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Optisch sind Schaltschrankwächter kaum von Interface-­Geräten zu unterscheiden. Bild: Hans Turck
Geräteüberwachung

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Monitoring für den Schaltschrank

Text: Klaus Ebinger, Hans Turck
Ein Schaltschrankwächter kontrolliert kontinuierlich relevante Umgebungsvariablen in Schaltkästen und erhellt damit den blinden Fleck zwischen Feldgerätediagnose und Leitsystem.

Im Zuge der diagnostischen Überwachung von Geräten in der Feld- und Leitebene bleiben die Übertragungswege und Schnittstellen oft auf der Strecke. So sind Vor-Ort-Schaltschränke – insbesondere bei älteren Anlagen – heute in vielen Fällen die Achillesferse der Anlagentechnik. Ihr Zustand konnte bisher nur mit Aufwand überwacht werden. Eine einfache Möglichkeit für zuverlässiges Cabinet Condition Monitoring (CCM) – auch bei bestehenden Anlagen – besteht nun mit dem Schaltschrankwächter IMX18-CCM von Turck. Auf der Hutschiene montiert, erfasst das Gerät korrekten Türschluss, Feuchte und Temperatur und gibt ein Alarmsignal an die Leit­ebene, sobald ein Grenzwert erreicht wird.

Unplanmäßige Stillstände vermeiden

Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit sind die Parameter, die beim Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen an erster Stelle stehen – unplanmäßige Stillstände verringern die Rentabilität. Deshalb ist eine Anlage ohne intelligente Sensorik in der heutigen Zeit kaum mehr zu betreiben. Neben den eigentlichen Prozessparametern werden parallel weitere Informationen an die Leitebene weitergegeben. So können beispielsweise Messbereiche im laufenden Betrieb angepasst oder aber der jeweilige Zustand des Betriebsmittels abgefragt werden. Diese Möglichkeit bietet viele Vorteile und erhöht die Verfügbarkeit der Anlagen. In den vergangenen Jahren hat sich hier einiges getan, die Feldinstrumente sind mittlerweile zu wahren Multi­talenten gereift.

Betrachtet ein Unternehmen die Ursachen seiner unplanmäßigen Anlagenstillstände, wird es oft feststellen, dass nicht Fehler in der Instrumentierung oder der Leittechnik den Produktionsprozess stoppen, sondern die Verbindungen zwischen den Ebenen. Es sind die Informationswege, Umsetzer und Verbindungsstellen vor Ort, die sich in der Analyse als Schwachstellen herausstellen. Diese Infrastruktur ist meist nicht dazu geeignet, um sie der rauen Umgebungsatmosphäre, wie sie in verfahrenstechnischen Anlagen sehr häufig vorkommt, direkt auszusetzen. Daher befinden sich diese Geräte in Gehäusen, die sie vor Feuchtigkeit, Temperatur und anderen Risiken – etwa mechanischer Beeinflussung – schützen.

Schutz nicht dauerhaft

Solange der Schaltschrank keine Mängel aufweist, sind die darin verbauten Geräte gut gegen die äußeren Einflussfaktoren abgeschirmt. Mit zunehmender Betriebsdauer oder auch Beanspruchung kann der Schutz nachlassen. Dies kann durch mechanische Beschädigungen, durch Alterung der Dichtungsmaterialien aber auch durch Unachtsamkeit wie beispielsweise durch unsachgemäßes Verschließen verursacht werden. Sehr häufig sind es schleichende Prozesse, die irgendwann zu einem Ausfall der in den Schaltschränken verbauten Geräte führen und somit auch zu einem kompletten Stillstand der Anlage.

Moderne elektronische Geräte verfügen heute schon über eine eigene Temperaturüberwachung on board. Die Messungen erfassen an kritischen Punkten auf den Leiterplatten die Temperaturen. Diese Daten können beispielsweise über moderne Feldbussysteme ausgelesen und weiter verarbeitet werden. Das ist prinzipiell eine gute Möglichkeit, lässt aber einige wichtige Punkte außer Acht: Nicht jedes Anlagenkonzept baut auf einer Feldbustopologie auf. Zusätzliche Diagnose-Informationen könnten in diesen Fällen nur über zusätzliche Schnittstellen an den Geräten herausgeführt werden. Diesen Aufwand betreiben aber nur wenige Firmen und somit sind Anlagenteile ohne spezielle Kommunikationstechnik nicht zu überwachen.

Außerdem lässt sich von der Temperatur auf einer Leiterplatte nicht zuverlässig die Temperatur im Schaltschrank herleiten. Dies gilt insbesondere bei größeren Einheiten. Die Messung an einem lokalen Hotspot kann die generelle Temperatur verschleiern. Die Gerätetemperatur gibt also wenig Aufschluss über den Zustand eines Schaltschranks und kann zu Fehlinterpretationen führen. Darüber hinaus ist die Temperatur alleine kein Parameter, von dem sich der allgemeine Schutzgrad eines Gehäuses oder eines Schaltschranks ableiten lässt. Vielmehr müssen zusätzliche Größen wie Feuchte, Lichteinfall und Position mit in das Überwachungskonzept eingebunden werden, um einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können.

Cabinet Condition Monitoring

Turck hat sich dieser Aufgabe angenommen und ein Gerät entwickelt, das nachträglich in nahezu jeden Schaltschrank oder -kasten installiert werden kann und durch einen simplen Teach-In-Prozess auf die Gegebenheiten vor Ort eingelernt wird. Mit einem einfachen Schaltsignal meldet der Schaltschrankwächter IMX18-CCM den Schutzgrad des Schaltschranks nach außen.

Da das 18mm-breite Gerät auch im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden soll, verfügt es über eine eigensichere 2-Leiter-Messumformerspeise-Schnittstelle. Somit benötigt der Anwender maximal vier Drähte und einen freien Platz auf einer DIN-Hutschiene, um den Schaltschrankwächter installieren und in Betrieb nehmen zu können. Der Teach-In-Prozess kann ohne Computer oder zusätzliche Hilfsmittel gestartet werden. Für weitere Diagnosemöglichkeiten, etwa um die absoluten Messwerte auszulesen, steht éine standardisierte Hart-Schnittstelle zur Verfügung.

Neben der Interface-Technik hat der Schaltschrankwächter mehrere Sensoren, die den aktuellen Status der Umgebung erfassen: einen Temperatur-, einen Absolutfeuchte- und einen Triangulationssensor. Letzterer erfasst den Abstand zum Deckel oder zur Tür. Sollte die Tür nicht richtig verschlossen werden, meldet das Gerät dies und der Betreiber kann gezielt den Fehlerzustand beseitigen. Da Feuchte in geschlossenen Systemen immer wieder ein Problem darstellt, ist ihr kontinuierliches Erfassen ein wichtiges Element des Condition Monitoring. Gründe für Feuchtigkeit können etwa Dichtungen sein, die durch Umgebungseinflüsse porös und undicht geworden sind, oder auch defekte Lüftungssysteme. Häufig steigt die Feuchte langsam aber stetig an, was mittelfristig zu einem Geräteausfall führen kann. Diese Effekte sind meist nur über einen langen Zeitraum erkennbar.

Daher erfasst der Schaltschrankwächter diese langfristigen Trends und gibt bei Überschreiten von Grenzwerten ein Signal an die Leitebene, um einem Ausfall der Instrumentierung vorgreifen zu können. Der IMX18-CCM verarbeitet kontinuierlich die aufgenommen Daten der Sensoren und vergleicht sie mit dem eingelernten Gutzustand. Sobald definierte Grenz­werte überschritten werden, erfolgt die Signalisierung über einen potenzialfreien Kontakt an die Leitebene. So kann der Anwender schnell und zielgerichtet eingreifen.

Die Basisversion des Schaltschrankwächters wird Anfang 2016 verfügbar sein. Eine weitere Variante, die über die eingebauten Sensoren hinaus auch die Möglichkeit bietet, externe Sensoren anzuschließen und in das Überwachungskonzept zu integrieren, folgt kurz danach. Damit können Anwender auch große Schaltschränke kontrollieren. Die relevanten Parameter werden an definierten Orten erfasst und die Verriegelung der Tür wird mittels Reedkontakten überwacht. Zukünftig können noch weitere Parameter wie etwa Schock und Vibration erfasst werden, um einen möglichst umfassenden Schutz der kritischen Infrastruktur gewährleisten zu können.

Schaltschrank dauerhaft überwachen

Der CCM-Schaltschrankwächter eignet sich für die dauerhafte Überwachung des Schutzgrads von Schutzkästen und Schaltschränken in der Anlage, selbst im explosionsgefährdeten Bereich. Die einfache Montage und Einbindung in die bestehende Topologie ermöglicht den Einsatz nicht nur bei Neuinstallationen, sondern bietet sich auch für bestehende Anlagenteile an. Es wird keine zusätzliche Verkabelung benötigt, da meist die vorhandene Signalreserve genutzt werden kann. Die Zusammenführung verschiedener Parameter ermöglicht eine bessere Überwachungsfunktion und erhöht dadurch Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Anlage. Der CCM-Multifunktionssensor lernt sich selbsttätig auf die Gegebenheiten vor Ort ein. Eine aufwändige Programmierung ist für den Normalbetrieb nicht notwendig. Eine weiterführende Diagnose kann über die Hart-Schnittstelle abgerufen werden.

Weitere Informationen zu Hans Turck finden Sie im ­Business-Profil auf Seite 52.

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