Wird die Steuerung nicht durchgängig mit 24 V DC versorgt, fällt sie aus und die Anwendung steht. Um derartige Stillstandszeiten zu vermeiden, werden Stromversorgungen zunehmend redundant angeschlossen. Bei einer solchen Stromversorgungslösung ist mindestens ein zusätzliches Netzteil verfügbar. Funktioniert also eines der Geräte nicht korrekt, werden die Lasten trotzdem weiter beliefert. Bei einer ‘n+1′-Redundanz arbeiten beispielsweise drei Stromversorgungen mit je 10 A Nennstrom, um insgesamt 20 A zu versorgen. Fordert der Betreiber ein besonders zuverlässiges Konzept, wird eine ‚1+1‘-Redundanz umgesetzt. Das bedeutet für das genannte Beispiel, dass zwei Module mit je 20 A ausgangsseitig parallel geschaltet sind. Kommt es bei einem der Geräte zu einem internen Defekt oder zum Ausfall der primärseitigen Netzspannungsversorgung, übernimmt automatisch das zweite Gerät die vollständige Versorgung der Verbraucher. Dazu müssen die Netzteile so dimensioniert sein, dass ein einziges Modul den gesamten Strombedarf der angeschlossenen Lasten in allen Betriebszuständen abdecken kann.
Um die Betriebssicherheit weiter zu erhöhen, entkoppeln Dioden die parallel-
geschalteten Netzteile. Im unwahrscheinlichen Fall eines geräteinternen sekundärseitigen Kurzschlusses der einen Stromversorgung, liefert die andere weiterhin die volle Leistung. Der Kurzschluss hat keinen Einfluss auf die Versorgung der Last; erst dann spricht man von 100%iger Redundanz. Wird auch die Verdrahtung doppelt ausgelegt, lässt sich eine vollständig redundante Lösung bis zum Verbraucher erreichen. Mit Dioden- und Redundanzmodule mit zwei Plus-Ausgangsklemmen von Phoenix Contact lassen sich solche Konzepte realisieren.
Technik im Detail
100%ige Versorgungssicherheit bei Netzausfall
Soll die Betriebssicherheit weiter erhöht werden, kommen unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) zum Einsatz. Geräte mit integrierter IQ Technology sorgen für eine 100%ige Versorgungssicherheit bei Netzausfall. Bisher wurde die Pufferzeit der USV manuell eingestellt. Die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Batterie ist dabei nicht bekannt. Diese verringert sich jedoch mit zunehmender Verwendungsdauer oder bei hoher Umgebungstemperatur. Im schlimmsten Fall fällt die Versorgungsspannung also aus, weil die Batterie nicht die notwendige Energie für die eingestellte Pufferzeit liefern kann. Die neue USV Quint UPS-IQ ermittelt deshalb alle relevanten Batteriezustände wie Spannung oder Temperatur. Das intelligente Batteriemanagement, das über den aktuellen Ladezustand der angeschlossenen Batterie informiert ist, errechnet die zur Verfügung stehende Restlaufzeit und die verbleibende Lebenserwartung. So lassen sich Versorgungslücken und das frühzeitige Herunterfahren von Industrie-PCs vermeiden. Wartungsarbeiten lassen sich planen und der Energiespeicher muss nicht mehr unnötig gewechselt werden.
Zwei Stromversorgungen parallel betreiben
Je nach Anforderung an die Redundanz stellt Phoenix Contact verschiedene Lösungen zur Verfügung. In der einfachsten Variante werden zwei Stromversorgungen parallel betrieben. Um dieses Konzept umzusetzen, eignen sich alle Stromversorgungen der Baureihen Quint, Trio, Mini und Step Power. Benötigt eine Last beispielsweise 4 A, versorgen sie zwei 5-A-Netzteile im Parallelbetrieb. Redundanz ist gegeben, weil die zweite Stromversorgung die gesamte Last weiter beliefern kann, falls das andere Gerät ausfällt.
Diese Lösung ist jedoch durch zwei wesentliche Fehlerquellen gekennzeichnet: Tritt ein Kurzschluss in der zuführenden Leitung auf, sinkt die Spannung an der Last auf 0 V, da der gesamte Strom in den Kurzschluss fließt. Ein unbemerkter Leitungsbruch oder ein falsch angeschlossenes Netzteil führen ebenfalls zu Problemen. Die Last würde in diesem Fall zwar vom funktionsfähigen Gerät versorgt. Es besteht allerdings keine Redundanz mehr, was der Anwender erst dann bemerkt, wenn auch diese Stromversorgung nicht mehr arbeitet.
Einfache mit Diodenmodulen entkoppeln
Werden die Stromversorgungen entkoppelt, hat ein Kurzschluss am Ausgang eines der Netzteile oder in der Zuleitung vom Netzteil zur Diode keinen Einfluss mehr auf die Last. Um diesen Ansatz zu realisieren, bietet sich die Step-Diode im 18 mm schmalen Gehäuse mit zweimal 5 A an. Für hohe Ströme bis 40 A und 24 oder 48 V DC Spannung kommen Quint-Dioden zum Einsatz. Sie entsprechen der DIN EN 60079-15 und dürfen innerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs montiert werden, in dem Betriebsmittel der Kategorie 3G erforderlich sind.
Redundanzmodule entkoppeln und überwachen Die Redundanzmodule Trio-Diode mit zweimal 10 A für Spannungen von 24 oder 48 V DC kontrollieren die Ausgangsspannungen der Stromversorgungen sowie die Verdrahtung bis zur Diode. Über den potenzialfreien Relaiskontakt und die LED ‚Redundancy OK‘ informieren die Geräte über Spannungseinbrüche. Entsteht auf einem der Pfade ein Kurzschluss, wird die Last weiterhin versorgt. Leitungsbrüche erkennt das Modul ebenfalls und meldet sie.
Aktive Redundanzmodule entkoppeln, überwachen und regeln
Mit dem aktiven Redundanzmodul Quint Oring lässt sich die intelligenteste Lösung umsetzen. Sie überwachen als einzige Geräte die gesamte redundante Lösung von den Ausgangsspannungen der Stromversorgungen bis zur kompletten Verdrahtung von den Netzteilen bis zur Last sowie der Entkopplungsstrecke bis zum Laststrom. Die Module detektieren kritische Betriebszustände und teilen dies dem Anwender frühzeitig mit. Beispielsweise melden sie fehlerhafte Verdrahtungen oder defekte Kabel, was bisher nicht in diesem Umfang möglich war.Den Laststrom zu überwachen eröffnet einen erheblichen Vorteil: Schließt der Anwender bei einer Anlagenerweiterung zusätzliche Lasten an eine redundante Stromversorgung an, kann dies zum Verlust der Redundanz führen. Eine Steuerung, die 4 A benötigt, wird beispielsweise von zwei redundanten Netzteilen mit je 5 A Nennstrom versorgt. Nun koppelt der Anwender eine weitere Last mit 4 A an. Die Stromversorgungen liefern problemlos 8 A, ohne dass ein Spannungseinbruch zu verzeichnen ist. In diesem Fall ist jedoch keine Redundanz mehr gegeben. Fällt jetzt eine der beiden Stromversorgungen aus, kann das zweite Gerät die 8 A nicht zur Verfügung stellen. Aus diesem Grund ist die Kontrolle des Laststroms wichtig: Der Anlagenbetreiber bemerkt sofort, wenn keine Redundanz mehr gegeben ist, denn das Modul teilt die Überlast mit. Dies geschieht erst nach vier Sekunden Verzögerungszeit, damit hohe Ströme, die zum Beispiel durch den Anlauf von Motoren entstehen, nicht als dauerhafte Überlast gemeldet werden.
Gleichmäßige Auslastung verdoppelt die Lebensdauer
Die neu entwickelte Auto Current Balancing Technology (ACB) der Oring-Geräte verdoppelt die Lebensdauer der redundant betriebenen Stromversorgungen, indem beide Netzteile gleichmäßig ausgelastet werden. Der Laststrom teilt sich automatisch symmetrisch auf. Die Quint-Oring-Module mit zweimal 10 A (einmal 20 A) und zweimal 20 A (einmal 40 A) eignen sich für Spannungen von 18 bis 30 V DC. Für die raue Industrieumgebung mit Temperaturen von -25 bis 70 °C konzipiert, werden die 32 oder 38 mm breiten Stromversorgungen einfach auf die Tragschiene gerastet. Bei Umgebungstemperaturen bis 40 °C lassen sich dauerhaft Ströme von zweimal 15 A oder zweimal 26 A betreiben. Das Modul entkoppelt mit MOSFETs statt mit herkömmlichen Schottky- oder Silizium-Dioden, sodass sich bis zu 70 % Energie einsparen lassen.
Anja Moldehn
(mf)
