Im Zuge der digitalen Transformation wird das Beschaffen von Material, Komponenten und Dienstleistungen zunehmend von Maschinen geschehen. Über weltweit vernetzte standardisierte Schnittstellen rufen sie Kennzahlen ab, auf deren Basis über Kontinente hinweg geeignete Lieferanten ausgewählt werden. Ein ungeplanter Stillstand in der Produktion hätte dabei schwerwiegendere Folgen als bisher.
Das automatisierte, weltweite Zusammenstellen der benötigten Produkte führt zu einer erhöhten Komplexität des Gesamtsystems. Versprochene und nicht eingehaltene Kennzahlen wie Lieferzeit und Qualität würden zu einem automatischen Meiden von Anbietern mit schlechten Kennzahlen führen. Ein ungeplanter Anlagenstillstand, der dafür verantwortlich ist, kann sehr schnell existenziell für ein Unternehmen werden.
Maschinenbauer haben diesbezüglich reagiert. Es gibt Ansätze für Wartungskonzepte, mit denen Maschinen über verschiedenste Sensoren überwacht werden. In der Regel sind es aber Sensoren, die die Mechanik überwachen – zum Beispiel an Getrieben angebrachte Beschleunigungssensoren, die rechtzeitig erkennen, wenn das Getriebe Schaden nimmt. Auch Temperatursensoren werden eingesetzt, die zum Beispiel Hydraulik- oder Getriebeöl überwachen.
Wie sieht es aber mit dem Überwachen der elektrischen Anlage im Hinblick auf eine optimierte Wartung aus? Diesbezüglich wird meistens noch nichts getan. Derzeit wird der Großteil der Maschinen und Anlagen in der Netzform TN-System, also geerdetes Stromversorgungssystem, betrieben. Die am häufigsten umgesetzte Schutzmaßnahme dafür ist die „Automatische Abschaltung der Stromversorgung“, wie in der DIN VDE 0100-410:2007-06 beziehungsweise IEC 60364-4-41 im Abschnitt 411 beschrieben. In einer geerdeten Netzform (TN- und TT-System) kommt es durch die automatische Abschaltung der Stromversorgung aber bereits im ersten Fehlerfall zu einem ungeplanten Stillstand.
In einigen Anwendungen wird daher versucht eine erhöhte Anlagenverfügbarkeit über den Einsatz von unterbrechungsfreien Stromversorgungs-Anlagen (USV) zu erreichen. Bei einem Ausfall des Stromversorgungsnetzes ist eine solche Maßnahme auch hilfreich. Viel häufiger führen jedoch einfache Isolationsfehler in Betriebsmitteln zur automatischen Abschaltung der Stromversorgung. Eine USV-Anlage im TN-System bringt in diesem Fall aber keine Verbesserung, der Zweig mit dem fehlerhaften Verbraucher muss beim ersten Fehler abgeschaltet werden.
Ein-Fehler-Toleranz fordern
Wurde bereits in der Planungsphase die Anforderung an die „Ein-Fehler-Toleranz“ der Anlage gestellt und kennt der Anlagenplaner zufällig das IT-System, also die ungeerdete Netzform der Stromversorgung, so hat der Anlagenbetreiber in diesem Fall natürlich Glück gehabt. Er erhält mit dem IT-System ein inhärent sicheres System, das im ersten Fehlerfall nicht abgeschaltet werden muss. Das bedeutet, dass auch ohne irgendwelche Schutzorgane beim ersten Fehler, der ein Isolationsfehler oder gar Erdschluss sein kann, kein gefährlicher Fehlerstrom fließt.
Der Anlagenplaner erhält außerdem die Möglichkeit, ein Monitoring-System einzusetzen, das bereits früher und umfassender als im geerdeten Netz auf einen schlechter werdenden Zustand des elektrischen Systems hinweist.
Isolationsfehler in der Praxis
Hierzu ein Beispiel: Eine Anlage verpackt Milchprodukte. Ein Sensor überwacht, ob die Spezifikationen der Füllmenge in einem Behälter eingehalten werden. Angenommen ein Umrichterantrieb befindet sich in der Nähe des Sensors. Umrichter und Sensor entsprechen beide den EMV-Vorschriften. So weit ist alles gut. Jetzt kann es im Laufe der Zeit aber vorkommen, dass Feuchte-Wärme-Zyklen im Umfeld des Umrichters durch Migrationseffekte einen Isolationsfehler im DC-Zwischenkreis bewirken. Der Umrichter-Hersteller hat mit diesem Effekt nicht gerechnet, da zum Beispiel diese Art Migrationseffekt bei der Auslegung von Luft- und Kriechstrecken im Standard IEC 60664-1 noch nicht berücksichtigt ist.
Weiterhin angenommen: Der DC-Ableitstrom ist noch klein genug, sodass die elektrische Sicherheit nicht gefährdet ist und auch keine erhöhte Brandgefahr entsteht. Warum sollte der Anlagenbetreiber darauf achten? Nun, möglicherweise ist der DC-Ableitstrom doch so groß, dass der Kern der stromkompensierten Drossel in dem EMV-Filter des Umrichters temporär nicht mehr so wirksam ist, wie vorgesehen. Eventuell steigt der EMV-Störlevel dann zeitweise so an, dass der Sensor, der die Füllmenge überwachen soll, so unpräzise arbeitet, dass einige der Abfüllmengen nicht mehr innerhalb der Spezifikation liegen. Selbstverständlich nimmt der Betreiber Stichproben und merkt das irgendwann. Aber wie viele fehlerhafte Produkte sind nun schon verteilt? Wenn er vorsichtshalber die Chargen zurückruft, wie stellt er dann sicher, dass in den Ersatzlieferungen nicht das gleiche Problem existiert?
Der Betreiber hat den Sensor schnell in Verdacht und ersetzt diesen durch ein neues Exemplar. Doch der Sensor war nicht defekt, sondern lediglich durch einen unerwarteten Fehler im Umrichter gestört. Wie lange wird der Betreiber dann brauchen, einen solchen Fehler im TN-System zu finden?
Im IT-System hat er messtechnische Möglichkeiten, um eine Korrelation zwischen dem Absinken des Isolationswiderstandswertes im Umrichter-Zwischenkreis und dem Auftreten von fehlerhaft befüllten Chargen zu finden. Bei Einsatz einer Einrichtung zur Isolationsfehlersuche (IFLS) bekommt er den Fehlerort, im Vergleich zur manuellen Fehlersuche, jedoch extrem schnell heraus.
Auch elektrische Anlagen überwachen
Sollte ein Anlagenbetreiber seinem Anlagenplaner nicht mitgeteilt haben, dass er ein System wünscht, das „Ein-Fehler-tolerant“ ist oder sollte der Anlagenplaner die Netzform IT-System nicht kennen, gibt es auch im TN-System Möglichkeiten mit passenden Monitoring Systemen vorausschauend eine Verschlechterung des Isolationswiderstandswertes der Anlage zu erkennen. Messtechnisch erreicht der Betreiber hiermit jedoch bei weitem nicht die Möglichkeiten, die er mit Isolationsüberwachungssystemen in einem IT-System hat.
Wenn es also um die Sicherstellung der Verfügbarkeit der Produktionsanlage geht, muss bei einer zustandsbasierten Wartung neben den mechanisch relevanten Komponenten auch die elektrische Anlage überwacht werden. Denn wenn die Stromversorgung unterbrochen ist, kann heute die beste Anlage nichts produzieren.
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