Mit der digitalen Transformation zur Industrie 4.0 stehen die Betreiber von Fertigungsanlagen vor neuen Herausforderungen. Maschinen und Anlagen sowie deren elektrische Einrichtungen werden zunehmend intelligenter – und dadurch komplexer im Aufbau.
Die Anforderungen an das Monitoring und an die Zuverlässigkeit der Anlagen steigen stetig – auch weil deren Wirtschaftlichkeit mehr und mehr in den Vordergrund rückt. Maschinenstillstände verursachen Mehrkosten, die sich niemand leisten kann.
Zuverlässigkeit und inkludierte Anlagenüberwachung
Für den zuverlässigen Betrieb von Anlagen ist eine sehr stabile Spannungsversorgung von besonders großer Bedeutung. Spannungsschwankungen und Spannungsspitzen entstehen etwa durch:
Zu- und Abschaltung von Teilen eines Netzes
Zu- und Abschaltung von leistungsstarken Verbrauchern – hier entstehen Überspannungen
Schalten der Relais und Leistungsschalter sowie Auslösen der Sicherungen – hier entstehen häufig transiente Spannungsspitzen
Überlastung von Netzen – hier entstehen häufig temporäre Unterspannungen von wenigen Sekunden bis zu mehreren Stunden
Solche diversen Spannungsschwankungen können zur Folge haben, dass Fertigungsprozesse unverhofft unterbrochen werden und Datenverluste entstehen. Im schlimmsten Fall werden die Anlagen stark beschädigt und fallen aus. Vermieden werden derartige Schäden und Ausfälle mithilfe von geeigneten Puffermodulen, in denen die benötigte Energieversorgung aus den Energiespeichern für bestimmte Zeit zur Verfügung gestellt wird.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt für mehr Sicherheit und Transparenz ist die Nah- und Fernüberwachung von Anlagen. Auf diese Weise können Ausfälle in Maschinen und Anlagen schneller erkannt und zeitnah vor Ort beseitigt werden. Auch eine Fehleranalyse hilft dem Techniker, das Problem lokal einzugrenzen und geeignete Maßnahmen sofort einzuleiten.
Mehr Sicherheit durch Puffermodule
Diese für die Sicherheit wichtigen Funktionen – sowie noch weitere darüber hinaus – übernehmen die wartungsfreien Puffermodule von Phoenix Contact. Mithilfe dieser Puffermodule, die auch als Kapazitätsmodule bezeichnet werden, aus der inzwischen vierten Generation der Produktlinie Quint ist es möglich, Spannungsunterbrechungen auf der 24-V-Gleichstromseite auszugleichen und dabei die notwendigen Statusmeldungen an die angeschlossene Steuerung oder an den Industriecomputer zu übermitteln.
Bei kritischen Zuständen, etwa bei Spannungseinbrüchen oder bei einem Totalausfall, können betriebsnotwendige oder sicherheitsrelevante Funktionseinheiten mit Energie versorgt werden, um die Prozesse sicher abzuschließen oder Anlagenbereiche in einen sicheren Zustand zu überführen. Zudem können die Daten auf Industrie-PCs gesichert und diese gezielt und kontrolliert heruntergefahren werden.
Zusätzlich können Signalein- und -ausgänge am Gerät für die Betätigung von Relais genutzt werden. Externe Leuchtmelder für die Vor-Ort-Signalisierung lassen sich ebenfalls problemlos anschließen. Dazu ist nur eine direkte Verbindung zwischen dem Signalausgang „Alarm“ und dem SGND-Eingang (Signal Ground, Signalmasse) am Gerät erforderlich.
Für lange Zeit sicher und wartungsfrei
Soll eine Anlage über viele Jahre sicher und effizient und zudem ohne unnötige Reparaturkosten betrieben werden, müssen alle Komponenten für die Elektroinstallation sorgfältig ausgewählt werden. Dabei spielen Sicherheit und Langlebigkeit der Komponenten eine wichtige Rolle.
Auch Puffermodule sollten die Anforderungen an die Langlebigkeit erfüllen, um Spannungsschwankungen und Netzunterbrechungen immer zuverlässig ausgleichen zu können. Das oberste Ziel sollte sein, einen Netzausfall verzögerungsfrei zu überbrücken, um die Betriebssicherheit von Maschinen und Anlagen jederzeit zu gewährleisten.
Die Puffermodule gibt es in zwei Produktklassen: Puffermodule auf Basis von Elektrolyt-Kondensatoren für kurze Pufferzeiten bis zu einigen Sekunden und Puffermodule auf Basis von Doppelschicht-Kondensatoren für längere Pufferzeiten bis zu einigen Minuten. Die Puffermodule aus der Baureihe Quint, die auf Elektrolyt-Kondensatoren basieren, eignen sich für kurze Spannungsunterbrechungen bis zu einigen Sekunden. Damit können auch Lasten bis zu 40 A gestützt werden.
Zusätzlich besitzen die Puffermodule weitere wertvolle Funktionen, wie das Begrenzen der Einschaltströme, um die Netzteile vor Überlastung zu schützen. Zum Schutz der Module vor möglichen elektrischen Fehlern wurden zahlreiche Schutzmechanismen implementiert. So ist es mithilfe der internen Spannungs- und Stromüberwachung möglich, die Puffer bei Abweichung von festgelegten Grenzwerten sicher abzuschalten. Damit soll sichergestellt werden, dass es in der Applikation nicht zu Überlastung oder Überhitzung kommt.
Erweiterte Funktionalität
Weitere Vorteile der Puffermodule sind die umfangreiche optische Signalisierung sowie die erhöhte Konnektivität durch digitale Ausgänge. Die Quint-Produktfamilie der vierten Generation wird kontinuierlich mit neuen Puffermodulen auf Basis von Doppelschicht-Kondensatoren erweitert. Durch höhere Energiedichten erreichen die Module deutlich längere Pufferzeiten – bis hin zu einigen Minuten. Zudem verfügen sie über weitere nützliche Sicherheitsfunktionen für den Eigen- und Anlagenschutz.
Dabei geht es um Funktionen wie einen „Softstart“ von Lasten mit hohem Einschaltstrom sowie um eine Überwachung der internen Funktionseinheiten. Mithilfe einer integrierten Temperaturmessung ist es möglich, die einzelnen Funktionseinheiten beim Erreichen von kritischen Temperaturen abzuschalten, um die Applikation und das Puffermodul vor Überhitzung und Beschädigung zu schützen.
Auch Überlast bei Kurzschlüssen oder Unter- und Überspannungen werden vom Puffermodul sicher erkannt und signalisiert. Diese Funktionen ermöglichen eine gezielte Diagnose von Fehlerzuständen – sie erhöhen damit merklich die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Anlage.
Sicheres und kontrolliertes Herunterfahren
Sicherheitsrelevant ist auch die Funktion „PC Shutdown“, die ein geregeltes Herunterfahren nach vorgegebener Pufferzeit erlaubt. Damit lassen sich angeschlossene Industrie-PCs auf einfache Weise so lange mit Energie versorgen, bis sie durch gezieltes Herunterfahren ohne Datenverlust in einen sicheren Zustand gebracht werden können.
Wenn eine bestimmte, vorher festgelegte Pufferzeit überschritten wird, geht über die USB-Schnittstelle ein Signal zum IPC, der dann automatisch herunterfährt. Kehrt die Spannung während des Herunterfahrens des IPCs zurück, startet das Puffermodul anschließend den IPC automatisch. Dafür muss der Anwender lediglich die Konfigurations-Software auf seinem IPC installieren und bedarfsgerecht konfigurieren.
Zusätzlich bietet die Software eine Überwachung der angeschlossenen Geräte, und Meldungen werden netzausfallsicher abgelegt. Nach Bedarf kann die Software auch eine Nachricht an Service-Mitarbeiter senden. Außerdem bietet sie vielfältige Einstellmöglichkeit und Funktionen, um die Energieversorgung durch Puffermodule optimal auf die entsprechende Applikation hin abzustimmen.
Fazit
Bei immer intelligenteren Industrieanlagen verlangen die steigenden Anforderungen an Sicherheit und Anlagenverfügbarkeit nach neuen Lösungen. Ziel ist es, die Analgenversorgung ohne unnötige Betriebsunterbrechungen und Datenverluste aufrecht zu erhalten.
Schwankungen der Spannung in einer Fertigungsanlage sind nicht vorhersehbar – daher sind die Puffermodule aus der Serie Quint 4 CAP zur Unterstützung der Spannungsversorgung sinnvoll. Damit werden Spannungsschwankungen ausgeglichen und Industrie-PCs sicher heruntergefahren. Auch die Überwachung und vorausschauende Wartung ist mit neuen Kommunikationsschnittstellen an den Puffermodulen möglich.
Dies alles dient nicht nur zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit, sondern reduziert auch unerwartete Kosten für Wartung, Reparatur und Fehlersuche. Und es ermöglicht eine längere Nutzung im Feld mittels robuster Technologie. Die neue Speichertechnologie für kurze Spannungsunterbrechungen ist eine weitere Option, Netzschwankungen zu überbrücken und so die Anlagenverfügbarkeit weiter zu erhöhen.
