29.10.2020

Im Beckhoff-System steigern transparente Energiedaten die Maschineneffizienz und erschließen weitere Optimierungspotenziale

Vereint: Stromversorgung, Überstromschutz und Energiemonitoring

Erst ein durchgängiges und systemintegriertes Strom- und Energiehandling ergibt eine maximale Datentransparenz von der Stromerzeugung bis hin zum Energiemonitoring. Diese ist wiederum die Grundlage, um die Effizienz von Produktionsmaschinen erhöhen und Prozessabläufe optimieren zu können. PC-based Control von Beckhoff ermöglicht dies mit aufeinander abgestimmten Komponenten für Stromversorgung, Absicherung und Monitoring.


Die durch ein abgestimmtes System für Stromversorgung, Absicherung und Monitoring erhöhte Datentransparenz vereinfacht das Energiemanagement im Produktionsumfeld.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Ein transparentes Energiemonitoring reduziert zum einen Maschinenstillstände und zum anderen die Notwendigkeit, entsprechende Komponenten aus Gründen der Anlagenverfügbarkeit überdimensioniert auszulegen. Hinzu kommen die vereinfachte vorbeugende Instandhaltung und eine im Endergebnis deutlich gesteigerte Produktionseffizienz. Das breite Spektrum an PC-based Control bietet auch hierfür eine an die jeweilige Applikation optimal anpassbare Lösung: von den zahlreichen SCT-Stromwandlern und Ethercat-Energiemessklemmen für das durchgängige Monitoring der AC- und DC-seitigen Versorgung über die 24/48VDC-Stromversorgungen der drei neuen PS-Geräteserien bis hin zu den elektronischen Überstromschutzklemmen EL922x.

Systemdurchgängigkeit reduziert Aufwand und Kosten

Keine Maschine oder Anlage kommt ohne zuverlässige Stromversorgungen und eine entsprechende Absicherung aus. Wird dies zusätzlich mit einer leistungsfähigen Erfassung der Energiedaten kombiniert, ergeben sich Vorteile bereits bei der Maschinenauslegung: Zusätzliche Leistungsmesstechnik am Eingang der Stromversorgungen ergibt einen Überblick über die Gesamtleistung inklusive etwaiger Verluste. Mit den neuen hochwertigen Stromversorgungen der PS-Serien kommt hierbei der Systemansatz von PC-based Control entscheidend zum Tragen. Denn erst wenn alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind, lassen sich durchgängig Vorteile erzielen. Zumal durch den Einsatz der direkt in das Ethercat-I/O-System integrierten Überstromschutzklemmen EL922x die Leistung in den einzelnen Versorgungspfaden nicht nur zuverlässig abgesichert, sondern auch kontinuierlich erfasst werden kann. Kann der Maschinenbauer mit dieser gesamtheitlichen Betrachtungsweise z.B. Leistungsspitzen vermeiden, reduzieren sich der Anschlusswert der Anlage und aufgrund geringer dimensionierter Versorgungsleitungen auch die Installationskosten für den Endkunden. Weiterhin bildet eine durchgängige und systemintegrierte Energiemesstechnik die Voraussetzung, um direkt innerhalb der Maschinensteuerung den Soll- und Ist-Zustand der Anlage abzugleichen. Auf diese Weise lassen sich drohende Schäden frühzeitig erkennen und Prozessoptimierungspotenziale einfacher aufspüren. Bisher war ein kontinuierliches Datenmonitoring meist mit erheblichem Aufwand verbunden, denn häufig mussten externe Sensoren nachträglich kostenintensiv und teilweise mithilfe von Sonderbauteilen integriert werden. Mit den Energiemessklemmen, Stromwandlern, Überstromschutzklemmen und Stromversorgungen von Beckhoff lässt sich dies hingegen mit Standardkomponenten und entsprechend geringem Aufwand sowie verminderten Logistikkosten z.B. zur Lagerung von Sonderteilen realisieren - auch im Rahmen von Retrofits existierender Maschinen und Anlagen.

Datentransparenz durch vollständige Messkette

Als Automatisierungsspezialist ermöglicht Beckhoff die Zusammenführung der relevanten Energieversorgungskomponenten zu einem transparenten Gesamtsystem. Erst ein solcher kombinierter Einsatz ergibt einen umfassenden Überblick über die Energie- und Spannungsversorgung der Maschine, sowohl auf der AC- als auch auf der DC-Seite. Dabei beginnt die vollständige Messkette mit den SCT-Stromwandlern bei der Haupteinspeisung der Maschine. Die Stromversorgungen der PS-Geräteserien stellen eine sichere 24V-Gleichspannung für alle angeschlossenen Automatisierungskomponenten zur Verfügung und die Überstromschutzklemmen sichern nicht nur dahinterliegende Einzelstränge ab, sondern sorgen auch für ein kontinuierliches Monitoring des Stromverbrauchs. Mit den Stromwandlern der Serie SCT hat Beckhoff die Energiemesskette von der Aufnahme des physikalischen Messwerts bis hin zur Datenübermittlung in die Cloud komplettiert. Das Portfolio an Stromwandlern deckt dabei alle relevanten Applikationen ab: für Stromstärken von 1 bis 5.000A sowie mit Ausführungen als Durchsteck- und Klappwandler bzw. 3-phasige Wandlersätze. Dabei kann zwischen zwei Konzepten gewählt werden, die jeweils über verschiedene Bauformen und Leistungsklassen hochskalierbar und daher für vielfältige Applikationen geeignet sind. Von kostengünstigen 3-phasigen Wandlersätzen auch für die Gebäudetechnik über Standard-Industriewandler für den Maschinenbau bis hin zu Lösungen für Prüf- und Teststände mit hohen Genauigkeitsanforderungen ist die SCT-Serie breit gefächert. Ausschlaggebend für die Wahl der passenden Variante ist die jeweilige Nutzungsart: Mit den Durchsteck-Stromwandlern lässt sich die Datenerfassung kosteneffizient und messgenau insbesondere in Neuanlagen umsetzen; wohingegen sich die Klapp-Stromwandler durch ihre einfache Anbringung als unkomplizierte Nachrüstlösung eignen. Energiemanagement im Maschinenumfeld und in der Energiewirtschaft stellt vielfältigste Anforderungen, angefangen von der reinen Netzüberwachung über die Prozesssteuerung bis hin zum Highend-Power-Monitoring. Erweitert um vier neue Ethercat-I/Os steht hierfür nun ein umfassendes sowie in Preis und Leistung hochskalierbares Spektrum an Ethercat-Klemmen zur Verfügung. Die neuen Ethercat-Klemmen EL34x3 für das Energiemanagement ergeben zusammen mit den bewährten Netzmonitoring-Oversampling-Klemmen EL37x3 (und der dazugehörigen Twincat-Bibliothek Power Monitoring - TF3650) ein umfassendes Produktportfolio, das sich in einem breiten Anwendungsspektrum an die jeweilige Applikation anpassen lässt.

Verteilte Leistungsmessung reduziert den Aufwand

Eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit, um auch in komplexeren Systemen exakte Leistungsmessdaten zu erhalten, bietet das neue Konzept der verteilten Leistungsmessung. Zentrales Element ist die 6-Kanal-Strom-Eingangsklemme EL3446 für bis zu 1A AC/DC Messstrom. Mit ihr lassen sich auch bei räumlich getrennter Spannungs- und Strommessung genaue Leistungswerte ermitteln. Entscheidend ist dabei, dass sich mit der EL3446 als reiner Strommessklemme alle relevanten elektrischen Daten des Versorgungsnetzes inklusive echter Leistungsmesswerte ermitteln lassen. Die für die Berechnung der Leistungsdaten erforderlichen Spannungswerte werden ihr über Ethercat von einer nur einmal pro Netzwerk zu installierenden 3-Phasen-Leistungsmessklemme EL3443 übermittelt, und zwar über die verteilten Uhren (Distributed Clocks) von Ethercat zeitlich exakt synchronisiert. In den EL3446 werden dann Wirkleistung und Energieverbrauch für jede der jeweils bis zu sechs anschließbaren Phasen berechnet. Die Effektivwerte von Spannung und Strom sowie Wirk-, Schein-, Blindleistung bzw. Frequenz, Phasenverschiebungswinkel und Oberschwingung stehen somit zur Verfügung und ermöglichen eine umfangreiche Netzanalyse bis hin zum Energiemanagement. Dieses Konzept der verteilten Leistungsmessung - mit nur einer EL3443 und beliebig vielen EL3446 - reduziert den Hardware- und Installationsaufwand. So entfällt der Verkabelungsaufwand für die Spannungsverteilung. Zudem wird der Kanalpreis für die Leistungsmessung um nahezu 50 Prozent reduziert, ohne die Abtastgeschwindigkeit mit steigender Messstellenanzahl verringern zu müssen. Hinzu kommt, dass lediglich die Energiemessklemme EL3443 spannungsseitig abgesichert werden muss. Bei allen Folgemessungen entfallen also die bei einer konventionellen Leistungserfassung erforderlichen Sicherungen.

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Stromversorgungen mit optimierter Konvektionskühlung

Ausgangspunkt einer leistungsfähigen und sicheren Energieversorgung innerhalb der Anlage sind die neuen Stromversorgungsserien PS1000, PS2000 und PS3000. Sie eignen sich für nahezu alle Einsatzbereiche - sowohl im 24 als auch im 48VDC-Bereich und bis hin zu Motion-Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Rückspeisefestigkeit. Die gute Konvektion, die reduzierte Verlustleistung und der hohe Wirkungsgrad von bis zu 96,3 Prozent optimieren die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Geräte. Die Spitzenleistungsfähigkeit von maximal 150 prozent ermöglicht es, bis zu 1,44kW Ausgangsleistung kurzzeitig bereitzustellen. Zusammen mit der platzsparenden Bauform und der hohen Störfestigkeit gegenüber Transienten und Überspannungen ermöglicht dies einen effizienten und kostengünstigen Einsatz auch in rauen Industrieumgebungen. Weiterhin können die Stromversorgungen mit der Funktion der präzisen Sicherungsauslösung Leitungsschutzschalter schnell und exakt abschalten, sodass sich längere Maschinenstillstände vermeiden lassen. Der Geräteaufbau ist speziell mit Blick auf gute konvektionskühlende Eigenschaften entwickelt worden. Zudem sind besonders temperaturabhängige, schnell alternde Bauteile unten im Gerät, das heißt möglichst nah an der noch kühlen einströmenden Luft platziert. Durch dieses durchgängig temperaturoptimierte Design werden alle verwendeten Bauteile thermisch weniger belastet und erreichen somit eine lange Lebensdauer. Zusätzlich behalten weniger stark belastete Bauteile ihre technischen Kennwerte länger und der Einfluss von Fremdwärme wird verringert. All das wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit aus.

Analoge Monitoring-Klemme mit Absicherungsfunktionalität

Mit der Ethercat-Klemmen-Serie EL922x verbindet Beckhoff Funktionen für ein umfassendes Energiemonitoring hochkompakt mit einem elektronischen Überstromschutz zur Absicherung von 24VDC-Anlagenteilen. So erfassen diese analogen Monitoring-Klemmen die Strom- und Spannungswerte für ein kontinuierliches Leistungsmonitoring. Diese Daten ermöglichen unter anderem eine detaillierte Stromverbrauchs- und Spannungsanalyse sowie die Überwachung von Spannungsgrenzwerten. Weiterhin lassen sich Statusinformationen (an, aus, ausgelöst), Auslöseereignisse (Überlast, Kurzschluss) und Vorwarnungen anzeigen. Durch die Integration des elektronischen Überstromschutzes direkt in das Ethercat-I/O-System reduzieren sich gegenüber den derzeitigen Absicherungsprodukten die Kosten und der Platzbedarf im Schaltschrank, ohne dass eine konventionelle elektronische Lösung als unflexibles Stand-alone-System eingesetzt werden muss. Die Ethercat-Klemmen des Typs EL9227 erfüllen zudem durch zahlreiche Einstellmöglichkeiten und Prozessdaten vielfältigste Anforderungen und ermöglichen eine transparente Anlagenüberwachung. Insgesamt stehen 19 verschiedene 1- und 2-kanalige Überstromschutzklemmen für Strombelastungen bis maximal 10A zur Verfügung. Der systemintegrierte Überstromschutz bietet zahlreiche Praxisvorteile. So reduziert sich der Verdrahtungsaufwand, da die Einspeisung in die benachbarten I/O-Klemmen automatisch beim Anstecken der Klemme erfolgt. Zudem profitiert der Schaltschrankbau von einer Platz- und Kostenersparnis durch den Wegfall eines sonst notwendigen zusätzlichen Koppel-Produkts und weiterer digitaler I/O- oder Einspeiseprodukte. Weiterhin lässt sich über Ethercat auf zahlreiche Prozessdaten wie Auslastung, Laststrom, Ein-/Ausgangsspannung, Unter-/Überspannung und Rückwärtseinspeisung zugreifen.

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