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Applikation mit dem elektronischen DC-Leitungsschutz-System LOCC-Box Bild: Friedrich Lütze
Gleichstrom-Schaltkreise

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Leitungsschutz in 24V DC-Kreisen

Text: Ralf Coors, Friedrich Lütze
Elektronischer Leitungsschutz hat sich aufgrund der Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG oder der EN601131-2 und dem Einsatz getakteter Stromversorgungen vielfach etabliert. Der nächste Schritt heißt Diagnosefähigkeit, Fernwartbarkeit und Energiemanagement im Rahmen von Industrie 4.0.

Die Gleichstrom (DC) 24V-Feldebene wird heute fast ausschließlich von primär getakteten Schaltnetzteilen versorgt. Mit ihren integrierten Schutzmechanismen sind diese Geräte gut gegen Überlast und Kurzschluss geschützt, da in diesem Falle ein selbständiges Abschalten oder eine Reduzierung der Ausgangsspannung erfolgt.

Mit herkömmlichen Schutzkomponenten kann dieses Verhalten der Schaltnetzteile aber gefährliche Zustände hervorrufen. Zum einen kann die gesamte Applikation stillgesetzt werden oder die gelieferte Energie des Netzteils ist nicht ausreichend, um einen Leitungsschutzautomaten auszulösen. Zum anderen kann die geforderte Selektivität, dass bei Überlast oder Kurzschluss – ohne Rückwirkung auf die Versorgung – ausschließlich der fehlerhafte Strompfad abgeschaltet wird, nicht mehr erfüllt werden.

Zum Auslegen der Überstromschutzeinrichtung in 24V DC-Kreisen sind zur Maschinenrichtlinie 2006/42/EG oder der EN601131-2 auch die Normen EN 60204-1 (Leitungs- und Brandschutz) sowie die EN 61131-1 und -2 (Betriebszustände und Speicherung) anzuwenden. Das bedeutet, dass ein Netzausfall von zehn Millisekunden ohne Funktionseinschränkung zu verkraften ist, was den Einsatz von großen Eingangskapazitäten verlangt. Außerdem müssen Gefahrbringende Überströme innerhalb von fünf Sekunden auf ein ungefährliches Niveau reduziert werden. All das macht eine Anpassung der Schutzorgane an die neuen Gegebenheiten notwendig.

Die typisch eingesetzten thermisch-magnetischen Komponenten können unter anderem auch aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften den höheren Anforderungen nicht mehr gerecht werden. Notwendig sind Schutzorgane, die schneller reagieren als die Strombegrenzung des Schaltnetzteils, andererseits aber hohe Einschaltspitzen kapazitiver Lasten tolerieren. Die Ausschaltzeiten im Überlastbereich müssen verkürzt werden und trotzdem muss die Kennlinienform weiterhin einen thermischen und magnetischen Bereich darstellen, um sich in gleicher Weise wie ein herkömmliches Gerät projektieren zu lassen.

Elektronischer DC-Leitungsschutz

Eine solche Lösung bieten heute nur die Systeme LOCC-Box und LCOS CC von Lütze. Die eingesetzte Technik bietet auf Basis einer thermisch magnetischen Kennlinie das notwendige, präzise ausgelegte Auslöseverhalten und kompensiert die negativen Eigenschaften der herkömmlichen Leitungsschutz­automaten. Kapazitive Lasten werden sicher erkannt und die erforderliche Selektivität sichergestellt – unabhängig von der Leitungslänge und dem Leitungsquerschnitt.

Die modularen Lütze-DC-Leitungsschutz-Systeme können wie herkömmliche Leitungsschutzautomaten ohne Abstand nebeneinander gerastet und über einen Energiebus zentral versorgt werden. Neben diesen Grundanforderungen ermöglicht die Elektronik weitere intelligente Funktionen: Standardmäßig ein einstellbarer Bemessungsstrom im Bereich 1 bis 10 A oder momentan fünf einstellbare Auslöse-Charakteristiken. Diese Funktionen sind insbesondere bei Nachrüstungen von Bedeutung, da hier der Geräteschutz oftmals geändert oder angepasst werden muss. Eine Einzel- oder Sammelstörmeldung sowie ein Fernsteuereingang ergänzen die elektronischen Leitungsschutzgeräte.

Leitungsschutz in Sicherheitskreisen

Sicherheitsrelais unterliegen bestimmten Normen und Anforderungen. Das gilt aber nur im einfachen Maß für den Überlast/Kurzschluss in den Kreisen, die über den jeweiligen Kontaktsatz geschaltet werden. In Abhängigkeit vom Lieferanten wird herkömmlicherweise eine Feinsicherung mit einem definierten Ausschaltverhalten und einem definierten Bemessungsstrom vorgegeben. Diese Werte müssen eingehalten werden, da sonst ein Nicht-Verkleben der Kontakte nicht sichergestellt werden kann. Eine Absicherung mit 6 A und flinkem Auslöseverhalten ist gefordert.

Warum macht es auch hier Sinn, eine elektronische Lösung anstatt der Feinsicherung einzusetzen? Der wesentliche Punkt ist, dass auch hier über ein Gerät alle Anforderungen abgedeckt werden können und ein Einsatz einer falschen Sicherung ausgeschlossen werden kann. Im Weiteren ist der Serviceaufwand nach Auslösen geringer, da die Geräte per Hand oder besser über den Fernsteuerkanal direkt wieder in Betrieb gesetzt werden können. Die richtige Sicherung am richtigen Ort zur richtigen Zeit ist damit nicht mehr notwendig. Lütze bietet mit der LOCC-Box SC eine Variante, die alle Anforderungen der Hersteller von Sicherheitsrelais erfüllt und durch den modularen Aufbau auch mit Standardgeräten im Mix betrieben werden kann.

Industrie 4.0 und Energiemanagement

Hintergrund von Industrie 4.0 ist die starke Individualisierung der Produkte unter den Bedingungen einer hochflexiblen Produktion. Die dazu notwendige Automatisierungstechnik soll durch neu zu definierende Verfahren der Selbstverbesserung, -konfiguration, -diagnose und Kognition den Anwender in dieser Richtung unterstützen. Eines der wichtigsten Anwendungsfelder im Bereich Industrie 4.0 ist heute das Energie­management auf Basis der EN ISO 50001.

Um die oben genannten Funktionen mit Leben zu erfüllen, ist auf der untersten Feldebene eine kontinuierliche Erfassung und Analyse aller relevanten Daten notwendig. Für das Energiemanagement sind das die Energierelevanten Daten aus der Applikation, die Diagnose und die Möglichkeit der Zustands­änderung. Um diese vorliegenden Daten weiter verarbeiten zu können, muss eine Anbindung an adäquate Steuerungssysteme möglich sein, welche heute zu einem Großteil Ethernet-basierend sind.

Die Systeme LOCC-Box Net oder LCOS CCI ermöglichen über so genannte Buskoppler, alle relevanten Energie- und Systemdaten kontinuierlich zu erfassen, dazu gehören: aktuelle Betriebsspannung und -strom, eingestellter Bemessungsstrom und Charakteristik, Betriebsstunden des Systems und Geräts, Status zu Überlast, Kurzschluss und Unterspannung. Buskoppler stehen für die Systeme Profinet, Ethercat, Profi­bus DP, CanOpen und auch zukünftig für Ethernet IP zur Verfügung. Die Auswertung der Daten in einer Steuerung oder einem überlagerten Energie-Management-System kann zu einem gezielten Abschalten eines oder aller am Buskoppler angehängten Geräte führen. Somit wird ein gezieltes Abschalten nicht benötigter Verbraucher oder ganzer Anlagenteile auf einfache Weise möglich. Dabei bleibt es dem Kunden überlassen, ob er ein Schalten über den standardmäßig vorhandenen Fernsteuerkanal oder über das Kommunikationssystem direkt durchführt. All diese Funktionen können auch über die Software LOCC-Pads zum Beispiel über ein HMI grafisch dargestellt und ausgeführt werden.

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