Erhöhte Anlagenverfügbarkeit dank redundanter Hilfsspannungsversorgung mit Überspannungsschutz

| Autor / Redakteur: Alexander Haneke * / Thomas Kuther

Die klassischen Einsatzgebiete redundanter Stromversorgungssysteme: Öl und Gas sowie die chemische Industrie.
Die klassischen Einsatzgebiete redundanter Stromversorgungssysteme: Öl und Gas sowie die chemische Industrie. (Bild: Phoenix Contact)

Beim Betrieb von Industrieanlagen spielt deren Verfügbarkeit eine entscheidende Rolle. Redundante Hilfsspannungsversorgungen mit integriertem Überspannungsschutz erhöhen die Anlagenverfügbarkeit.

Verfügbarkeit spielt generell – und ganz besonders bei verfahrenstechnischen Anlagen – eine übergeordnete Rolle. Wird die Hilfsspannungsversorgung in Anlagenteilen oder bei einzelnen Komponenten unterbrochen, kann es zu langen und damit kostenintensiven Produktionsausfällen kommen. Für einen sicheren Betrieb sorgen die Redundanzkonzepte von Phoenix Contact – Überspannungsschutz (Overvoltage Protection; OVP) schützt empfindliche Lasten vor Überspannungen (Aufmacherbild).

Wirft man einen genaueren Blick auf die gängigen Lasten in der Prozessindustrie, rücken DCS-Systeme (Distribution Control System), Remote-I/O-Stationen sowie aktive Rangierverteiler, die oft über zwei voneinander entkoppelte Einspeiseklemmen versorgt werden, in den Fokus. Daneben findet man zahlreiche weitere Verbraucher – wie Trennschaltverstärker, Relais oder 4-Leiter-Transmitter, die nur über einen einzigen Spannungseingang verfügen.

Daher sind redundante Systeme in vielen Fällen ein probates Mittel zur Vermeidung des sogenannten Single Point of Failure. Dies gilt auch für die überall erforderliche Hilfsspannungsversorgung, für die sich in den meisten Anwendungsbereichen 24 VDC durchgesetzt hat. Zur Realisierung der Redundanz für die 24 V-Versorgung werden zwei Hilfsspannungsnetze parallelgeschaltet und mithilfe von Redundanzmodulen voneinander entkoppelt. Zudem sichern die Geräte den fortlaufenden Betrieb auch im Fall eines Kurzschlusses in einem der beiden Strompfade.

Verschiedene Redundanzkonzepte

Die einfachste Art der Entkopplung sind passive Diodenmodule. Dabei muss im gesamten Anlagenlebenszyklus darauf geachtet werden, dass Redundanz nur dann gegeben ist, wenn die Summe der Lastströme aller Lasten nicht größer ist, als der maximale Strom eines einzelnen Netzteils. Denn nur so ist sichergestellt, dass bei Ausfall eines Pfades der jeweils andere die Versorgung vollständig übernehmen kann.

Aktive Redundanzmodule – wie etwa vom Typ Quint Oring – übernehmen die Überwachungsfunktion des Summenstroms und schlagen Alarm, wenn die Stromentnahme zu hoch wird. Diese Funktion erleichtert Erweiterungen und identifiziert schleichende Fehler im Rahmen einer vorausschauenden Wartung (predictive maintenance). Zudem sorgen diese intelligenten Module durch die ACB-Technologie (Auto Current Balancing) für eine gleichmäßige Belastung der beiden Netzpfade. Die Geräte regeln und signalisieren aktiv die Stromaufteilung beider Versorgungspfade, was die Lebensdauer von Netzteilen und DC/DC-Wandlern maximiert. Durch den Einsatz leistungsstarker MOSFETs – anstelle von Dioden – zur Entkopplung wird die Verlustleistung minimiert.

Driftet eine Stromversorgung ausgangsspannungsseitig zu stark ab, wird auch dieses Verhalten rechtzeitig gemeldet. Oft folgt nach dem Entkopplungsmodul ein Sicherungsverteiler. Der Versorgungsstrang ist ab hier jedoch nicht mehr redundant, auch wenn man Lasten mit redundanten Einspeiseklemmen über zwei unterschiedliche Sicherungen versorgt. Auftretende Fehler am Strang oder am Sicherungsverteiler können hier immer noch zum Ausfall der Anlage führen (Bild 1).

Vollständig redundante Hilfsspannungsversorgung

Das optimale Redundanzkonzept mit vollständigem Monitoring besteht durchgängig aus zwei räumlich getrennten Strompfaden. Diese bestehen jeweils aus dem Versorgungsnetz, einem Netzteil oder einem DC/DC-Wandler sowie aus einem intelligenten Quint-4-S-Oring-Modul, das die Pfade entkoppelt. Dadurch wird ein Single Point of Failure vermieden. Auch hier sorgen MOSFETs für eine geringe Verlustleistung, und eine redundante Verdrahtung bis zur Last sorgt für ein System mit maximaler Prozesssicherheit.

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Redundanzkonzepte im Überblick: Entkopplung mit Diodenmodul (oben), Entkopplung mit MOSFET-Modul (Mitte) sowie Entkopplung mit zwei separaten MOSFET-Modulen (unten).
Bild 1: 
Redundanzkonzepte im Überblick: Entkopplung mit Diodenmodul (oben), Entkopplung mit MOSFET-Modul (Mitte) sowie Entkopplung mit zwei separaten MOSFET-Modulen (unten). (Bild: Phoenix Contact)

In Verbindung mit den passenden Stromversorgungen aus der Baureihe Quint 4 werden auch die einzelnen Hilfsspannungsnetze gleichmäßig belastet, und die intelligente Funktionsüberwachung erlaubt ein vollständiges Monitoring der Entkopplung an allen Punkten des Versorgungssystems. Außerdem bieten die perfekt abgestimmten Systemlösungen aus der Baureihe Quint 4 – mit ihrer Kombination aus Stromversorgung und Redundanzmodul – eine hohe Funktionalität und Performance.

Doppelte OVP für noch mehr Sicherheit

Bild 2: OVP-Schwellwerte sind gerade für die Prozessindustrie bedeutsam – Leitsystemhersteller haben hier unterschiedlichste Anforderungen.
Bild 2: OVP-Schwellwerte sind gerade für die Prozessindustrie bedeutsam – Leitsystemhersteller haben hier unterschiedlichste Anforderungen. (Bild: Phoenix Contact)

Prozessleitsysteme sind immer auf eine maximale Verfügbarkeit ausgelegt. Um die empfindliche Hardware gegen Überspannung zu schützen, begrenzen die Stromversorgungssysteme die Ausgangsspannung sicher auf ein schützendes Niveau. Die OVP-Schaltung verhindert, dass bei einem internen Fehler der Stromversorgung Spannungen oberhalb der OVP-Schwelle das Modul verlassen. Um hier einen vollständigen Schutz zu ermöglichen, fordern viele Leitsystemhersteller denn auch eine doppelte OVP. Die Quint-4-Stromversorgungen in Verbindung mit den Varianten S-Oring/Plus und S-Oring/VP aus der gleichen Baureihe sichern Prozessleitsysteme auf diese Weise doppelt ab. Durch die Zertifizierung der doppelten OVP des Gesamtsystems nach SIL3 (Safety Integrated Level 3) ist auch ein Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen möglich. Verschiedene Anwendungsfälle und Prozessleitsysteme erfordern verschiedene OVP-Schwellen für eine hohe Prozesssicherheit (Bild 2).

Bild 3: Der gesperrte Spannungsbereich zwischen Uin Max und OVPMin verhindert ungewolltes Auslösen der OVP und damit den Anlagenstillstand.
Bild 3: Der gesperrte Spannungsbereich zwischen Uin Max und OVPMin verhindert ungewolltes Auslösen der OVP und damit den Anlagenstillstand. (Bild: Phoenix Contact)

Durch Bauteilvarianzen liegt der tatsächlichen OVP-Grenze eines jeden Geräts die Gauß’sche Normalverteilung zugrunde. Die Toleranzbetrachtung liefert einen Spannungsbereich, an dessen oberer Grenze der von Phoenix Contact im Datenblatt angegebene OVP-Wert liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass tatsächlich keine Spannung oberhalb dieser Grenze am Ausgang des Geräts auftritt. Der gesperrte Spannungsbereich zwischen maximaler Eingangsspannung und OVP-Schwelle ist für eine hohe Flexibilität und einen sicheren Betrieb ausgelegt. Dieser Betrieb verhindert das ungewollte Auslösen der OVP – und damit den Anlagenstillstand – durch Spannungsüberschüsse im regulären Betrieb. Diese können beispielsweise durch dynamische Lasten und Lastabwürfe verursacht werden. Mit ihren kleinen gesperrten Spannungsbereichen bieten die Stromversorgungen Quint-4 und die Quint-S-Oring/VP eine hohe Flexibilität (Bild 3).

Breites Produktportfolio für zahlreiche Anwendungen

Das umfassende Produkt-Programm an Stromversorgungslösungen von Phoenix Contact bietet zahlreiche Möglichkeiten für unterschiedliche Anwendungen nicht nur in der Prozessindustrie – zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit und damit der Prozesssicherheit insgesamt. Die Geräte der Baureihe Quint bieten perfekt abgestimmte Systemlösungen für den anspruchsvollen Redundanzbetrieb.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2019 (Download PDF)

* Alexander Haneke ist Produktmanager Redundanzmodule bei der Phoenix Contact Power Supplies GmbH, Paderborn.

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