Der Drehstrom-Asynchronmotor gehört in der Automatisierungstechnik zu den am meisten verwendeten Komponenten. Er wird zur Umsetzung vieler Abläufe und Bewegungen eingesetzt, die zum Teil komplex und sicherheitsrelevant sind. Insbesondere im Maschinen- und Anlagenbau finden sich zahlreiche Motoren, um Zuförderer, Pumpen, Lüfter, Späneförderer und andere Anwendungen anzutreiben. Die Leistungsklasse der Antriebe erstreckt sich von einigen Watt bis etwa drei Kilowatt.

Dies vor dem Hintergrund, weil 80 % aller weltweit genutzten Motoren eine Leistung von weniger als vier Kilowatt aufweisen. Mechanische Schaltgeräte, so genannte Schütze, schalten die Antriebe typischerweise ein und aus. Die Überwachung des Motorstroms auf Überlast oder Blockade erfolgt durch ein Motorschutz-Relais, das den Motor im Störungsfall stillsetzt. Wird ein Antrieb für beide Drehrichtungen benötigt, muss die schaltungstechnische Funktion – das Tauschen von zwei Außenleitern – über ein weiteres Schaltelement ausgeführt werden. Wenn die Applikation dann noch die Anforderungen an die funktionale Sicherheit, beispielsweise gemäß Kat. 3 oder PL e, erfüllen soll, sind ein oder zwei zusätzliche Schaltelemente in Reihe zu schalten. In der Summe erfordern viele Antriebs-Anwendungen somit vier oder fünf Geräte, die entsprechend geplant, verdrahtet und verschaltet werden müssen.

Vier Funktionen in einem Gerät

Der Hauptstrompfad mit Hybrid-Motorstarter im Vergleich zu mechanischen Schaltelementen.

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Deshalb vereint der Hybrid-Motorstarter aus der Produktfamilie Contactron je nach Bedarf bis zu vier Funktionen in einem Gerät. Dazu zählen Rechtslauf, also die einfache Ansteuerung über 24-V(DC)-SPS-Ausgangskarten, sowie Linkslauf mit optionaler Wendefunktion inklusive Verriegelungsschaltung und Lastverdrahtung. Darüber hinaus schützen die Geräte den Motor durch ein integriertes Motorschutz-Relais mit Automatik- und Fernreset-Funktion. Außerdem setzt die implementierte Safety-Funktion gemäß Kat. 3 respektive PL e nach EN ISO 13849-1 die Not-Halt-Anforderung um. Trotz dieser Funktionen ist der Hybrid-Motorstarter nur 22,5 mm breit.

Bei der Contactron-Technologie handelt es sich um eine von einem Mikroprozessor gesteuerte Kombination aus verschleißfreier Halbleiter- und robuster Relais-Technik. Das ermöglicht ein schonendes Schalten und entlastet die Relaiskontakte damit erheblich. Die Halbleiter übernehmen die Einschalt- und Ausschaltvorgänge, während Relais den Strom verlustarm führen. Auf diese Weise lassen sich aufwendige und teure Kühlkörper einsparen. Ferner verlängert sich die Lebensdauer der Hybrid-Motorstarter im Vergleich zu rein elektromechanischen Schaltgeräten um den zehnfachen Wert. Für den Hauptstrompfad sind lediglich acht Klemmstellen notwendig. Und schließlich minimieren die internen Last- und Verriegelungsschaltungen den Verdrahtungsaufwand.

Integrierte SmartWire-DT-Technologie

Werden in einer Anlage mehrere Motorabgänge benötigt, sollten sich die Motorstarter in die bekannten Feldbus-Systeme wie Profibus, CANopen, Ethernet/IP oder Modbus TCP einbinden lassen. Zu diesem Zweck bietet sich das SmartWire-DT-System von Eaton an. Dabei führt SmartWire-DT die aufwendige Parallelverdrahtung von bis zu 99 Teilnehmern aus, wobei eine maximale Distanz von 600 m überbrückt werden kann.

Die Hybrid-Motorstarter mit SmartWire-DT-Vernetzung: Das sichere Abschalten erfolgt mittels eines Sicherheitsrelais oder einer Safety-Steuerung über einen Enable-Eingang am SmartWire-DT-Adapter.

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Die Netzwerkfähigkeit der Hybrid-Motorstarter wird durch einen Adapter für Smart-Wire-DT erreicht, den der Anwender auf das Contactron-Modul aufsteckt. Der Adapter übernimmt so die Ansteuerseite. Die Hybrid-Motorstarter lassen sich nun mit SmartWire-DT über ein Gateway direkt an die Steuerung ankoppeln.

Ein Not-Halt, also das sichere Abschalten, wird beispielsweise mit einem Sicherheitsrelais oder einer Safety-Steuerung über einen Enable-Eingang am SmartWire-DT-Adapter realisiert. Um höchsten Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden, ist der Eingang zweikanalig ausgelegt. Die SmartWire-DT-Technologie reduziert den Verdrahtungsaufwand somit erheblich, indem die aufwendige Pa-rallelverdrahtung der Ansteuer- und Signalebene nahezu entfällt. Schaltschränke können kompakter dimen-sioniert werden und sind zudem übersichtlicher aufgebaut. Darüber hinaus lassen sich die Motorstarter mit SmartWire-DT nicht nur in den Rechts- oder Linkslauf schalten; ferner erlaubt das System eine Diagnose-Rückmeldung sowie ein Reset oder Autoreset.

Schnelle Betriebsbereitschaft nach einem Kurzschluss

Im Rahmen einer Kooperation mit dem Energieverteilungsspezialisten Wöhner hat Phoenix Contact die Motorstarter auch in puncto Kurzschlussfestigkeit weiterentwickelt. Durch den Einbau von Sicherungen sind die Geräte nun bei einem Kurzschluss schnell wieder betriebsbereit. Damit erfüllen sie die Zuordnungsart 2 gemäß der IEC/EN 60947. Personen, Anlagen und Maschinen werden bei einem Kurzschluss sicher vor Gefahren wie akustischen Auswirkungen, Verbrennungen, Bränden, dem Blenden der Augen oder elektrodynamischen Kräften geschützt. Nachdem der Anwender die Sicherungen getauscht hat, ist das Schaltgerät wieder funktions­fähig.

Über ein Adaptionssystem lässt sich der kurzschlussfeste Hybrid-Motorstarter sowohl auf 60-mm-Stromschienen als auch auf Tragschienen montieren. Die Montage-Adapter ermöglichen ein sicheres Freischalten der Motorabgänge. Im Wartungs- oder Servicefall kann das Gerät also vom Adapter abgezogen werden, ohne dass die Anlage oder andere Komponenten im Schaltschrank abgeschaltet werden müssen. Wird er auf der Stromsammelschiene installiert, lässt sich der Motorstarter direkt neben großen Verbrauchern anreihen. Das spart Zeit und Kosten. Die Contactron-Geräte mit integrierter Sicherung können nahtlos in das SmartWire-DT-System eingefügt werden. Durch diese Kombination stehen dem Anwender somit bis zu sechs Funktionen in einem Gerät zur Verfügung.

Autor: Matthias Ragaller ist im Produktmarketing Contactron bei Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont, tätig.

Die weiteren Ausbaupläne

Die Hybrid-Motorstarter sind die ersten Geräte von Phoenix Contact, die mit SmartWire-DT-Schnittstelle aus dem Hause Eaton erhältlich sind. Wie es mit SmartWire bei Phoenix Contact weitergehen soll, erläutert Matthias Ragaller im Interview.

Matthias Ragaller ist im Produktmarketing Contactron bei Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont, tätig.

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Herr Ragaller, planen Sie weitere Geräte mit der Schnittstelle auszustatten und wenn ja, welche?

Künftig werden auch Geräte wie der Motormanager EMM, die schon jetzt per Gateway in Profibus- und Interbus-Systeme integriert werden können, mit einer SmartWire-DT-Schnittstelle ausgestattet. Darüber hinaus wird die Anbindung der Contactron-Geräte an alle gängigen Bussysteme erfolgen.

Welcher Implementierungsaufwand – in Mannjahren, beziehungsweise in Euro – war nötig, um SmartWire-DT zu integrieren?

Die reine Integration hat sich aufgrund der Third-Party-Unterlagen von Eaton komfortabel gestaltet. Der Aufwand und die normale Durchlaufzeit einer Elektronik-entwicklung werden durch die Einbindung von SmartWire-DT nur geringfügig erhöht.

Die Motorstarter sind sowohl mit als auch ohne SmartWire-DT-Adapter erhältlich. Welchen Mehrpreis zahlt der Kunde für die digitale Schnittstelle?

Betrachtet man die gesamte Applikation, dann verhält sich der Anschluss der Hybrid-Motorstarter Contactron über den Adapter schon bei geringer Kanalzahl kosten-neutral, da die komplette Steuerverdrahtung entfällt und auch digitale I/Os eingespart werden.

Welche Tools benötigt der Kunde, um die SmartWire-DT-Installation in Betrieb zu nehmen und welche Kosten verursacht dies?

Die Inbetriebnahme und Adressierung erfolgt mit der Software SWD-Assist quasi per Knopfdruck. Das Tool ist kostenlos via Download bei Phoenix Contact verfügbar.

Mit welchem Verhältnis an verkauften Motorstartern mit beziehungsweise ohne SmartWire-DT rechnen Sie?

Die nächsten Monate werden zeigen, welche Akzeptanz die SWD-Variante der Hybrid-Motorstarter beim Anwender erreicht. Wir sind zuversichtlich, einen signifikanten Anteil der Geräte mit Systemanbindung zu etablieren.

Ersatz der ­Steuerverdrahtung

Bei SmartWire-DT handelt es sich um ein intelligentes Kommunikationssystem zur Vernetzung von Schaltgeräten innerhalb und außerhalb des Schaltschranks; es ersetzt damit die bisherige Steuerverdrahtung. Die zugehörige SPS-I/O-Ebene entfällt ebenfalls. Schaltgeräte werden auf einfache Weise kommunikationsfähig. Basis hierfür war die Entwicklung eines hoch integrierten ASIC, der bei geringem Platzbedarf alle Kommunikations- und Verarbeitungsfunktionen umfasst. 1024 Byte zyklische Daten können bei einer Baud-Rate bis 250 kB übertragen werden. Mit der Technologie lassen sich bis zu 99 Teilnehmer über eine maximale Distanz von 600 m verbinden.