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Lösungen
23/02/2018

Sicher verbunden

Anlagen und ihre Versorgungsinfrastruktur wachsen zu einer flexiblen Einheit zusammen
Ralf Reicks
Ralf Reicks
Produktmanager, HARTING Electric

Eine veränderte, auf Gleichspannung basierende Netzinfrastruktur kann sowohl die Energiewende unterstützen, indem sie die Effizienz der Stromverteilung erhöht, als auch dem besonderen Energiebedarf in der Industrie 4.0 besser gerecht werden.

Elektromotoren in der Industrie sind häufig mit Frequenzumrichtern für die stufenlose Drehzahlregelung ausgerüstet. Drehzahlangepasste Antriebe helfen, den Produktionsprozess und den Energieeinsatz zu optimieren. Die Frequenzumrichter verfügen üblicherweise über einen integrierten Gleichrichter mit Netzfilter, der stets eine verlustbehaftete Wandlung der elektrischen Energie von AC Wechsel- zu DC Gleichspannung notwendig macht. Es liegt daher nahe, den DC Zwischenkreis zum eigentlichen Infrastrukturanschluss zu machen und ihn zur Power DC Lebensader der Industrie zu erklären. Durch den verstärkten Einsatz erneuerbarer Energien und Speicherung der Energie in Akkus kommt zusätzlich immer mehr DC Gleichspannung ins Produktionsnetz. Es ergibt also auch aus dieser Perspektive Sinn, in Zukunft auf eine DC Netzwerkinfrastruktur zu setzen.

Wird der Frequenzumrichter per DC-Direkteinspeisung mit Gleichspannung versorgt, ist eine zusätzliche dezentrale Umwandlung nicht mehr nötig. Mögliche Transformationsverluste reduzieren sich dadurch, denn das Gleichrichten von Wechselstrom in einem zentralen Wandler ist effizienter als das Gleichrichten in vielen dezentralen Einheiten. Die möglichen Wandlungsverluste sind erheblich geringer, wie sich aus dem Schema von Grafik 1 schnell ersehen lässt. Hier werden DC-Motoren und weitere DC-Anlagenteile zentral mit Gleichspannung versorgt.

Dabei stellen aber DC Netzwerke ganz neue Herausforderungen an die eingesetzten Steckverbinder, denn eine 800 Volt Gleichspannung verhält sich signifikant anders als die bekannte 400 Volt Wechselspannung. Bei dem ungewollten Trennen eines Steckverbinders unter Last entsteht ein Lichtbogen, der für den Anwender ein erhebliches Gefährdungspotential darstellt. Zwar war bei 400 Volt AC Steckverbindern das Ziehen unter Last auch nicht erlaubt, das Gefährdungspotential war aber durch den bei Wechselspannung schnell verlöschenden Lichtbogen deutlich geringer. Doch es sind nicht nur die sicherheitstechnischen Anforderungen, die zum neu Denken dieser Schnittstelle führen.

Mit dem Einsatz von Steckverbindern in der DC-Infrastruktur verbindet sich das Ziel, Anlagen und ihre Versorgungsinfrastruktur zu einer flexiblen Einheit zusammenwachsen zu lassen. Aus Sicht des Betreibers ist die Möglichkeit zum schnellen Umkonfigurieren von Anlagen für neue Produkte entscheidend: Je reibungsloser sich der Wechsel vollzieht, desto effizienter ist die Anlage. Dieser Trend ist im Kontext wandelbare Anlagen, den Smart Factories der Industrie 4.0 zu sehen.

Es kommen hier also zwei wesentliche Mega-Trends zusammen, der Trend der Smart Factory und der Trend zum Smart Grid. Doch welche Voraussetzungen muss der Steckverbinder mitbringen, der die Neukonfiguration einer DC-Anlagenkomponente ermöglicht und darüber hinaus einen zusätzlichen Wert bietet?

  1. Personenschutz: Das unbeabsichtigte Ziehen eines Steckverbinders in der DC-Industrie muss vermieden werden.
  2. Schutz von Steckverbindern: Das Ziehen unter Last ist laut EN 61 984 für Steckverbinder nicht zulässig, denn es birgt Risiken für den Anwender und schädigt die Kontaktoberfläche.

  3. Anlagenschutz: Das Ziehen unter Last führt zum undefinierten Anlagenstillstand, der das Werkstück, die Maschine und/oder die Gesamtanlage zerstören kann.

Der Schutz von Person und Anlage ist nur durch eine aktive Verriegelung des Steckverbinders zu erreichen, die auch unbeabsichtigtes oder unsachgemäßes Ziehen verhindert. Der Industrial Power Outlet DC greift auf Sensordaten über den Betriebszustand zurück und schließt menschliches Versagen weitestgehend aus. Ein Vorteil ist, dass auch Nicht-Fachkräfte die Anlagenmodule stecken können. Entsprechende elektromechanische Vorkehrungen sorgen dafür, dass das Stecken und Ziehen für Bediener und Anlage unproblematisch ist.

Han-Smart Industrial Power Outlet DC
Han-Smart Industrial Power Outlet DC

Der Han-Smart Industrial Power Outlet DC wird all diesen Anforderungen gerecht. Sie ist eine universelle Schnittstelle für die Übertragung von Leistung, Daten und Signalen. Zusätzlich integriert ist eine Option zur Verriegelung unter Last, die Bediener und Anlage schützt. Die Modulschnittstelle wird so zu einer smarten I4.0-Komponente.

In der Basisversion verfügt der Industrial Power Outlet über eine sensorbasierte Evaluierung, ob die Anforderungen in der IEC 61984 erfüllt sind. Nur wenn die Kontakte spannungs- und stromfrei sind, wird der Steckverbinder freigegeben. Die Version „Enhanced“ ist zusätzlich mit einer umfangreichen Sensorik ausgestattet: Damit kann die Box die nötigen Messdaten für eine vorausschauende Instandhaltung erheben und der Smart Factory zur Verfügung stellen. Der Zustand der Anlagen, denen die Box vorgeschaltet ist, wird kontinuierlich überwacht, der Stillstand reduziert.

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