Effizienz schafft Lebensdauer

Technik

Stromversorgung – Immer mehr Automatisierungslösungen erfordern dezentrale Installationen. Intelligente Netzgeräte mit hohem Wirkungsgrad helfen Kosten zu sparen und ermöglichen eine zustandsorientierte Wartung.

18. April 2011

Ein wichtiger Trend in der industriellen Automatisierung sind dezentrale Installationen in Schutzart IP67 außerhalb des Schaltschranks, wie sie etwa in der Automobilindustrie, im Maschinenbau oder in Windkraftanlagen vorkommen. Notwendig dafür sind unter anderem dezentrale Netzgeräte mit der entsprechend hohen Schutzart. Derartige Geräte sind zwar bislang schon verfügbar, allerdings sind sie nach dem Einbau in der Regel nur noch schwer zugänglich. Dies erschwert nicht nur eine einfache und zuverlässige Anzeige der Auslastung, des Verschleißes und der verbleibenden Verfügbarkeit, sondern behindert zudem die Wartung.

Mangels Alternative werden die Geräte deshalb häufig im Rahmen der vorbeugenden Instandhaltung in einem zweijährigen Wartungszyklus weit vor dem Ende ihrer Lebensdauer ausgetauscht. Üblicherweise wird für die Netzgeräte außerdem eine Leistungsreserve von 30 bis 50 Prozent eingeplant, um auf etwaige Erweiterungen und andere Herausforderungen wie dynamische Spitzen vorbereitet zu sein. Dies verteuert jedoch die Geräte nicht nur unnötig, sondern erfordert unter Umständen auch größere und damit schwerere Bauformen. Bei IP67-Netzgeräten kommt hinzu, dass es bislang keine Geräte am Markt gibt, die zur Instandhaltung ein Monitoring des Gerätezustandes ermöglichen, sei es über ein Display oder über einen Feldbusanschluss.

Abhilfe versprechen jetzt erstmals intelligente Netzgeräte des Neuhausener Sensorikspezialisten Balluff in Schutzart IP67, die ihren Zustand über optische Anzeigen schnell erfassbar visualisieren. Der sehr hohe Wirkungsgrad von mehr als 92 Prozent stellt sicher, dass im Betrieb nur wenig Wärme freigesetzt wird. Das Ergebnis ist eine Lebensdauer von 15 Jahren bei einer mittleren Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von 800.000 Stunden.

Hoher Wirkungsgrad

Die intelligenten Netzgeräte folgen den Lasten dynamisch und benötigen deshalb keine Sicherheitsreserve von 30 bis 50 Prozent. Zudem lassen sie sich permanent unter Hochlast betreiben, was sich in einer geringeren Baugröße und niedrigen Anschaffungskosten widerspiegelt. Grundlage hierfür ist der hohe Wirkungsgrad der Geräte von mehr als 92 Prozent, der die Verlustleistung und damit die thermische Belastung des primär getakteten Netzgerätes deutlich reduziert, was sich positiv auf dessen Lebensdauer auswirkt. So sinkt die Lebenserwartung eines Netzgeräts rasch auf 1/28 des ursprünglichen Wertes, wenn die Temperatur von 45 auf 90 Grad Celsius steigt.

Eine Lastzunahme von 0 auf 130 Prozent dagegen verkürzt die Lebenserwartung des Gerätes lediglich auf die Hälfte. Der Alterungsprozess der elektronischen Komponenten lässt sich also allein durch die Reduktion der Wärmeentwicklung begrenzen.

Am effektivsten ermöglicht dies eine Erhöhung des Wirkungsgrades. So gibt ein Standardnetzgerät mit einem Wirkungsgrad von ungefähr 85 Prozent bei 200 Watt Leistung rund 15 Watt als Wärme ab, was etwa der Leistung eines Lötkolbens entspricht. Wird der Wirkungsgrad dagegen auf 93 Prozent erhöht, beträgt die Wärmeleistung lediglich noch 14 Watt. Erreicht wird der hohe Wirkungsgrad unter anderem durch den Einsatz zuverlässiger Bauteile sowie durch innovative Schaltungstechnologie, wie etwa eine spezielle Zerhackerschaltung.

Integrierte Sensorik

Grundlage für eine zustandsorientierte Instandhaltung der schwer zugänglichen Geräte ist eine zuverlässige Information über deren aktuelle Verschleißsituation. Optische Anzeigen visualisieren deshalb sämtliche Informationen, die für die Realisierung eines zustandsorientierten Wartungskonzepts benötigt werden. Dazu überwachen Sensoren im Gerät in Kombination mit einem Mikrocontroller kontinuierlich Faktoren wie Temperatur, Überlast, Störungen und andere Randbedingungen.

Die intelligente Auswertung dieser Parameter liefert so einen ständigen Überblick über den Zustand des Gerätes, sodass die Stromversorgungen erst dann ausgetauscht werden können, wenn sich ihr Lebenszyklus tatsächlich dem Ende nähert. Angezeigt wird die aktuelle Situation über drei Balkenanzeigen mit lichtstarken LEDs in Grün, Gelb und Rot, die den Nutzer kontinuierlich über die Parameter »Load Level«, »Stress Level« und »Lifetime« informieren. Auf Grundlage dieser Informationen lassen sich dann erforderliche Instandhaltungsmaßnahmen oder der Zeitpunkt eines Gerätewechsels zustandsorientiert festlegen und die Ausfallwahrscheinlichkeit der Anlage drastisch senken.

Zuverlässiges Monitoring

Der Load Level-Indikator signalisiert reversibel und verzögerungsfrei die aktuelle Auslastung des Gerätes. Dazu wechselt die Anzeige bei einer Auslastung von 80 Prozent von Grün nach Gelb, bei weiter steigender Belastung über 100 Prozent 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 Indikator ausschließlich von der Last getrieben ist, lässt sich 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« wird sowohl durch die Last als auch durch die thermische Belastung getrieben. Sinkt oder steigt die innere Wärmeentwicklung aufgrund veränderter Last und/oder einer geänderten Umgebungstemperatur, wirkt sich dies mit einer leichten Verzögerung auf den Indikator aus.

Die Lifetime-Anzeige schließlich signalisiert 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 acht Jahre. Dann sollte das Gerätes möglichst zeitnah ausgetauscht werden.

Zitat:

»Der Alterungsprozess von elektronischen Komponenten lässt sich allein durch die Reduktion der Wärmeentwicklung begrenzen.«

Jürgen Gutekunst, Balluff GmbH

Erschienen in Ausgabe: 03/2011