Flexibler Schutzpatron

Industrieelektronik

Schutzschalter – Walzwerke stellen hohe Ansprüche an die elektrische Fehlersicherheit. Elektronische Schutzschaltrelais steuern und überwachen Fluidventile, Magnetbremsen und Hubmagnete zuverlässig und ohne Störungen trotz der langen Leitungen zwischen Energieversorgung, Steuerung und Aktoren.

09. April 2010

Eine wesentliche Forderung der EG-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG zur Betriebssicherheit von Maschinen und komplexen Anlagen ist die Einhaltung der elektrischen Sicherheit. Für Anwendungen in der Stahlindustrie verlangt die Vorschrift, dass auch in den häufig vorkommenden ungeerdeten Systemen (IT-Netze) alle stromführenden Leiter, speziell die Aktoren, zweipolig abgesichert und auch zweipolig geschaltet werden. Eine enorme Herausforderung in Stahl- und Walzwerken sind hier die großen Entfernungen zwischen der Energieversorgung, etwa einem 24-Volt-DC-Netzteil oder einer Drehstrombrücke, der zentralen Steuerung oder der dezentralen I/O-Peripherie und den Schaltgeräten für die Aktoren im Feld, wie Stellantriebe und hydraulische oder pneumatische Magnetventil-Baugruppen.

Eine wichtige Rolle spielen dabei zusätzliche Steuer- und Auswerteeinheiten, die verschiedene Überwachungsfunktionen übernehmen und die entsprechenden Rückmeldungen aus der Feldebene direkt an die Steuerungs- und Prozessleitebene weiterleiten. Wichtige Prozessinformationen sind die Auswertung oder Überwachung der Anlagenverfügbarkeit vor und während des Betriebs von Magnetventilen, die Überwachung von deren Verbindungsleitungen auf einer Länge bis zu 400 Meter inklusive der verwendeten Magnetventilstecker sowie die Kurzschluss- und Überlastüberwachung der Lastkreise. Zusätzliche Isolations- oder Spannungswächter haben die Aufgabe, einen Erdschluss zu detektieren oder die Versorgungsspannung auf Unter- oder Überspannung zu überwachen.

Viele Störgrößen

Sämtliche Überwachungsfunktionen stellen jedoch sehr hohe Anforderungen aufgrund ihrer Störanfälligkeit durch Umgebungseinflüsse wie Wechselrichter, geregelte Antriebe und Rückkopplungen durch Schaltvorgänge. Bei sehr großen Leitungslängen wirken die in Kabelkanälen verlegten Leitungen zudem als effektive Empfangsantennen, die undefinierte Störimpulse auf die elektronische Steuer- und Auswertmodule koppeln. Besonders kritische Störungen beim Betreiben und Überwachen von induktiven Aktoren sind kapazitive Störimpulse, die der Induktivität direkt entgegenwirken.

Um keine fehlerhaften Auswertungen bzw. Rückmeldungen abzuleiten, müssen diese auftretenden Störeinflüsse elektronisch gefiltert werden. Unter den rauen Bedingungen in einer Stranggussanlage dient dazu daszweipolige, elektronische Schutzschaltrelais Typ E-1071-623 des Elektrotechnikherstellers E-T-A aus Altdorf bei Nürnberg. Das Gerät schaltet, steuert und überwacht Pneumatik- und Hydraulikventile sowie Magnetbremsen und Hubmagnete mit Nennspannung 24 Volt DC bei Strömen bis 3,1 Ampere inklusive deren Zuleitung. Das Relais leistet die geforderten Überwachungsfunktionen wie zweipolige Kurzschluss- oder Überlastabschaltung, Unter- und Überspannungsdetektierung, Drahtbrucherkennung bei unterschiedlichen Leitungslängen und Leitungsquerschnitten und ignoriert gleichzeitig die beschriebenen Störeinflüsse.

Zur Gewährleistung des Betriebs und der Überwachungsfunktionen wird die Einheit nicht mit der Verbraucher-Nennspannung von 24 Volt DC betrieben, sondern mit einer erhöhten Spannung im Bereich von 28 bis 60 Volt DC. Eine elektronische Regelung stellt dabei sicher, dass den Aktoren trotz der Spannungsverluste durch die langen Leitungen stets genügend Leistung für das Einschalten und den Betrieb zur Verfügung steht. Mit einer reinen 24-Volt-Versorgung wäre dies nur bei kürzeren Leitungslängen bzw. größeren Leitungsquerschnitten möglich. Im Betrieb wird die Spannung zur Erhöhung der Lebensdauer auf eine geringere Halteleistung des Aktors elektronisch zurückgeregelt.

Der Steuereingang und die beiden Statusausgänge des Schutzschaltrelais für Betriebs- und Funktionsmeldungen werden direkt mit den I/O-Baugruppen der SPS verdrahtet, sodass vorhandene Fehler direkt an die übergeordnete Steuerung übertragen werden.

Das Relais fungiert hier zugleich als Frühwarnsystem: So erhält die Steuerung zum Beispiel bei einem Leitungsbruch bereits vor der Ansteuerung eines Ventils die Information »Anlagenteil nicht verfügbar« und kann so das Anfahren des Fertigungsprozesses wie den Stranganguss rechtzeitig unterbinden.

Eine typische Anwendung des elektronischen Schutzschaltrelais in der Stahlproduktion ist die Beförderung des Stahlstrangs in einer Stranggussanlage durch Spannrollen, die durch Hydraulik-Ventile bewegt und angepresst werden. Dabei ist eine Überwachung der Anlagenverfügbarkeit zwingend erforderlich, weil sich die Bewegung des glühenden Strangs beim Ausfall einer Spannrolle nicht mehr kontrollieren ließe und dieser im schlimmsten Falle platzen könnte. Die möglichen Folgen reichen von einem längeren Anlagenstillstand und einer aufwendigen Reparatur bis zum Gebäudebrand.

Eine weitere Applikation in der Stranggussanlage ist das Abschneiden des Stahlstrangs zu einer Stahlbramme. Hauptaufgabe des Relais ist hier die sichere Ansteuerung und zuverlässige Überwachung von Magnetventilen für die Zufuhr von Kühlflüssigkeit, Brenngas und Sauerstoff.

Erich Fischer, Tobias Prem, E-T-A/bt

Erschienen in Ausgabe: 02/2010