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Damit Magnetventile in der Stahlindustrie sicher funktionieren

01 Schaltbild für Schutzschaltrelais E-1071-623

02 Blick in den Schaltschrank einer Stranggussanlage bei der Installation

In der Stahlindustrie stellen die großen Entfernungen zwischen der Energieversorgung, der Steuerung und der Schaltgeräte für die Aktoren direkt im Feld eine Herausforderung dar. Bei diesen Anwendungen übernehmen zusätzliche Steuer- und Auswerteeinheiten verschiedene Überwachungsfunktionen und leiten die entsprechenden Rückmeldungen aus der Feldebene direkt an die Steuerungs- und Prozessleitebene weiter.

In Stahl- und Walzwerken findet die Ansteuerung von Stellantrieben, hydraulischen oder pneumatischen Magnetventil- Baugruppen besondere Beachtung, die meist weit entfernt von der Energieversorgung (z. B. DC-24-V-Netzteil oder Drehstrombrücke) sowie der zentralen Steuerung oder der dezentralen IO-Peripherie angeordnet ist. Grundsätzlich gilt, dass für alle Maschinen und komplexen Anlagen eine CE-Kennzeichnung nach der EG-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG vorgeschrieben ist. Dabei wird bei den häufig vorkommenden ungeerdeten Systemen (IT-Netze) in der Stahlindustrie gefordert, dass die elektrische Sicherheit durch die Einhaltung der DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1) nachgewiesen wird. Nach Abs. 9.4.3.1 – Erdschlüsse – müssen speziell in diesen IT-Systemen alle Strom führenden Leiter, insbesondere die Aktoren, zweipolig abgesichert und auch zweipolig geschaltet werden. Im Rahmen der genannten Überwachungen in der Stahlindustrie sind die zentralen Prozessinformationen:
• die Auswertung oder Überwachung der Anlagenverfügbarkeit vor und während des Betriebs von Magnetventilen,
• die Überwachung deren Verbindungsleitungen auf eine Länge von bis zu 400 m Entfernung inklusive der verwendeten Magnetventilstecker sowie
• die Kurzschluss- und Überlastüberwachung der Lastkreise.

Dabei haben zusätzliche Isolations- oder Spannungswächter die Aufgabe, einen Erdschluss zu detektieren oder die Versorgungsspannung auf Unter- oder Überspannung zu überwachen. Bei all diesen Überwachungsfunktionen gilt es, hohe Anforderungen bezüglich der Störanfälligkeit durch Umgebungseinflüsse, wie Wechselrichter, geregelte Antriebs- und Rückkopplungen, durch Schaltvorgänge zu beachten. In der Stahlindustrie sind Entfernungen von teilweise 300 m bis 400 m im Lastkreis durchaus gängige Praxis. Bei diesen hohen Leitungslängen wirken die in Kabelkanälen oder Kabelrinnen verlegten Leitungen wie sehr effektive Empfangsantennen. Diese „Antennen“ koppeln dann undefinierte Störimpulse auf die elektronischen Steuer- und Auswertmodule. Besonders kritische Störungen beim Betreiben und Überwachen induktiver Aktoren sind kapazitive Störimpulse, die der Induktivität direkt entgegenwirken. Diese auftretenden Störeinflüsse gilt es, elektronisch zu filtern, um aus den gesammelten Daten keine fehlerhaften Auswertungen bzw. Rückmeldungen abzuleiten. Bei den rauen Bedingungen in einer Stranggussanlage kommt das zweipolige, elektronische Schutzschaltrelais Typ E-1071-623 von E-T-A zum Einsatz (Bild 1). Das Gerät schaltet, steuert und überwacht Pneumatik- und Hydraulikventile sowie Magnetbremsen und Hubmagnete mit Nennspannung DC 24 V bis maximal 3,1 A (ca. 75 W) inklusive deren Zuleitung. Das Schutzschaltrelais ermöglicht die geforderten Überwachungsfunktionen, wie zweipolige Kurzschluss-/ Überlastabschaltung, Unter- und Überspannungsdetektierung, Drahtbrucherkennung bei unterschiedlichen Leitungslängen bzw. Leitungsquerschnitten, und ignoriert dabei gleichzeitig die beschriebenen Störeinflüsse.

Erhöhte Spannung für sicheren Betrieb
Zur Gewährleistung des Betriebs und der Überwachungsfunktionen wird die Einheit nicht mit der Verbraucher- Nennspannung von DC 24 V, sondern mit einer erhöhten Spannung von DC 48 V (DC 28 V bis 60 V) betrieben. Die Aktoren erhalten dabei durch eine elektronische Regelung genügend Leistung für das Einschalten und den Betrieb. Dies wäre mit einer reinen DC-24-V-Versorgung nur bei kürzeren Leitungslängen bzw. größeren Leitungsquerschnitten möglich. Die Spannungsverluste durch die Leitungsdämpfung wären zu groß für ein sicheres Einschalten des Aktors. Im Betrieb regelt das Gerät dann zur Verringerung der Spulentemperatur und damit zur Erhöhung der Lebensdauer auf eine geringere Halteleistung des Aktors elektronisch zurück. Der Steuereingang und die beiden Statusausgänge des Relais E-1071-623 für Betriebs- und Funktionsmeldung werden direkt mit den IO-Baugruppen der SPS verdrahtet. Dabei bedeutet ein High-Signal beim Meldeausgang „Funktion“, dass alle Rückmeldungen aus dem Feld sowie das Elektronik-Relais selbst störungsfrei arbeiten. Der Meldeausgang „Betrieb“ zeigt an, dass die SPS-Ansteuerung erfolgreich war und der ungestörte elektrische Betrieb des Magnetventils gewährleistet ist. Vorhandene Fehler werden über diese Ausgänge an die übergeordnete Steuerung übertragen. Das Schutzschaltrelais fungiert hier als Frühwarnsystem: Tritt vor der Ansteuerung eines Ventils zum Beispiel ein Leitungsbruch auf, erhält die Steuerung die Information „Anlagenteil nicht verfügbar“. So lässt sich ein fehlerhafter Anlagenteil frühzeitig vor dem Anfahren des Fertigungsprozesses erkennen. Dies ist wichtig, da bei defekten Anlagenkomponenten bereits gestartete Prozesse wie der Stranganguss nicht mehr einfach gestoppt werden können.

Typische Anwendungen
Eine typische Anwendung (Bild 2) des elektronischen Schutzschaltrelais in der Stahlproduktion ist die Stahlstrangbeförderung in einer Stranggussanlage sowie die Arretierung des Stahlstrangs durch Spannrollen. Diese werden durch Hydraulik-Ventile bewegt und angepresst. Die Spannrollen ermöglichen eine kontrollierte Bewegung des Strangs nach dem Stranggießen. Dabei ist eine Überwachung der Anlagenverfügbarkeit zwingend erforderlich. Beim Ausfall einer oder mehrerer Spannrollen wäre sonst eine sichere Beförderung des glühenden Stahlstrangs nicht mehr kontrollierbar. Im schlimmsten Fall könnte das noch flüssige Innere des Stahlstrangs diesen zum Platzen bringen. Mit möglichen fatalen Folgen wie einer sehr großen Brandgefahr, einem längeren Anlagenstillstand und einer aufwendigen Reparatur. Eine weitere Applikation in einer Brennschneidmaschine der Stranggussanlage ist das Abschneiden des Stahlstrangs zu einer Stahlbramme. Hauptaufgabe des Typs E-1071-623 ist hier die sichere Ansteuerung und zuverlässige Überwachung von Magnetventilen für die Freigabe der Kühlflüssigkeit, die Zufuhr von Brenngas und Sauerstoff. Auch in den Signier-/Markiermaschine einer Stranggussanlage findet man diese Geräte zur Ansteuerung und Überwachung von Freigabeventilen für die Bewegung der Maschine, von Ventilen zum Anpressen einer Entschlackungsrolle und zur Bewegung der Kennzeichnungsstempel. Schließlich ist auch die interne und externe Wasserwirtschaft der Stranggussanlage mit dem Schutzschaltrelais ausgestattet, um die Ansteuerung und Überwachung von Wasserventilen für Vor- und Rücklauf des Kühlwassers sowie von Spül- und Sperrventilen zu ermöglichen. Bei diesen Anwendungen realisiert das Gerät eine Überwachung der Anlagenverfügbarkeit. Damit die Prozesse laufen – und nicht die Instandhaltung. (hz)

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Autor:
Dipl.-Ing. Erich Fischer ist Leiter der Sparte Industry, Energy & Equipment bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf.
Erich.Fischer@e-t-a.de