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Evolution bei Schutzgeräten

01  Das Controlplex-System bietet maßgeschneiderten Schutz für Industrie 4.0

01  Das Controlplex-System bietet maßgeschneiderten Schutz für Industrie 4.0

02  Das Stromverteilungssystem Controlplex vom Typ SVS201-CP ­erfüllt die Anforderungen der Automatisierungstechnik im Hinblick auf selektiven ­Überstromschutz und optimierte Stromverteilung. Durch die integrierten ­Kommunikations-Schnittstellen zu Profinet oder Profibus-DP lassen sich damit zudem neue Konzepte für Energieeffizienz, Condition Monitoring und ­vorbeugende Instandhaltung realisieren

02  Das Stromverteilungssystem Controlplex vom Typ SVS201-CP ­erfüllt die Anforderungen der Automatisierungstechnik im Hinblick auf selektiven ­Überstromschutz und optimierte Stromverteilung. Durch die integrierten ­Kommunikations-Schnittstellen zu Profinet oder Profibus-DP lassen sich damit zudem neue Konzepte für Energieeffizienz, Condition Monitoring und ­vorbeugende Instandhaltung realisieren

03  Die Netzstruktur mit einem intelligenten Schutzgerät, das präventiv vor Eintreten des Fehlerfalls selektiv abschaltet

03  Die Netzstruktur mit einem intelligenten Schutzgerät, das präventiv vor Eintreten des Fehlerfalls selektiv abschaltet

Die vierte industrielle Revolution betrifft alle Bereiche in der Industrie. Für eine möglichst effiziente Produktion müssen alle möglichen Geräte miteinander kommunizieren. Damit dies nicht in einem Datenchaos endet, sollten die Kom­ponenten möglichst intelligent sein, die Daten vorverarbeiten und vielleicht sogar aus ihren Erfahrungen lernen. Schutzgeräte dürfen dabei natürlich nicht außen vor bleiben.

Der VDE Trend-Report 2016 [1] sieht Industrie 4.0 bei den Technologien mit hohem Potenzial bereits auf Platz 5 hinter Energieeffizienz, Elektromobilität, Batterie- und Speichertechnologien und Smart Grid. In der „Smart Factory“ der Zukunft sorgt die Vernetzung von Mensch und Maschine für hocheffiziente Produktionsprozesse. Ein Synonym zu „I4.0“ ist der in den USA geläufige Begriff „Internet der Dinge“ (Internet of Things, IoT). Er bezeichnet die Verknüpfung eindeutig identifizierbarer physischer Objekte (Dinge) mit einer virtuellen IT-Struktur. Dieses Netz besteht also nicht mehr nur aus menschlichen Teilnehmern, sondern auch aus Dingen. Das ist auch der Gedanke von „I4.0“: Der Mensch kommuniziert mit der Maschine und umgekehrt.
Dabei spielt die Verarbeitung sehr großer Datenmengen in Echtzeit eine wesentliche Rolle. Die Steigerung der Energieeffizienz auf der einen Seite muss einhergehen mit einer Erhöhung der Sicherheit. Dies gilt sowohl für die anfallenden großen Datenmengen (Stichwort: „Big Data“) als auch für die elektrische Sicherheit.
Eine wichtige Plattform für diesen Datenaustausch bildet das sogenannte Referenz-Architektur-Modell für I4.0 – kurz RAMI4.0. Nach vorgegebenen Regeln können dort alle I4.0-Komponenten über die vorhandenen IT-Strukturen und das Internet miteinander kommunizieren. Diese Plattform wurde 2016 als DIN SPEC 91345 veröffentlicht. „Für die lokale Vernetzung kommen bisher primär verschiedene drahtgebundene Feldbusse und Ethernet-basierte industrielle Kommunikationssysteme zum Einsatz.“ Für die Ende-zu-Ende-Kommunikation werden M2M-Protokolle wie OPC UA (IEC 62541) bevorzugt. Cloudbasierte Lösungen verlangen in Zukunft sichere mobile Verbindungen. Ethernet wird diese Anforderung erst mit Time-sensitive-Networks (TSN, IEEE 802.1) erfüllen. Beim Mobilfunk wird wohl 5G die geforderten Standards erfüllen [2].

Wie „intelligent“ müssen Komponenten heute sein?
Das Wort „Intelligenz“ meint die Fähigkeit, auch Botschaften zu erkennen, die sich erst durch Interpretation der Information und sich daraus ergebenden Schlussfolgerungen gewinnen lassen. Die reine Messung elektrischer Werte und eine anschließende Ausführung von Handlungen nach vorgegeben Algorithmen und Grenzwerten (z. B. Schalthandlungen) ist daher nicht im Wortsinne intelligent. Ein erster Schritt in Richtung Intelligenz sind adaptive Schutzalgorithmen, die veränderte Systemparameter erkennen und die Schutzparameter entsprechend anpassen. Dies können z. B. Schutzgeräte sein, die ihren Nennstrom an die gerade vorherrschenden Lastbedingungen anpassen.
Um zu verstehen, wie sich dezentrale „Intelligenz“ in elektrische Schutzgeräte integrieren lässt, sind zunächst die notwendigen Funktionen jedes Schutzgerätes für ein elektrisches System zu betrachten. Dies sind grundsätzlich sechs Funktionsblöcke:
• Schaltelement (zum ­Zuschalten und Unterbrechen des Energieflusses),
• Signalerfassung (im Normalfall der Strom, kann aber auch zum Beispiel Spannung oder Temperatur sein. Außerdem kann es sich auch um mehrere Signale handeln),
• Signalverarbeitung (zur Umwandlung des gemessenen ­Signals in verwertbare Informationen über den Systemzustand) plus Schnittstelle (Bus, WLAN),
• Aktuator (zum Aktivieren des Schaltelementes bei gefährlichen Systemzuständen),
• Energiespeicher (zum Speichern von Aktivierungs-Energie für das Schaltelement) und
• Betätigungselement (zum Zuschalten und Unterbrechen des Energieflusses unabhängig vom Zustand des zu schützenden elektrischen Systems).
Das Schaltelement kann ein mechanischer Kontakt, eine Trennstelle im Falle der Sicherung oder ein Halbleiter sein. Auch Kombinationen sind möglich, wie bei einem hybriden Schutz. Hierbei werden durch Parallelschaltung von elektrischem Kontakt und Halbleiter die Vorteile beider Systeme geschickt genutzt. Die Signalerfassung dient zur Bereitstellung der Parameterwerte, die für das Schutzziel verwendet werden sollen. Neben einem speziellen Stromsensor enthält das Gerät auch einen Micro-Controller zur Signalverarbeitung, der das Stromsignal im Zeit- und im Frequenzbereich analysiert und so zum Beispiel in der Lage ist, Störlicht­bögen von normalen Betriebszuständen zu differenzieren.

Effiziente Systemlösungen für die Energieversorgung
Das im Juli 2016 unter Mitwirkung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA gestartete Verbundvorhaben „DC-Industrie“ hat das Ziel, für ein intelligentes offenes DC-Netz in der Industrie zu sorgen. Am Ende sollen hocheffiziente Systemlösungen in der elektrischen Versorgung einer Industrie-Anlage stehen. Ein Gleichspannungsnetz mit DC 600 V soll die Wechselspannungsversorgung mit AC 230 V ersetzen. Dies erfordert natürlich auch neue „smarte“ Lösungen für die eingesetzten Schutzkomponenten.
Durch die hohe Gleichspannung entstehen neue Gefährdungspotenziale für Mensch und Maschine. Diese verlangen nach innovativen, schlauen „Smart Devices“. Die Geräte müssen in der Lage sein, den bidirektionalen Energiefluss im Fehlerfall „smart“ zu unterbrechen, dürfen aber auf der anderen Seite nur die betroffenen Anlagenteile selektiv abschalten, um Stillstandzeiten klein zu halten. Ebenso müssen sie in der Lage sein, mit allen anderen beteiligten Anlagenteilen zu kommunizieren, um notwendige Daten zur Fehlerbehebung sofort an die dafür zuständigen Stellen zu leiten.
Auch die Steuerungsseite, die mit DC 24 V arbeitet, benötigt entsprechend smarte Schutzgeräte. Ziel ist es, im Fehlerfall schnell und zuverlässig nur die fehlerhaften Anlagenteile energielos zu schalten, die zerstört werden könnten. Alle anderen Teile einer Produktion müssen weiterarbeiten. Schließlich sind hohe Verfügbarkeit und Energieeffizienz primäre ­Ziele einer profitablen Industrieanlage.
Diese Anforderungen erfüllt das Controlplex-System (Bild 1) von E-T-A. Es besteht aus einem Bus-Controller, einem Stromverteilungssystem für bis zu 24 Steckplätze (Bild 2) und parametrierbaren, elektronischen Sicherungsautomaten der ESX-Reihe. Es bietet Statuserfassung zum Beispiel via Profinet, Stromverteilung bis zu 40 A bei geringem Verdrahtungsaufwand sowie selektiven Überstromschutz mit integrierter Strombegrenzung. Die Parametrierung ist dabei auch über eine USB-Schnittstelle möglich.

Präventive Maßnahmen
Als nächsten logischen Schritt gilt es, die Gefahr zu erkennen, bevor sie entsteht. Die Schwachstelle bei fast allen Maschinen sind die Lager. Diese sind auszutauschen, bevor größerer Schaden entstehen kann. Sensoren überwachen die Schwingungsspektren von Achsen und Lagern und leiten daraus Strategien zur vorbeugenden Instandhaltung ab. So gibt es dank „Predictive Maintenace“ in der „Smart Factory“ keine Maschinenausfälle mehr [3].
Die nächste Stufe der Evolution heißt „Machine Learning“. Diese Methode der Datenanalyse automatisiert die analytische Modellbildung. Deren Algorithmen sind in der Lage, iterativ aus Daten zu lernen. So werden im System versteckte Erkenntnisse gewonnen, ohne die Geräte speziell darauf zu programmieren. Das „schlaue“ Gerät ist also nicht nur intelligent, sondern lernt aus dem, was es „sieht“ und „hört“ und erweitert die eigene Software selbstständig. Dies kommt der Funktionsweise des menschlichen Gehirns schon sehr nahe und wird auch als künstliche Intelligenz (KI) bezeichnet.
Wenn man diese Betrachtungsweise auf elektrische Schutzgeräte anwendet, werden Geräte angestrebt, die Fehler, wie Schmorstellen durch Überhitzung an Kabel und Leitungen zu erkennen, bevor es zu Kurzschluss oder Brand kommt. Solche „schlauen“ vorausschauenden Schutzgeräte sind mit adaptiven Schutzalgorithmen ausgestattet, die aus der Vergangenheit lernen und dieses gelernte Wissen in der Zukunft für die Optimierung des Schutzes verwenden.
Ein Programmierer wird also in Zukunft den Source-Code „seiner“ Geräte nicht wiedererkennen, wenn diese ­einige Zeit in einem System eingebaut waren. Der Ansatz für ein solches Gerät ist in Bild 3 skizziert [4]. Das Forschungsprojekt „Vorausschauende Schutzgeräte für Gleichspannungsnetze“ erarbeitet aktuell die Grundlagen dafür [5]. Noch sind diese Überlegungen in der Anfangsphase. Doch die Forschungsergebnisse haben Praxisbezug und ­können die Realität schnell überholen! (no)

Literatur
[1] VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. (2016): VDE-Trendreport 2016 Internet der Dinge/Industrie 4.0. Technologien – Anwendungen – Perspektiven. Frankfurt/M.: www.vde.com
[2] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): ­Diskussionspapier. Netzkommunikation für Industrie 4.0, April 2016, Berlin: www.bmwi.de
[3] Schlott, S.: Stillstand Zero. ZVEI Ampère 1.2016
[4] Strobl, C.: Predictive Circuit Protection for DC Grids. 28th International Conference on Electrical Contacts ICEC2016, 6th to 9th June 2016, Edinburgh/UK
[5] Projekt „Vorausschauende Schutzgeräte für Gleichspannungsnetze“ der Bayrischen Vorschungsstiftung: www.forschungsstiftung.de

Peter Meckler leitet das Innolab bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf. peter.meckler@e-t-a.de

Peter Meckler leitet das Innolab bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf. peter.meckler@e-t-a.de