USV-Technik in Werkshallen und Produktion
Schutz vor Stromausfall und Überspannungen
Mit dem Einzug von Industrie- und Regel-PCs nehmen auch die Anforderungen an die Qualität der Stromversorgung in der Produktion zu. Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) bieten dort perfekten Schutz vor Stromausfall, Spannungsspitzen und Frequenzschwankungen. Besonders vor dem Hintergrund zunehmender Stromschwankungen durch die Energiewende setzen Unternehmen deshalb verstärkt auf den Einsatz von USV-Technik, um die Ausfallsicherheit ihrer Produktionsumgebungen zu erhöhen. Doch dort herrschen wesentlich härtere Betriebsbedingungen als etwa im RZ, die speziell die USV-Batterien belasten können.Auf die hohe Stromversorgungsqualität in Deutschland ist traditionell Verlass. Doch im Zug der Energiewende häufen sich die Beschwerden von Unternehmen. Die Bundesnetzagentur registrierte allein 200.000 Unterbrechungen mit einer kumulierten Ausfallzeit von 15 Minuten für das Jahr 2011. Da diese Statistik kurze Stromausfälle von unter drei Minuten gar nicht berücksichtigt, schätzen Experten, dass die Zahl der tatsächlichen Ausfälle rund doppelt so hoch ist. Solche kurzen Ausfälle, so genannte Mini-Blackouts, können sich im Sekundenbereich bewegen oder bis zu knapp unter drei Minuten andauern. Auch ein Ausfall von nur wenigen Sekunden kann beträchtliche Schäden verursachen. Schäden durch Ausfallzeiten im Sekundenbereich Neben den Netzausfällen gehören Frequenzschwankungen und harmonische Oberwellen zu den häufigsten Problemen der Stromversorgung. Schäden an Geräten und ganze Systemzusammenbrüche können dabei die Folge sein. Frequenzschwankungen entstehen durch ein Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage von elektrischer Leistung - ein Phänomen, das mit der Energiewende verstärkt auftritt. Um auch gegen solche Schwankungen gefeit zu sein, ist ein USV-Gerät mit Doppelwandlertechnik notwendig. Diese Online-Technologie bereitet die Ausgangsspannung mittels Gleichrichtern und nachfolgender Wechselrichtung auf und erzeugt so eine von Störungen im Netz unabhängige Stromversorgung mit reiner Sinusspannung. Das Doppelwandlersystem ist dafür ausgelegt, den kontinuierlichen Schutz der Stromversorgung von kritischen Verbrauchern gegen die häufigsten Probleme - inklusive Frequenzabweichungen und harmonischen Oberwellen - zu gewährleisten. USV-Absicherung für den Ernstfall Wenn in einer Produktionsumgebung Netzunterbrechungen, Überspannungen oder Frequenzabweichungen die Steuerung oder Regelung einer Maschine stören, dann hat dies oft fatale Folgen. Häufig führt ein Stromausfall zum kompletten Datenverlust des flüchtigen Speichers einer CNC-Steuerung (Computerized Numerical Control), sodass die Achsposition sowie der Nullpunkt wieder neu einzulesen sind. Auch Überspannungen und Frequenzspitzen stören die empfindliche Steuer- und Regeltechnik so erheblich, dass eine dauerhafte Beschädigung und ein tagelanger Ausfall der Produktionsstraße die Folge sein können. Als noch schlimmer erweist sich ein abrupter Stillstand elektromechanischer Antriebe - verursacht etwa durch ein Absacken der Netzversorgung -, der die teuren Werkstücke beschädigt. Dabei ist der materielle Schaden noch nicht einmal die größte Gefahr: Schließlich könnten lose, defekte Werkzeuge oder Splitter die Mitarbeiter in Lebensgefahr bringen. Vermeiden lassen sich solche Extremszenarien mit dem Einsatz von USV-Anlagen. Bei einem Stromausfall ersetzt das USV-System für eine begrenzte Zeit die fehlende Netzspannung und verhindert somit teure Ausfallzeiten. Der Wechsel von Netzversorgung auf Batteriespannung erfolgt dabei unterbrechungsfrei, sodass die Stellmotoren ihre vorkonfigurierten Sicherheitspositionen einnehmen und Regel-PCs und Steuerungen ohne Datenverlust ordnungsgemäß herunterfahren können. Sicherung aller Komponenten Bei der Absicherung einer kompletten Produktionsumgebung gegen Stromausfall und Überspannung ist zu beachten, dass verschiedene elektrische Bereiche miteinander verbunden sind und interagieren. Während Steuer- und Regeltechnik, Sensoren, Motoransteuerungen und Ventile mit 24 V Gleichstrom (DC) betrieben werden, benötigen Industrie-PCs und Schrittmotoren 230 V Wechselstrom (AC). Größere Produktionsanlagen und Sicherheitssysteme lassen sich über eine dreiphasige USV-Anlage mit 400 V Drehstrom absichern. Für den umfassenden Schutz bietet es sich an, jeden Teilbereich der Produktionsumgebung durch separate USV-Anlagen zu sichern, sodass die unterschiedlichen Anforderungen an Netzqualität, Überbrückungszeit und Nennkapazität erfüllt sind. Anschließend lassen sich die einzelnen Teilebenen durch den Austausch von Statusmeldungen zwischen USV-System, Industrie-PCs und Steuerung etwa via SNMP logisch verbinden. Fällt nun beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) aus, werden mittels automatisierter Alarmmeldungen die Antriebe auf sicherere Positionen gefahren. Erst danach erfolgt das Herunterfahren der Steuer-PCs. Während sich die Autonomiezeiten über zusätzliche Batteriemodule nach Bedarf erweitern lassen, stellt die Nennleistung eines USV-Systems (meist in "kVA" angegeben) eine feste Systemgröße dar. Um möglichen Überlastungen vorzubeugen, sollte die angeschlossene Last deshalb 75 Prozent der maximalen USV-Kapazität nicht überschreiten. Sind neben Industrie-PCs auch elektromechanische Antriebe abzusichern, sollte der Betreiber auf jeden Fall die Anlaufströme der entsprechenden Elektromotoren beachten: Diese liegen oft weit über dem Nennstrom und sind von der Kraft abhängig, mit der ein Elektromotor anläuft. Blei-Säure-Batterien für den Einsatz in USV-Anlagen In Produktionsumgebungen herrschen ganz andere Bedingungen für USV-Anlagen als beispielsweise innerhalb von Rechenzentren und Computerräumen. Anstatt gleichbleibenden Temperaturen und bestmöglicher Luftqualität sind die USV-Systeme dort schwankenden Temperaturen, aber auch Vibrationen oder Staub ausgesetzt. Gerade die in den USV-Systemen verbauten Batterien reagieren besonders empfindlich auf Wärme. Liegt etwa die Temperatur nur um zirka fünf Grad über der vorgeschriebenen Umgebungstemperatur, so kann sich dadurch die zu erwartende Lebensdauer der Batterie bereits um die Hälfte reduzieren. Standardmäßig kommen ventilregulierte Blei-Säure-Batterien (VRLA) in einer USV-Anlage zum Einsatz. Diese Batterien gleichen vom Prinzip her dem Aufbau einer Autobatterie, verfügen jedoch über eine höhere Schnellentladefähigkeit, die unter anderem durch die Verwendung dünnerer Bleiplatten erreicht wird. Ein weiterer Unterschied zur herkömmlichen Kfz-Batterie ist der Einsatz der so genannten Absorbent-Glass-Mat-Technik. Ein Glasfaservlies bindet dabei den schwefelsäurehaltigen Elektrolyt und macht die Batterie dadurch auslaufsicher. Trotz der Bezeichnung "wartungsfrei" sind die verwendeten Blei-Vlies-Batterien in USV-Anlagen keine Selbstläufer. Der Begriff wartungsfrei bezieht sich lediglich auf die Tatsache, dass bei VRLA-Batterien keine Flüssigkeit nachzufüllen ist. Vor allem zu hohe Temperaturen können die Batterien beschädigen und die Leistungsfähigkeit einer USV-Anlage beein-trächtigen. Der Zustand der Batterien sollte deshalb mindestens einmal im Jahr überprüft werden, um eventuelle Beschädigungen rechtzeitig zu entdecken und dann Vorsorgemaßnahmen einzuleiten. Bei der Wartung gilt es, Kontakte und Kabelverbindungen auf Korrosion zu überprüfen und die Batterien gezielt auf Leckage und Verformungen zu sichten. In festen Abständen sollten die Verantwortlichen zudem auch der Zustand von Wandlern und Kondensatoren kontrollieren. Wer dies nicht selbst leisten kann oder will, hat die Möglichkeit, einen Wartungsvertrag abzuschließen. Hersteller wie beispielsweise Eaton bieten in diesem Rahmen umfassende Service-Optionen an. Dabei leistet der USV-Hersteller die Überprüfung von Batterien, Kondensatoren und Kabelverbindungen bei festgelegten Vor-Ort-Inspektionen, wozu auch die sachgemäße Entsorgung der Altbatterien gehört. Bei fachgerechter Pflege und Wartung halten größere USV-Anlagen durchaus zehn bis 15 Jahre.
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