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Netzteil mit smarter Sensorik DIN-Schienen-Netzgerät mit integrierter IO-Link-Schnittstelle

29.11.2018

Die Stromversorgung arbeitet im Herzen der Anlage und erfasst dabei zahlreiche Informationen über den Gesundheitszustand des Systems. Diese Daten sind für Anwender hochinteressant und können zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eingesetzt werden. Eine neue 3-Phasen 960W-Stromversorgung arbeitet – parallel zu ihrer Funktion als Wandler – auch als Sensor und stellt dem Anwender beispielsweise Leistungs-, Temperatur- und Zustandsdaten über eine IO-Link-Schnittstelle zur Verfügung.

Die Stromversorgung sitzt an einem zentralen Knotenpunkt im System. Hier fließt mehr als nur Strom. Ein Netzgerät erfasst zahlreiche Echtzeitinformationen, die für den Betreiber und auch den Hersteller der Anlage äußerst interessant sind. Wie hoch sind Ausgangsstrom und Ausgangsspannung? Wie lange ist die verbleibende Lebensdauer des Geräts? Wie entwickelt sich die Temperatur? Wie stark ist das Netzteil ausgelastet? Wie ist die Qualität der Netzspannung?

Diese Daten können bei der Steigerung der Anlagenverfügbarkeit helfen. Die Stromversorgung hat somit das Potenzial – parallel zu ihrer Funktion als Wandler – auch als Sensor zu fungieren und damit einen wichtigen Beitrag zum Indus­trial Internet of Things (IIoT) zu leisten. Mit dem Dimension QT40.241-B2 bringt Puls die erste dreiphasige DIN-Schienen-Stromversorgung (24V / 40A) auf den Markt, die diese Systemdaten den Anwendern über eine IO-Schnittstelle zugänglich macht.

Integrierte Schnittstelle

Bei der Umsetzung setzt das Unternehmen auf die Kombination aus dem bewährten 960W-Netzteil QT40 und IO-Link. IO-Link wurde entwickelt, um die Signale der Sensoren und Aktoren aus der Feldebene abzurufen. Über einen IO-Link-Master werden diese in das jeweilige Feldbussystem eingespeist und an das Automatisierungssystem übertragen. Die Kombination aus Feldbus und IO-Link ermöglicht eine durchgängige Kommunikation über alle Ebenen hinweg, die aus smarten Fabriken nicht mehr wegzudenken ist.

Das QT40.241-B2 verfügt über eine fest integrierte 4-polige M12-Buchse an der Vorderseite, die für die Verbindung mit dem IO-Link-Master genutzt wird. Damit kann das Gerät schnell in bestehende IO-Link-Systeme integriert werden.

Höhere Systemverfügbarkeit

Stromversorgungen nehmen, was die Kommunikationsleistung angeht, eher eine passive Rolle ein. Nach der Installation sollen sie zuverlässig im Hintergrund funktionieren und dabei möglichst wartungsfrei bleiben – am besten über Jahre hinweg. Mit der neuen IO-Link-Schnittstelle trägt die Stromversorgung – zusätzlich zu ihrer Grundfunktion – aktiv zum besseren Verständnis der Anwendung und damit auch zur Prozessoptimierung bei.

IO-Link Ferndiagnose

Die Verbindung über IO-Link ermöglicht auch die Ferndiagnose und Parametrierung der Stromversorgung über die im Einsatz befindliche Anwendersoftware des Automatisierungssystems. Der Anwender kann die Ausgangsspannung des QT40.241-B2 über die Konfigurationssoftware einstellen und das Gerät aus der Ferne ein- bzw. ausschalten, sofern der Remote-Access in der Anwendersoftware freigegeben ist.

Die Einstellungen, die der Anwender vornimmt, sowie kritische Prozesswerte werden spannungsausfallsicher im Automatisierungssystem und zugleich in der Stromversorgung auf einem nichtflüchtigen Speicher gesichert. Sollte ein Gerätetausch notwendig sein, erfolgt eine schnelle, automatisierte Parametrierung des neuen Geräts im laufenden Betrieb – gemäß der im Automatisierungssystem hinterlegten Parameter. Stillstandzeiten aufgrund von Wartungsarbeiten werden so nachhaltig vermieden. Die von der Stromversorgung gesendeten Daten geben zudem Auskunft über die Fehlerursache und erleichtern die Problemlösung.

Der Bauteilaufwand für eine IO-Link-Schnittstelle im Netzteil ist – im Vergleich zu komplexeren Kommunikationsprotokollen – relativ gering. Das bringt für den Anwender Vorteile mit sich: Durch die sehr niedrige Anzahl an zusätzlichen Bauteilen
bleibt der MTBF-Wert des QT40.241-B2 konstant hoch. Die MTBF liegt bei 678.000 Stunden und steht für die Zuverlässigkeit und damit Ausfallsicherheit des Geräts.

Trotz des zusätzlichen IO-Link-Features ist das QT40.241-B2 mit dem robusten Ursprungs-QT40 in Sachen Zuverlässigkeit gleichauf. Selbiges gilt übrigens auch für die Lebensdauer von 66.000 Stunden – unter extremen Bedingungen von 3AC 480V, durchgängiger Volllast und +40 °C Umgebungstemperatur. Damit eignet sich das IO-Link-fähige QT40 besonders gut für ausfallkritische Anwendungen, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, Fabrikautomatisierung und auch für die Prozessindustrie.

Sollte dennoch eine äußere Einfluss­quelle (wie eine Überspannung aufgrund eines Blitzschlages) zum Defekt der Stromversorgung führen, kann das interne IO-Link-Modul sofort eine Fehlermeldung an die übergeordnete Steuerung ausgeben. Anschließend kann das Protokoll von außen abgefragt werden, um die Situation, die zum Ausfall geführt hat, zu analysieren und nach einer Lösung zu suchen. Die erhobenen Netzteildaten sind dabei persistent im integrierten Speicher abgelegt, welcher beispielsweise über einen handelsüblichen IO-LINK/USB-Master abgefragt werden kann.

Gesamtheitlich ergänzt die IO-Link-Schnittstelle das bewährte QT40-Netzteil um eine smarte Kommunikationsfunktion. Dabei macht es die Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Effizienz des Geräts transparent (Wirkungsgrad: 95,3 Prozent) und findet zudem im kompakten Original QT40-Gehäuse (B x H x T: 110 x 124 x 127 mm) Platz. Alle Features des Ursprungs-QT40 stehen ebenfalls zur Verfügung. Die volle Leistung ist über einen Temperaturbereich von -25 bis +60 °C möglich – mit Derating bis +70 °C. Zudem verfügt das Netzteil über eine Leistungsreserve von 50 Prozent. Zum Starten starker Verbraucher erzeugt das QT40.241-B2 somit 1440 W für 5 Sekunden. Um Sicherungen zuverlässig auszulösen, erzeugt die Stromversorgung einen Spitzenstrom von bis zu 110A für 25 ms.

Vorteile von IO-Link

IO-Link basiert auf einer seriellen, bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation. Das System gilt als robust und verfügt zudem über einen hohen Grad an Sicherheit – zwei Faktoren, auf die Puls bei der Entwicklung Wert legt. Die Geräte sind oftmals den rauen Umgebungen der unteren Automatisierungsebene ausgesetzt und müssen zugleich vor Manipulation von außen geschützt werden. Für diesen Einsatz hat sich die Datenübertragung über IO-Link bewährt.

Des Weiteren wurde IO-Link von Anfang an als anwenderfreundliche Plug-and-Play-Lösung ausgelegt. Die Installation und Bedienung sind unkompliziert und lassen sich kostengünstig realisieren. Für die Verkabelung der Schnittstelle genügen standardisierte, ungeschirmte IO-Kabel. Zudem ist die Kompatibilität mit allen gängigen Feldbus- und Automatisierungssystemen gegeben, was den flexiblen Einsatz ermöglicht.

Das QT40.241-B2 verfügt über die IO-Link-Spezifikation V1.1 und ermöglicht dabei eine schnelle Datenübertragungsrate mit COM 3 (230,4 kBaud). Puls stellt für das QT40 eine elektronische Gerätebeschreibung, die IODD-Datei, bereit.

Bei der Kommunikation in IO-Link-Systemen wird dabei generell zwischen zyklischen und azyklischen Daten unterschieden. Der Ausgangsstrom zählt beispielweise zu den Prozessdaten und wird vom QT40 in einem zyklischen Datentelegramm alle 2 ms an den Master kommuniziert. Zu den azyklischen Si­gnalen zählen Geräteinformationen sowie Ein- und Ausgangsparameter, die jederzeit über den Master abgefragt werden können. Außerdem werden vom Netzteil spezielle Ereignisse gemeldet.

Solche Ereignisse können beim QT40 Warnungen oder Fehlermeldungen sein, wie eine zu niedrige beziehungsweise zu hohe Eingangsspannung, eine Überlast oder zu hohe Temperaturen. Tritt ein anor­maler Zustand auf, sendet das Netzteil eine Meldung an den Master und zeigt dem Anwender den Handlungsbedarf an, noch bevor es zum Ausfall kommt. Die Wartung erfolgt damit vorbeugend und bedarfsorientiert.

Digitale Lastprofile

Die Daten, die das QT40.241-B2 erfasst, bilden die Grundlage für die technischen Innovationen der nächsten Jahre. Dabei denkt Puls an Machine Learning in Verbindung mit dem IIoT. Das Netzteil liefert bereits jetzt präzise Messwerte des Ausgangsstroms – also des Laststroms. Mittels dieser sehr fein abgetasteten Werte ist es möglich, digitale Lastprofile zu erkennen und zu beschreiben.

Auf Basis der Informationen zum Ausgangsstrom lässt sich beispielsweise erkennen, ob sich eine Last über einen längeren Zeitraum hinweg verändert. Diese Veränderung kann ein Anzeichen für Verschleiß­erscheinungen in der Anlage sein. Bei ausgeschlagenen Profilen wäre im Lastprofil exemplarisch eine Sinuskurve zu erkennen. Im Zuge der computergestützten Datenanalyse auf Basis künstlich-neuronaler Netzwerke würde diese Anomalie erkannt und gemeldet werden. Der nächste Schritt wäre dann eine ebenfalls automatisierte Entscheidungsfindung zum weiteren Vorgehen mittels künstlicher Intelligenz. Durch diesen Ansatz ermöglicht das Netzteil als Datenquelle völlig neue Möglichkeiten in der Nutzung von Daten im Fabrikumfeld.

Bildergalerie

  • Das QT40.241-B2 liefert neben einer Spannungsversorgung auch wertvolle Daten über IO-Link.

    Bild: Puls

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