Anforderungen an Stromversorgungen im Zeitalter von Industrie 4.0

| Autor / Redakteur: Lena Kalmer * / Gerd Kucera

Kommunikative Industrie-Stromversorgung: Die Pro-2-Netzgeräte erlauben u.a. ein permanentes Monitoring aktueller Lastzustände.
Kommunikative Industrie-Stromversorgung: Die Pro-2-Netzgeräte erlauben u.a. ein permanentes Monitoring aktueller Lastzustände. (Bild: WAGO)

Die Pro-2-Netzgeräte von Wago kommunizieren über IO-Link und demnächst auch via Ethernet. Sie sammeln Daten für das Predictive Maintenance, überwachen die Last und liefern Infos zur Energieoptimierung.

Der Trend zur Digitalisierung nimmt Einfluss auf alle Bereiche der Industrie und verändert die Arbeitswelt. Eine Branche, die das besonders spürt, ist der Maschinen- und Anlagenbau. Für jedes Unternehmen bieten Digitalisierung und Vernetzung große Chancen und die Möglichkeit, neue Geschäftsmodelle zu integrieren. Aber was bedeutet es, wenn Bestell- und Produktionsprozesse immer weiter digitalisiert werden? Und welche Anforderungen müssen moderne Stromversorgungen im Zeitalter von Industrie 4.0 hinsichtlich der Kommunikation und Datenbereitstellung erfüllen? Nachfolgend dazu eine Bestandsanalyse über zukunftsweisende Kommunikation am Beispiel der neuartigen Stromversorgung Pro 2 von WAGO.

Maschinenbau als Vorreiter der Digitalisierung

Clevere Unternehmen sind vielen anderen schon einen Schritt voraus: 88% der Maschinen- und Anlagenbauer haben die Digitalisierung strategisch verankert und liegen damit deutlich über dem gesamtwirtschaftlichen Durchschnitt (74%). Das zeigt eine Trendstudie von Tata Consultancy Services (TCS) und Bitkom Research aus dem Jahr 2017. Im Vorfeld der Hannover Messe 2018 konnte der Digitalverband Bitkom weitere wichtige Erkenntnisse liefern: Demnach sind bereits 24% der Maschinen und Anlagen in deutschen Unternehmen mit dem Internet verbunden – Tendenz steigend.

Der Monitoring-Report Wirtschaft DIGITAL im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie bestätigt: 93% der Maschinenbauer bieten Produkte und Dienste digital an. Bis 2022 wird die Digitalisierung bei 72% der Maschinenbauer eine starke strategische Rolle spielen. Die Ergebnisse zeigen: Der Maschinen- und Anlagenbau positioniert sich als Vorreiter im digitalen Zeitalter. Stellen wir uns vor, dass jede vierte Maschine heute schon Intelligenz besitzt und alles miteinander vernetzt ist. Das hat enorme Auswirkungen auf die Bereitstellung und Auswertung von Daten. Aber welche konkret?

Daten-Monitoring und Predictive Maintenance

Eine permanente Vernetzung und Kommunikation generieren transparente und durchgängige Daten entlang der gesamten Wertschöpfungskette – immer und überall. Durch Predictive Maintenance können Ausfallzeiten und -kosten deutlich reduziert werden, denn permanentes Daten-Monitoring überwacht den Zustand aller sich in Betrieb befindlichen Geräte, um einzuschätzen, wann die Wartung durchgeführt werden muss. Ein Bereich, in welchem Datentransparenz und ein durchgängiges Monitoring bislang nicht erfolgt sind: die Stromversorgung im Schaltschrank. Hier unterstützt die Digitalisierung die Automatisierung durch Sammlung und Auswertung der bisher noch nicht berücksichtigten Daten. Auf diese Weise können zunehmend ungeplante Stillstandzeiten vermieden, Fehler schneller gefunden und analysiert und zukünftig ungeplante Serviceeinsätze gezielt vermieden werden – und genau hier kann der Wettbewerbsvorteil liegen. „Neben der klassischen Funktion als Wandler bieten moderne Netzgeräte auch die Möglichkeit, wertvolle Daten durch modulare Kommunikation zu liefern. Das unterstützt beispielsweise ein Predictive Maintenance oder das Langzeit-Monitoring“, bestätigt Stefan Wagner, Head of Product Management Power Supplies.

Eine Digitalisierung subsumiert nicht die Standardisierung

Alles ist vernetzt – und damit standardisiert? Nein, denn Digitalisierung bedeutet eben nicht Standardisierung. Insbesondere in der Automatisierungstechnik gibt es eine Vielzahl von Feldbussen und somit physikalischen Schnittstellen und Protokollen. WAGO vereinfacht mit dem steckbaren Kommunikationsmodul bei der Stromversorgung die kompletten Planungs-, Konstruktions- und Freigabeprozesse. Sollte sich die gewünschte Kommunikationsschnittstelle ändern, muss nur das Interface getauscht werden und nicht das gesamte System.

Elektronischer Schutzschalter mit IO-Link

„Das optional steckbare Kommunikationsinterface, die IO-Link-Schnittstelle und die Konfigurationsmöglichkeiten der neuen Stromversorgung Pro 2 können den Anwender schon heute ins digitale Zeitalter bringen“, konstatiert Jürgen Pfeifer, IoT & Cloud Partnermanager bei WAGO. Außerdem ergänzt der erfahrene Automatisierungsexperte: „IO-Link wird oft eng in Verbindung mit Industrie 4.0 gebracht. Doch die Vorteile liegen auch ganz klar im Bereich der Kompatibilität zu vielen Feldbussen. So lassen sich heute schon die Stromversorgungen Pro 2 und die elektronischen Schutzschalter mit IO-Link-Schnittstelle in jeder Anwendung einsetzen und gewünschte Daten auslesen.“

Die IO-Link-Schnittstelle bietet neben den Service- und Betriebsdaten auch Konfigurationsmöglichkeiten. Das erlaubt die Anpassung an die jeweilige Applikation, und zwar online, beispielsweise in Abhängigkeit des zuvor erfassten Betriebszustandes. Die Nachführung der Ausgangsspannung bei erhöhter Belastung, die automatische Abschaltung bei wiederholter Überlast und der Neustart der Verbraucher aus der Ferne nach Einspielen eines Updates oder zum Reset des Steuerstromkreises sind dabei nur einige der realisierbaren Anwendungen.

Interessant sind auch die Möglichkeiten der Konfiguration des Signalausgangs. Er kann als Sammelmeldung konfiguriert werden und wahlweise DC OK, Überstrom, speichernde Abschaltung sowie weitere Warn- und Fehlermeldungen liefern. Damit ist auch der Signalausgang auf die Applikation anpassbar und liefert genau die Informationen, die dem Endverbraucher wertvolle Aussagen mit einem Mehrwert liefern.

Intelligent: Binnen Millisekunden lassen sich wichtige Werte über das aufsteckbare Kommunikationsmodul auslesen, auch über verschiedene Protokolle.
Intelligent: Binnen Millisekunden lassen sich wichtige Werte über das aufsteckbare Kommunikationsmodul auslesen, auch über verschiedene Protokolle. (Bild: WAGO)

Aufsteckbares Kommunikationsmodul

Die Stromversorgung Pro 2 kann über ein Kommunikationsmodul (aktuell IO-Link, später auch ETHERNET-basierende Protokolle wie MQTT, Ethernet IP, PROFINET) mit der SPS oder einem IoT-Gateway verbunden werden. Das ermöglicht die stete Kommunikation über standardisierte Protokolle, was den Aufwand für die Implementierung verringert. Daten aus der Stromversorgung Pro 2 (PSU) lassen sich speichern und zur Energieoptimierung analysieren; die zentrale SPS kann die dezentral genutzte PSU in Anlagenteilen per Hardware-Signal oder Busbefehl abschalten, um den Stand-by-Modus zur Energieeinsparung zu nutzen. Monitoring-Funktionen geben jederzeit Auskunft über die aktuellen Daten der Stromversorgung bzw. der angeschlossenen Last. Sie signalisieren Fehlerzustände und ermöglichen auf diese Weise die lückenlose Überwachung der Applikation.

Intelligente Warnungen via Kommunikationsmodul

Binnen Millisekunden lassen sich Werte über das aufsteckbare Kommunikationsmodul auslesen, auch über verschiedene Protokolle. Anschließend werden alle Strom- oder Spannungswerte über ein Diagramm ausgewertet. Im Fall von Derating-Situationen signalisert eine im Kommunikationsmodul hinterlegte „Kundenwarnschwelle“ die sich veränderte Gegebenheit. Einstellen lässt sich dazu eine Warnung für das Überlastverhalten bzw. eine Beschränkung des Einsatzbereichs. Das eingebaute Strommessgerät gibt dann eine entsprechende Meldung ab, sobald der definierte Wert überschritten wurde.

Zusätzlich besitzt die Stromversorgung Pro 2 (PSU) eine Nennstrom-ECB-Funktion (elektronischer Schutzschalter). Der Auslösewert ist flexibel einstellbar. Wie rasch der Sicherungsschalter auslösen soll, ist schnell und akkurat zwischen 100 ms (schnelle Abschaltung) und 5 s (langsame Abschaltung) je nach Notwendigkeit wählbar. Wenn der Strom für eine einstellbare Zeit den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird der Ausgang abgeschaltet. Mithilfe des digitalen Eingangs erfolgt ein Reset, um das Netzgerät neu zu starten.

Das aktive Einbinden der Stromversorgungen in die Steuerungsumgebung oder alternativ direkt parallel in die Analytics, ermöglicht ein permanentes Monitoring aktueller Lastzustände. Die jederzeit durch die Steuerung abrufbaren Zustandsdaten machen ein manuelles Überprüfen der Ausgangsspannung überflüssig und erlauben die rechtzeitige Wartung der Stromversorgung sowie aller angeschlossenen Verbraucher. Die Kommunikationsfähigkeit wird so zu einem Kernbestandteil moderner Stromversorgungen für die Industrie.

Hohe Leistungsdichte: Die Pro-2-Netzgeräte sind schmal in ihrer Bauform, brauchen im Schaltschrank weniger Raum und erzeugen weniger Abwärme.
Hohe Leistungsdichte: Die Pro-2-Netzgeräte sind schmal in ihrer Bauform, brauchen im Schaltschrank weniger Raum und erzeugen weniger Abwärme. (Bild: WAGO)

Wesentlichen Merkmale der Pro 2 zusammengefasst

Ausgangsleistungen von 120 bis 960 W liefern die Stromversorgungen der Serie Pro 2. Über ihre Geräteschnittstelle lässt sich das Netzteil maßgeschneidert auf die Erfordernisse der Applikation einstellen. Parameter wie Ausgangsspannung und Überlastverhalten lassen sich über die Software konfigurieren. Die optionalen Feldbusmodule garantieren einen kontinuierlichen Datenaustausch. Monitoring-Funktionen geben jederzeit dem Anwender Auskunft über die aktuellen Daten der Stromversorgung. Diese Informationen signalisieren Fehlerzustände und ermöglichen dadurch die lückenlose Überwachung der Applikationen. Die Anwender haben freie Wahl, über welchen Bus sie die Pro 2 anbinden.

Die Pro-2-Netzgeräte sind schmal in ihrer Bauform, haben einen ausgezeichneten Wirkungsgrad von maximal 96% und besitzen somit eine hohe Leistungsdichte. Im Schaltschrank benötigen sie daher weniger Raum und erzeugen weniger Abwärme. Ein Vorteil der Stromversorgung ist ihr TopBoost oder PowerBoost. Der TopBoost liefert einen bis zu 600% höheren Ausgangsstrom für maximal 15 ms und lässt die Absicherung über traditionelle Leitungsschutzschalter zu. Wahlweise 150% Ausgangsstrom stellt der PowerBoost für 5 s zur Verfügung. Aufgrund dieser hohen Leistungsreserve sind überdimensionierte Netzgeräte nicht mehr erforderlich.

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* Lena Kalmer ist Communications Manager bei WAGO, Minden.

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