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Automatisierung wird durch starken Anstieg bei den vernetzten Geräten erreicht: Ausgabe 16/2019, 09.10.2019

Stromversorgung und -überwachung im Zeitalter von Industrie 4.0

Die Industrie 4.0 erreicht immer mehr Branchen und unterstützt die globale Fertigungs- und Prozessindustrie dabei, höhere Produktivitätsraten und Anlagenrenditen zu erzielen. Dies bildet die Grundlage des Konzepts der «intelligenten Fabrik». Das hat auch Auswirkungen auf die Stromversorgung, die durch diesen technologischen Wandel ebenfalls verändert wird.

Bilder: Distrelec

Die fortschreitende Automatisierung in der intelligenten Fabrik wird durch einen starken Anstieg bei den vernetzten Geräten erreicht, den der zunehmende Einsatz von Ethernet als industrielles Kommunikationsprotokoll ermöglicht. Während in der Industrie der Vernetzung von Sensoren, Antrieben, Speicherprogrammierten Steuerungen, SPS, sowie Cybersystemen viel Aufmerksamkeit zukommt, wird oft vergessen, dass die herkömmliche Stromversorgung durch diese Technologien ebenfalls verändert wird.

Automatisierte, intelligente und vernetzte Stromversorgungen
Angesichts des zunehmenden Fokus auf Produktivität, Effizienz und lange Betriebszeiten sorgen automatisierte, intelligente und vernetzte Stromversorgungen dafür, dass Energie zuverlässig und stabil zur Verfügung steht, wenn sie benötigt wird. Aufgrund der ISO:50001-Norm, die von Unternehmen eine kontinuierliche datengestützte Verbesserung der Energieeffizienz fordert, spielen ausserdem intelligente Stromversorgungen eine wichtige Rolle.

Es beginnt bei der Installation
Im Gegensatz zu SPS, Relaissystemen und anderen Prozesssteuerungsgeräten werden Stromversorgungen selten in einen gut ausgeleuchteten Schrank auf Augenhöhe platziert. Stattdessen sind sie häufiger im unteren Bereich von Geräte-Racks oder irgendwo an der Rückwand zu finden. Dadurch war die Inbetriebnahme von Stromversorgungen bisher sehr umständlich, da Zähler und Potentiometer unter Verwendung einer Taschenlampe gelesen und eingestellt werden mussten. Die Implementierung der Nahfeldkommunikation (NFC) erleichtert die Aufgabe der Installationsteams durch die Vereinfachung von Installation und Inbetriebnahme von Stromversorgungseinheiten.

Die Vorteile der NFC-Technologie
NFC ist eine Konnektivitätstechnologie mit kurzer Reichweite, die elektromagnetische Felder statt Funkübertragungen verwendet. Zu den Eigenschaften der NFC zählen ein geringer Stromverbrauch und niedrige Kosten. Ausserdem hat die NFC aufgrund ihrer inhärenten Konzeption eine eingeschränkte Reichweite. Dadurch wird Data Snooping aus der Ferne verhindert, das bei anderen WirelessProtokollen auftreten kann. Ein NFC-fähiges Gerät, z.B. ein Handy, fungiert als aktives Lesegerät, während ein NFC-Tag in das Zielsystem integriert wird. NFC-fähige Tags funktionieren ähnlich wie Dual-Port-Speicher, wodurch der Datenaustausch zwischen einem eingebetteten System und dem NFC-fähigen Mobilgerät erleichtert wird.
Werden Geräte, Maschinen oder Motorsteuerungen mit NFC ausgestattet, ist es möglich, eine telefongestützte Fernanzeige für erweiterte Interaktionen hinzuzufügen. Die Anzeige auf einem Tablet oder Laptop des Installateurs kann helfen, Aufgaben zu vereinfachen, z.B. Überprüfung oder Änderung von Parametern, Überprüfung von Kalibrierungen, Anpassung von Einstellungen oder Überwachung von Aktivitäten.

Quint-Stromversorgungen verfügen über intelligente Funktionen
Die Stromversorgungen der Produktreihe Quint4 von Phoenix Contact verfügen über NFC-Technologie, was die Einrichtung über einen PC oder ein tragbares Gerät erleichtert. Mit der QUINT POWER-App für Android oder der QUINT POWER-Software für Windows können Benutzer Signalschwellenwerte für die präventive Funktionsüberwachung festlegen, die Ausgangsspannungen einstellen und die Ausgangskennlinien individuell definieren.
Quint-Stromversorgungen verfügen ausserdem über eine Reihe von intelligenten Funktionen, darunter Power Boost und Selective Fuse Breaking Technology (SFB), die Supportinformationen und Frühwarnmechanismen bieten und somit die effizienteste Nutzung der verfügbaren Energie ermöglichen.

Echtzeitüberwachung wird immer entscheidender
Der zunehmende Einsatz von Ethernet als industrielles Kommunikationsprotokoll hat bei der Entwicklung der intelligenten Fabrik eine entscheidende Rolle gespielt. In diesem Bereich wurde eine Reihe verschiedener Ethernet-basierter Protokolle, z.B. EtherNet/ IP, Profinet und Profibus, implementiert, was die Kommunikation über ein gemeinsames Netzwerk für eine Vielzahl von Geräten, einschliesslich Stromversorgungen, ermöglicht.
Vernetzte Stromversorgungen können über das Steuerungssystem der Fabrik verschiedene Parameter austauschen, was die Ausgabe automatischer Warnmeldungen ermöglicht. Gerätedaten können auch aus der Ferne abgerufen werden. Darüber hinaus bieten die Geräte Transparenz in Bezug auf Energiedaten für ISO:50001-Audits. Diese Daten können auch in vorausschauende Wartungslösungen eingespeist werden.

Zwei Beispiele für vernetzte Stromversorgungssysteme
Die Serie SITOP PSU8600 von Siemens sowie Omrons S8VK-K sind Beispiele für vernetzte Stromversorgungssysteme, die Diagnose- und Wartungsinformationen über Ethernet bereitstellen. Die Serie SITOP PSU8600 ist modular aufgebaut und erlaubt eine einfache Erweiterung der Basiseinheit mit einer Reihe von Modulen, einschliesslich Erweiterungsmodulen, Puffermodulen und unterbrechungsfreien Stromversorgungen, über das SystemClip-Link-Steckverbindersystem. Es können maximal sechs Module in beliebiger Reihenfolge verwendet werden. Dies ermöglicht die Implementierung eines komplexen Stromversorgungssystems mit bis zu 20 Ausgängen.
Die PSU8600-Basiseinheit verfügt über zwei Industrial Ethernet-/PROFINET-Ports, wodurch die Stromversorgung in bereits vorhandene Automatisierungsnetzwerke integriert werden kann. Das Gerät verfügt zudem über einen integrierten Web-Server, der die Fernüberwachung sowie Bereitstellung von Echtzeitdaten und Störungswarnungen ermöglicht. Spannungs- und Stromstärken für einzelne Ausgänge können aus der Ferne eingestellt und selektiv abgeschaltet werden, was den Umgang mit einem Kurzschluss oder einer Überlast ohne vollständige Systemabschaltung erlaubt. Das S8VK-X von Omron kann man ebenfalls fernüberwachen, und es bietet als Besonderheit die End-of-Life-Überwachung (EOL). Diese stützt sich auf eine Berechnung des Verschleisses des internen Elektrolytkondensators, basierend auf dessen Temperatur im Laufe seiner Lebensdauer. Eine Schätzung der verbleibenden Lebensdauer der Stromversorgung wird auf dem Display sowie über das Netzwerk angezeigt, was eine echte vorausschauende Wartung unterstützt.

Stromverbrauch und Lastverteilung überwachen mit Systemschutz
Ein erheblicher Anteil der Industriekosten ist auf Energie zurückzuführen, wobei elektrisch betriebene Systeme fast 70 % aller Energieanforderungen ausmachen. Durch Lastverteilung und Lastplanung sind erhebliche Energieeinsparungen möglich. Intelligente Stromversorgungssysteme sind dabei unabdingbar für ein komplexes Lastmanagement. Geräte wie die modularen Kompaktleistungsschalter der Siemens Produktreihe 3VA2 können beim Entwerfen intelligenter Stromversorgungssysteme eingesetzt werden, die vor Betriebsstörungen und Abschaltungen durch Spannungsschwankungen geschützt sind.

Modularer Kompaktleistungsschalter Siemens 3VA2
Die modulare Serie der 3VA-Kompaktleistungsschalter unterstützt eine Vielzahl von Anwendungen, einschliesslich Stromüberwachung, Systemsicherheit, Anwendungsüberwachung und Ermittlung von Einsparungen. Neben den integrierten Messfunktionen liegt die Stärke der 3VA-Serie in ihren Kommunikationsmöglichkeiten. Der COM800-Datenkonzentrator kann bis zu acht Schutzschalter miteinander verbinden und ihren Status über ein Netzwerk mithilfe einer Vielzahl von Protokollen wie Profinet, Profibus, Modbus TCP und Modbus RTU übertragen, um Informationen wie spezifische Auslösedaten und -historie, Minimal- und Maximalstrom, Spannungswerte und Strombedarf zu übermitteln.

Beispiele Bürogebäude und Rechenzentren
Bei einem typischen Bürogebäude wird beispielsweise eine Reihe von Lasten ständig genutzt, z.B. Lüftungsanlagen, Kompressoren, Pumpen, Aufzüge und Beleuchtung. Die Motorschutzversionen der Serie 3VA2 können diese Lasten selektiv überwachen und einen ungewöhnlich hohen Stromverbrauch anzeigen. Auf diese Weise können Spitzenlasten erkannt und durch Änderung des Verbraucherverhaltens oder durch den Austausch von Geräten, die zu viel Energie verbrauchen, vermieden werden.
In Rechenzentren erfordern Hochverfügbarkeits-Servicelevel einen störungsfreien Betrieb, und der Schutz sensibler Systeme ist entscheidend. Hier können die modularen 3VA2-Kompaktleistungsschalter verwendet werden, um den Stromverbrauch zu messen und das Lastmanagement zu unterstützen. Regelmässige Energieaudits, wie sie von der europäischen Gesetzgebung vorgeschrieben sind, erfordern umfassende Aufzeichnungen zum Stromverbrauch von Systemen, Subsystemen und Einzellasten. Wenn sie zusammen mit übergeordneten Systemen wie beispielsweise der Powermanager-Software  von Siemens verwendet werden, unterstützen 3VA2-Kompaktleistungsschalter die Erfassung von wichtigen Stromverbrauchsdaten, die dann für Dokumentationen und kostenstellenbezogene Abrechnungen verarbeitet werden können.

Zusammenfassung
Die Einführung von Netzwerktechnologien revolutioniert die Einrichtung, Überwachung und Wartung von Stromversorgungen. Der auf RFID-Technik basierende internationale Übertragungsstandard NFC (Near Field Communication = Nahfeldkommunikation) unterstützt einen schnelleren und präziseren Einrichtungsprozess von Stromversorgungen, insbesondere in den dunklen Ecken eines Schaltschranks. Die Ethernet-Unterstützung ermöglicht eine Fernüberwachung und -steuerung in Echtzeit, wodurch die Energieeffizienz verbessert und Ausfallzeiten verringert werden können.
Unabhängig davon, wie komplex ein Automatisierungssystem ist, gibt es eine Reihe von Lösungen, die die Installation und Überwachung von Stromkomponenten erleichtern, mit erweiterten Funktionen wie EOL-Überwachung, (EOL = End of Life) die Unterstützung im Bereich der vorausschauenden Wartung bieten.

Infoservice
Distrelec
Grabenstrasse 6, 8606 Nänikon
Tel. 044 944 99 11, Fax 044 944 99 88
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Dem zunehmenden Stromverbrauch im Zeitalter der Industrie 4.0 muss man mit intelligenten, energieeffizienten Lösungen begegnen


Die SITOP PSU8600 ist modular aufgebaut und erlaubt eine einfache Erweiterung der Basiseinheit mit Modulen


Die primär getakteten Stromversorgungen der Produktreihe Quint4 von Phoenix Contact verfügen über NFC-Technologie


Der 3VA2-Kompaktleistungsschalter kann über einen COM800-Datenkonzentrator in ein Netzwerk eingebunden werden


Die Stromversorgungen der S8VK-Produktreihe bieten eine End-of-Life-Überwachung (EOL) für den internen Kondensator