Wenn Maschinen 24 Stunden am Tag und sieben Tage die Woche laufen sollen, dürfen keine Störungen den Betrieb aufhalten. Eine wichtige Rolle für den störungsfreien Betrieb spielt dabei die Versorgungsspannung der einzelnen Verbraucher. Weicht sie von der zulässigen Betriebsspannung ab, können Verbraucher ausfallen und die Maschine stoppt. Nicht selten entstehen dabei unnötige Stillstandskosten.
Elektrische Anlagen im Wandel der Zeit
Schaltnetzteile sind mittlerweile Standard in elektrischen Anlagen. Bei allen Vorteilen, die ein modernes Schaltnetzteil heute bietet, gibt es auch Nachteile: Ist das versorgende Netzteil nicht korrekt ausgelegt, oder wurden die daran angeschlossenen Verbraucher erweitert, wird der zur Verfügung stehende Strom zu weit ausgereizt. Weil es für den Fehlerfall keine Reserve gibt, kann es bei Überlast oder Kurzschluss zum Spannungseinbruch kommen. Die Steuerung fällt aus, die Anlage stoppt.
Stromversorgungen werden immer intelligenter: Sie sind in der Regel kurzschlussfest, bieten hohe Leistungsreserven und zahlreiche Kommunikationsschnittstellen, und sie lassen sich in vielen Parametern konfigurieren. Dennoch ist es wichtig, die Ausgangsspannung vor einem Einbruch zu schützen. Dies kann nur effektiv geschehen, wenn verschiedene Bereiche oder Verbrauchergruppen aufgeteilt und einzeln geschützt und überwacht werden.
Eckwerte zum sicheren Betrieb
Das Herzstück einer Anlage ist die Steuerung. Fällt sie aus, stoppt alles. Eine Fehlerdiagnose ist aufwändig, da die Steuerung dann ja auch nicht in der Lage ist, alles zu dokumentieren. Der Fehler kann praktisch überall liegen. Anforderungen an eine SPS behandelt die Norm IEC 61131-2. Darin finden sich wichtige Eckwerte zum sicheren Betrieb einer Steuerung: welche Werte die Spannung erreichen darf und wie lange davon abgewichen werden darf. Ein Spannungsbereich von 20,4 V bis 28,8 V ist noch unproblematisch. Wird jedoch davon abgewichen – beispielsweise unter 20,4 V –, darf die Steuerung ohne Batteriepufferung erst nach zehn Millisekunden ausfallen. Bis zu diesem Zeitpunkt muss die Steuerung den Spannungseinbruch selbstständig überbrücken.
Folglich kommt es darauf an, den Spannungseinbruch – soweit möglich – zu verhindern oder den fehlerhaften Strompfad rechtzeitig abzuschalten. Da jede Anlage und jede Fehlersituation anders ist, kann ein Spannungseinbruch nicht immer verhindert werden. Daher kann die Lösung nur in der Überwachung durch einen elektronischen Schutzschalter liegen, der intelligent genug ist, den Fehler auch als solchen zu erkennen. Die Abschaltung muss dann innerhalb der oben genannten zehn Millisekunden erfolgen.
Ströme präziser analysieren
Heute werden noch häufig Schutzgeräte verwendet, die thermisch oder mechanisch funktionieren. Durch einen zu hohen Strom wird das Bimetall angeheizt oder die Magnetspule angeregt, um den zu schützenden Teil einer Maschine abzuschalten. Im Fehlerfall kommt es bei diesen Schutzgeräten zu hohen Strömen, die den Anlagenbetrieb gefährden. So kann es sein, dass der Strom auf das 8- bis 15-fache ansteigt, um abzuschalten. Viele Schaltnetzteile können die Versorgungsspannung in diesem Moment aber nicht aufrechterhalten – die Anlage stoppt. Zudem enthalten Geräte immer mehr Elektronik – dadurch werden sie empfindlicher gegenüber hohen Strömen. Mit den mehrkanaligen elektronischen Geräteschutzschaltern CBMC von Phoenix Contact können Ströme präzise überwacht und elektronische Geräte besser geschützt werden.
Zudem ermöglicht integrierte Software, auf geringste Stromänderungen zu reagieren. Damit ist der Anlagenbetrieb besser planbar, der mögliche Strom im Fehlerfall geringer und die Reserve der Stromversorgung kann darauf abgestimmt werden. Durch moderne Messverfahren und intelligente Software werden Ströme präziser analysiert. Anlagenbetreiber und Service-Techniker können somit abhängig vom jeweiligen Strom passend reagieren. Unterschieden wird dabei zwischen Strömen wie normaler Betriebsstrom, 80-Prozent-Auslastung, Überlast sowie Kurzschluss. Wird eine Kapazität erkannt, so wird sie zuverlässig gestartet, obwohl sie einem Kurzschluss ähnlich ist. Die CBMC-Schutzschalter bieten diese Funktionen. Damit wird der Anlagenbetrieb durch eine intelligente Stromanalyse gesichert.
Anlage erstmals planbar
In der Anlagenautomatisierung finden sich zahlreiche unterschiedliche Verbraucher. Für den zuverlässigen Betrieb müssen die Schutzschalter an die zu schützenden Verbraucher angepasst werden. Elektrische Geräte unterscheiden sich jedoch oft erheblich, sodass in der Vergangenheit unterschiedliche Kennlinien für den effektiven Schutz erforderlich waren. Das lag mitunter daran, dass mechanische Schutzschalter eingesetzt wurden. Hierfür waren, wie oben schon erwähnt, hohe Auslöseströme erforderlich, die einen unterbrechungsfreien Betrieb elektrischer Anlagen gefährdeten. Denn sicher ausgelöst wurde erst beim 8- bis 15-fachen Strom.
Seitdem elektronische Schutzschalter Standard sind, erfolgt die Auslösung präziser. Das liegt auch daran, dass Ströme gemessen, analysiert und Fehlerströme als solche erkannt werden. Dadurch kann eine sichere Auslösung bereits im Bereich des 1,1- bis 2-fachen des Nennstroms stattfinden. Die Auslegung der Anlage ist somit einfacher, eine Überdimensionierung nicht mehr erforderlich. Die Leistung der Stromversorgung kann besser geplant werden. Die Versorgung elektrischer Verbraucher muss sichergestellt sein – sonst kann es zum plötzlichen Stillstand der Maschine kommen. Durch den Einsatz elektronischer Schutzschalter, ist die Auslegung einer Anlage erstmals wirklich planbar geworden. Denn eine hohe Überlastung oder ein Kurzschluss kann den Anlagenbetrieb soweit stören, dass die Steuerung ausfällt und eine Fehlersuche dann nur mit einem hohen Zeitaufwand möglich ist. Mit dem elektronischen mehrkanaligen Schutzschalter CBMC von dem Hersteller Phoenix Contact wird die Anlage nun sicherer.
Schutzschalter gegen Spannungseinbruch
Der Maschinenbau zählt zu den stark wachsenden Branchen – dabei zählt die Anlagenverfügbarkeit zu den vorrangigen Themen. Rund 90 Prozent der Steuerungstechnik wird mittlerweile mit 24 V DC versorgt, daher eigenen sich Schaltnetzteile besonders gut für die Steuerspannung in Maschinen und Anlagen. Eine Überlastung von Schaltnetzteilen kann den Anlagenbetrieb jedoch soweit stören, dass die gesamte Anlage stoppt.
Der Einsatz elektronischer Schutzschalter wirkt dem Spannungseinbruch entgegen. Denn durch integrierte Strommessung, Stromanalyse und Kurzschlusserkennung werden Fehler erkannt und abgeschaltet – Stromversorgung und Steuerung bekommen erst gar nichts davon mit. Der typische Aufbau setzt sich aus Stromversorgung, Schutzschalter und Potentialverteilung zusammen.
