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Elektroenergietechnik und Buselektronik wachsen zusammen
ep1/2000, 3 Seiten
1 Vorteile der Sammelschienen-Systemtechnik Sammelschienensysteme ermöglichen die Verteilung hoher Leistung (Bild ). Sie sind relativ unempfindlich gegenüber Überlast und vergleichsweise leicht berechenbar. Vor allem besitzen sie den Status TSK (typgeprüft). Schaltgeräte werden in einem Arbeitsgang sowohl elektrisch kontaktiert als auch mechanisch befestigt. Die Auswahl der typisierten Sammelschienen erfolgt entsprechend der vorgesehenen Belastung. Bei Stromstärken ab 200 A sind Sammelschienen oft die einzige Möglichkeit der Stromverteilung, denn ein Durchschleifen der Leitungen ist bei den erforderlichen Querschnitten nicht mehr möglich. Durch die bohrungslose Montage auf den Sammelschienen können Bauteile mit unterschiedlichen Breiten- und Teilungsmaßen problemlos kombiniert werden. Berührungsschutz und Vorkehrungen gegen Bedienfehler gehören zum Bestandteil des Systems. Aufwendige Sonderlösungen entfallen durch Anwenden solcher Standardprodukte. Die hohe Flexibilität, die Montagezeitreduzierung und der hohe Sicherheitsstandard bewirken, dass immer mehr Sammelschienensysteme bereits bei Leistungen unter 50 kW zum Einsatz kommen. Stark zugenommen hat ebenfalls die Sammelschienen-Adaptertechnik für Schaltgerätekombinationen. Motorschutzschalter, Schütze, Lasttrennschalter u.a. werden mit deren Hilfe mechanisch befestigt und mit Spannung versorgt (Bild ). Wegen der zunehmenden Automatisierung kommen zu den elektromechanischen Schaltgeräten verstärkt elektronische Baueinheiten hinzu. Daraus ergeben sich viele Verbindungsleitungen. Ihre herkömmliche, aufwendige Parallelverlegung kann mittels der Bustechnologie durch eine einfache und übersichtliche Verdrahtung ersetzt werden. All diese Eigenschaften vereint das ECS-System. Die Kombination von Energietechnik und Buselektronik steht für unterschiedliche Buslösungen (LON, AS-i) zur Verfügung. Dadurch erhöht sich die Anwendungsbreite in Industrie und Gebäudetechnik erheblich. 2 Gewährleistung der elektrischen Sicherheit Die Gefahren in elektrischen Energieanlagen sind zusammen mit den konventionellen Schutzmöglichkeiten hinreichend bekannt. Sie nehmen zu, da mit steigenden Automatisierungsgrad der Umfang an Energieverteilungen wächst. Die genaue Kenntnis ihres Zustandes sowie ihrer Beschaffenheit, der Belastungssituation, die Früherkennung vom Anlagenverschleiß sowie eine Vorausschau über zu erwartende Probleme kann die Anlagensicherheit beträchtlich erhöhen. Dazu sind aber gleichfalls erhebliche elektronische Aufwendungen hinsichtlich Messung und Zustandsüberwachung notwendig. Die entsprechenden elektrischen, den Zustand abbildenden Signale sind zu erfassen, zu verarbeiten und an eine Zentrale zur Auswertung weiterzuleiten. Der damit einhergehende Verdrahtungsaufwand ist - wie bereits festgestellt - konventionell nicht mehr kostengünstig beherrschbar. Nur die Ergänzung der bewährten klassischen Technik um die moderne Bustechnologie bringt eine praktikable und zuverlässige Lösung. Auch diese Sicherheitsüberlegungen bestätigten das Konzept ECS (Bild ). Gleichzeitig fielen damit Grenzen, welche in der Vergangenheit die Verbreitung der NH-Sicherungstechnik behinderten. 3 Warum Bustechnologie? Während sich bei der Energieverteilung für die hohen Stromstärken mit der Sammelschienen-Systemtechnik eine zeitsparende und vor allem zuverlässige Bauweise durchgesetzt hat, erfolgt die Anbindung der Energieverteilung an die Steuerung zur Zeit noch sehr aufwendig in Parallelverdrahtung. Dagegen ist bei der reinen Informationsverarbeitung die Anwendung von Bussystemen üblich. Nach dem Busprinzip, d.h., die gemeinsame Nutzung eines Übertragungsmediums für mehrere Teilnehmer zum Informationsaustausch, ist auch die NS-Schaltanlagen-Leittechnik Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 1 41 Elektroenergietechnik und Buselektronik wachsen zusammen H. Lenker, Rödental Mit der Kombination von Sammelschienen-Systemtechnik und Bustechnologie können Anlagen in Industrie und Gebäuden wesentlich einfacher geplant, übersichtlicher aufgebaut und leichter gewartet werden. Das Eques Control System (ECS) fasst Buselektronik, Schaltorgane (Motorschutzschalter, Schütz u.ä.) sowie Energiezuführung, Lastanschluß und deren mechanische Befestigung in einer kompakten Steuereinheit zusammen. Durch diese Lösung dringt die Bustechnik mit Erfolg auch in den Schaltschrank zur Energieverteilung ein. Dipl.-Ing. (TU) Hubert Lenker ist Produktmanager bei der Fa. Wöhner Gmb H & Co. KG, 96472 Rödental. Autor Sammelschienensystem - bestückbar mit Klemmen, Sicherungsmaterial, Adaptertechnik und ECS-Modulen (Foto: Wöhner) NH-Sicherungs-Lasttrennschalter beispielsweise vereinen leichte Montage, Variabilität, vollständigen Berührungsschutz mit hohem Schaltvermögen bei ansprechendem Design. (Foto: Wöhner) Kommunikation in NS-Schaltanlagen oder Gebäudekomplexen möglich. Die bekannten Vorzüge dieser Technologie wirken ebenfalls hier. Nicht nur Zustände lassen sich erfassen und weitermelden, auch exakte Befehle etwa zur Veränderung der Drehrichtung, zum Ein-, Ausschalten usw. können übermittelt und ihre Ausführung bestätigt werden. Das Steuern von Vorgängen wie Motoranlauf, die Kontrolle der Stromaufnahme u.ä. wird als Sammelmeldung „alles o.k.“ bzw. bei Bedarf als Einzelmeldung an die zentrale Warte abgesetzt. 4 Welches Bussystem? Mit dem Rückgang des Aufwandes für die Elektronik steht künftig nicht die Frage im Vordergrund, ob Bustechnologie überhaupt einzusetzen ist, sondern es ist zu entscheiden, welcher Bus zu welchem Zeitpunkt mit welchem Zusatznutzen zur Anwendung gelangt. Bezüglich Sicherheit und Schnelligkeit muß sich die Bustechnik immer mit der konventionell verdrahteten Anlage messen. Das betrifft hauptsächlich die Reaktionszeit sowie die Sicherheit gegenüber elektromagnetischen Störungen. Die Informationsübertragung erfolgt nämlich im Vergleich zu elektromechanischen Schaltkontakten auf einem sehr niedrigen Energieniveau. Daraus ergibt sich ein erheblich geringerer Abstand gegenüber Störgrößen. Die verfügbaren Bussysteme sind für unterschiedliche Anforderungen ausgelegt. Wegen der sich z.T. überlappenden Leistungsmerkmale sind für eine konkrete Anwendung verschiedene Bussysteme gleichermaßen geeignet. Bemühungen zum Reduzieren der Systemvielfalt brachten bisher noch nicht den notwendigen Erfolg. Wegen des beachtlichen Aufwandes muß ein spätere Wechsel des Bussystems vermieden werden. Bei der Auswahl des Systems sind folgende Kriterien zu beachten: Anzahl der Teilnehmer, räumliche Ausdehnung, mögliche Komponenten, Signalarten, Befehlsvorrat, Leistungsfähigkeit des Busteilnehmers, Übertragungs- und Störsicherheit, Zuverlässigkeit, erforderliche Reaktionszeit (dynamisches Verhalten), Übertragungsmedium, Hierarchie, Bustopologie, Erweiterungsmöglichkeiten, Systemvoraussetzungen der Hardware (Steckkarten, Netzteile, besondere Leitungen u.a.), Anschaffungskosten, Benutzer-, Bedien- und Wartungsfreundlichkeit, Service des Anbieters, verfügbare Dokumentation, Schulungen, Software, Zukunfssicherheit u.a. Von nicht unerheblicher Bedeutung ist die Präsenz der ins Auge gefassten Lösung am Markt und die geplante Lebensdauer der eigenen Lösung. Für den Anwender besitzt die Anbindung an die Peripherie große Bedeutung. Hierzu bietet ECS die Fähigkeit, Starkstromteil und Bussteuerung problemlos zu kombinieren. Die ECS-Baugruppen (Bild ) werden in der Werkstatt komplett vorgefertigt, wobei Schaltgeräte verschiedenster Hersteller verwendet werden können. Für den Starkstromteil kann der geforderte PTSK-Nachweis nach EN 60439 mit dem Sammelschienensystem wegen der Vorteile (leichte Einhaltung der Grenztemperaturen, beste Isolationswerte, nachgewiesene, hohe Kurzschlußfestigkeit usw.) sehr einfach erbracht werden. 5 Die Entscheidung fiel für AS-i und LON Die erste Anwendung wurde das Interface AS-i [1] für einfache Industrieanwendungen. Dieser Bus besitzt eine hohe Akzeptanz am Markt und wird von den meisten Schaltgeräteherstellern aktiv unterstützt. Seine Kosten liegen im Vergleich mit anderen Bussystemen niedrig. Die ausgeprägte Industrietauglichkeit des AS-i-Systems ist ausschlaggebend für den Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau. Das verwendete Master-Slave-Prinzip entspricht der Arbeitsweise konventioneller Steuerungssysteme. Das Busprotokoll ist so gestaltet, dass eine fehlerhafte Information mit Sicherheit erkannt und die Übertragung sofort wiederholt wird. Dadurch bleibt die Reaktionszeit fast konstant. Da AS-i mit einer relativ niedrigen Takffrequenz arbeitet, können die Daten über eine kostengünstige ungeschirmte Zweidrahtleitung sehr zuverlässig übertragen werden. Außerdem ist sichergestellt, dass bei Ausfall eines Slaves der intakte Anlagenteil ungestört weiter arbeitet. Alle Komponenten werden parallel an den Bus geschaltet, somit sind Linien-, Baum-, Stern- oder Ringstrukturen möglich. Da viele Anwendungen eine nur geringe Anzahl an Busteilnehmern benötigen, kann AS-i mit 31 verfügbaren Adressen (demnächst 62) je Bus (z.B. zu je 4 Eingängen (E)/4 Ausgängen (A)) diese Anwendungen sehr gut abdecken. Über eine zusätzlichen Master können mehrere Bussysteme parallel betrieben werden. Die Ansteuerung der Schütze und Abfrage der Hilfskontakte erfolgt durch binäre Signale. Das System ist auch in der Lage, Analogsignale zu beherrschen. AS-i ist kompatibel zu anderen Systemen. Viele SPS- und IPC-Systeme bieten AS-i-Master. Für die Kombination mit anderen Bussystemen existieren Gateways. Nachdem im ersten Schritt mit der Variante ECS-AS-i die Verlagerung der Buselektronik von den separat aufgebauten E/A-Baugruppen auf das Sammelschienensystem zu den Schaltgeräten erfolgte, wird mit den ECS-LON-Modulen gleichzeitig ein Teil der Steuerungsfunktion (bei einfachen Anwendungen die gesamte Steuerungsfunktion) zu den Schaltgeräten verlagert. Die Entscheidung fiel für den Multi-Master-Bus LON [2], weil dieses Netz in der Gebäudeautomation verbreitet ist. Besonders bei Objekten, in denen verschiedene Gewerke miteinander kommunizieren NS-Schaltanlagen-Leittechnik Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 1 Tafel Eigenschaften der verschiedenen ECS-Module (Quelle: Wöhner) Sammelschienen- AS-i-Bustechnologie LON-System Systemtechnik Aufbau bohrungsloser Aufbau Wegfall der Parallel Wegfall der Parallelververdrahtung drahtung, dezentrale Intelligenz Leistungsver- 690 V, bis 1600 A Reaktionszeit < 5 ms Reaktionszeit flexibel und mögen prozessabhängig, Informationsverarbeitung vor Ort Flexibilität beliebige Anordnung beliebige Anordnung beliebige Anordnung der Bauteile der Slaves der Knoten minimierte Einsparung gegen- einfache Anschluß- einfache Anschlusstechnik Montagezeit über herkömmlicher technik und und Programmierung Verdrahtung ca. 65% Adressierung höchste Sicherheit vollständiger Be- hohe Übertragungs- hohe Übertragungs- und Störrührungsschutz mög- und Störsicherheit, sicherheit, Ergebnisbelich, kurzschlussfest kurzschlussfest, über- stätigung, kurzschlussfest, bis 85 kA last- und verpolsicher überlast- und verpolsicher Kombination Möglichkeit dezentraler Steuerung - Anwendung der Baukastenbauweise, direkte Zuordnung der Schaltgeräte, Reduzierung des Schaltschrankvolumens, minimale Servicezeit - Baugruppenwechsel < 1 min ECS-Schaltgeräte, Buselektronik und Sammelschienen-Adapter bilden eine kompakte Einheit. Alle Verbindungen sind steckbar ausgetührt. (Foto: Wöhner) müssen, bietet dieses gewerkeübergreifende System erhebliche Vorteile. Der Betreiberaufwand sinkt beträchtlich. Das Sortiment umfasst die beiden Module ECS-LON mit 4E/2A bzw. PT100/ 2E/2A. Die Module sind LON-Mark-kompatibel und mit den handelsüblichen LON-Komponenten anderer Hersteller kombinierbar. Sie lassen sich so in Hierarchien einbinden, wie sie LON vorschreibt. ECS-AS-i und ECS-LON entsprechen dem Trend von zunehmender Verschmelzung von Elektroenergietechnik und Elektronik. Während die ECS-Module AS-i in der Herstellung relativ kostengünstig sind, steigt der Herstellungsaufwand für das einzelne ECS-LON-Modul. Dafür können in der Anwendung von ECS-LON die Zusatzgeräte (Master, SPS, Bus-Netzteil) entfallen. Die Eigenschaften der beiden Varianten fasst die Tafel zusammen. 6 Kombination von Sammelschienen-Systemtechnik und Bustechnologie ECS bedient sowohl mit AS-i als auch mit LON typische Schaltgerätekombinationen wie Direkt-, Wendestarter, Dahlanderschaltung und Stern-Dreieck-Kombination. Die Belastbarkeit der binären Ausgänge beträgt 24 V DC 0,5 A je Ausgang. Sie sind gegen Induktionsrückspannung geschützt. Somit können Schütze bis 40 kW direkt angesteuert werden. Die Module (Schutzart IP 20) lassen sich mit Schaltgeräten aller Hersteller und mit den Wöhner-Sammelschienen-Adaptern des 40-mm- und 60-mm-Systems kombinieren. Über die Basismodule in mehreren Breiten und Ausbaustufen (Bild ) stehen die Potentiale N und PE zur Verfügung, wodurch der für die Elektronik benötigte Platz doppelt genutzt wird. Die kompletten Einheiten passen in eine Feldhöhe von 300 mm und damit in marktübliche ISO-Gehäuse. Bei dieser Bauweise nach dem Baukastenprinzip reduziert sich neben dem Verdrahtungsaufwand vor allem das Schaltschrankvolumen. Bei der Entwicklung wurde besonderer Wert auf eine einfache und sichere Kontaktierung gelegt. Sämtliche äußeren Verbindungen sind steckbar ausgeführt. Über einen 5-poligen Stecker wird der Verbraucher bis 400 V und 16 A Stromaufnahme, also z.B. ein Antrieb, direkt mit dem ECS-Modul verbunden - einschließlich PE-Leiter. Eine Klemmleiste für diese Abgänge entfällt. Für die Bus- und Hilfsenergieleitungen reicht die normale Steuerleitung 0,75 mm2. Diese wird über eine Kombination aus Schneidklemm- und Steckverbindung am Modul angesteckt. Durch die kompakte Bauart kann die Bezeichnung der internen Klemmstellen auf ein Minimum sinken. Eine aufwendige Fehlersuche entfällt, wenn jeder Anlagenteil für sich geprüft wird. Durch integrierte, z.T. frei zuordnungsfähige LEDs, ist eine einfache Diagnose über den Zustand der Kommunikation und der Hilfsenergie möglich. Bezüglich Montage- und Betriebsfehler sind alle ECS-Module gegen Verpolung, Überlast und Kurzschluß geschützt. Selbst bei voller Netzspannung am ECS-Modul verhindert eine interne Schmelzsicherung die Zerstörung des Systems. Bei Ausfall der Kommunikation schalten die ECS-Module selbsttätig in den sicheren Zustand. Störungen eines Moduls können an anderer Stelle im Netz erkannt werden. Für Test- und Wartungsarbeiten sind die ECS-LON-Module mit einer Handsteuerung ausgerüstet, deren Aktivierung eine entsprechende Meldungen verursacht. Der unter dem Bezeichnungsschild angebrachte Service-PIN und die gut sichtbare Service-LED erleichtern die Inbetriebnahme und Diagnose eines Systems. Ebenso ist eine bei der Herstellung vergebene 48 Bit-ID-Nummer sehr nützlich bei Programmierung, Inbetriebnahme oder Diagnose. Alle ECS-Module sind auch einzeln auf Hutschiene rastbar. Dadurch ergeben sich weitere Anwendungen. 7 Ergebnisse der Praxis und Projekte Im Kieswerk Magdeburg Barleben z.B. sind erfolgreich mehrere Bussysteme mit ECS-Modulen eingesetzt. Bei einer Gesamtanschlußleistung von 1800 kW erfolgt die Energieverteilung über mehrere Sammelschienensysteme. 83 Antriebe mit bis zu 160 kW Einzelleistung werden über die Bussysteme gesteuert. Unterhalb des Profibus-Netzes sorgen 6 AS-i-Netze mit ECS-Modulen für die Einbindung der Schaltgeräte und melden den Zustand aller Hilfsschalter. Mit ECS-Modulen wird der komplette Verbraucherabzweig als „Black Box“ mit einer einzigen Adresse behandelt. Man benötigt weniger Zeit für Projektierung, Montage und Inbetriebnahme. Durch die bequeme Verdrahtung reduziert sich die Anzahl der Klemmen, was wiederum zu einfacheren Klemmenplänen führt. Außerdem sinken Schaltschrankvolumen (Bild ) sowie die Größe der elektrischen Betriebsräume. Die Reihenfolge der Module im Schaltschrank ist übrigens beliebig. Zur Inbetriebsetzung benötigt man im Vergleich zu konventionell verdrahteten Anlagen lediglich 20 bis 30 % der Zeit. Wegen einer hohen Dauerverfügbarkeit wurde in den ECS-Modulen nur auf elektronische Schaltelemente zum Ansteuern der Schütze zurückgegriffen. Damit liegt die Zuverlässigkeit dieser Baugruppen gegenüber mechanischen Schaltgeräten deutlich höher, selbst wenn diese unterhalb ihrer Bemessungswerte betrieben werden oder durch redundanten Aufbau ein Teil der Ausfälle eliminiert werden kann. Fällt ein mechanisches Schaltgerät aus, kann man die komplette Einheit in etwa einer Minute gegen eine neue austauschen. Die reinen Materialkosten liegen beim Einsatz von ECS-Modulen höher als bei der konventionellen Lösung bzw. bei Verwendung von E/A-Karten. Allerdings gleichen sich die Mehrkosten mit den beschriebenen Rationalisierungseffekten bei Projektierung, Montage und Service sowie der Platzeinsparung bei Betrachtung des gesamten Lebenszyklus wieder aus. Bei Anwendungen, bei denen eine relativ einfache Steuerung in Verbindung mit dem Schalten großer Leistungen erforderlich ist, bietet sich die „stand alone“-Lösung mittels ECS-LON Modulen als günstige Variante an. So kann beispielsweise bei der Trinkwassergewinnung, welche oft an entlegenen Orten erfolgt, die komplette Pumpen- und Ventilsteuerung direkt über die ECS-Module erfolgen. Der LON-Bus ermöglicht dabei, dass mittels Funkübertragung der Zustand der Anlage von einer Zentrale aus abgefragt werden kann. Mit einbezogen werden außer der Kontrolle von Funktionsparametern alle Sicherheitsaufgaben. Damit reduzieren sich aufwendige Kontrollgänge vor Ort. Literatur: [1] R. Kriesel, O.W. Madelung (Hrsg.): AS-Interface Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation 2., überarbeitet Auflage. München, Wien: Carl Hanser Verlag [2] D. Dietrich (Hrsg.): LON-Technologie: verteilte Systeme in der Anwendung Heidelberg: Hüthig-Verlag 1997 NS-Schaltanlagen-Leittechnik Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 1 43 ECS-Module im Kieswerk Barleben führten zu kompakterem und übersichtlicherem Anlagenaufbau. (Foto: Wöhner) ECS-Basismodul bestehend aus Busbaustein, Sammelschienenadapter und Verdrahtung (Foto: Wöhner)
Autor
- H. Lenker
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