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Stromversorgung Wie Stromversorgungen die Anlagenverfügbarkeit erhöhen

| Autor/ Redakteur: B.Eng. Alexander Haneke / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Verfügbarkeit spielt generell – und ganz besonders in der Prozessindustrie – eine große Rolle. Wird die Hilfsspannungs-Versorgung in Anlagen oder bei einzelnen Komponenten unterbrochen, kann es zu teuren Produktionsausfällen kommen. Redundanzkonzepte von Phoenix Contact sorgen für Sicherheit. Overvoltage Protection (OVP) schützt empfindliche Lasten vor Überspannungen.

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Das klassische Einsatzgebiet redundanter Stromversorgungssysteme sind die Bereiche Öl und Gas sowie die chemische Industrie.
Das klassische Einsatzgebiet redundanter Stromversorgungssysteme sind die Bereiche Öl und Gas sowie die chemische Industrie.
(Bild: Phoenix Contact)

Wirft man einen genaueren Blick auf die gängigen Lasten in der Prozessindustrie, rücken DCS-Systeme (Distribution Control System), Remote I/O-Stationen sowie aktive Rangier-Verteiler, die oft über zwei voneinander entkoppelte Einspeiseklemmen versorgt werden, in den Fokus. Daneben findet man weitere Verbraucher wie Trennschaltverstärker, Relais oder 4-Leiter-Transmitter, die nur über einen einzigen Spannungseingang verfügen.

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Daher sind redundante Systeme in vielen Fällen ein probates Mittel, um den sogenannten Single Point of Failure zu vermeiden. Dies gilt auch für die überall erforderliche Hilfsspannungs-Versorgung, für die sich in den meisten Anwendungsbereichen 24 V DC durchgesetzt hat. Um die Redundanz für die 24-V-Versorgung zu realisieren, werden zwei Hilfsspannungsnetze parallelgeschaltet und mithilfe von Redundanzmodulen voneinander entkoppelt. Zudem sichern die Geräte den Betrieb auch im Fall eines Kurzschlusses in einem der beiden Strompfade.

Verschiedene Redundanzkonzepte

Die einfachste Art der Entkopplung sind passive Diodenmodule. Dabei muss im gesamten Anlagenlebenszyklus darauf geachtet werden, dass Redundanz nur dann gegeben ist, wenn die Summe der Lastströme aller Lasten nicht größer ist, als der maximale Strom eines einzelnen Netzteils. Denn nur so ist sichergestellt, dass bei Ausfall eines Pfades der jeweils andere die Versorgung vollständig übernehmen kann.

Aktive Redundanzmodule, wie etwa vom Typ Quint Oring, übernehmen die Überwachungsfunktion des Summenstroms und schlagen Alarm, wenn die Stromentnahme zu hoch wird. Diese Funktion erleichtert Erweiterungen und identifiziert schleichende Fehler im Rahmen einer vorausschauenden Wartung. Zudem sorgen die Module durch die ACB-Technologie (Auto Current Balancing) für eine gleichmäßige Belastung der beiden Netzpfade. Die Geräte regeln und signalisieren aktiv die Stromaufteilung beider Versorgungspfade, was die Lebensdauer von Netzteilen und DC/DC-Wandlern maximiert. Durch den Einsatz leistungsstarker Mosfet-Transistoren anstelle von Dioden zur Entkopplung wird die Verlustleistung minimiert.

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Redundanzkonzepte von Phoenix Contact

Um für alle Anforderungen an das redundante Stromversorgungssystem gewappnet zu sein, bietet Phoenix Contact verschiedenste Lösungskonzepte:

  • Passive Dioden-module – robust und kostengünstig
  • Aktive Redundanzmodule – geregelt und vollständig überwacht
  • Aktive Single-Redundanzmodule – konsequent getrennt und vollständig überwacht

Driftet eine Stromversorgung ausgangsspannungsseitig zu stark ab, wird auch dieses Verhalten rechtzeitig gemeldet. Oft folgt nach dem Entkopplungsmodul ein Sicherungsverteiler. Der Versorgungsstrang ist ab hier jedoch nicht mehr redundant, auch wenn man Lasten mit redundanten Einspeiseklemmen über zwei unterschiedliche Sicherungen versorgt. Auftretende Fehler am Strang oder am Sicherungsverteiler können hier immer noch zum Ausfall der Anlage führen.

Redundanzkonzepte im Überblick: Entkopplung mit Diodenmodul (oben), Entkopplung mit Mosfet-Modul (Mitte) sowie Entkopplung mit zwei separaten Mosfet-Modulen (unten).
Redundanzkonzepte im Überblick: Entkopplung mit Diodenmodul (oben), Entkopplung mit Mosfet-Modul (Mitte) sowie Entkopplung mit zwei separaten Mosfet-Modulen (unten).
(Bild: Phoenix Contact)

Vollständig redundante Hilfsspannungs-Versorgung

Das optimale Redundanzkonzept mit vollständigem Monitoring besteht durchgängig aus zwei räumlich getrennten Strompfaden. Diese bestehen jeweils aus dem Versorgungsnetz, einem Netzteil oder einem DC/DC-Wandler sowie aus einem intelligenten Quint-4-S-Oring-Modul, das die Pfade voneinander entkoppelt. Dadurch wird ein Single Point of Failure vermieden. Auch hier sorgen Mosfet-Transistoren für eine geringe Verlustleistung, und eine redundante Verdrahtung bis zur Last sorgt für ein System mit maximaler Prozesssicherheit.

In Verbindung mit den passenden Stromversorgungen aus der Baureihe Quint 4 werden auch die einzelnen Hilfsspannungsnetze gleichmäßig belastet, und die intelligente Funktionsüberwachung erlaubt das Monitoring der Entkopplung an allen Punkten des Versorgungssystems. Außerdem bieten die perfekt abgestimmten Systemlösungen aus der Baureihe Quint 4 mit ihrer Kombination aus Stromversorgung und Redundanzmodul eine hohe Funktionalität und Performance.

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Doppelte OVP für noch mehr Sicherheit

OVP-Schwellwerte sind gerade für die Prozessindustrie bedeutsam - Leitsystemhersteller haben hier unterschiedlichste Anforderungen.
OVP-Schwellwerte sind gerade für die Prozessindustrie bedeutsam - Leitsystemhersteller haben hier unterschiedlichste Anforderungen.
(Bild: Phoenix Contact)

Prozessleitsysteme sind immer auf eine maximale Verfügbarkeit ausgelegt. Um die empfindliche Hardware gegen Überspannung zu schützen, begrenzen die Stromversorgungssysteme die Ausgangsspannung auf ein schützendes Niveau. Die OVP-Schaltung verhindert, dass bei einem internen Fehler der Stromversorgung Spannungen oberhalb der OVP-Schwelle das Modul verlassen. Um hier einen vollständigen Schutz zu ermöglichen, fordern viele Leitsystemhersteller denn auch eine doppelte OVP. Die Quint-4-Stromversorgungen in Verbindung mit den Varianten S-Oring/Plus und S-Oring/VP aus der gleichen Baureihe sichern Prozessleitsysteme auf diese Weise doppelt ab. Durch die Zertifizierung der doppelten OVP des Gesamtsystems nach SIL3 (Safety Integrated Level 3) ist auch ein Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen möglich. Verschiedene Anwendungsfälle und Prozessleitsysteme erfordern verschiedene OVP-Schwellen für eine hohe Prozesssicherheit.

Der gesperrte Spannungsbereich zwischen Uin Max und OVPMin verhindert ungewolltes Auslösen der OVP und damit den Anlagenstillstand.
Der gesperrte Spannungsbereich zwischen Uin Max und OVPMin verhindert ungewolltes Auslösen der OVP und damit den Anlagenstillstand.
(Bild: Phoenix Contact)

Durch Bauteilvarianzen liegt der tatsächlichen OVP-Grenze eines jeden Geräts die Gauß’sche Normalverteilung zugrunde. Die Toleranz-betrachtung liefert einen Spannungsbereich, an dessen oberer Grenze der von Phoenix Contact im Datenblatt angegebene OVP-Wert liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass tatsächlich keine Spannung oberhalb dieser Grenze am Ausgang des Geräts auftritt. Der gesperrte Spannungsbereich zwischen maximaler Eingangsspannung und OVP-Schwelle ist für eine hohe Flexibilität und einen sicheren Betrieb ausgelegt. Dieser Betrieb verhindert das ungewollte Auslösen der OVP - und damit den Anlagenstillstand - durch Spannungs-überschüsse im regulären Betrieb. Diese können beispielsweise durch dynamische Lasten und Lastabwürfe verursacht werden. Mit ihren kleinen gesperrten Spannungsbereichen bieten die Stromversorgungen Quint-4 und die Quint-S-Oring/VP eine hohe Flexibilität.

Sicherheit für den gesamten Prozess erhöhen

Das Produkt-Programm an Stromversorgungslösungen von Phoenix Contact bietet zahlreiche Möglichkeiten, die Anlagenverfügbarkeit und damit die Prozesssicherheit insgesamt zu erhöhen – und das nicht nur in der Prozessindustrie. Die Geräte der Baureihe Quint bieten abgestimmte Systemlösungen für den anspruchsvollen Redundanzbetrieb.

* B.Eng. Alexander Haneke ist Produktmanager Redundanzmodule bei der Phoenix Contact Power Supplies GmbH in Paderborn.

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