Unterbrechungsfreie Stromversorgung für das Industrial Ethernet

Bild 1: Die intelligente und vernetzbare Quint-DC-USV versorgt kritische Applikationen bei Netzschwankungen oder -ausfällen weiter. Phoenix Contact

Bild 2: Der Techniker ist permanent über den Betriebszustand informiert, was die Versorgungssicherheit erhöht. Phoenix Contact

Bild 3: Die IQ Technology überwacht den angeschlossenen Energiespeicher und maximiert die Lebensdauer durch selbstständige Anpassung der Ladeparameter. Phoenix Contact

Netzschwankungen sowie der Ausfall der Versorgungsspannung bewirken in aller Regel eine Unterbrechung des Betriebsablaufs. Im schlimmsten Fall kann es dabei zum Totalausfall der Anlage kommen. Um dem vorzubeugen und Stillstandzeiten zu vermeiden, kommen in vielen Branchen unterbrechungsfreie () zum Einsatz. Eine solche Lösung setzt sich aus drei Funktionseinheiten zusammen: der Stromversorgung, der eigentlichen USV und dem Energiespeicher. Die Stromversorgung liefert so lange Energie an die Verbraucher, wie die primärseitige Netzspannung vorhanden ist. Fällt das Netz aus, greift die USV ein. Sie schaltet auf den Energiespeicher um, sodass die angeschlossenen Lasten unterbrechungsfrei mit Strom versorgt werden. Die dafür notwendige Energie stellt dann der Energiespeicher bereit.

Vernetzung durch Schnittstellen zum Industrial Ethernet

Jederzeit und standortunabhängig über das komplette USV-System informiert zu sein, ist eine Anforderung, die auch im Hinblick auf Industrie 4.0 immer häufiger erhoben wird. Denn durch die Netzeinbindung der USV-Systeme besteht die Möglichkeit, in Echtzeit auf sie zuzugreifen. Aufwendige Service-Einsätze, etwa bei Offshore-Anlagen, sind dann erheblich besser zu planen oder können sogar vollständig über den Fernzugriff per Kommunikationsschnittstelle erfolgen. Die Versorgungssicherheit steigt, da Techniker permanent über den Betriebszustand des Systems informiert sind (Bild 2).

Die von Phoenix Contact entwickelte IQ Technology überwacht den angeschlossenen Energiespeicher und maximiert die Lebensdauer durch selbstständige Anpassung der Ladeparameter. Über die integrierten Industrial-Ethernet-Schnittstellen können alle relevanten Daten und Informationen vom Energiespeicher und dem kompletten USV-System standortunabhängig und zu jedem Zeitpunkt von überall auf der Welt abgerufen werden (Bild 3).

Über die Profinet-, Ethernet/IP- oder Ethercat-Schnittstellen kann die USV per Daisy-Chain-Einbindung über einen Zwei-Port-Switch auf einfache Weise in bestehende Netzwerke eingebunden werden. Alle relevanten Informationen werden an übergeordnete Steuerungen übergeben. Für die Integration in bestehende Netzwerke stehen Funktionsbausteine und Gerätebeschreibungen für Engineering-Werkzeuge bereit: PC Worx, Tia-Portal, Studio 5000 RSLogix Designer und Twincat. Diese stehen kostenfrei auf der Webseite von Phoenix Contact zur Verfügung. Die Gerätebeschreibung erzeugt dabei die Schnittstelle zu den Prozessdaten, die dann nur noch mit den entsprechenden Bausteinen verknüpft werden müssen. Die Bausteine bereiten dabei die Rohdaten auf, sodass eine einfache und schnelle Inbetriebnahme erfolgen kann, inklusive Zugriff auf die Daten der USV.

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Bild 4: Beim Energie-Monitoring werden sowohl der Ausgangsstrom als auch die Ausgangsspannung überwacht. Phoenix Contact

Mit der bislang einmaligen IQ Technology wird die Anwendung unter optimaler Ausnutzung des Energiespeichers zuverlässig versorgt. Die intelligente Quint-DC-USV kommuniziert mit dem angeschlossenen Energiespeicher. Auf diese Weise wird die Anlage bei optimaler Nutzung der Energiereserven stabil versorgt. Um von den Vorteilen dieser Technologie zu profitieren, muss der Anwender lediglich die Hardware installieren.

Das USV-Modul erkennt den Energiespeicher dann automatisch und optimiert die Ladecharakteristik entsprechend der Batterietechnik sowie Rahmenparameter wie Umgebungstemperatur. Das Batteriemanagement-System ermittelt anhand des aktuellen Ladezustands die zur Verfügung stehende Restlaufzeit für die angeschlossene Last. Durch die IQ-Technologie ist der Anwender kontinuierlich über den Zustand des Energiespeichers informiert. Die USV ermittelt zuverlässig die verbleibende Lebensdauer der Energiespeicher in Monaten sowie die verbleibende Pufferzeit in Minuten. So werden Versorgungslücken oder ein frühzeitiges oder versehentliches Herunterfahren von Industrie-PCs vermieden. Wartungsarbeiten am System sind viel besser planbar. Ein zu früher Austausch der Batterien kann vermieden werden, weil die verbleibende Lebenserwartung bekannt ist und über die potenzialfreien Relais-Kontakte oder über die Industrial-Ethernet-Schnittstellen an übergeordnete Steuerungen gemeldet wird. Komplexe Service-Einsätze etwa unter Wasser bei Gezeitenkraftwerken sind auch besser planbar oder können bei einigen Applikationen vollständig über einen Fernzugriff per Kommunikationsschnittstelle erfolgen.

Automatische Batterieerkennung

Die Quint-DC-USV identifiziert den angeschlossenen Energiespeicher selbstständig. So wird die Installation stark vereinfacht, da keine separaten Ladecharakteristiken parametriert werden müssen. Je nach Batterietechnik oder -größe sowie nach Umgebungsbedingung wählt die USV automatisch die optimale Ladecharakteristik, was die Lebensdauer der Batterie deutlich verlängert. Automatisch erkannt werden die Batterietechniken VRLA, VRLA-WTR und Lithium-Ion (LiFePO4) in unterschiedlichen Kapazitäten.

Zur Bestimmung des Ladezustands informiert die Batterie über aktuelle Spannungs- und Stromwerte und über die Temperatur. Für die Berechnung des Ladestroms kommuniziert die USV sowohl mit der Batterie als auch mit der vorgeschalteten Quint-Power-Stromversorgung.

Die Funktion Battery-Start startet die Stromversorgung auch ohne Eingangsspannung. Auf diese Weise ist ein Installations- und Funktionstest ohne Netz kein Problem.

Beim Energiemonitoring werden sowohl der Ausgangsstrom als auch die Ausgangsspannung überwacht. Zusätzlich kann die Anlage manuell zu- oder abgeschaltet werden – dadurch wird die Effizienz des Systems weiter erhöht (Bild 4).

Die Quint-DC-USV verfügt mit 5 A über den zur Zeit stärksten Batterielader am Markt, damit ist der Energiespeicher im Ernstfall bis zu 20 Prozent schneller geladen. Zudem ist eine Lastpriorisierung integriert. Der Ausgangsstrom des Netzteils wird so gesteuert, dass immer ausreichend Energie für die Verbraucher zur Verfügung steht und die Batterie schnell wieder auflädt. Durch das schnelle Wiederaufladen der Batterie sind die Lastversorgung sowie eine äußerst hohe Verfügbarkeit der Anlage gesichert.

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Zur direkten Anbindung eines Industrie-PC (IPC) stehen Varianten mit USB-Schnittstelle zur Verfügung. Hier erweist sich der spezielle PC-Modus als vorteilhaft, denn der Rechner wird bei einem Netzausfall so lange wie möglich mit Energie aus der Batterie versorgt. Bevor die Batteriespannung einbricht, fährt der Industrie-PC kontrolliert herunter. Kehrt das Netz zurück, wird der IPC automatisch gestartet.

In der Einstellung PC-Mode am Drehwahlschalter der Quint-DC-USV folgt die USV-Funktion einem zeitlichen Ablauf, der über die Software parametrierbar und somit individuell für die jeweilige Applikation optimierbar ist. Der Ablauf unterscheidet vier aufeinander folgende Aktionen:

• Verzögerungszeit

Die Verzögerungszeit errechnet sich automatisch aus der aktuellen Restlaufzeit des Energiespeichers abzüglich des Zeitbedarfs, den der Industrie-PC zum Herunterfahren benötigt. So wird der Rechner so lange wie möglich versorgt, ein kontrolliertes Abschalten wird größtenteils vermieden. Alternativ lässt sich eine feste Verzögerungszeit auswählen.

• Programm-Start

Nach Ablauf der Verzögerungszeit kann ein Programm gestartet werden. Dabei kann es sich um eine Software handeln, die die Daten der Maschine oder Anlage sukzessive sichert.

•  PC herunterfahren

Unter diesem Menüpunkt legt der Anwender die Zeit fest, die der Industrie-PC zum Herunterfahren braucht.

•  PC-Leerlaufzeit

Steht das Netz in dem Zeitraum, der zum Herunterfahren des Rechners erforderlich ist, wieder zur Verfügung, wird die Ausgangsspannung für die Reset-Zeit unterbrochen. Der Industrie-PC startet danach automatisch.

(ah)