Ein Kurzschluss im Stromnetz kann viel Geld kosten: Jede Sekunde, in der die Anlage still steht, verliert der Besitzer Geld. Das war auch bei der englischen Produktion von Nissan der Fall - bis man die richtigen Maßnahmen fand, um das in Zukunft zu verhindern.

Anlagenausfall kann auch durch ein einziges Sensorkabel verursacht werden. So geschehen im Sunderland-Werk von Nissan. Ein beschädigtes Kabel legte dort die Achsen-Schweißanlage für mehr als 160 Minuten still. Der für eine solche Situation vorgesehene Leitungsschutzschalter löste nicht aus. Der Facility Engineer der Anlage musste also eine zuverlässigere Absicherung der von Schaltnetzteilen versorgten 24 V DC-Ebene finden. Die Lösung, zunächst als Feldversuch installiert, fand er in dem elektronischen Schutzschalter vom Typ ESS20 des Unternehmens E-T-A. Er konnte so den Anlagenausfall aufgrund von Erdschlussfehlern in der 24-V-Feldebene um 75 % senken. Chris Watt, Facility Engineer in der Stanzanlage, wollte auf die viel versprechenden Testergebnisse aus der Schweißerei aufsetzen. Dort ist die Verkabelung der Vorschubstangen, die im schnellen Zyklus Karosserieteile durch mehrere Pressvorgänge bewegen, rauen Bedingungen ausgesetzt. Vibration, Stoß und auch ständiges Wechseln der Werkzeuge greifen unweigerlich die Leitungen zu Näherungs- und Endschaltern und Ventilen an. Jede Suche nach der Ursache eines Kurzschlusses zog sich in die Länge. Inzwischen sind die Kreise aller Hauptpressen mit dem elektronischen Schutzschalter ESS20 hochgerüstet - 70 dieser Geräte sind hier im Einsatz. Mit 50-70 % weniger Ausfallzeiten wegen Erdschlüssen in der 24-V-Feldebene.

Selektive Absicherung

Die DC-24-V-Feldebene wird heute fast ausschließlich von primär getakteten Schaltnetzteilen versorgt. Mit ihrer integrierten Strombegrenzung sind diese Geräte hervorragend gegen Überlast und Kurzschluss geschützt, denn sie regeln ihre Ausgangsspannung ab. Allerdings müssen auch die Absicherungskomponenten im Sekundärkreis diesen neuen Gegebenheiten angepasst werden. Einerseits müssen Schutzschalter schneller reagieren als die Strombegrenzung des Schaltnetzteils, andererseits aber hohe Einschaltspitzen kapazitiver Lasten tolerieren. Die typisch eingesetzten thermisch-magnetischen Komponenten können aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften diesen Anforderungen nicht gerecht werden. Elektronische Schutzschalter - mit ihren präzise ausgelegten Auslöseverhalten- verhindern die unerwünschten und teilweise gefährlichen Spannungseinbrüche des Schaltnetzteils. Bei Kurzschluss begrenzen sie den Kurzschlussstrom auf das 1,5- bis 1,8-fache des Nennstroms und schalten nur den fehlerhaften Stromkreis ab. Alle anderen Verbraucher, wie SPSen, Antriebssteuerungen, bleiben von der Störung unversehrt. Selektivität ist also zuverlässig gegeben. Die SPS läuft ohne Funktionsstörung weiter und kann gemäß den einprogrammierten Fehlerroutinen die Steuerung in einen sicheren Zustand bringen.

Keine langen Kabelwege

Dank der integrierten Strombegrenzung, die schon bei 1,5-1,8x Nennstrom reagiert, verhindern lange Kabelwege nun nicht mehr die zuverlässige Reaktion des Schutzschalters. Auch bei Überlast haben elektronische Sicherungskomponenten mit ihren präziseren Auslösegrenzen einen deutlichen Vorteil gegenüber elektromechanischen Schutzschaltern. Sie schalten den Überstrom schon ab dem 1,1-fachen des Nennstroms nach drei bis fünf Sekunden ab. Der elektronische Schutzschalter ESS20 (Abb. 1) mit echter galvanischer Trennung (0,5-10 A Nennstrom) und der elektronische Sicherungsautomat ESX10 (0,5-12 A Nennstrom) (Abb. 2) bieten genau diese präzise und zuverlässige Absicherung. Mit ihrer integrierten Strombegrenzung reagieren sie auf Kurzschluss sofort, tolerieren aber kurze Einschaltspitzen. Lasten mit bis zu 20.000 µF Eingangskapazität können ohne Weiteres geschaltet werden, ohne Fehlauslösungen zu provozieren.

Eindeutige Fehleranzeige

Der elektronische Schutzschalter ESS20 mit echter galvanischer Trennung zeigt mit seiner mehrfarbigen LED eindeutig den Zustand des Lastkreises an: Grün beweist, dass alles OK ist. Bei Rot ist das Gerät gerade in der Strombegrenzung und hat den hohen Kurzschlussstrom in den sicheren Bereich von maximal 1,8x Nennstrom gebracht. Es folgt die galvanische Trennung der fehlerhaften Last von der Spannungsquelle und dann geht der manuelle On/Off-Taster des Geräts in die Off-Stellung. Gleichzeitig meldet der integrierte Signalkontakt den Fehler an übergeordnete Systeme, wie Überwachungs-SPS, Bedientafel oder Leitwarte. Bei Nissan werden nun die Fehlersignalisierungen der neu eingesetzten elektronischen Schutzschalter auf freie SPS-Eingänge geführt, die wiederum die Fehlermeldung auf dem Bildschirm der lokalen Bedientafel anzeigt. In der Schweißanlage hat man die Fehlersignale in die Visualisierungsplattform integriert und erhält so klare Meldungen direkt in der Leitwarte. In beiden Fällen erkennt der Anlagenbediener sofort den Fehlerort und den ausgelösten Schutzschalter.

Bequeme Installation

Gegen Überlast und Kurzschluss in jeder Situation absolut zuverlässig, selektiv und präzise schützen - auch im prozessnahen Sensor/Aktor-Bereich industrieller Automatisierungsanlagen gewinnt diese Bedingung an Brisanz. Gleichzeitig aber soll die DV 24-V-Installation flexibel und kostengünstig sein und Systemerweiterungen problemlos zulassen. Beide Geräte, ESS20 und ESX10, sind steckbar auf das Stromverteilungssystem Modul 17plus (Abb. 3). Mit seinen Doppelsockeln wird Modul 17plus als modularer Baustein direkt auf die Hutschiene montiert und mit bequemer Käfigzugfedertechnik verdrahtet. Fehlersignalisierung ist schnell implementiert, da alle Signalkreise der Einzelgeräte (z. B. Schließerkontakt) vorverdrahtet sind. Der gemeinsame Line-Eingang der DC-24-V-Versorgung wird einfach mit einer steckbaren Verbindungsschiene durchgeschleift.

Kompakte Lösung bei Nissan

Für Segmente der Schweiß- und Stanzanlagen bei Nissan in Sunderland haben sich Chris Watt und seine Kollegen für die 2er-Sockel Modul 17plus entschieden und den steckbaren elektronischen Schutzschalter ESS20 mit galvanischer Trennung gemäß IEC 60204-1, der bei Kurzschluss zuverlässig auslöst und den fehlerhaften Stromkreis galvanisch von der Spannungsquelle isoliert. Die neue Absicherungslösung hat den Anlagenstillstand und Produktionsausfall auf ein Minimum reduziert - entweder läuft die Anlage bei einem Fehler im DC-24-V-Feld weiter, oder sie kann nach einer extrem kurzen Zeit der Fehlerlokalisierung schnell wieder gestartet werden.(gro)