Kommunikative Stromversorgung für die vernetzte Fabrik

Das Herz des Schaltschranks

Stromversorgungen und Steuerstromverteilungen sind entscheidende Bestandteile in der Energieversorgung von Automatisierungssystemen. Sie sind das Herz jedes Schaltschrankes. Ihre Qualität entscheidet über die zuverlässige Funktion der angeschlossenen Komponenten. Deshalb müssen sie sehr sorgfältig ausgewählt werden. Weidmüller offeriert dazu mit Promax und Protop zwei fortschrittliche Stromversorgungen für den Maschinen- und Anlagenbau. Die Verteilung des Steuerstromes geschieht über Maxguard, einer Kombination aus Lastüberwachung und Potentialverteilung oder mit den Potentialverteilerklemmen AAP. Sie lassen sich alternierend oder gruppiert aufbauen und sind wahlweise mit oder ohne Absicherung erhältlich. Eine durchgängige Kommunikation von der Feldebene bis in eine Cloud erfolgt mit dem aufsteckbaren Kommunikationsmodul PROCom. Es lässt sich zur Erfassung von produkt- und zustandsorientierten Daten auf die Stromversorgung Protop aufstecken.

Protop ist eine Stromversorgung für hohe Ansprüche mit einem sehr großen Dynamikbereich dank DCL-Technologie. (Bild: Weidmüller GmbH & Co. KG)

Schaltnetzteile haben sich dank ihrer langen Lebensdauer und ihrer Robustheit in der Industrie bewährt. Ohne eine zuverlässige Stromversorgung sind der moderne Maschinen- und Anlagenbau sowie die Prozesstechnik undenkbar. Die Schaltnetzgeräte Promax eröffnen vielseitige Lösungen für anspruchsvolle Automationsaufgaben. So stellen große Maschinen und Anlagen mit intensiven kurzzeitigen Belastungen bei hohen Schaltschranktemperaturen besondere Anforderungen an die Stromversorgung dar. Außerdem können sich dort Ausfälle aufgrund von Gerätedefekten auf die gesamte Fertigungslinie auswirken und hohe Kosten verursachen. Nicht so mit Promax – die Schaltnetzgeräte liefern, selbst bei hohen Temperaturen, die notwendige Energie für Überlasten. Promax fängt dauernde Überlasten bis zu 20 Prozent oder kurzzeitige Spitzenlasten bis 300 Prozent mit Leichtigkeit ab. Das Gerät stellt hohe Boostfähigkeit (Power Boost 150 Prozent für 4s und 120 Prozent bei <45°C) und volle Leistung im großen Temperaturbereich von -25 bis +70°C bereit. Mit Startup Temperaturen von -40°C erweist sich Promax als besonders robust. Zudem überzeugen hohe MTBF-Werte von mehr als 500.000 Stunden und bieten eine zuverlässige Versorgung (MTBF = ‚Mean Time Between Failures‘ – Mittlere Betriebsdauer zwischen zwei Ausfällen). Ein hoher Wirkungsgrad bis zu 92 Prozent und niedrige Leerlaufverluste sorgen für einen nachhaltig geringen Energieverbrauch und eine lange Lebensdauer. Es stehen universell einsetzbar Varianten von 3A bis 40A Ausgangsstrom und Ausgangsspannungen von 5V DC bis 48V DC bereit.

Kommunikationsfähige High-End-Stromversorgung

Protop ist eine Stromversorgung für hohe Ansprüche. Dank der neuen DCL- Technologie (DCL = Dynamic Current Limiting) bietet sie einen sehr guten Dynamikbereich zur zuverlässigen Auslösung von Leitungsschutzschaltern und kraftvollem Motorstart. Hohe Wirkungsgrade und lange Lebensdauer sparen Energie und Kosten. Eine signifikante Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit erfolgt durch den Aufbau von Redundanzen (n+1 Redundanz), einer Parallelschaltung von Stromversorgungen. Die integrierte O-Ring Mosfet-Technologie ermöglicht die direkte Parallelschaltung von Stromversorgungen, bei gleichzeitiger Reduzierung der Verlustleistung. Bisher eingesetzte Dioden- oder Redundanzmodule sind nicht mehr notwendig. Durch das Aufsteckmodul wird Protop zur kommunikationsfähigen Stromversorgung. Dadurch entstehen neue Möglichkeiten, den Anlagenbetrieb schneller, flexibler und effizienter zu gestalten.

Leistungsreserven dank DCL-Technologie

Die Protop-Geräte bieten aber auch noch weitere Features, wie die DCL-Technologie. Diese Methode stellt durchgängig beachtliche Impulsenergiereserven zur Verfügung. Der daraus resultierende Dynamikbereich wird zur zuverlässigen Auslösung von Leitungsschutzschaltern oder einem kraftvollen Motorstart genutzt. So lassen sich schwierige Lasten noch zuverlässiger betreiben. Beispielweise stehen für das Anlaufmoment eines Motors bis zu 300 Prozent für circa 100ms oder 150 Prozent für 5s zur Verfügung. Bis zu Umgebungstemperaturen von 40°C sind statische Leistungsreserven von dauerhaft 130 Prozent abrufbar.

Die O-Ring Mosfet-Technologie der Protop Stromversorgungen ermöglicht einen Parallelbetrieb ohne Redundanzmodule und sorgt so für hohe Versorgungssicherheit auf kleinem Raum. (Bild: Weidmüller GmbH & Co. KG)

Parallelschaltung mit integrierter O-Ring Mosfet-Technologie

Für besonders kritische Anwendungen ist ‚zuverlässig‘ jedoch zu wenig. In Produktionsstraßen der Automobilindustrie oder Prozesse in der chemischen, pharmazeutischen und verfahrenstechnischen Industrie ist die Anlagenverfügbarkeit unabdingbar, es darf nichts ausfallen; der wirtschaftliche Schaden wäre immens. Technisch gesehen ist das durch den Einsatz von redundanten Stromversorgungssystemen zu realisieren. Redundanzen sind zwei oder mehrere parallel geschaltete Stromversorgungen, wovon ein Netzgerät ausfallen darf, ohne dass es zu Versorgungseinbußen bei der Gesamtlast kommt. Herkömmliche Netzgeräte sind zur gegenseitigen Entkopplung mittels Dioden- oder Redundanzmodulen parallelzuschalten. Im Gegensatz hierzu lassen sich die Geräte der Protop Serie direkt parallelschalten. Die integrierten O-Ring Mosfet Technologie entkoppeln zuverlässig die Geräte. Die Technologie ist vergleichbar mit sehr verlustarmen und eher idealen Dioden. In den Stromversorgungen der Protop-Serie setzt Weidmüller integrierte Mosfet-Komponenten anstelle von externen Dioden ein. Mosfet steht für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Mosfet-Controller überwachen die Spannungszustände vor und hinter dem O-Ring. Im Falle einer Rückspeisung, eines Spannungseinbruchs, bzw. internen Kurzschlusses wird der interne Gleichrichter sofort vom Lastausgang getrennt. Ein großer Vorzug von Mosfets ist ihre Effizienz. Die Leistungsverluste betragen nur etwa 10 Prozent gegenüber denen von Dioden. Zudem sparen die integrierten O-Ring Mosfets Platz, da keine separaten Redundanzmodule benötigt werden. Der Betriebsmodus – Einzelgerät oder Parallelschaltung – wird per DIP-Schalter gewählt. Protop-Netzteile arbeiten im Parallelbetrieb genauso effizient wie Redundanzmodule mit aktiver Stromsymmetrierung (current sharing).

Das Kommunikationsmodul: Prozesse analysieren und optimieren

Um produzierende Unternehmen auf das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) und die datenbasierte Steuerung der Produktion vorzubereiten, gilt das Bestreben einer möglichst schnellen Integration aller Geräte sowie der einfachen Übertragung in die Cloud. Deshalb sind die Protop-Geräte zusätzlich zu den beschriebenen Leistungsmerkmalen im Einzel- und Parallelbetrieb für eine durchgängig vernetzte Produktion vorbereitet. Mit einem aufsteckbaren Kommunikationsmodul erhält der Anwender eine Schnittstelle zur Weitergabe der Prozessdaten an die übergeordnete Steuerung und legt so den Grundstein für Prozessoptimierungen durch Condition Monitoring und Fernsteuerbarkeit. So lassen sich die Potenziale von Industrie 4.0 ausschöpfen. Produkt- und zustandsorientierte Daten sowie maschineninterne Messwerte und Energieparameter werden erfasst und werden in einer Cloud bereitgestellt. Dort findet eine Auswertung der Daten statt. Die daraus resultierenden Rückschlüsse werden allen relevanten Netzwerkteilnehmern zur Verfügung gestellt. Das versetzt Anlagenbetreiber in die Lage, neuartige Dienste zur Optimierung und Diagnose ihrer Produktionsprozesse oder für das Energiemanagement aufzubauen.

Zur Realisierung einer hohen Flexibilität lässt sich die Steuerstromverteilung alternierend oder gruppiert aufbauen (vorne). Die Applikationsklemmen sind auch als Sicherungs- oder Trennklemmen erhältlich (hinten). (Bild: Weidmüller GmbH & Co. KG)

Reihenklemmen für die Steuerstromverteilung

Zur Realisierung einer zeitgemäßen Steuerstromverteilung bietet Weidmüller Potentialverteilerreihen an. Die Reihenklemmen ermöglichen einen übersichtlichen und kompakten Aufbau der Steuerstromverteilung. Das einheitliche Design sowie einfache Querverbindungsmöglichkeiten sparen Platz und vermeiden Fehlverdrahtungen. Die zwei möglichen Aufbauten – alternierend und gruppiert – erhöhen die Flexibilität der Anwender. Beim alternierenden Aufbau liegen zwei unterschiedliche Potentiale auf einer Klemme, dadurch wird eine zusätzliche Platzersparnis im Vergleich zu herkömmlichen Aufbauten erzielt. Außerdem zeichnet eine eindeutige Kontaktzuweisung die AAP-Lösung aus, denn die einzelnen Kontaktstellen sind eindeutig markiert und zusätzlich durchnummeriert. Dadurch werden Wartungs- und Modifikationsaufgaben erleichtert. Die strukturierte Blocklösung lässt sich mit konturengleichen Reihenklemmen und standardisiertem Zubehör schnell und übersichtlich kombinieren. AAP- Potentialverteilerklemmen sparen laut Anbieter bis zu 50 Prozent Platz und 20 Prozent Zeit beim Aufbau der Steuerstromverteilung. Die Potentialverteilerreihenklemmen sind auch als Sicherungs- oder Trennklemmen erhältlich. Der schwenkbare Multifunktionshalter der Sicherungsklemme nimmt G-Sicherungseinsätze 5×20 auf. Eine im Sicherungshalter integrierte LED-Statusanzeige visualisiert den Zustand der Sicherung und ermöglicht eine schnelle Wartung. Die Trennklemme ermöglicht eine rationelle Fehlersuche. Durch systematisches Öffnen oder Schließen der Stromkreise kann der Anwender Fehlerquellen schnell ermitteln. Zwei Querverbindungskanäle sorgen für eine schnelle Erweiterung der Steuerstromverteilung.

Lastüberwachung und Potenzialverteilung in einer Gesamtlösung

Der effiziente Betrieb von Maschinen und Anlagen erfordert ausfallsichere und wartungsfreundliche Steuerstromverteilungen, die zeit- und platzsparend installierbar sind. Mit dem Maxguard-System werden die bisher separat verbauten Reihenklemmen zur Potentialverteilung in den Ausgängen der elektronischen Lastüberwachungen zum integralen Bestandteil einer 24-V-DC Steuerstromverteilung. Die neuartige Kombination von Lastüberwachung und Potenzialverteilung spart Zeit bei der Installation, erhöht die Ausfallsicherheit und verringert den Platzbedarf auf der Tragschiene um 50 Prozent. Die durchdachten Bedien-, Prüf- und Anschlusselemente der Steuerstromverteilung gestatten den sicheren Zugang zu allen Spannungspotenzialen und Lastkreisen bei Inbetriebnahme und Wartung. Der Mehrwert liegt im technischen und zeitsparenden Gesamtkonzept: Maxguard ist als Einzelscheibenlösung ausgelegt. Während Einzelscheibenlösung linear über die Kanalzahl verlaufen, weisen Blocklösungen stets eine Treppenfunktion auf. Bei der Einzelscheibenlösung bezahlt der Anwender zudem nur das, was er wirklich benötigt: Die Devise lautet ‚einzelne Scheiben‘ statt ungenutzter Kanäle bei Blocklösungen. Elektronische Lastüberwachungen sind dort unerlässlich, wo es auf eine selektive 24V DC Lastkreisüberwachung ankommt, die zuverlässig und schnell auftretende Überlasten und Kurzschlüsse abschaltet. Die 24V DC Systemspannung wird also aufrechterhalten und alle übrigen Steuerungsteile können störungsfrei in Betrieb bleiben. Mit Maxguard lassen sich elektronische Lastüberwachungen und Potentialverteilerklemmen beliebig kombinieren und zu einer kompletten 24V DC Steuerstromverteilung mit allen notwendigen Plus- und Minus- Lastkreisanschlüssen zusammenfügen.