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Puffermodule mit wartungsfreiem Energiespeicher erhöhen die Ausfallsicherheit

Autor / Redakteur: Andreas Schamber * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Eine stabile Spannungsversorgung ist für den zuverlässigen Betrieb von Industrieanlagen von großer Bedeutung.

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Bild 1: Ausfallsicher in die Industrie 4.0: Mit dem Puffermodul Quint 4 CAP wird die Anlagenverfügbarkeit weiter erhöht.
Bild 1: Ausfallsicher in die Industrie 4.0: Mit dem Puffermodul Quint 4 CAP wird die Anlagenverfügbarkeit weiter erhöht.
(Bild: Phoenix Contact)

Hohe Anlagenverfügbarkeit und geringe Ausfallkosten sind wichtige Voraussetzungen für den wirtschaftlichen Anlagenbetrieb. Dies ist aber nur mit zuverlässigen Komponenten und aufeinander abgestimmten Systemen möglich. Die Absicherung – mithilfe kondensatorbasierender Puffermodule für 24 V Gleichstrom – ist ein wichtiger Bestandteil der Gesamtinstallation, um Spannungsschwankungen auszugleichen und Ausfälle zu verhindern (Bild 1).

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 Anlagenüberwachung

Für den zuverlässigen Betrieb von Anlagen ist eine stabile Spannungsversorgung von großer Bedeutung. Spannungsschwankungen und Spannungsspitzen entstehen etwa durch:

Zu- und Abschalten von Teilen eines Netzes, Zu- und Abschalten von leistungsstarken Verbrauchern – hier entstehen Überspannungen, Schalten der Relais und Leistungsschalter sowie Auslösen der Sicherungen – hier entstehen häufig transiente Spannungsspitzen und Überlastung von Netzen – hier entstehen häufig temporäre Unterspannungen von wenigen Sekunden bis zu mehreren Stunden.

Derartige Spannungsschwankungen können zur Folge haben, dass Fertigungsprozesse 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 (Bild 2).

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 einzuleiten.

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 heruntergefahren werden (Bild 3).

Bild 2: Bequemes arbeiten: Überwacht und parametriert werden die Anlagen über die USB-Schnittstelle am Puffermodul.
Bild 2: Bequemes arbeiten: Überwacht und parametriert werden die Anlagen über die USB-Schnittstelle am Puffermodul.
(Bild: Phoenix Contact)

Zusätzlich können Signalein- und -ausgänge am Gerät für die Betätigung von Relais genutzt werden. Externe Leuchtmelder für die Vor-Ort-Signalisierung können ebenfalls angeschlossen werden. 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 es sein, einen Netzausfall verzögerungsfrei zu überbrücken, um die Betriebssicherheit von Maschinen und Anlagen jederzeit sicherzustellen. Zu diesem Zweck bietet Phoenix Contact eine große Auswahl an Komponenten für ganz unterschiedliche Anforderungen seitens der Anwender. Die Puffermodule gibt es in zwei Produktklassen (Bild 4):

  • Puffermodule auf Basis von Elektrolyt-Kondensatoren für kurze Pufferzeiten bis zu einigen Sekunden,
  • 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 Puffermodule vor möglichen elektrischen Fehlern wurden zahlreiche Schutzmechanismen implementiert. So ist es mithilfe der internen Spannungs- und Stromüberwachung möglich, die Module bei Abweichung von festgelegten Grenzwerten sicher abzuschalten. Damit soll sichergestellt werden, dass es in der Applikation nicht zu Überlastung oder Überhitzung kommt.

Bild 3: Auf der sicheren Seite: Bei kurzen Spannungsunterbrechungen bis zu einigen Minuten übernimmt das Puffergerät die Energieversorgung auf der 24 V-Gleichstromseite.
Bild 3: Auf der sicheren Seite: Bei kurzen Spannungsunterbrechungen bis zu einigen Minuten übernimmt das Puffergerät die Energieversorgung auf der 24 V-Gleichstromseite.
(Bild: Phoenix Contact)

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. Aufgrund höherer Energiedichte erreichen die Module deutlich längere Pufferzeiten – bis hin zu einigen Minuten. Zudem verfügen die Module 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.

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 kostenlose Konfigurations-Software von Phoenix Contact auf seinem IPC installieren und bedarfsgerecht konfigurieren.

Bild 4: Umfassendes Angebot: Die Produktfamilie Quint 4 CAP bietet Puffermodule für unterschiedliche Applikationen – Puffermodule 1 KJ (links) und 16 KJ (rechts) auf Basis der Doppelschicht-Kondensatoren sowie das Puffermodul auf Basis der Elektrolyt-Kondensatoren (Mitte).
Bild 4: Umfassendes Angebot: Die Produktfamilie Quint 4 CAP bietet Puffermodule für unterschiedliche Applikationen – Puffermodule 1 KJ (links) und 16 KJ (rechts) auf Basis der Doppelschicht-Kondensatoren sowie das Puffermodul auf Basis der Elektrolyt-Kondensatoren (Mitte).
(Bild: Phoenix Contact)

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 die Software vielfältige Einstellmöglichkeit und Funktionen, um die Energieversorgung durch Puffermodule optimal auf die Applikation hin abzustimmen.

Puffermodule in Industrieanlagen

Bei immer intelligenteren Industrieanlagen verlangen die steigenden Anforderungen an Sicherheit und Anlagenverfügbarkeit nach neuen Lösungen. Ziel ist es, die Anlagenversorgung ohne unnötige Betriebsunterbrechungen und Datenverluste aufrecht zu erhalten.

Spannungsschwankungen in der Anlage sind nicht vorhersehbar – daher sind die Puffermodule aus der Serie Quint 4 CAP von Phoenix Contact zur Unterstützung der Spannungsversorgung sinnvoll. Damit werden Spannungsschwankungen ausgeglichen und Industrie-PCs sicher heruntergefahren.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2020 (Download PDF)

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 aufgrund robuster Technologie. Die neue Speichertechnologie für kurze Spannungsunterbrechungen ist eine weitere Option, Netzschwankungen zu überbrücken und so die Anlagenverfügbarkeit weiter zu erhöhen.

* Dipl.-Ing. Andreas Schamber ist Produktmanager Stromversorgungen bei der Phoenix Contact Power Supplies GmbH in Paderborn.

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