Der klassische Aufbau einer 24-V (DC)-Stromversorgung und -Verteilung sieht so aus: Zwei oder auch mehrere Stromquellen liefern redundant die nötige Energie. Diese geht dann über Entkopplungsdioden auf die Speisespannungsschiene der Stromverteilung, wo Schutzelemente wie Sicherungen oder Schutzschalter angeschlossen sind, die die Ströme zu den einzelnen Verbrauchern weiterleiten. Das können Steuerungen, Sensoren, Aktoren oder Schnittstellenbausteine sein. Die Rückleitungen von den Lasten werden normalerweise über ein separates Rangierfeld zusammengeführt und zu den speisenden Quellen zurückgeleitet. Bei dieser klassischen Vorgehensweise müssen die Anzahl, die Auslösekennlinien und die Nennwerte der Sicherungselemente vor deren Einbau festgelegt werden. Denn danach wird alles fest verdrahtet und ist nur noch aufwendig änderbar. Dabei sind je nach Anzahl der zu schützenden Kanäle schnell zwei bis drei Reihen in einem normalen Schaltschrank belegt.

In dieser Konstellation erhält der Techniker bei laufendem Betrieb keine oder nur wenige Informationen über den Zustand der Stromversorgung oder die Verteilung auf die Lastkreise. Einzige Rückmeldung ist eine Statusmeldung, ob ein Automat ausgelöst hat. Diese Meldung erfolgt über die Signalkontakte der Schutzschalter, sofern sie überhaupt angeschlossen sind – die Information kommt also erst, „wenn das Kind längst in den Brunnen gefallen ist“.

Der klassische Aufbau hat Grenzen

Prinzipieller Aufbau einer Stromverteilung mit redundanter Einspeisung.

© E-T-A Elektrotechnische Apparate

Wie könnte nun aber eine sichere Alternative aussehen, mit der eine vorbeugende Sichtweise möglich ist? Als Beispiel mag eine Anlage mit 24 Lastkreisen dienen, für die eine redundante Stromversorgung, -verteilung und -absicherung auf 24-V(DC)-Basis aufzubauen ist. Sie soll einen Strombedarf von maximal 80 A inklusive einer gewissen Reserve leisten. Dazu sind zunächst zwei unabhängige Stromquellen für je 80 A nötig, die die Lasten redundant versorgen sollen. Im Normalbetrieb laufen also beide parallel mit jeweils ‚halber Kraft‘, beim Ausfall einer Quelle übernimmt die verbleibende mit 100 %. Um diesen Übergang sicherzustellen, werden beide über 80-A- Entkopplungsdioden parallel auf die Plus-Potenzialschiene der Verteilung angeschlossen und somit eine gegenseitige Beeinflussung vermieden. Die Minuspole werden ebenfalls auf die entsprechenden Anschlüsse gelegt – in diesem Fall ohne Dioden.

Servicefreundlich konstruiert

Service-Darstellung der Funktions­zustände der einzelnen Kanäle beim intelligenten Stromverteilungssystem.

© E-T-A Elektrotechnische Apparate

Das Stromverteilungssystem, wie es E-T-A anbietet, besteht aus einem Alugehäuse, das sich mit vier Schrauben auf die Montageplatte im Schaltschrank montieren lässt. Das Gehäuse ist mit 482 mm Breite (19 Zoll) und 133 mm Höhe (3 HE) kompatibel zum 19-Zoll-Raster. Die Entkopplungsdioden sind bereits im Gehäuse untergebracht – mitsamt der notwendigen Kühlkörper auf der Rückseite, da bei 80 A bereits eine gewisse Verlustwärme entsteht. Zusammen mit vier Einspeiseklemmen bis 25 mm² (tauglich für 80 A) für die beiden Versorgungen bildet dies die ‚Leistungs-Einspeiseseite‘.

Auf der Lastseite finden sich zur Absicherung der 24 Verbraucherkreise Plätze zum Stecken der elektronischen Überstromsicherungen. Diese beinhalten die zugehörigen Anschlussklemmen mit Push-In-Technologie für die Lastleitungen bis 2,5 mm² Querschnitt beziehungsweise 10 A Nennstrom. Alles ist frei von vorn zugänglich und minimiert damit Verdrahtungsaufwand und Installationskosten. Dass sich die Sicherungsautomaten einstecken lassen, erleichtert eine spätere Bestückung, Nachrüstung oder Umänderung. Der Service vereinfacht sich ebenfalls, da das Wartungspersonal keine Schraube lösen und keinen Draht mehr abklemmen muss, alles kann im laufenden Betrieb geschehen.

Intelligenz an Bord

Über die elektronischen Sicherungsautomaten ist in diesem System auch Intelligenz enthalten. Diese Bausteine lassen sich per Datenbus – typischerweise Profibus-DP oder Profinet – einstellen, fernsteuern und überwachen. Für die elektronischen Sicherungsautomaten können Anwender diverse Parameter festlegen – zum Beispiel den Nennstrom, das Auslöseverhalten (Zeitverhalten) oder Schwellwerte für eine Vorwarnung. Dazu werden einerseits bei laufendem Betrieb kontinuierlich Informationen aus jedem einzelnen Überstromschutzelement ausgelesen, die sich anschließend in übergeordneten Systemen oder Steuerungen auswerten lassen. Andererseits zeigt das Gerät den Status auch direkt vor Ort mittels farbiger LED an.

Darüber hinaus ist es möglich, sich per Laptop oder Tablet über eine USB-Schnittstelle direkt vor Ort mit dem Stromverteilungssystem zu verbinden und mit Hilfe einer Servicesoftware den Zustand aller Lastkreise auf dem Bildschirm übersichtlich darzustellen. Mit den entsprechenden Zugangsberechtigungen ist es auch möglich, direkt einzugreifen.

Auf diese Weise verfügt der Anwender über zwei Fernsteuermöglichkeiten: zum einen über den Bus, der die Daten laufend in die Prozesse der Anlage einbindet, überwacht und steuert. Zum anderen über die Serviceschnittstelle vor Ort, um unmittelbar eingreifen zu können und Probleme zu beheben oder gar nicht erst entstehen zu lassen.

Zur vorbeugenden Diagnose können beispielsweise die Strom- und Spannungszustände sowie die Betriebstemperaturen des abzusichernden Elementes ausgelesen werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand jedes einzelnen Lastzweiges. Ist es tatsächlich zu einer Auslösung gekommen, wird dem Anwender angezeigt, welche Art von Fehler vorliegt – Kurzschluss, Überlast oder Probleme mit der Ver­sorgungsspannung. Ein interner Ereigniszähler gibt Auskunft, wie oft ein Fehler schon vorlag und ob er möglicherweise bisher einfach ignoriert wurde. Mittels eines auslesbaren Oszillogramms lassen sich Strom- und Spannungsverlauf direkt vor der letzten Auslösung betrachten und auswerten. Dies erleichtert und beschleunigt die Ursachenfindung und letztlich auch die Fehlerbehebung.

Strombegrenzung inklusive

Darstellung des Historienspeichers (Oszillogramm) eines Kanales nach einer Auslösung.

© E-T-A Elektrotechnische Apparate

Zudem verfügen die elektronischen Sicherungsautomaten über eine Strombegrenzung, die im Fehlerfall nur einen geringfügig über dem eingestellten Nennstrom liegenden Kurzschlussstrom zulässt. So schützt die Elektronik angeschlossene Leitungen und Lasten. Insbesondere bei sehr langen Lastleitungen, die selbst strombegrenzend wirken, führt diese Eigenschaft zur sicheren
selektiven Auslösung des Fehlerstromkreises. Dies verhindert eine Absenkung oder gar den Totalausfall der 24-V(DC)-Versorgungsspannung durch den Fehler an einer einzigen Last. Die anderen, an dieselbe 24-V(DC)-Verteilung angeschlossenen fehlerfreien Lasten bleiben unbeeinträchtigt.

Das System erkennt drohende zu große Überlasten oder Kurzschlüsse, schaltet ab und vermeidet entstehende Schäden. Eine Fehlermeldung am Gerät selbst oder über das Kommunikationssystem sorgt zudem für die entsprechende Information an das Bedienpersonal. Gleichzeitig lässt sich die Fehlermeldung dazu nutzen, eine vorher festgelegte Gegenmaßnahme einzuleiten.

Herzstück Controller

Im Stromverteilungssystem sind alle Komponenten für eine Kommunikation über Profibus-DP oder Profinet enthalten; der Buscontroller ‚CPC10‘ ist dabei der eigentliche intelligente Kern des Systems. Er sorgt für die Anbindung der Kommunikation an die übergeordneten Systeme der Außenwelt und steht über einen speziellen internen Bus, den EL-Bus, im Dialog mit den einzelnen elektronischen Sicherungsautomaten. So sammelt er alle Daten der 24 Teilnehmer ein und macht sie nach außen verfügbar. Der Controller leitet Informationen zur Konfiguration oder Steuerung vom übergeordneten System an die Teilnehmer weiter. Sämtliche Parameter eines jeden Kanals sind im Controller steckplatzbezogen gespeichert. Beim Tausch eines elektronischen Sicherungsautomaten sendet er sie unverzüglich an den neuen Teilnehmer.

Die Datenleitungen des internen Busses erfolgen ebenso wie die Verbindungsleitungen zur Verteilung der großen Einspeiseströme zu den einzelnen Steckplätzen über eine kompakte Leiterplatte, wo auch sämtliche Lastanschlussklemmen untergebracht sind. Auf diese Weise entfallen fliegende Kabel und unnötige Klemmstellen, Fehlerquellen innerhalb des Systems werden eliminiert.

Die Verdrahtung außerhalb des Stromverteilers ist anwenderfreundlich gestaltet, alle externen Leitungen lassen sich übersichtlich rangieren. Dafür wird ein mit Rangierbügeln bestücktes Modul ab Werk angedockt – und zwar unterhalb der Verteilung auf Höhe der Anschlussklemmen. Dies ermöglicht die horizontale Verlegung der Kabel und macht in der Regel tieferliegende und schwer zugängliche Kabelkanäle überflüssig.

Autor:
Dieter Arenz ist Apllikationsspezialist für Systemlösungen Industrie bei E-T-A Elektrotechnische Apparate in Aldorf.