Netzgeräte für die dezentrale Installation

Dezentrale und schaltschranklose Installationen in Schutzart IP67 sind ein wichtiger Trend in der industriellen Automatisierung. Dezentrale Netzgeräte mit der entsprechenden Schutzart sind zwar bislang schon verfügbar, sie haben jedoch alle einen großen Nachteil. Hat man sie erst einmal verbaut, sind sie in der Regel nur noch schwer zugänglich. Ein Monitoring des Zustands und eine einfache und zuverlässige Anzeige der Auslastung, des Verschleißes und der verbleibenden Verfügbarkeit sind so praktisch unmöglich, was ihre weitere Verbreitung bislang erheblich behindert.   Abhilfe versprechen intelligente und energiesparende Netzgeräte von Balluff in IP 67, die über optische Anzeigen schnell erfassbar ihren Zustand visualisieren. Die kompakten Geräte sind nicht nur ein absolutes Novum am Markt, sie bestechen auch durch ihren hohen Wirkungsgrad von >92%, wodurch sich eine deutlich geringere Wärmeentwicklung ergibt. Das Ergebnis ist eine hohe Lebensdauer von 15 Jahren bei einer MTBF von 800.000 Stunden. Ideale Einsatzgebiete sind dezentrale Installationen in IP67 in Automobilindustrie, Maschinenbau, Anlagen zur Windenergieerzeugung etc.   Die Ausgangslage
Netzgeräten schenkt man im Betriebsalltag, wenn sie erst einmal installiert sind, wenig Aufmerksamkeit. Es wird einfach erwartet, dass sie vorhanden sind und mehr oder weniger unauffällig ihren Dienst versehen, also Einschaltströme und wechselnde Belastungen sicher beherrschen sowie bei Spannungseinbrüchen oder Kurzschlüssen eine zuverlässige Versorgung gewährleisten. Dafür hat man üblicherweise, um auf anstehende etwaige Erweiterungen und andere Herausforderungen wie auf dynamische Spitzen vorbereitet zu sein, in der Planungsphase ganz konservativ eine Reserve von 30 bis 50% eingeplant. Dies verteuert jedoch nicht nur unnötig die Geräte, sondern erfordert unter Umständen auch größere und damit schwerere Bauformen.   Bei IP 67 Netzgeräten kommt noch erschwerend hinzu, dass es bislang keine Geräte am Markt gibt, die dem Instandhalter ein Monitoring des Gerätezustandes, sei es über ein Display oder auch über einen Feldbusanschluss, ermöglichen. Die Geräte sind im Feld häufig sehr schwer zugänglich eingebaut, ein Austausch ist mit einem hohen Aufwand verbunden. Deshalb verlässt man sich, um eine möglichst hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten, auf vorbeugende Instandhaltungskonzepte.   Diese Vorgehensweise ist sehr sicher, aber auch sehr teuer, denn die Geräte werden häufig mangels Alternative z.B. im Rahmen eines zweijährigen Wartungszyklus weit vor Ende ihrer Lebensdauer ausgetauscht.   Abhilfe versprechen die neuen intelligenten IP 67 Netzgeräte von Balluff. Sie sind so ausgelegt, dass man sie auch unter Hochlast fahren kann. Sie folgen dynamischen Lasten und so ist eine Reserve von 30 bis 50% nicht mehr erforderlich, was sich dann auch positiv in einer geringeren Baugröße und niedrigen Anschaffungskosten widerspiegelt. Optische Anzeigen visualisieren dem Nutzer sämtliche Informationen, die er für die Realisierung eines zustandsorientierten Wartungskonzeptes benötigt. Sensoren in Kombination mit einem Mikrocontroller überwachen kontinuierlich im Gerät Verschleißfaktoren wie Temperatur, Überlast, Störungen und andere Randbedingungen. Durch eine intelligente Auswertung dieser Parameter erhält der Nutzer dann erstmals einen Überblick über den Zustand des Gerätes.   Hohe Temperatur, kurzes Leben 
Eine Besonderheit ist der hohe Wirkungsgrad von bis zu > 92%. Durch den Einsatz hoch zuverlässiger Bauteile und innovativer Schaltungstechnologie, wie z.B. einer speziellen Zerhackerschaltung, konnte Balluff die Verlustleistung des primär getakteten Netzgerätes deutlich reduzieren, was sich positiv auf die Lebensdauer des Gerätes auswirkt, da die thermische Belastung erheblich sinkt. Diese ist quasi die Achillesferse eines jeden Netzgerätes.   So haben Lebenszyklussimulationen gezeigt, dass die Lebenserwartung rasch sinkt und nur noch 1/28 des ursprünglichen Wertes beträgt,  wenn die Temperatur  von 45° C auf 90° C erhöht wird. Eine Lastzunahme von 0 auf 130% dagegen halbiert die Lebenserwartung des Gerätes nur. Es lässt sich also allein durch eine drastische Erhöhung des Wirkungsgrades auf über 90% die Wärmeentwicklung und damit auch der Alterungsprozess der elektronischen Komponenten begrenzen. Dabei darf die Wärme vor Ort erst gar nicht entstehen. Größere Kühlelemente, die die Wärme vermehrt aus dem Gehäuse abführen, sind dafür kein Ersatz.   Zum Vergleich: Standardnetzgeräte haben einen Wirkungsgrad zwischen 83 und 87%. Geht man von 15 % im Mittel aus, bedeutet dies bei 200 Watt Leistung einer Wärmeabgabe von 30 Watt, was in etwa der Leistung eines Lötkolbens entspricht. Wenn man den Wirkungsgrad auf 93% erhöht, dann werden nur noch 14 Watt abgegeben, was sich positiv auf die Lebenserwartung auswirkt.   Hell und gut sichtbar - die Zustandsindikatoren
Drei Balkenanzeigen mit LEDs in den Farben grün, gelb und rot informieren den Nutzer kontinuierlich über den betriebsinternen Zustand. Signalisiert werden die Parameter „Load Level“, Stresslevel“ und „Livetime“. Die Anzeigen sind so lichtstark, dass sie auch noch aus mehreren Metern zuverlässig wahrgenommen werden können.
Auf Basis dieser Informationen lassen sich dann erforderliche Instandhaltungsmaßnahmen oder der Zeitpunkt eines Gerätewechsels zustandsorientiert festlegen und die Ausfallwahrscheinlichkeit der Anlage drastisch senken.   Der Loadlevel-Indikator des Gerätes signalisiert reversibel und verzögerungsfreie die aktuelle Auslastung des Gerätes. Werden 80% Auslastung erreicht, wechselt die Anzeige von grün nach gelb, bei weiter steigender Belastung über 100% kommt ein roter Balken hinzu. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn im Power-Boost Modus mögliche kapazitive Lasten beim Einschalten des Gerätes abgefangen werden.
Da der Loadlevel-Indikator ausschließlich von der Last getrieben ist, lässt sich auf einen Blick auch schnell erkennen, ob die Stromaufnahme über die Zeit gestiegen ist. Dies ist  dann ein wichtiger Hinweis auf mögliche Fehlströme oder auch auf zusätzliche Stromverbraucher, die seit der Installation hinzugekommen sind.   Der „Stress Level“ repräsentiert quasi den Herzschlag des Gerätes. Er wird sowohl durch die Last als auch durch die thermische Belastung getrieben. Sinkt oder steigt die innere Wärmeentwicklung aufgrund veränderter Last und/oder vermindert sich die Umgebungstemperatur dank einer geänderten Belüftung, wirkt sich all dies mit einer leichten Verzögerung auf den „Puls“ des Gerätes aus.   Die letzte und dritte, die Lifetime-Anzeige, signalisiert dem Anwender die verbleibende Lebensdauer. Sie basiert auf der Summe sämtlicher Belastungen und ist irreversibel. Geht die Anzeige in den roten Bereich, beträgt die Restlaufzeit weniger als 8 Jahre. Dann sollte ein Austausch des Gerätes möglichst zeitnah vorgenommen werden. Autor: Jürgen Gutekunst, Leiter der Geschäftseinheit Connectivity bei Balluff