Redundanz-Konzepte für die Hilfsspannungsversorgung

Redundanz-Konzepte für die Hilfsspannungsversorgung

Sicher ist sicher

Durchgängig überwacht, vom Netz bis zum Verbraucher.

Ihre Vorteile

  • Durchgängig redundante Hilfsspannungsversorgung vom Netz bis zu jedem Verbraucher
  • Redundanzüberwachung durch permanente Überprüfung von Eingangsspannung, Ausgangsstrom und Entkoppelstrecke
  • Eindeutige Meldungen via LED und Signalkontakt
  • Lange Lebensdauer der Lasten durch konstante Spannungspegel
  • Lange Lebensdauer der Netzteile und DC/DC-Wandler durch gleichmäßige Lastverteilung

Anwendung

Verfügbarkeit spielt in vielen verfahrenstechnischen Anlagen eine herausragende Rolle. Treten in Anlagenteilen oder auch bei einzelnen Komponenten kurze Unterbrechungen auf, können diese wegen der recht langen Herunter- bzw. Hochlaufzeiten der Prozesse zu langen und damit teuren Produktionsausfällen führen.

Daher sind redundante Systeme in vielen Fällen ein probates Mittel zur Vermeidung des Single Point of Failure. So auch bei der überall nötigen Hilfsspannungsversorgung, die sich in den meisten Bereichen mit 24 V DC durchgesetzt hat. Zur Realisierung der Redundanz für die 24 V-Versorgung werden zwei Hilfsspannungsnetze parallelgeschaltet und mithilfe von Redundanzmodulen voneinander entkoppelt. Die abgehende Versorgung wird über entsprechende Sicherungsverteiler auf die einzelnen Lasten verteilt.

Wirft man einen genaueren Blick auf die gängigen Lasten in der Prozessindustrie, sieht man DCS-Systeme (Distribution-Control-System), Remote I/O-Stationen und aktive Rangier-Verteiler, die oft über zwei voneinander entkoppelten Einspeiseklemmen versorgt werden. Daneben findet man jedoch auch viele andere Verbraucher, wie Trennschaltverstärker, Relais, 4-Leiter-Transmitter, die nur über einen Spannungseingang verfügen.

Hier drängen sich sofort folgende Fragen auf:

  • Wie muss die Hilfsspannungsversorgung aufgebaut sein, um diese beiden unterschiedlichen Last-Typen hoch verfügbar zu versorgen?
  • Reicht der Einsatz zweier parallel geschalteter Netzteile aus?
  • Wie wird die Redundanz überwacht?

Lösung

Redundanzüberwachung der QUINT Oring  

Redundanzüberwachung erhöht die Verfügbarkeit

Phoenix Contact bietet Ihnen, je nachdem, welches Redundanzkonzept Sie realisieren möchten, eine passende Lösung:

Redundantes Versorgungsnetz
Denkt man über redundante Hilfsspannung nach, sollte zunächst die Frage beantwortet werden, ob ein Stromausfall des Niederspannungsnetzes zu einem Ausfall der Leittechnik führen darf.

Wird dies mit Nein beantwortet, so sollte das Hilfsspannungsnetz aus zwei unterschiedlichen Netzen gespeist werden. Also entweder aus zwei voneinander unabhängig versorgten Niederspannungsanlagen oder aus einer Niederspannungsanlage und z.B. einer Batterieanlage.

Netzteil-Redundanz

Die beiden nun gewonnenen unabhängigen Netze müssen in geeigneter Weise verteilt und an den richtigen Stellen zusammengeführt werden.

Die Niederspannungsnetze werden mit Hilfe von modernen Schaltnetzteilen in den Schalträumen auf den Pegel des Hilfsspannungsnetzes umgesetzt. In Batterieanlagen führen Lastschwankungen bei langen Leitungswegen zu Spannungsschwankungen, die die Funktion und Lebensdauer von Verbrauchern
beeinträchtigen können. Daher sollte vor der Verteilung und damit vor den Lasten die Spannung aus Batterieanlagen per DC/DC-Wandler auf den gewünschten Spannungspegel stabilisiert werden.

Beispiele für redundante Stromversorgung  

Versorgung aus 2 Niederspannungsnetzen vor Entkopplungsmodulen (Bild links)
Versorgung aus Niederspannungs- und Batterienetz vor Entkopplungsmodulen (Bild rechts)

Die Höhe der Ströme und die Position der Netzteile und DC/DC-Wandler (und damit die Entfernung zu den Verbrauchern) spielen eine große Rolle bei der Wahl des richtigen Spannungspegels und der Leiterquerschnitte.

Wie zuvor bei der Batterieanlage gilt auch hier: Je zentraler die Umsetzung auf die letztendliche Hilfsspannung erfolgt, desto mehr Spannungsfall ergibt sich auf den dann langen Leitungswegen zu den
Lasten. 28 V DC sind keine Seltenheit, damit an der Last noch die gewünschten 24 V DC zur Verfügung stehen. In diesen Fällen wählt man oft große Leitungsquerschnitte, um den Spannungsfall zu minimieren.

Werden die beiden redundanten Hilfsspannungspfade dann parallelgeschaltet, sollten sie mit passenden Dioden entkoppelt werden, um Ausgleichsströme zu verhindern.

QUINT Oring Diodenmodule  

Das Redundanzmodul signalisiert OK

Dabei muss im gesamten Anlagenlebenszyklus darauf geachtet werden, dass Redundanz nur dann gegeben ist, wenn die Summe der Lastströme aller Lasten nicht größer ist, als der maximale Strom eines einzelnen Netzteils. Nur so ist sichergestellt, dass bei Ausfall eines Pfades der andere die Versorgung komplett übernehmen kann.

Intelligente Diodenmodule (z. B. QUINT Oring) übernehmen die Überwachungsfunktion des Summenstroms und schlagen Alarm, wenn die Stromentnahme zu hoch wird. Das erleichtert Erweiterungen und identifiziert schleichende Fehler (predictive Maintenance). Zudem sorgen diese intelligenten Module durch Active Current Balancing (ACB) auch für eine gleichmäßige Belastung der beiden Netzpfade, was die Lebensdauer von Netzteilen bzw. DC/DC-Wandlern maximiert.

Driftet ein Gerät ausgangsspannungsseitig zu stark ab, wird auch dieses Verhalten rechtzeitig gemeldet. Oft folgt nach der Entkopplungsdiode ein Sicherungsverteiler. Der Versorgungsstrang ist ab hier jedoch nicht mehr redundant, auch wenn man Lasten mit redundanten Einspeiseklemmen über zwei unterschiedliche Sicherungen versorgt. Auftretende Fehler am Strang oder am Sicherungsverteiler können hier immer noch zum Ausfall der Anlage führen.

Vollständig redundante Hilfsspannungsversorgung

Anschluss von Verbrauchern über Entkopplungsmodule  

Anschluss von Verbrauchern über Entkopplungsmodule

Das optimale Redundanzkonzept besteht durchgängig aus zwei unabhängigen Netzen, die über zwei Netzteile (bzw. DC/DC-Koppler) mit zwei intelligenten Redundanz-Modulen kaskadiert verschaltet sind. Nur so können alle Lasten tatsächlich redundant versorgt, die einzelnen Hilfsspannungsnetze gleichmäßig
belastet sowie die Redundanz überwacht werden.

Zu jedem Verbraucher werden zwei getrennte Versorgungsleitungen gezogen: eine vom ersten und eine vom zweiten Potenzialverteiler. Hiermit können nun entweder direkt die redundanten Einspeiseklemmen vom Verbraucher-Typ 1 verbunden werden. Direkt vor Typ 2-Verbrauchern werden dann die beiden separaten Hilfsspannungspfade mittels eines weiteren Entkoppelmoduls zu einer Einspeisung zusammengeführt.

PHOENIX CONTACT
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