Innovativer Leitungsschutz

DC Leitungsschutz vom Standard bis hin zu „Industrie 4.0„

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 Industrie 4.0
Basis

Die DC 24 V-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. Die geforderte Selektivität, dass bei Überlast oder Kurzschluss, ohne Rückwirkung auf die Versorgung, ausschließlich der fehlerhafte Strompfad abgeschaltet wird, kann nicht mehr erfüllt werden. Zur Auslegung der Überstromschutzeinrichtung in DC 24 V Kreisen sind auch die Normen EN 60204-1 (Leitungs- und Brandschutz) sowie die EN 61131-1 und -2 (Betriebszustände und Speicherung) anzuwenden. Konkret bedeutet das, einen Netzausfall von 10 ms ohne Funktionseinschränkung zu verkraften, was den Einsatz von großen Eingangskapazitäten verlangt. Im weiteren müssen Gefahr bringende Überströme innerhalb von 5 s auf ein ungefährliches Niveau reduziert werden.
All das machte eine Anpassung der Schutzorgane an die neuen Gegebenheiten zwingend notwendig.

Die typisch eingesetzten thermisch-magnetischen Komponenten können unter anderem 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.

Standard Charakteristik Leitungsschutzautomaten Elektronischer DC Leitungsschutz

Eine solche Lösung bieten heute nur die Lütze Systeme „LOCC-Box“ und „LCOS CC“. Die eingesetzte Technologie bietet als einziger Anbieter, 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.

Äquivalente Charakteristik zu Leitungsschutzautomaten bei dem elektronischen Leitungsschutz von LÜTZE, hier z.B. C

Die modularen LÜTZE DC Leitungsschutz-Systeme können wie herkömmliche Leitungsschutzautomaten nebeneinander, ohne Abstand, aufgerastet und über einen Energiebus zentral versorgt werden. Neben diesen Grundanforderungen ermöglicht die Elektronik weitere intelligente Funktionen. Das sind standardmäßig ein einstellbarer Bemessungsstrom im Bereich 1 A bis 10 A oder momentan fünf einstellbare Auslöse-Charakteristiken. Diese Funktionen sind insbesondere bei Nachrüstungen von großer Bedeutung, da hier der Geräteschutz oftmals geändert oder angepasst werden muss, dies verringert die Typenvielfalt am Lager extrem. Einzel- oder Sammelstörmeldung sowie eine Fernsteuereingang runden die elektronischen Leitungsschutzgeräte ab.

LOCC-Box Applikation / LCOS Applikation - Elektronischer DC Leitungsschutz in Sicherheitskreisen

Wie allgemein bekannt ist, unterliegen Sicherheitsrelais 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 definiertem Ausschaltverhalten und einem definierten Bemessungsstrom vorgegeben. Diese Werte müssen zwingend eingehalten werden, da sonst ein „Nicht-Verkleben“ der Kontakte nicht sichergestellt werden kann. Im Prinzip wird allgemein eine Absicherung mit 6A und flinken Auslöseverhalten gefordert. Das Bild 5 zeigt eine typische Anwendung.

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 wesentlich 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.

Mögliche Stellen eines Kurzschlusses in Sicherheitskreisen - Industrie 4.0 und Energiemanagement

Industrie 4.0 wurde als Begriff erstmalig 2011 in die Öffentlichkeit getragen. Hintergrund dieses Begriffes ist die starke Individualisierung der Produkte unter den Bedingungen einer hochflexiblen Produktion. Die dazu notwendige Automatisierungstechnik soll durch neu zu definierende Verfahren der Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration, Selbstdiagnose und Kognition den Anwender in dieser Richtung unterstützen. Eine der wichtigsten Anwendungsfelder im Bereich Industrie 4.0 ist heute u.a. das Energiemanagement auf Basis der EN ISO 50001.

Um die genannten Funktionen mit Leben zu erfüllen, ist auf der untersten Feldebene eine kontinuierliche Erfassung und Analyse aller relevanten Daten notwendig. Im Bereich des Energiemanagement sind das erst einmal die Energie relevanten Daten aus der Applikation, die Diagnose und die Möglichkeit der Zustandsänderung. Um diese vorliegenden Daten weiter verarbeiten zu können, muss eine Anbindung an ein adäquates Steuerungssystem möglich sein, welche heute zu einem Großteil Ethernet basierend sind.

Intelligenter Leitungsschutz

Die LÜTZE Systeme „LOCC-Box Net“ oder „LCOS CCI“ bieten über sogenannte Buskoppler eine kontinuierliche Erfassung aller relevanten Energie- und Systemdaten. Das sind aktuelle Betriebsspannung und –strom, eingestellter Bemessungsstrom und Charakteristik, Betriebsstunden System und Gerät, 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 dieser Daten in einer Steuerung oder einem überlagerten Energie-Management-System, kann dann 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 wird. All diese Funktionen können auch über die Software LOCC-Pads z.B. über ein HMI grafisch dargestellt und ausgeführt werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Fehlersuche, insbesondere bei sporadisch auftretenden Überströmen. Neben den schon aufgeführten, unterschiedlichen Meldungen besteht auch die Möglichkeit eines Event Data Logging. Alle zu diesem Zeitpunkt gültigen Daten werden inklusive Time Stamp an die Steuerung geliefert oder sind über die LOCC-Pads dargestellt.

LOCC PADS – Monitoring und Datenerfassung über Ethernet basierende Buskoppler

Autor: Ralf Coors, Leiter Produktmanagement Control bei der Friedrich Lütze GmbH, Weinstadt