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Diagnosefähiger Überstromschutz in Steuerspannungskreisen

01  Die klassische Auswertung per Summen­signalisierung funktioniert beispielsweise mit dem elektronischen Sicherungsautomaten ESX10-T  für DC 24 V sowie bei Leitungsschutzschaltern  für AC 230 V

01  Die klassische Auswertung per Summen­signalisierung funktioniert beispielsweise mit dem elektronischen Sicherungsautomaten ESX10-T für DC 24 V sowie bei Leitungsschutzschaltern für AC 230 V

Jeder Anlagenbetreiber hat das Ziel hoher Maschinenverfügbarkeit bei möglichst geringen Kosten in Anschaffung und Unterhalt. Sobald die Maschine jedoch steht, muss schnell eine Lösung her, da jede Minute Stillstand Geld kostet. Deshalb ist eine schnelle Diagnose des Fehlers von großer Bedeutung, vielleicht sogar die Möglichkeit, den Fehler im Sinne von Predictive Maintenance vor seinem Auftreten zu beheben. Eine effiziente Diagnose des Überstromschutzes hilft dabei, die Maschinenverfügbarkeit möglichst dauerhaft zu sichern.

02  Der REXD12-T im Verbund mit einem IO-Link-Koppel­modul und Anbindung an eine Steuerung

02  Der REXD12-T im Verbund mit einem IO-Link-Koppel­modul und Anbindung an eine Steuerung

03  Das Controlplex-Board – hier mit Profinet-Schnittstelle – kombiniert selektiven Überstromschutz, Stromverteilung  von Lastkreisen sowie das Schalten bzw. Rücksetzen von Lastkreisen mit der Kommunikationsfähigkeit zu übergeordneten Steuerungssystemen

03  Das Controlplex-Board – hier mit Profinet-Schnittstelle – kombiniert selektiven Überstromschutz, Stromverteilung von Lastkreisen sowie das Schalten bzw. Rücksetzen von Lastkreisen mit der Kommunikationsfähigkeit zu übergeordneten Steuerungssystemen

Die Diagnose im Steuerspannungskreis lässt sich auf verschiedene Weise realisieren. Als elektronische Lösungen noch teuer waren, wurden Schließern bzw. Öffnern häufig via Summensignalisierung über den digitalen Eingang einer SPS ausgewertet. Dieser klassische Ansatz funktioniert bei Geräten, Sensoren und auch Schutzschaltern immer dann, wenn das Gerät über einen Schließer bzw. einen Öffner ­verfügt, der die Signalisierung im Fehlerfall sicherstellt.

Für eine möglichst effiziente Meldung werden die Sig­nale dann häufig in einer Reihenschaltung mittels einfacher ­Verdrahtung zusammengefasst. Im Fehlerfall geht so eine Fehlermeldung unmittelbar an die SPS weiter. Diese Lösung ist auf der Sensorebene einfach zu verdrahten und verbraucht auf der Steuerungsseite nur wenige digitale Eingänge. Allerdings ist der Informationsgehalt der Signalisierung auch denkbar gering. Der Diagnosefähigkeit sind enge Grenzen gesetzt. Sie geht über eine reine Fehlermeldung nicht hinaus und man erhält keinen Hinweis auf den ausgefallenen ­Kanal. Zum Einsatz kommt die Summensignalisierung vor allem bei Sensoren und Schaltgeräten mit einer elektromecha­nischen und einer elektronischen Signalgebung (Bild 1).

Einzelauswertung mittels Manchester-Codierung

Ein etwas komfortablerer Weg ist die Einzelauswertung ­mittels Manchester-Codierung der Signale auf einer zwei­adrigen Leitung für die digitalen Eingänge einer Steuerung. Dies funktioniert mithilfe von Koppelbausteinen, über die die einzelnen Geräte verbunden sind und die die Sammel­signalisierung steuern. Nach dem sogenannten Manchester-Code geht eine Signalfolge an die digitalen Eingänge einer SPS. Daraus kann die Steuerung auslesen, in welchem Kanal der Fehler vorliegt. Das ermöglicht eine Zuordnung des Ausfalls direkt zum fehlerhaften Gerät. Der Manchester-Code wird auf Basis des AS-Interfaces als „Actuator ­Sensor Interface“ auf der Sensorebene verwendet und kommt schon seit 1990 in der Industrie vor.

Bei einer zweiadrigen Leitung wird auf ein Taktsignal ein Datensignal aufmoduliert, und dann die Signalleitung ­ausgewertet. Im Wesentlichen kann damit auch eine Signalfolge von Schließern und Öffnern überwacht werden, unabhängig, ob diese elektromechanisch oder elektronisch erzeugt werden. Doch auch hier sind der Information Grenzen gesetzt. Neben dem Ausfall und der Kanalzuordnung lassen sich keine weiteren Angaben über den Schutzschalter übermitteln.

Auswertung via IO-Link auf der Sensorebene

Im Vergleich zu einer Zweidrahtlösung stellt IO-Link eine echte digitale Kommunikationsschnittstelle zwischen Sensorebene und Steuerung dar. Mit zunehmender Intelligenz in Sensoren, Aktoren und Schutzschaltern besteht mehr und mehr auch die Möglichkeit, die Geräte zu programmieren, selbst zu parametrieren und auch Werte auszulesen. Die Digitalisierung erlaubt somit neben einer reinen Fehlermeldung auch das Auslesen genauer Informationen zu den Fehlern, was die Diagnosefähigkeit deutlich erhöht.

Außerdem lassen sich auch Warnschwellen oder verschiedene Parameter festlegen. So erfolgt eine Meldung nicht nur im Fehlerfall, sondern auch schon bei festgelegten Schwellen – wie einer 80-%-Grenze. Dies ermöglicht eine echte ­Überwachung und eine vorausschauende Diagnose auf Basis ­kontinuierlich auslesbarer Messwerte.

Durch die kontinuierliche Messung sowie die Über­wachung von Warnschwellen erhält der Nutzer die Möglichkeit einer sicheren Kontrolle des Prozesses. Er ist nicht mehr nur auf die Meldung im Fehlerfall angewiesen. Die Über­wachung von Schwellenwerten erlaubt die vorausschauende Planung von Wartung und Instandhaltung. Der Nutzer kann damit dem Fehler im besten Fall vorgreifen und ihn vermeiden. Durch diese Diagnosefähigkeit auf sehr hohem Niveau kann der Bediener sehr detailliert verstehen, was passiert und den Fehler schnell beheben. Angesichts des ­guten Preis-Leistungs-Verhältnisses von IO-Link ist die ­fehlende Echtzeitüberwachung durch die geringe Band­breite bzw. Übertragungsgeschwindigkeit der einzige Nachteil des Systems.
Eine wirtschaftliche Lösung auf diesem Gebiet hat E-T-A mit dem elektronischen Sicherungsautomaten REXD12-T (Bild 2) im Programm. Dieser kombiniert Überstromschutz im DC-24-V-Bereich mit einer hohen ­Diagnosefähigkeit mittels IO-Link-Anbindung.

Auswertungen auf Feldbusebene

Moderne Konzepte der Maschinensteuerung basieren heute im Wesentlichen auf Feldbussen, wie Profibus, CAN oder Modbus, sowie auf ethernetbasierten Feldbussen. Gerade letztere bieten durch ihre hohe Übertragungsgeschwin­digkeit und große Bandbreite eine Datenübertragung in Echtzeit. Was für Maschinen aufgrund der immer weiter steigenden Anforderungen an Performance und Diagnose heute Stand der Technik ist, zeigt sich für Sensorik sowie Schutzschalter aus Kostengründen noch eher als Ausnahme. Ein Feldbusknoten mit Anbindung an die Sensorik ist zwar leicht zu realisieren, jedoch benötigt man auch die entsprechend hohe Abtastgeschwindigkeit im Sensor/Aktor, um die Leistung des Feldbusses nutzen zu können.

Die hohe Performance ist mit entsprechenden Kosten verbunden, wenn man Sensoren und Aktoren mit performanten Micro-Controllern und Feldbusanschaltungen ­ausstatten will. Damit bleibt immer abzuwägen, welche ­Diagnosefähigkeit die Maschine im Vergleich zu den entstehenden Kosten benötigt.

Speziell im Anlagenbau mit verteilten dezentralen Energieverteilern sieht man den Trend, doch die Kommunika­tionslösungen mit hochwertigen Feldbussen zu nutzen. Sie vereinen gute Anbindung, hohe Diagnosefähigkeit und schnelle Auswertung. E-T-A unterstützt diesen Trend mit dem ­Controlplex Board SVS201-CP (Bild 3). Das besteht aus dem Bus-Controller CPC10, dem Stromverteilungssystem SVS201-PWR für acht, 16 oder 24 Steckplätze sowie den parametrierbaren, elektronischen Sicherungsautomaten ESX50D. Die Auswertung erfolgt hier mittels Profibus/Profinet.

Aufbau einer zweiten Informationsebene

In der Zukunft sind neben einer Auswertung über die Steue­rung auch weitere Ansätze gut vorstellbar. So kommen an vielen Maschinen neben den Feldbussen auch mehr und mehr Service-Schnittstellen zum Einsatz. Deshalb ist es durchaus vorstellbar, hier eine parallele Datenkommunikation zum Beispiel in der Cloud aufzubauen. Dort lassen sich dann durch unidirektionale Verbindungen die Maschinen und Anlagen auswerten. Entsprechend schnell und einfach stehen diese Informationen auch dem Betreiber, Bediener und Instandhalter zur Verfügung. Dies kann durch ent­sprechende Algorithmen auch aktiv und vorausschauend erfolgen. Ziel ist es auch hier, die Maschinenverfügbarkeit so hoch wie möglich zu halten und Ausfallzeiten weitest­gehend zu vermeiden. (no)

www.as-interface.net
www.io-link.com
www.e-t-a.de


Ralf Dietrich ist Leiter Markt- und Produkt­entwicklung bei der E-T-A Elektrotechnische ­Apparate GmbH in Altdorf.

Autor:
Ralf Dietrich ist Leiter Markt- und Produkt­entwicklung bei der E-T-A Elektrotechnische ­Apparate GmbH in Altdorf.