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www.sps-magazin.de Sichere Automation ® Huawei Technologies Deutschland GmbH 206 Tipps zum Schaltschrank-Innenausbau 208 Anlagenproduktivität und Business Intelligence verknüpfen 203 IEZ61439 - konforme Planung von Schaltschränken Schützen, filtern, anpassen, stabilisieren – Multitalent Industrie-USV ab Seite 199 Hintergrund: © SeanPavonePhoto - fotolia.com | Produktbild: Huawei Technologies Deutschland GmbH

Schützen, filtern, anpassen, stabilisieren – Multitalent ... · Unterbrechungsfreie Stromversorgungen 200 Ausgabe SPS-Special 2015 völlig von den üblichen Bauformen abweicht,

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206 Tipps zum Schaltschrank-Innenausbau

208 Anlagenproduktivität und Business Intelligence verknüpfen

203 IEZ61439 - konforme Planung von Schaltschränken

Schützen, filtern, anpassen, stabilisieren – Multitalent Industrie-USVab Seite 199

Hintergrund: © SeanPavonePhoto - fotolia.com | Produktbild: Huawei Technologies Deutschland GmbH

Wöhrle Innentitel.indd 1 06.11.2015 08:44:12

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Unterbrechungsfreie Stromversorgungen

200 Ausgabe SPS-Special 2015

völlig von den üblichen Bauformenabweicht, finden sich auch eigensentwickelte Industrie USV-Anlagen.Welches Gerät auch zum Einsatzkommt: Wichtig ist, dass die Umge-bungsbedingungen vorher erfasstund bewertet werden und das einge-setzte System den Anforderungenstandhalten kann.

Multitalent USV

Unterbrechungsfreie Stromversorgun-gen wirken Ausfällen, Schwankun-gen, Störungen und anderen Proble-men der Spannungsversorgung aktiventgegen und sichern so eine saubereund kontinuierliche Stromversorgungfür die angeschlossene Last. Seit 2003gibt es eine eindeutige Kennzeich-nung von Funktionsprinzip und Fähig-keiten einer USV-Anlage. Die IEC-Norm 62040-3 sorgt für Eindeutigkeitindem ein Code nach dem MusterXXX-YY-123 detailliert über die Artund Eigenschaften der USV Auskunftgibt. Die erste Buchstabengruppe be-

schreibt die Betriebsart, die zweiteBuchstabengruppe definiert die Kur-venform der Ausgangsspannung undder Ziffernblock am Ende legt Grenz-werte für die Abweichung der Aus-gangsspannung bei verschiedenenStörungsarten fest. Die Betriebsart VFIstellt die höchste Anforderung dar, sieverlangt, dass die Ausgangsspannungunabhängig von Schwankungen derEingangsspannung- und Frequenzbleibt. Das entspricht in etwa demwas früher als Doppelwandler oderOnline-USV bezeichnet worden wäre.Eine Stufe tiefer ist die Klasse VI an-gesiedelt, sie erfüllt die Anforderungden Ausgang frei von Änderungender Eingangsspannung zu halten, derAusgang läuft jedoch synchron zurNetzfrequenz. Das Kürzel VFD bezeichnet Offline-Geräte, sie schüt-zen nur vor drei von zehn in der IEC-Norm definierten Störungen. In derIndustrie werden mittlerweile auf-grund der Anforderungen an dieSchutzwirkung praktisch nur nochVFI-Anlagen genutzt.

Industrie 4.0 wird in der öffentli-chen Wahrnehmung gern als Start-schuss für die Digitalisierung in Pro-

duktionsumgebungen gesehen. DochComputer gehören schon länger zurStandardausstattung in der Produk-tion. Und seither gibt es auch die An-forderung, die Computer gegenSpannungsspitzen, Stromausfälle undStörungen im Stromnetz abzusichern.Diese Aufgabe wird optimal durchunterbrechungsfreie Stromversorgun-gen (USV) gelöst. Frühe Implementie-rungen nutzten oft eine Standard-USV aus dem Rechenzentrum oderdem IT-Bereich. Die unter Umständendeutlich raueren Umgebungsbedin-gungen sorgten aber dafür, dass sol-che Systeme nicht lange ordnungsge-mäß arbeiteten. Heute basieren zwarimmer noch viele Industrie USV-Anla-gen auf Anlagen aus dem Rechenzen-trum, sie werden aber in den relevan-ten Bereichen an die Anforderungeneiner Industrieumgebung angepasst.Für spezielle Anwendungsfälle, bei-spielsweise dort, wo der Formfaktor

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen sind in der Produktion keineswegs erst seit Industrie 4.0 ein wich-tiges Element der Sicherheitsstrategie. Waren es früher vor allem leicht angepasste Produkte aus dem Re-chenzentrum, kommen heute speziell entwickelte und optimal an die Umgebung und die Last abgestimmteGeräte in der Fertigung zum Einsatz.

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Industrie-USV

Schützen, filtern, anpassen, stabilisieren

Halle 4Stand 361

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Unterbrechungsfreie Stromversorgungen

201Ausgabe SPS-Special 2015

rokko sind es 127V. Man muss nochnicht einmal weit in die Ferne schwei-fen, um exotische Spannungs- undFrequenzwerte zu finden: In Europaarbeiten Eisenbahnnetze mit 16,7oder 22Hz, auch diese Frequenzenwollen bereit gestellt sein. Für einendeutschen Maschinenbauer sind sol-che Gegebenheiten ein massives Ex-porthindernis. Mit der falschen Netz-spannung lässt sich keine Maschinekompatibel betreiben. Mit einer USV-Anlage mit großem Eingangsbereichhingegen, müssen Exportmodellenicht geändert oder separat entwi-ckelt werden. Je stärker die Eingangs-werte für Spannung und Frequenzschwanken dürfen, desto universellerkann die USV verbaut werden. Hoch-wertige Anlagen verkraften Schwan-kungen zwischen 35 und 70Hz, undhalten trotzdem die gewünschte Aus-gangsfrequenz stabil. Kurze Spa-nungseinbrüche werden über dieKondensatoren in der DC-Strecke ab-gefangen.

Knackpunkt Akkutechnik

Wenn die USV-Anlage Einbrüche vonmehr als einigen Millisekunden abfan-gen soll, kommt man nicht um Akkusals Pufferspeicher herum. Nach wie vorsind Bleiakkus die Technologie der Wahlfür das Backup bei USV-Anlagen. Dochdie Energiespeicher sind empfindlicherals man denkt. Am wohlsten fühlen Siesich bei konstanten 20°C Raumtempe-ratur und nur dann gilt auch die vomHersteller angegebene Lebensdauer.Hitze, Kälte, Feuchtigkeit – bei diesenFaktoren verkürzt sich das Intervall, bisein Bleiakku ausgetauscht werdenmuss, drastisch. USV-Anwender solltenwissen, dass Akkus in unterschiedliche

Klassen eingeordnet werden, meistnach den 1992 von der Eurobat-Orga-nisation (www.eurobat.org) herausge-gebenen Kriterien. Sie definieren dieKategorien „Standard-Commercial“ mit3 bis 5 Jahren, „General-Purpose“ mit6 bis 9 Jahren, „High-Performance“ mit10 bis 12 Jahren und „Longlife“ für Le-bensdauern von 12 Jahren und darü-ber. Doch auch hier wird die Lebens-dauer nur für die Nenntemperatur von20°C angegeben. Wie stark eine er-höhte Temperatur auf das Wartungsin-tervall einwirkt, zeigt eine Auswertungin der Eurobat-Spezifikation. Schon beieiner Temperatur von 10°C mehr hal-biert sich die Lebensdauer der Batterie.Labortests unter möglichst realen Be-dingungen zeigten, dass ein High-Per-formance Akku in der Regel sieben bisacht anstelle der vorgesehenen zehn biszwölf Jahre durchhielt. In Industrieum-gebungen ist es natürlich noch schwie-riger als im Rechenzentrum, die Tempe-ratur konstant auf einem optimalenWert zu halten. Bei extremen Ansprü-chen ist es wichtig, dass der USV-Her-steller auch andere Energiespeicher nut-zen kann. So sind Batterien mit erwei-tertem Temperaturbereich (beispiels-weise Cyclon-Zellen) erhältlich, die einedreimal längere Lebensdauer von bis zu15 Jahren und eine hohe Toleranz ge-genüber Temperaturschwankungenzwischen -30°C und +65°C aufweisen.Solche Cyclon-Zellen sind deutlich teu-rer als Standard-Blei-Akkus, bieten abergerade in Umgebungen Vorteile, indenen Stillstandszeiten für Wartungenauf ein absolutes Minimum reduziertwerden müssen. Die Cyclon-Zellen sindauch durch den niedrigen Innenwider-stand in der Lage, schnell sehr hoheStröme abzugeben, perfekte Vorausset-zungen, wenn eine USV kurzzeitig Last-spitzen abfangen muss. Aber Cyclon-Zellen sind nicht die einzigen Energie-speicher, die im industriellen Umfeldsinnvoll einsetzbar sind. In den letzten

Filtern und formen

Im industriellen Einsatz muss eineUSV mit hohen Störspannungen zu-rechtkommen, die durch das Schaltengroßer elektrischer Verbraucher wieSchütze, Pumpen oder Motoren ent-stehen, während Lastspitzen die Ein-gangsspannung wegsacken lassen.Eine USV, die nicht nach dem VFI-Prinzip arbeitet und zu jeder Zeit dieKontrolle über die Spannung am Aus-gang hat, würde solche Unreinheitenan die angeschlossenen Verbraucherweitergeben. Sind die Anforderungenim Hinblick an die Festigkeit gegenÜberspannungen noch höher als all-gemein üblich, sollte der USV-Herstel-ler optional eine erweiterte Überspan-nungsableitung einbauen können. DieAnforderungen an die Filtereigen-schaften sind im Maschinenbau deut-lich höher als bei der Verwendung ineinem Rechenzentrum. Hohe Resis-tenz gegen Überspannungen und Va-riabilität bei der Verarbeitung der Ein-gangsfrequenz wiegt meist schwererals eine extrem lange Überbrückungs-zeit. In einigen Einsatzbereichen, wirddie USV sogar ohne Batterien verwen-det und bietet ausschließlich Flexibili-tät bei der Eingangsspannung. Wäh-rend im Verbundnetz der westeuro-päischen Länder Einigkeit hinsichtlichFrequenz und Spannung herrscht undbei der Frequenz beispielsweise Ab-weichungen von lediglich 0,05Hz zu-lässt, liegt schon bei den osteuropäi-schen Nachbarn die zugelassene Ab-weichung bei einem Hertz. AußerhalbEuropas sehen die Versorgungswerteohnehin anders aus. Die USA undJapan als prominente Beispiele nutzen60Hz, in Kuba und den USA arbeitetman mit 110V, in Mexiko und Ma- Bi

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Bild: Huawei Technologies Deutschland GmbH

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schonend zu gestalten. Nichtsdesto-trotz, muss eine Industrie-USV auch me-chanisch anderen Vorgaben entspre-chen als eine USV für das Rechenzen-trum. Oft ist mindestens Schutzart IP54notwendig, um die Elektronik vor Spritz-wasser und Schmutz zu schützen.Wenn dabei auch noch aggressive Flüs-sigkeiten zum Einsatz kommen, oderdie USV beispielsweise ihren Einsatz aufhoher See verrichten muss, ist ein säu-rebeständiges Material wie Edelstahlnotwendig. Der Hersteller sollte zudemin der Lage sein, das Gehäuse von einerrobusten Grundkonfiguration aus, mitzusätzlichen Maßnahmen abzusichern.Stoß- und Vibrationsdämpfer könnenebenso nötig sein, wie Luftfilter undverstärkte Dichtungen an allen Gehäu-seöffnungen. Falls die Umgebungstem-peratur schädliche Werte erreicht, mussdie USV über ein Klimagerät gekühltoder geheizt werden können. Ideal istes, wenn sich die Standardsysteme beiBedarf über ein flexibel wählbares Ge-häusekonzept ‘härten’ lassen. Durch dieweitgehende Standardisierung hält sichder Kostenaufwand für die Umrüstungin Grenzen.

Management im Industrieumfeld

Für die Steuerung der USV und dieKommunikation mit der Außenwelt istnormalerweise eine Ethernet-Schnitt-stelle und SNMP als Kommunikations-protokoll zuständig. Das kann auch ineinem Industrieumfeld funktionieren,doch sollte der Hersteller weitere Optio-nen anbieten. So verlangen einige Kun-den die Integration in den bestehendenFeldbus, beispielsweise das sehr verbrei-tete serielle Industriebussystem Profibus.Solche Feldbusse erlauben sehr hoheVerarbeitungsgeschwindigkeiten undstellen eine vergleichsweise kostengüns-

tige Lösung dar, weil eine simple Zwei-draht-Leitung zur Datenübertragunggenügt. Auch RS-485, Modbus oder diealtbekannte RS-232 Schnittstelle wer-den als Kommunikationsmedium ver-langt. Es gibt in der Regel für so ziem-lich jeden Bus einen passenden Adapter,der die Signale in ein serielles RS-232Signal wandelt, eleganter ist es natür-lich, wenn die USV ein passendes Inter-face bereits integriert hat. Oft werdenauch potentialfreie Schaltausgänge vomKunden erwartete, wenn er Betriebszu-stände der USV per akustischem oderoptischem Melder anzeigen will.

Das Fazit: eine perfekt angepassteStandardlösung ist der Königsweg

Für USV-Anlagen sind Industrieumge-bungen alles andere als das perfekteUmfeld. Physikalische Faktoren wieSchmutz, Temperatur, Feuchtigkeit undVibrationen müssen durch ein entspre-chend robustes und langlebiges System-design abgewehrt werden. Darüber hi-naus sollte die USV alternative Energie-speicher mit erweiterten Temperaturbe-reichen und hoher Leistungsdichte nut-zen können. Auch mit schädlichen elek-trischen Parametern wie eingekoppelteStörspannungen, Lastspitzen sowie rück-gespeiste Energie muss eine USV klar-kommen können. Eine Standard-USV,wie sie auch im Rechenzentrum einge-setzt werden kann, ist in so einer Umge-bung fehl am Platz. Hoch individuali-sierte Sonderbauten sind aber aus Kos-tengründen ebenfalls nicht sinnvoll. Denoptimalen Zwischenweg bilden Stan-dard-basierte USV-Anlagen, die der Her-steller ohne große Umbauten perfekt andie Anforderungen des Kunden anpas-sen kann. So entsteht eine kosteneffi-ziente und trotzdem technisch solideUSV-Anlage für den Industrieeinsatz. ■

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Jahren haben sich auch kapazitive Spei-cher, sogenannte Super-Kondensatorenoder Super-Caps als interessante Alter-native erwiesen. Sie weisen zwar einegeringere Energiedichte auf als Akkus,haben aber eine höhere Leistungs-dichte. Mit der Angabe der Leistungs-dichte wird die Geschwindigkeit, mitder die Energie an eine Last geliefertoder von einer Energiequelle aufge-nommen werden kann, definiert. Durchden sehr niedrigen Innenwiederstand,der nochmals unter dem von Cyclon-Zellen liegt, können Super-Caps hoheStröme abgeben. Sie sind darüber hi-naus lebenslang wartungsfrei, kommenbesser mit hohen Temperaturen zurechtals Akkus und weisen ein geringes Ge-wicht und eine kompakte Bauform auf.Eine der Besonderheiten einer indus-triellen Einsatzumgebung ist, dass dieLast von einem Moment zum anderenwie ein Generator agieren kann undrückfließende Energie generiert. DieseEnergie fließt in den Stromkreislauf zu-rück und wirkt der Funktion der USVentgegen. Wenn die Energie zu hochist und über einen langen Zeitraumfließt, besteht sogar die Gefahr einesDefek-tes im Wechselrichter und imGleichrichterzwischenkreis. Darum müs-sen USV-Anlagen, deren Last mögli-cherweise Strom rückspeisen könnte,über spezielle Rückspeiseeinheiten ver-fügen. Im Normalfall, wenn dieser Fallselten vorkommt, wird die Energie ein-fach in Wärme umgewandelt. Fallshäufig rückgespeiste Energie anfällt,gibt es auch Systeme, die den Strom indas öffentliche Netz einspeisen können.

Hart im Nehmen als Grundvoraussetzung

Auch im Industrieumfeld wird versucht,den Einbaubereich einer USV möglichst

Bild: Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH

Autor: Hermann Hartwig, Senior BusinessDevelopment Manager USV, HuaweiTechnologies Deutschland GmbH

Autor: Dieter Ruscher, Technischer Geschäftsleiter, Wöhrle Stromversor-gungssysteme GmbH

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