(Bild: Weidmüller GmbH)
Durchgängig vernetzte Anlagen mit intelligenter Sensorik und Aktorik stellen höchste Ansprüche an die Energieversorgung. Weidmüller hat hierfür modular aufgebaute, kommunikationsfähige Powermanagement-Lösungen in unterschiedlichen Performanceklassen entwickelt.
Manche Anforderungen wurden schon immer an industriell genutzte Stromversorgungen gestellt, wie beispielsweise Energieeffizienz und Langlebigkeit. Hier punkten die für den industriellen Einsatz entwickelten PROtop Geräte mit hervorragenden Daten. Mit Wirkungsgraden über 95 % 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. Darin müssen alle eingebundenen Komponenten intelligent werden, auch die im Hintergrund arbeitenden Stromversorgungen. Weidmüller hat hierfür ein System aus Netzteil, elektronischer Lastüberwachung und Kommunikationsmodulen entwickelt, das sich an jede Anwendung anpassen lässt.
PROtop Stromversorgungen für die Digitalisierung
PROtop-Stromversorgungen bieten Leistung, Energieeffizienz und Kommunikationsfähigkeit gleichermaßen. Durch den Wirkungsgrad von – je nach Variante – bis zu 95,3% können in einer mittleren Produktionsanlage im Vergleich zu einer Standardstromversorgung jährlich 15.000kWh eingespart werden. (Annahme: 100 Stück PROtop a 960W in Dreischichtbetrieb). Gleichzeitig bieten sie mit MTBF-Werten von über einer Million Stunden hohe Betriebssicherheit und verfügen über eine annähernd doppelte Lebensdauer eines Standardgerätes. 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 % 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.
Die PROtop Stromversorgungsfamilie verbessert signifikant und nachhaltig die Energieeffizienz und die CO2-Bilanz und das bei enormen Platzeinsparungen. Zahlreiche Zusatzfunktionen sowie der außergewöhnlich umfassende Zulassungssatz prädestinieren die PROtop Familie für anspruchsvolle Aufgaben. Der Einsatz der PROtop Familie ist auch unter extremen Umgebungsbedingungen möglich. So gibt es eine Variante, die einen nominellen Arbeitstemperaturbereich von -40…+70°C bietet und hoher Luftfeuchte widersteht. Damit können beispielsweise Tiefkühlanwendungen, sowie auch Anwendungen mit etwas erhöhten Temperaturen problemlos gemeistert werden.
DCL-Technologie sorgt für Spitzenlastreserven
Eine leistungsfähige Stromversorgung sollte über hohe Impulsenergiereserven verfügen, die beispielsweise ein kraftvolles Hochlaufen von Motoren ermöglichen. Dank der zukunftsweisenden DCL-Technologie (Dynamic Currentis Limiting) ist dies bei der PROtop Stromversorgung jederzeit gewährleistet. Dabei steht im Normalbetrieb stets eine bis zu 600%ige Stromreserve zur Verfügung, um kurzeitige Spitzenlasten jederzeit abdecken zu können. Eine integrierte Überlast-Kontrollschaltung (DCL) sorgt für den sicheren Betrieb des Gerätes und begrenzt nur bei Bedarf den Ausgangsstrom auf einen unkritischen Wert. So kann der Stromversorgung immer ein Optimum an Impulsenergie entnommen werden. Zum Beispiel stehen im Anlaufmoment von Motoren für einen Zeitraum von etwa 100 ms 300 % und für circa 5 s 150 % an Leistungsreserven zur Verfügung. Dies ist beispielsweise für Anwendungen in der Fördertechnik interessant, in denen oftmals 24 V oder 48V DC-Motoren mit hohen Anlaufströmen arbeiten.
Da ein gängiges Schaltnetzteil systembedingt den Ausgangsstrom begrenzt, 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 entstehen sogar Folgeschäden. Der hohe Dynamikbereich der PROtop Geräte sorgt auch für ein zuverlässiges Auslösen von Leitungsschutzschaltern.
Redundante Lösung ganz 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 parallelgeschaltet, 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 MOSFETS integriert. 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 % Platz einsparen. Der optional zuschaltbare Parallelbetrieb vereinfacht die Stromsymmetrierung und führt zu einer höchstmöglichen Langzeitstabilität.
Kommunikation: Schlüsseltechnologie 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 komplette Stromversorgungs-Systeme wie Netzgerät und elektronische Sicherungen Weidmüller hat für die PROtop Geräten eine spezielle, aufsteckbare Kommunikationsschnittstelle entwickelt.
Zusätzlich gibt es das Lastüberwachungssystem topGuard, ein modular aufgebautes, elektronisches Lastüberwachungssystem. TopGuard besteht aus einem Einspeisemodul und mehreren angereihten Abgangsmodulen. Die Abgangsmodule sind sowohl mit fest eingestellten als auch mit frei einstellbaren Sicherungswerten bis zu 12A pro Modul verfügbar. Die spannungsadaptive Class2-Lastüberwachung der topGuard erlaubt erstmalig den durchgängigen Einsatz einer Betriebsspannung von 18 V – 30 V DC für eine NEC-konforme Verteilung. Sollte es zu einer Überlast oder einem Kurzschluss kommen, schaltet topGuard den betroffenen Kanal ab.
Der Clou ist jedoch das Kommunikationsmodul, mit dem sich sowohl die Stromversorgung PROtop als auch das Lastüberwachungssystem topGUARD nachrüsten lassen. Durch den Einsatz der standardisierten IO-Link Technologie (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.
Die PROtop Stromversorgungen können sowohl autark wie auch kommunikativ innerhalb einer digitalen Infrastruktur betrieben werden. 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. Derzeitig unterstützte Kommunikationsprotokolle sind neben I/O Link auch CANopen, weitere sind in Planung. So kann der Betreiber bei Bedarf das Bussystem mit geringem Aufwand wechseln, vor allem aber eine tatsächlich durchgängige Kommunikationsstruktur zu schaffen.
Transparenz in der Stromversorgung
Die kommunikationsfähige Lastüberwachung bietet Fernsteuermöglichkeiten, stellt Betriebsdaten zur optimalen Zustandsüberwachung bereit und erlaubt es die 24 V Systemspannung zuverlässig zu überwachen und zu schützen. Intelligente Vernetzungen zwischen Maschine, Schaltschrank und IT-System eröffnet völlig neue Steuerungs-, Monitoring- und Analyselösungen. Mit der kommunikationsfähigen Lastüberwachung topGuard versetzt Weidmüller Maschinen- und Anlagenbetreiber erstmalig 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 bzw. das Lastüberwachungssystem sind fernsteuerbar und in das Condition-Monitoring-System einer Anlage eingebunden. Damit kann man den Stromverbrauch 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 Weidmüller Powermanagement-Lösungen lassen sich solche Konzepte auch für die Versorgung mit 24 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, unsere FieldPower Familie. So lassen sich versorgungstechnisch Linien-, Ring- oder auch Grid-Strukturen einschließlich abgesicherter Lastabgangskreise realisieren und zudem mittels Feldbusanbindung überwachen.
Mit vielen weiteren Komponenten, wie unterbrechungsfreie Stromversorgungen oder Kapazitätsmodulen lässt sich für jede Anwendung genau die richtige DC-Versorgung realisieren. Damit bietet Weidmüller für jede Anwendung die passende Stromversorgung aus einer Hand.
Die Systemkomponenten Fieldpower
Umgesetzt sind die Lösungen mit dem modularen Systembaukasten Fieldpower, der die benötigten Komponenten enthält. Das Portfolio umfasst alle elektromechanischen und elektronischen Komponenten einschließlich des Gehäusesystems. Die Fieldpower Gehäusemodule dienen als Basis für die Einspeiseboxen. Die Ausführung gemäß Schutzart IP65 und die passive Kühlung ermöglichen die Installation außerhalb des Schaltschranks. Die passive Kühlung ohne Lüfter ermöglicht den Einsatz in Umgebungstemperaturen bis 50 °C ohne Derating. Die Stromversorgung ist im Aluminium-Kühldeckel eingebaut und erlaubt im Servicefall einen schnellen Austausch. Die Einspeisebox bietet Anschlüsse für zwei ungeschnittene Leitungen zur 400 V-Versorgung sowie zur 24 V DC-Verteilung. Ein interner Sicherungssteckverbinder schützt die integrierte Stromversorgung. Kürzere Leitungslängen durch den Einsatz des Fieldpowergehäuses sind möglich. Durch den Einsatz von Steckverbinder können vorkonfektionierte Lösungen in einer hohen Schutzart entstehen, die auf der Baustelle einfach und fehlerfrei montiert werden können. In zusätzlichen Verteilerboxen können zum Beispiel bis zu 12 Trommelmotoren incl. der Controllern mit 24/48V und der redundanten Versorgung mit bis zu 40A aus dem Feld betrieben werden.
Durch das Hohe Losbrechmoment, bedingt durch die 600% Überlastfähigkeit, können alle Transportaufgaben mühelos gelöst werden.
Kluge Anschlusstechnologie: Der FieldPower Energiebus
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Anschlusstechnik. Bei ungeschnittenen Leitungen sind die Abgriffe neuralgische Punkte. Auftrennen und Wiederanschließen sind Fehlerquellen, die beispielsweise zu ungewolltem Verringern des Querschnitts oder hochohmigen Übergängen führen können. Mit der FieldPower Anschlusstechnologie werden die Leitungen nicht aufgetrennt, sondern per IDC-Technologie sicher abgezweigt. Mit FieldPower können Leiterquerschnitte von 2,5 mm² bis 6 mm² verwendet werden.
Nicht nur für die Energieverteilung ist FieldPower einsetzbar. Der durchdachte Modulbaukasten bietet für zahlreiche Applikation eine passende Lösung, ob für die den Einsatz in der Intralogistik oder der dezentrale Automatisierungstechnik. Bestehende Komponenten können jederzeit angepasst oder um zusätzliche Module ergänzt werden. Mit der FieldPower Produktfamilie steht ein einzigartiges Lösungssystem für vielfältige Anwendungen in der Fabrikautomatisierung zur Verfügung.
Weitere Informationen unter www.weidmüller.at
Quelle: Weidmüller GmbH