Ein wichtiger Indikator für die fortschreitende Dezentralisierung im Maschinen- und Anlagenbau ist die ­nahezu flächendeckende Verwendung von Feldbus-Systemen wie AS-Interface, CANopen oder Profibus-DP sowie Industrial-Ethernet-Anschaltungen über Profinet, Ethercat, Modbus TCP oder Ethernet/IP. Dies gilt für alle ­Produktionsbereiche des Maschinen- und Anlagenbaus sowie der gesamten Prozessindustrie. Der Einsatz unzähliger dezentraler Peripheriebaugruppen wie ‚ET200SP‘ oder von Feldgeräten mit Schutzarten von IP54 bis IP67 in den Bereichen Antriebstechnik, Sensorik und Aktorik von Produktions­anlagen der Automobilindustrie zeigen eindrucksvoll die kon­tinuierliche Umsetzung dieser Trends. Auch ein ­Großteil der Sicherheits­technik wandert inzwischen Zug um Zug aus dem Schaltschrank direkt in die Feldgeräte – sichere Ventilinseln etwa sind bereits Standard in der ­Produktion. Die Konsequenz liegt auf der Hand: Bereits jetzt herrscht zum Teil ‚gähnende Leere‘ in den ­großen, zentralen Einspeiseschränken; sie enthalten nur noch den Hauptschalter, diverse Neozed-­Sicherungen sowie Lasttrennschalter für die Absicherung der 400-V(AC)-Energie-Einspeisung ­sowie die Schaltnetzteile für die Er­zeugung der 24-V(DC)-Steuerspannung in­klusive der Absicherung und Potenzialverteilung für die 24-V-Strom­kreise.

Sinkende Gesamtkosten

Eine thermische Simulation sorgt dafür, dass die verwendeten ­Komponenten optimal positioniert sind.

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An dieser Stelle beginnen die Möglichkeiten zur Kosteneinsparung: Dezentralisierung schafft Platz im Schaltschrank und eröffnet Einsparpotenzial durch verkleinerte Schränke. Und abgesehen davon, dass kleine Einspeiseschränke weniger Geld kosten – durch Modularisierung, Standardisierung, vereinfachte Installation und optimierten Materialeinsatz sinken die gesamten Errichtungskosten. Plus: Einen kleinen Steuerschrank ohne umfangreiche Planung einfach an den nächsten Pfeiler zu schrauben, bedeutet ein Höchstmaß an Flexibilität. Eine sekundäre Kostensenkung ergibt sich durch die zusätzlich verfügbare Stellfläche für den eigentlichen Produktionsbereich aufgrund der relativ hohen Quadratmeter-Preise für die Produktionsfläche.

Speziell im modularen Anlagenbau, bei lang gestreckten Maschinenkon­figurationen und in der gesamten ­Fördertechnik spielt die dezentrale Energieverteilung  ihre Vorteile aus – insbesondere für die verlegten Leitungslängen und -querschnitte sowie bezogen auf den Installationsaufwand. Dezentrale und modulare Konzepte für die Automatisierung helfen signi­fikant bei der Kostensenkung bei ­Planung, Installation, Betrieb sowie Erweiterung von Anlagen und Fertigungszellen.

Lean Planning

Moderne Produktionsplanung achtet vor allem auf eine möglichst hohe Flexibilität der Einrichtungen und Abläufe. Ziel ist es, schnell auf Veränderungen der Märkte, der Produkte und der Fertigungstechnologie reagieren zu können. Innovative dezentrale Gestaltungskonzepte stellen eine große räumliche Flexibilität der Betriebsmittel, Logistiksysteme sowie Versorgungs- und Entsorgungseinrichtungen sicher.

Im multifunktionalen Schaltkasten für Energieverteilung und Steuerungstechnik sind zusätz­liche, dezentrale Peripheriebaugruppen wie ET200S oder weitere elektrische und elektronische Betriebsmittel sowie Schalt- und Schutz­geräte integrierbar.

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Flexible Produktionen brauchen modulare Maschinen, die sich maßgeschneidert in bestehende Fertigungen einfügen lassen und Spielraum für künftige Umbauten sowie Erweiterungen bieten. Deshalb herrscht nach wie vor der Trend, Maschinen in ihre Teilprozesse aufzuteilen. Die Automatisierungs-Hardware folgt dieser Forderung mit Möglichkeiten verteilter Intelligenz, schneller Kommunikation sowie dezentraler Stromverteilung, um die Vorteile der Modulbauweise erschließen zu können. Planer haben dadurch die Möglichkeit, einmal entwickelte Teilprozesse möglichst häufig wiederverwenden zu können.

Neue Strukturen erfordern es, immer mehr Abstand vom zentralen Schaltschrank mit den typischen sternförmigen Verkabelungswegen zu nehmen. Die Entwicklung verläuft eindeutig zu dezentralen Verkabelungsstrukturen. Große Schaltschränke stören häufig einen regelmäßigen Strukturaufbau in der Produktionsanlage. Es sind deshalb immer eine gesonderte Planung und 3D-Simulation bezüglich des notwendigen Platzbedarfs erforderlich. Bei der eigentlichen Planung für die einzelnen Bereiche der Anlage liegt der Fokus auf einem hohen Flächenanteil für die eigentliche Produktion.

Kostentreiber Kupfer

Die Leitungsverluste im AC-Bereich halten sich wegen der höheren Spannung in Grenzen. Im 24-V(DC)-Steuerspannungsbereich allerdings schlägt das ‚Ohmsche Gesetz‘ zu: Lange Versorgungsleitungen vom zentralen Einspeiseschrank zu den Feldgeräten bedeuten immer eine Verlegung höherer Leitungsquerschnitte. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass auch die letzten Verbraucher im Versorgungsstrang durchgängig die minimal zulässige Spannung erhalten. Diese Spannung liegt gemäß DIN EN 61131-2 (Speicherprogrammierbare Steuerungen – Teil 2: Betriebsmittelanforderungen und Prüfungen) notwendigerweise über 19,2 V (dies entspricht 24 V abzüglich 20 %). Die Norm legt die Anforderungen für speicherprogrammierbare Steuerungen sowie zugehörige Peripheriegeräte fest und enthält alle Anforderungen zur Steuerung und Überwachung von Maschinen und industriellen Prozessen. Die Verringerung des Leitungsquerschnittes von 4 mm² auf 2,5 mm² und die gleichzeitige Reduzierung der Kabellänge einer Mantelleitung von durchschnittlich 100 m auf 50 m bedeuten eine Kosteneinsparung für Elek­trokupfer um mehr als Faktor 3. Dies ist bei einem Preis von circa 4500 Euro je Tonne eine spürbare Reduzierung.

Automobilproduktion als Vorreiter

In den Fertigungsanlagen der Fahrzeugindustrie geht der Trend weg von zen­tralen 24-V(DC)-Versorgungen im großen Schaltschrank hin zu kleinen dezentralen Einheiten direkt vor Ort. Die hierfür entwickelte Lösung von
E-T-A ermöglicht dünnere Leitungen für 230 oder 400 V(AC). Sie bringt das 24-V(DC)-/40-A-Netzteil nahe zu den Verbrauchern wie zum Beispiel Feldbus-Module oder Switches. Diese Konfiguration ermöglicht zusätzlich kurze Wege für die Verteilung der 24-V(DC)-Steuerspannung im Feld. Darüber hi­naus sorgt sie für eine signifikante ­Reduzierung der Leitungslänge und zum Teil auch der Leitungsquerschnitte.

Der dezentrale Energieverteiler vom Typ ‚Power-D-Box V0097‘ beinhaltet ein neues Stromverteilungskonzept für die 24-V(DC)-Steuerspannung im Feld. Optimiert ist er für kleinere Produk­tionseinheiten innerhalb langer Fertigungsstraßen, beispielweise in der Automobilindustrie – etwa Roboterinseln, Schweißeinheiten, Montageplätze oder Teilanlagen in der Fördertechnik. In Schutzart IP65 ausgelegt verkraftet er Umgebungstemperaturen bis zu +45 °C.

Eine thermische Simulation während der Entwicklungsphase stellt sicher, dass sich alle verwendeten Komponenten – Schaltnetzteil, Puffermodul und Schutzschalter – an der optimalen Position befinden. Zusätzliche Messungen mit Thermoelementen und Infrarot-Temperaturmessgeräten sorgen dafür, dass die eingebauten Geräte bei einer maximalen Umgebungstemperatur von +45 °C noch in ihrem spezifizierten Arbeitsbereich liegen. Mit Hilfe einer optimierten Anordnung der integrierten Leistungsteile sowie der Verwendung verlustarmer Komponenten ermöglicht der Stromverteiler einen Einsatz ohne aktive Kühlung.

Integriert ist der modulare Stromverteiler vom Typ ‚Modul 18plus‘ mit Einspeiseströmen bis 80 A über 16-mm²-Klemmen für +24 V, 0 V und Funktionserde (FE). Das flexibel ausbaubare System bietet integrierte Reihenklemmen in schraubloser Push-in-Technologie für den Anschluss von zwei Stromkreisen je Schutzschalter. Dies minimiert die Notwendigkeit zusätzlicher Potenzialverteilerklemmen. Mit maximal 20 Steckplätzen ergibt sich eine Potenzialverteilung mit integriertem Überstromschutz. Diesbezüglich werden steckbare Geräte vom Typ ‚ESS30-S‘ verwendet, die über galvanische Trennung verfügen und durch ihre spezielle Kennlinie selektiv wirken. In der Praxis bedeutet dies, dass der Schutzschalter einen fehlerbehafteten Stromkreis durch die eingebaute Strombegrenzung und den präzisen Abschaltpunkt ohne Auswirkung auf die anderen Verbraucher oder die Versorgungseinheit abschaltet. Als „Low Energy Breaker“ für dezentrale Anwendungen konzipiert, bieten die elektronischen Schutzschalter neben der galvanischen Trennung im Fehlerfall zudem eine um 40 % geringere Leistungsaufnahme als die bisherigen Standardtypen ‚ESS20‘.

Autor:
Erich Fischer ist Leiter der Sparte Industry, Energy und Equipment bei E-T-A in Altdorf.