Puls stattet dreiphasiges DIN-Schienen-Netzteil mit IO-Link aus

Datenquelle zur Prozessoptimierung

Puls stattet DIN-Schienen-Netzteil mit IO-Link aus

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Stromversorgungen arbeiten im Herzen der Anlage und erfassen dabei zahlreiche Informationen über den Betriebszustand des Systems. Diese Daten sind für Anwender wertvoll und können zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und zur Kostensenkung beitragen. Die dreiphasige 960-W-Stromversorgung QT40.241-B2 arbeiten – parallel zu ihrer Funktion als Wandler – nun auch als Sensor und stellen dem Anwender Leistungs-, Temperatur- und Zustandsdaten über die IO-Link-Schnittstelle zur Verfügung.

Ulrich Ermel, Director New Business Development and Global Application Engineering bei Puls in München

Inhaltsverzeichnis

1. Verfügbarkeit des Gesamtsystems im Fokus
2. Keine Kompromisse bei der Zuverlässigkeit
3. IO-Link-Modul gibt Fehlermeldung an übergeordnete Steuerung aus
4. Machine Learning auf Basis digitaler Lastprofile

 

Die Stromversorgung befindet sich an einem zentralen Knotenpunkt im System. Ein Netzgerät erfasst zahlreiche Echtzeitinformationen, die für den Betreiber und auch den Hersteller der Anlage äußerst interessant sind. Wie hoch sind Ausgangsstrom und Ausgangsspannung? Wie lange ist die verbleibende Lebensdauer des Geräts? Wie entwickelt sich die Temperatur in der Anwendung? Wie stark ist das Netzteil ausgelastet? Wie steht es um die Qualität der Netzspannung? Diese Daten können bei der Steigerung der Anlagenverfügbarkeit und der Senkung der Wartungs- und Betriebskosten helfen. Die Stromversorgung hat somit das Potential – parallel zu ihrer Funktion als Wandler – auch als Sensor zu fungieren und damit einen wichtigen Beitrag zum Industrial Internet of Things (IIoT) zu leisten. Mit dem Dimension QT40.241-B2 bringt Puls eine dreiphasige DIN-Schienen-Stromversorgung (24 V/40 A) auf den Markt, die diese Systemdaten den Anwendern über eine IO-Schnittstelle zugänglich macht.

Bei der Umsetzung baut der Hersteller auf die Kombination aus dem bewährten 960W-Netzteil QT40 und der weltweit nach IEC61131-9 standardisierten IO-Link-Technologie. IO-Link wurde entwickelt, um die Signale der Sensoren und Aktoren (IO-Link-Devices) aus der Feldebene abzurufen. Über einen IO-Link-Master werden diese in das jeweilige Feldbussystem eingespeist und an das Automatisierungssystem übertragen. Die Kombination aus Feldbus und IO-Link ermöglicht eine durchgängige Kommunikation über alle Ebenen hinweg, die aus smarten Fabriken nicht mehr wegzudenken ist. Das QT40.241-B2 verfügt über eine fest integrierte 4-polige M12-Buchse an der Vorderseite, die für die Verbindung mit dem IO-Link-Master genutzt wird.

Verfügbarkeit des Gesamtsystems im Fokus

Stromversorgungen nehmen, was die Kommunikationsfähigkeit angeht, eher eine passive Rolle ein. Nach der Installation sollen sie zuverlässig im Hintergrund funktionieren und dabei möglichst wartungsfrei bleiben – am besten über Jahre hinweg. Mit der IO-Link-Schnittstelle trägt die Stromversorgung – zusätzlich zu ihrer Grundfunktionalität – aktiv zum besseren Verständnis der Anwendung und damit auch zur Prozessoptimierung bei. Sie sorgt für die Transparenz der Leistungsdaten und Betriebskosten, bewahrt Anwender vor Überdimensionierung und warnt rechtzeitig im Fehlerfall.

Die Verbindung über IO-Link ermöglicht auch die Ferndiagnose und Parametrierung der Stromversorgung über die im Einsatz befindliche Anwendersoftware des Automatisierungssystems. Der Anwender kann die Ausgangsspannung des Geräts über die Konfigurationssoftware einstellen und aus der Ferne ein- bzw. ausschalten, sofern der Remote-Access in der Anwendersoftware freigegeben ist.

Die Einstellungen, die der Anwender vornimmt, sowie kritische Prozesswerte werden spannungsausfallsicher im Automatisierungssystem und zugleich in der Stromversorgung auf einem nichtflüchtigen Speicher gesichert. Sollte ein Gerätetausch notwendig sein, erfolgt eine schnelle, automatisierte Parametrierung des neuen Geräts im laufenden Betrieb – gemäß der im Automatisierungssystem hinterlegten Parameter. Stillstandzeiten aufgrund von Wartungsarbeiten werden so nachhaltig vermieden. Die von der Stromversorgung gesendeten Daten geben zudem Auskunft über die Fehlerursache und erleichtern die Problemlösung.

Keine Kompromisse bei der Zuverlässigkeit

Der Bauteilaufwand für eine IO-Link-Schnittstelle im Netzteil ist – im Vergleich zu komplexeren Kommunikationsprotokollen – relativ gering. Aufgrund der niedrigen Anzahl an zusätzlichen Bauteilen bleibt der MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) des QT40.241-B2 konstant hoch. Die MTBF liegt bei 678.000 Stunden und steht für die Zuverlässigkeit und damit Ausfallsicherheit des Geräts. Das Gerät bietet eine Lebensdauer von 66.000 Stunden – unter durchgängiger Volllast und bei +40 °C Umgebungstemperatur. Damit eignet sich das IO-Link-fähige QT40 besonders gut für ausfallkritische Anwendungen.

Im Entwicklungsprozess wurde bei der Auswahl der Bauteile und dem Layout ein besonderes Augenmerk auf die Zuverlässigkeit gelegt. Doch auch die interne Anbindung der Kommunikationsschnittstelle an die bestehende Netzteilelektronik wurde unter Zuverlässigkeitsaspekten optimiert. So arbeitet das integrierte IO-Link-Modul autark von der eigentlichen AC/DC-Wandlung im Gerät. Ein Ausfall des IO-Link-Kommunikationsmoduls hätte somit keinen Einfluss auf die Funktionalität und Verfügbarkeit der Wandlerfunktion im Netzteil.

IO-Link-Modul gibt Fehlermeldung an übergeordnete Steuerung aus

Sollte dennoch eine äußere Einflussquelle (z.B. eine Überspannung aufgrund eines Blitzschlages) zum Defekt der Stromversorgung führen, kann das interne IO-Link-Modul sofort eine Fehlermeldung an die übergeordnete Steuerung ausgeben. Anschließend kann das Protokoll von außen abgefragt werden, um die Situation, die zum Ausfall geführt hat, zu analysieren und nach einer Lösung zu suchen. Die erhobenen Netzteildaten sind dabei persistent im integrierten Speicher abgelegt, welcher beispielsweise über einen handelsüblichen IO-Link/USB-Master abgefragt werden kann. Alle bewährten Features des QT40 stehen zur Verfügung. Die volle Leistung ist über einen Temperaturbereich von -25 bis +60 °C möglich – mit Derating bis +70 °C. Zudem verfügt das Netzteil über eine Leistungsreserve von 50 %. Zum Starten starker Verbraucher erzeugt das QT40.241-B2 somit 1440 W für 5 s. Um Sicherungen zuverlässig auszulösen, erzeugt die Stromversorgung einen Spitzenstrom von bis zu 110 A für 25 ms.

IO-Link wurde von Anfang an als anwenderfreundliche Plug-and-Play-Lösung ausgelegt. Installation und Bedienung sind unkompliziert, für die Verkabelung der Schnittstelle genügen standardisierte, ungeschirmte IO-Kabel. Zudem ist die Kompatibilität mit allen gängigen Feldbus- und Automatisierungssystemen gegeben, was den flexiblen Einsatz ermöglicht. Das QT40.241-B2 arbeitet gemäß Spezifikation V1.1 und ermöglicht dabei eine schnelle Datenübertragungsrate mit COM 3 (230,4 kBaud). Puls stellt für das QT40 eine IO-Link-Device-Description bereit, die alle relevanten Informationen beinhaltet.

Machine Learning auf Basis digitaler Lastprofile

Die Daten, die das QT40.241-B2 erfasst, bilden die Grundlage für die technischen Innovationen der nächsten Jahre. Dabei denkt Puls vor allem an die Bedeutung von Ma-chine Learning in Verbindung mit dem IIoT. Das Netzteil liefert bereits jetzt präzise Messwerte des Ausgangsstroms – also des Laststroms. Mittels dieser sehr fein abgetasteten Werte ist es möglich, digitale Lastprofile aufzuzeichnen. Im Zuge der computergestützten Datenanalyse auf Basis künstlich-neuronaler Netzwerke ist eine Anomalie-Erkennung möglich. Durch diesen Ansatz ermöglicht das Netzteil als Datenquelle völlig neue Möglichkeiten in der Nutzung von Daten im Fabrikumfeld. Als physikalische Größe liefert der Strom genaue, interpretierbare und verlässliche Daten. ge

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