Stromversorgungs-System spart Zeit, Aufwand und Platz

Auch Produktionslösungen im Bereich des 3D-Drucks sollen nachhaltig sein, und genau dieses nachhaltige und profitable Agieren hat sich das in Gräfelfing bei München angesiedelte Unternehmen EOS (Electro Optical Systems) auf die Fahnen geschrieben, erklärt Florian Schiefer, Leiter für Steuerungstechnik und funktionale Sicherheit bei EOS: „Das erreichen wir durch die Entwicklung attraktiver und zielgerichteter Produkte, aber auch durch die Reduktion von Aufwänden und Kosten. Die letztgenannten Punkte konnten wir durch den Einsatz des Stromversorgungssystems Sitop PSU8600 mustergültig umsetzen. Bei jeder 3D-Druckmaschine sparen wir Ma-terial, Installationsaufwand und Kosten. Das ist gut für die Umwelt und natürlich auch für unsere Profitabilität.“

Bisher brauchte EOS beispielsweise verschiedene Netzgeräte, weil in den Systemen des Unternehmens Verbraucher für drei unterschiedliche Gleichspannungen im Einsatz sind; ein Stellglied muss sogar dynamisch mit variabler Spannung versorgt werden. Den Industrie-PC hat das Unternehmen zudem über eine eigene DC-USV abgesichert. All das macht jetzt ein System.

Florian Schiefer: „Wir erkannten, dass das Stromversorgungssystem mit seinen umfangreichen Funktionen mehr als eine Stromversorgung ist. Daraufhin haben wir uns die Gleichspannungsseite unserer Schaltschränke angeschaut, um Einsparungs-Potenziale zu verifizieren. Dabei konnten wir feststellen, dass viele Funktionen, die wir über zusätzliche Geräte realisiert hatten, bereits in dem System Sitop PSU8600 integriert sind.“

Ein weiteres Thema ist die Zuverlässigkeit der Maschine. Deshalb hat EOS eine kontinuierliche Zustandsüberwachung implementiert, die auch den Steuerstromkreis mit einschließt. Jeden Abzweig schützt dabei ein Leitungsschutzschalter, und jeder Abzweig hatte früher einen Meldekontakt, der jeweils mit einem digitalen SPS-Eingang verdrahtet werden musste. Der Leitungsschutz ist jetzt bereits in dem Stromversorgungs-System integriert und zudem zuverlässiger als elektromechanische Schalter, denn die Elektronik der PSU8600 erkennt auch geringere Überlasten. Zwar erscheinen geringe Überlasten anfangs als unkritisch, aber sie sind oftmals Vorboten für einen späteren Ausfall. Die Meldungen gibt das System jetzt ohne zusätzlichen Verdrahtungsaufwand über Profinet aus.

„Hier zählt aber nicht nur die Einsparung von Material, Platz und Personalaufwand“, führt Florian Schiefer weiter aus. „Wenn wir die Maschine kundenspezifisch anpassen wollen, ist das jetzt in vielen Fällen einfach per Software möglich. In dem Engineering-Tool TIA Portal lässt sich das Stromversorgungssystem per Mausklick einfach umparametrieren.“

Mehr als eine Stromversorgung

„Kennengelernt haben wir das Stromversorgungssystem das erste Mal auf der Messe SPS in Nürnberg“, erinnert sich Schiefer. Es war die erste Stromversorgung mit Profinet-Anschluss und bis heute noch das einzige Stromversorgungssystem mit vergleichbar modularem Aufbau und Funktionen. „Wir erkannten, dass das Stromversorgungssystem mit seinen umfangreichen Funktionen mehr als eine Stromversorgung ist. Daraufhin haben wir uns die Gleichspannungsseite unserer Schaltschränke angeschaut, um Einsparungs-Potenziale zu verifizieren“, berichtet Schiefer aus der Praxis. „Dabei konnten wir feststellen, dass viele Funktionen, die wir über zusätzliche Geräte realisiert hatten, bereits in dem System Sitop PSU8600 integriert sind – zum Beispiel die Absicherung und Überwachung der einzelnen 24-V-Abzweige.“ Die Ausgänge des Sitop-Systems überwachen nämlich den Strom bereits auf Überlast, und der Kanalzustand wird über Profinet kommuniziert. „Wir sparen uns daher neben der Verdrahtung des Leitungsschutzschalters für den 24-V-Abzweig auch die Signalverdrahtung“, berichtet Florian Schiefer.

EOS freut sich auch über die automatische Abschaltung eines Ausgangs, die sofort erfolgt, wenn – zum Beispiel bei einem Kurzschluss – ein Spannungseinbruch droht. Das patentierte Abschaltverhalten mit Strom- und Spannungsmessung stellt sicher, dass alle anderen Ausgänge rückwirkungsfrei, also ohne Spanungseinbruch, weiterversorgt werden. Eine automatische Abschaltung erfolgt auch, wenn der eingestellte Schwellwert länger als 5 s überschritten wird. Der Schwellwert lässt sich dabei über ein Potenziometer am Gerät oder per Software einstellen.

Neben der Stromgrenze besteht auch die Möglichkeit, die Spannung jedes Ausgangs einzustellen: via Potenziometer von 5 bis 28 V sowie per Software von 4 bis 28 V – und das auch dynamisch im Betrieb. „Dadurch, dass jeder Ausgang individuell einstellbar ist, konnten wir uns zwei Netzgeräte einsparen“, berichtet Florian Schiefer. Neben einer Spannung von 24 V benötigt EOS auch 5 V als feste Spannungsversorgung sowie 10 V zur Versorgung eines Spannungsreglers für eine variable Spannung von 5 bis 10 V. Florian Schiefer: „Das dynamische Einstellen eines PSU8600-Ausgangs über Profinet spart uns das 10-V-Netzteil, den Spannungsregler und einen Analogausgang zur Ansteuerung.“

Zusätzlich zu der Stromversorgung für den 24-V-Steuerstromkreis kam bei EOS ein separates 24-V-Netzgerät mit einer DC-USV zum Einsatz. Die 24-V-Pufferung benötigt das Unternehmen zum Schutz des Simatic IPC bei Abschaltung der Maschine oder bei Netzausfall. „In unseren Maschinen übernimmt das jetzt das Puffermodul BUF8600 4 s/40 A“, beschreibt Schiefer den Ist-Zustand. „Durch die Fokussierung auf Ausgang 1 für den Industrie-PC reicht die Puffer-Energie aus, seine Daten zu sichern und ihn geordnet herunterzufahren.“

Fokussierte Energie

Bei Netzausfall wird mit der Funktion „Priorisierung“ Ausgang 1 möglichst lange mit Spannung versorgt, um die gespeicherte Energie der Puffer- oder Batteriemodule gezielt für kritische Verbraucher zu nutzen. Dazu schaltet das System alle anderen Ausgänge nach 50 Prozent der verwendeten Puffermodul-Energie ab. Apropos Abschalten: Das gezielte Schalten der Ausgänge liefert darüber hinaus auch die Möglichkeit, in Pausenzeiten Energie einzusparen. Über das Protokoll PROFIenergy lässt sich dabei vorgeben, welche Abzweige abgeschaltet werden sollen. In der Mittagspause kann beispielsweise nur die Steuerung oder der PC versorgt werden, um die Maschine anschließend wieder schnell starten zu können. Alle anderen Verbraucher lassen sich zur Energieeinsparung stromlos schalten.

EOS nutzt dies, um Verbraucher direkt ein- und auszuschalten, die über die digita­len SPS-Ausgänge nicht versorgt werden können. „Bisher haben wir Schütze eingesetzt, um höhere Gleichströme ab 2 A zu schalten, denn ein Ausgang der SPS liefert maximal 2 A“, erläutert Florian Schiefer. Ein Ausgang der Sitop PSU8600 schaltet bis zu 10 A, durch Parallelschalten von 2 Ausgängen sogar bis zu 20 A. „Damit sparen wir uns bis zu 5 Schütze und deren Verdrahtung im Schaltschrank. Weil der SPS-Befehl direkt über Profinet an die PSU übertragen wird, benötigen wir hierfür keine digitalen Ausgänge mehr.“

Flexibler durch Software

Die Profinet-Schnittstelle hat nicht nur Vorteile während des Betriebs, sondern auch beim Engineering. So erlaubt die Integration des Stromversorgungssystems im TIA Portal von Siemens Änderungen bei der Parametrierung der Stromversorgung per Mausklick. „Wenn wir zum Beispiel einen neuen Verbraucher mit einer anderen Spannung versorgen müssen, können wir einen freien Ausgang der PSU8600 einfach über das TIA Portal einstellen“, freut sich Florian Schiefer. „Dafür stehen fertige Funktionsbausteine im Engineering-Portal zur Verfügung. Auch dadurch ist der Aufwand, den wir im Vergleich zu einem zusätzlichen Netzgerät haben, wesentlich kleiner.“ Das betreffe nicht nur das Engineering, sondern vor allem auch die Logistik, Installation oder Dokumentation. Ähnlich sei es beim Leitungsschutz. „Die Stromschwelle jedes Ausgangs stelle ich bei dem Stromversorgungssystem per Software ein“, berichtet Florian Schiefer, aber „bei Leitungsschutzschaltern müsste der Typ im Vorfeld ausgewählt und bestellt werden“.

Alles unter Kontrolle

Neben Funktionsbausteinen zur Parametrierung der Stromversorgung stehen auch fertige Bildbausteine für Simatic WinCC zur Verfügung. Sie visualisieren den Status der Stromversorgung sowie unter anderem den aktuellen Strom- und Spannungswert jedes Ausgangs. Mit den Werten lässt sich der Energiefluss in den einzelnen Abzweigen überwachen oder ein untypischer Stromanstieg erkennen, um einem Ausfall eines Verbrauchers vorzeitig entgegenwirken zu können. „Wir haben uns vorgenommen, die kontinuierliche Strom- und Spannungsmessung zu nutzen, um Wartungen vorzubeugen“, erklärt Florian Schiefer. „Damit hilft uns das Stromversorgungssystem von Siemens, einen weiteren Schritt in Richtung Digitalisierung zu gehen, um die bereits hohe Qualität und Zuverlässigkeit unserer Maschinen nochmal zu steigern.“ (av)