren. Bei Anwendungen, die eine hohe Flexibilität erfordern, bieten wir eine breite Auswahl an modularen einkanaligen Sicherungen. Bei der Spezifikation der passenden Stromversorgung greifen wir auf unsere jahrelangen Erfahrungen mit Schaltnetzteilen zurück. Insbesondere die Detailkenntnisse – etwa über einen Power Boost, also der Bereitstellung von zeitweise deutlich höheren Strömen – erlaubt es uns, bei der Auslegung des ganzheitlichen 24-V_DC-Systems individuell zu beraten.

„Stellt man fest, dass mit der klassischen Absicherung eine sichere Auslösung nicht möglich ist, sollte man über elektronische Schutzschalter nachdenken.“

Tillmann: Wichtig bei der Auswahl der Komponenten ist zunächst, welche Nennströme auf jedem Lastkreis vorhanden sind und welche Lasten besonders empfindlich auf Spannungsschwankungen reagieren (z. B. SPS). Zudem muss ermittelt werden, welcher maximale Kurzschlussstrom im Fehlerfall in jedem Lastkreis fließen kann. Daraus ergibt sich dann die nötige Absicherung. Mit dieser Information kann man nun die erforderlichen Auslöseströme berechnen und schauen, ob diese überhaupt durch den Lastkreis fließen können, bzw. mit welchem Schaltnetzteil dieser Strom erreicht werden kann. Hierbei kann unser Leitungslängenrechner für unsere Pro- und Classic-Netzteile behilflich sein. Ist mit der klassischen Absicherung eine sichere Auslösung nicht möglich, sollte man über elektronische Schutzschalter nachdenken. Anhand der Auslösekennlinie kann ermittelt werden, nach welcher Zeit der Lastkreis beim möglichen Fehlerstrom auslöst. Hat der Anwender sensible Lasten im Schaltkreis, empfiehlt es sich, über elektronische Absicherung mit aktiver Strombegrenzung nachzudenken. Diese begrenzen im Fehlerfall den Strom auf einen geringen Überstromwert. Somit kann der maximal benötigte Strom einfacher ermittelt und das Netzteil ausgewählt werden. Lagerhaltungskosten können gespart werden, da der elektronische Schutzschalter einstellbar ist. Zusätzlich kann durch 8 Kanäle auf 42 mm viel Platz gespart werden. Wir bei Wago bieten unseren Kunden auch jederzeit Pre-Sales-Unterstützung an.

Zum Einfluss auf die Effizienzbewertung von Prozessen

KEM Konstruktion|Automation: Neben der Stromversorgung, elektronischen Sicherungen sowie USV-Geräten bieten die Konzepte umfangreiche Möglichkeiten zur Effizienzbewertung von Prozessen. Was sehen Sie hier an zukünftigen Optionen und welche Kommunikationswege sollten dazu unterstützt werden?

Fischer: Diagnosefähigkeit, Fernwartung und das Energiemanagement der gesamten Steuerungs- und Feldebene spielen eine entscheidende Rolle. So kommen vermehrt intelligente Stromverteilungssysteme mit Anbindung an unterschiedliche Kommunikationsplattformen zum Einsatz. Die ControlPlex-Systeme von E-T-A beinhalten neben Parametrierung, Statusanzeige, Historienspeicher, Messwerterfassung und -analyse auch die Ansteuerung als Koppelrelais. Mit IO-Link und Modbus-RTU ausgestattet ist das REX12D-
System bereits der Einstieg in die Digitalisierung der unteren Feldebene. Die High-End-Systeme bieten sogar eine Anbindung an Profinet oder Ethercat. Zukünftig erfolgt die Verbindung mit übergeordneten Systemen auch über OPC UA und MQTT. Der integrierte Webserver ermöglicht darüber hinaus den Direktzugriff.

Holzmann: Die Anwender fragen konkret nach Produkten und Lösungen, die ihnen die präventive Diagnose ermöglichen. Sie haben verstanden: Maßnahmen zur Predictive Maintenance amortisieren sich oftmals schon beim ersten vermiedenen Ausfall. Darum legen wir bei unseren Stromversorgungskomponenten großen Wert darauf, dass diese zum optimalen Zeitpunkt ausgetauscht werden, ‚so spät wie möglich, aber so früh wie nötig.‘ Systeme für ein geeignetes Monitoring unterstützen uns dabei, Bauteile werden maximal effektiv genutzt, aber niemals zum Unsicherheitsfaktor für den zuverlässigen Betrieb – das ist der wirtschaftlichste Weg in der Komponentennutzung.

„Die Optimierung der Ressourcen erfordert Kommunikation; deshalb wird die herstellerunabhängige Kommunikation via OPC UA auch bei der Stromversorgung an Bedeutung gewinnen.“

Kronsbein: Bereits seit November 2014 bietet Siemens das kommunikationsfähige Stromversorgungssystem Sitop PSU8600 im modularen kabellosen Aufbau für bis zu 36 selektiv geschützte Ausgänge sowie zum Schutz vor Netzausfall im Bereich von Sekunden bis zu Stunden. Sie kommuniziert via Profinet, Industrial Ethernet bzw. OPC UA und ist damit in der Lage, sowohl Informationen an die Steuerung abzusetzen als auch Steuerbefehle von dieser entgegenzunehmen. D.h., im laufenden Betrieb ist die Spannung je Ausgang veränderbar oder ganz abschaltbar. Die stetige Strommessung ermöglicht frühzeitiges Erkennen von Überlastzuständen und Energiemanagement im Steuerstromkreis. Auch die unterbrechungsfreie Stromversorgung Sitop UPS1600 stellt Diagnosedaten und Alarmmeldungen, z.B. zum Batteriezustand, über Profinet bzw. OPC UA zur Verfügung und kann auch über diesen Kommunikationsweg parametriert werden. Die Standard- Stromversorgung Sitop PSU6200 bietet einen einfachen und effizienten Weg zur Kommunikation bei der laufenden Überwachung: Wesentlichen Betriebsparameter wie Ausgangsstrom und -spannung werden an nur einen digitalen Eingang an die Steuerung übermittelt und über einen Funktionsbaustein ausgewertet. Die Digitalisierung erfordert, dass alle Komponenten einer Fertigung kommunizieren. Nur so können digitale Zwillinge für die optimale Planung und Inbetriebnahme von neuen oder zu aktualisierenden Maschinen erstellt werden. Und auch die Nutzung der Erfahrungswerte aus dem laufenden Betrieb zur Optimierung der Ressourceneinsätze erfordert eine allumfassende Kommunikationsfähigkeit. Hier wird zukünftig die herstellerunabhängige Kommunikation via OPC UA stärker an Bedeutung gewinnen.

„Elektronische Schutzschalter bieten dem Anwender heute einen Mehrwert, der über die Kernfunktionalität des Leitungsschutzes hinausgeht.“

Marten: Elektronische Schutzschalter bieten dem Anwender heute einen Mehrwert, der über die Kernfunktionalität des Leitungsschutzes hinausgeht. Dies zeigt insbesondere das modulare Schutzschaltersystem EasyB: Skalierbare Funktionalität und Ausstattung von der kostenoptimierten Variante mit Basisfunktionalität bis hin zum intelligenten Stromverteilungs- und Absicherungssystem mit Feldbusanbindung an die übergeordnete Steuerungsebene über verschiedene Buskoppler. Meldungen über Betriebs- und Fehlerzustände für jeden Kanal sind so einfach und schnell verfügbar. Weiterhin können beliebige Ausgangskanäle parametriert, aktiv ein- oder auch abgeschaltet sowie rückgesetzt werden. Und EasyB bietet auch die Möglichkeit den Auslösestrom über den Kommunikationsbus einzustellen. Die Lagerhaltung kann stark vereinfacht werden und eine Fehlerquelle bei der Anlageninbetriebnahme wird eliminiert. Insbesondere die bereits weit verbreitete IO-Link-Schnittstelle kann in dieser Anwendung die Vorteile einer kostengünstigen, feldbusunabhängigen Kommunikationsanbindung ausspielen. Darüber hinaus setzt Block mit der Zweidrahtschnittstelle der elektronischen Mehrkanalschutzschalter auch auf eine weitere innovative Anbindung an die SPS. Passende Funktionsbausteine erleichtern dem Anwender dabei die Integration in das bestehende Anlagenkonzept.

Schürmann: Als einer der Ersten hat Weidmüller mit der Protop-Serie eine kommunikative Stromversorgung vorgestellt und sich so früh den Herausforderungen der Industrie-4.0-Thematik gestellt. Fernsteuerbarkeit, Parametrierbarkeit und die Möglichkeiten des Condition Monitorings lassen sich nun realisieren. Auf der diesjährigen Hannover Messe werden wir folgerichtig eine kommunikative elektronische Sicherung mit zahlreichen Fernsteuermöglichkeiten und Datentransparenz vorstellen. Beide Geräte lassen sich mittels IO-Link an Steuerungssysteme anbinden. So werden in Zukunft auch kommunikative USV-Steuerungen verfügbar sein. Cloud- und IOT-Technologien werden dann immer konkreter.

Stolzenberg: Elektronische Sicherungen messen, analysieren und bewerten durchgängig den Zustand von Maschinen und Anlagen. Die so ermittelten Daten gewinnen im Zeitalter des Internet of Things rasant an Bedeutung. Der Schritt, die Informationen – Fehlermeldungen, Lastverhalten, Betriebszeiten oder Ausfallhäufigkeiten – zu sammeln und über Kommunikationsschnittstellen mit einer übergeordneten Steuerung auszutauschen, ist bereits gängige Praxis. Die Zunahme vor dem Hintergrund der Wirtschaftlichkeit derartiger Anwendungen ist da nur eine Frage der Zeit.

Tillmann: Schon heute können elektronische Schutzschalter, USV-Systeme und auch Netzgeräte kommunizieren. So können Fehler frühzeitig festgestellt und eine präventive Wartung durchgeführt werden. Elektronische Schutzschalter lassen sich auch fernbedienen. So kann beispielsweise ein ausgelöster Kanal von der Steuerung wieder eingeschaltet werden oder der Schutzschalter kann auch als elektronischer Schalter fungieren. Die Überwachung der aktuellen Lastströme hilft, den Energieverbrauch der Anlage zu ermitteln, und sie kann auch dabei unterstützen, Verschleißerscheinungen an beweglichen Teilen festzustellen. Zukünftig sehe ich, dass jede Last einzeln elektronisch abgesichert wird. Damit benötigt man zwar mehrere Sicherungen, spart sich aber wiederum Verteilerklemmen. Fehler können schneller lokalisiert bzw. behoben werden und tragen zu einer erhöhten Anlagenverfügbarkeit bei.

• www.block.eu
• www.e-t-a.de
• www.murrelektronik.com
• www.phoenixcontact.de
• www.siemens.de
• www.wago.com
• www.weidmueller.com/

Ablöse der UL 508 durch die UL 61010

Unsere Whitepaper-Empfehlung

Whitepaper: KÖBO GmbH & Co. KG

Industrieketten: Optimierung von Maschinenleistung und Produktivität

Erfahren Sie im Whitepaper, wie die richtige Auswahl an Spezial-, Förder- und Transportketten zur Optimierung der Produktionsleistung beitragen kann

• Mehr lesen

• Murrelektronik GmbH
• Phoenix Contact GmbH & Co. KG
• E-T-A Elektrotechnische
• WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG
• Weidmüller Interface GmbH & Co. KG