Schaltschranküberwachung – Komponenten schützen und überwachen
Use Case
Schaltschränke sind aus dem industriellen Umfeld nicht wegzudenken. Sie erfüllen verschiedenste Funktionen: Sie dienen als Montageraum für Komponenten und schützen diese vor Schmutz, Staub und Feuchte. Zudem sorgen sie für die Wärmeabführung, EMV-Abschirmung und Berührungsschutz.
Durch den Verbau werden die darin befindlichen Komponenten vor externen Einflüssen geschützt, die zu einer Schädigung oder einem Ausfall führen könnten.
Die Ausgangslage
Erfolgt keine Überwachung des Schaltschranks bezüglich Temperatur, Feuchte und Last der Stromversorgung kann es zu Betriebsausfällen kommen. Wird auf die Visualisierung der Live-Daten verzichtet, fehlen außerdem Rückschlüsse auf den Betriebszustand. Somit werden Fehlfunktionen spät bzw. erst beim Maschinenstillstand erkannt. Außerdem ist so z. B. keine Optimierung des Wärmemanagements oder des Energieverbrauchs der Kühlung möglich.
Ziel des Projekts
Zustandsorientierte und präventive Wartung je nach Bedarfsfall
Um die reibungslose Funktion eines Schaltschranks zu gewährleisten, bietet sich die Überwachung von
mithilfe von ifm-Sensorik und moneo an. Wie das jeweils umgesetzt wird, lesen Sie im Folgenden.
1. Überwachung der Feuchte und Temperatur
Die relative Feuchte ist ein entscheidender Faktor innerhalb eines Schaltschranks. Durch z. B. Reinigung, Niederschlag oder Feuchte aus der Umgebung kann Feuchtigkeit in den Schaltschrank eindringen und die Komponenten schädigen. Durch permanente Messung der relativen Feuchte im Schaltschrank kann dies rechtzeitig erkannt werden und Folgeschäden wie Korrosion oder Kurzschlüsse vermieden werden. Eine relative Feuchte von 20% bis 60% sollte angestrebt werden.
Die Temperatur ist zusätzlich ein wichtiger Faktor. Eine Innentemperatur von maximal 35°C wird als ideal angesehen. Eine höhere Temperatur wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Komponenten aus, eine zu niedrige Temperatur ist wiederum nicht effizient und führt zu höheren Kosten, da mehr als notwendig gekühlt wird.
Durchführung
Um die Überwachung zu ermöglichen, wird moneo auf einem zentralen Server installiert und das Modul moneo RTM aktiviert.
Zur Überwachung wird ein ifm IO-Link Multisensor des Typs LDH292 zur Messung der Temperatur und relativen Luftfeuchte innerhalb und außerhalb des Schaltschranks installiert. So können Einflüsse der Umgebungstemperatur mitberücksichtigt werden. Beide Sensoren werden über einen IoT IO-Link Master angeschlossen (z.B. AL1350 oder AL1950). Über den IoT Port des Masters werden die Daten im zentralen moneo RTM sekündlich eingebucht.
Da der LDH292 zusätzlich zur Temperatur auch die relative Feuchte in Prozent als Prozesswert mit ausgibt, wird eine Überwachung dieser Messgröße ebenfalls realisiert.
Anhand der Datenblätter der installierten Geräte im Schaltschrank, werden die entsprechenden Grenzwerte für diesen Anwendungsfall definiert.
Systemübersicht
- Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor innerhalb des Schaltschranks (LDH292)
- Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor außerhalb des Schaltschranks (LDH292)
- IO-Link Master (z.B. AL1350)
Dashboard
2. Temperaturüberwachung von Hotspots
Trotz der Messung der Schaltschrankinnentemperatur kann es an Komponenten innerhalb des Schaltschranks zu sogenannten Hotspots kommen, worunter partiell auftretende, hohe Temperaturen zu verstehen sind. Typischerweise entstehen diese an Leistungselektroniken wie Frequenzumrichter, Servoantrieben oder Transformatoren.
Diese Hotspots an Einzelkomponenten wirken sich direkt negativ auf die Komponentenlebensdauer aus. Durch die hohen Temperaturen trocknen z. B. Elektrolytkondensatoren schneller aus und verursachen damit komplette Anlagenstillstände.
Nicht immer können diese Hotspots durch konstruktive Änderungen oder aktive Kühlung vermieden werden. Daher macht es Sinn, die Temperatur direkt an der Komponente zu erfassen und abhängig von der Temperatur die Betriebsstunden zu erfassen. Damit kann die Komponente präventiv ausgetauscht oder gewartet werden, bevor es zu einem Ausfall kommt.
Durchführung
moneo wird auf einem zentralen Server installiert und das Modul moneo RTM aktiviert.
Zur Überwachung des Schaltschranks wird ein ifm IO-Link Multisensor des Typs LDH292 für die Messung der relativen Luftfeuchte und Temperatur innerhalb des Schaltschranks verbaut. Zur Überwachung der Temperatur wird ein zusätzlicher Temperatur-Anlegefühler (TS2229) direkt am Transformator installiert. Über eine Auswerteelektronik (TP3231) wird das analoge Temperatursignal in ein IO-Link Signal gewandelt.
Beide Sensoren werden über einen IO-Link Master angeschlossen (AL1350). Über den IoT-Port des Masters werden die Daten im zentralen moneo RTM sekündlich eingebucht. Der Temperatursensor ist zudem direkt an einen Betriebsstundenzähler gekoppelt. Dieser zählt die Betriebsstunden abhängig von der Temperatur: Bei hoher Temperatur in einer schnelleren bzw. bei niedriger Temperatur in einer langsameren Taktung.
Systemübersicht
- Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor (LDH292)
- Auswerteelektronik (TP3231) + Anlegefühler (TS2229)
- IO-Link Master (z.B. AL1350)
Dashboard
3. Überwachung der 24V-Versorgung
Bei Schaltschränken im Allgemeinen und besonders bei Schränken im Außenbereich sollte ein besonderes Augenmerk auf die Überwachung der Stromversorgung gelegt werden. 24V-Versorgungen werden im Regelfall bei der Überwachung vernachlässigt. Diese Stromkreisläufe werden gar nicht oder über einfache Schmelzsicherungen abgesichert.
Ohne Absicherung besteht die Gefahr einer Netzteil-Überlastung, was im schlimmsten Fall zum Brand im Schaltschrank führt.
Durchführung
Zur Überwachung der 24V-Versorgung werden elektronische Sicherungen mit IO-Link verbaut, die aus einem Einspeisemodul (DF2101) und den Sicherungsmodulen (z.B. DF2212 mit 2A Nennstrom) bestehen. An einem Einspeisemodul können bis zu acht Sicherungsmodule angereiht werden, wobei jedes Sicherungsmodul zwei Kanäle hat. Somit ist es möglich, 16 Stromkreise mit einem Gesamtstrom von 40A zu überwachen und abzusichern.
Über die IO-Link Kommunikation werden permanent die aktuellen Informationen der Sicherungsmodule übertragen, unter anderem:
- aktueller Nennstrom
- Ausgangsspannung
- aktueller Gerätestatus: Kurzschluss, Überlast, Unterspannung
Die Einspeisemodule sind jeweils über einen IoT IO-Link Master angeschlossen (z.B. AL1350 oder AL1950). Über den IoT Port des Masters werden die Daten in moneo RTM sekündlich eingebucht.
Das Auslösen eines Kanals des Sicherungsmoduls wird zum einen über den Gerätestatus übermittelt. Dieser Status kann dann über moneo RTM ausgewertet und eine Meldung kann automatisiert generiert werden. Diese Meldung kann unter anderem per E-Mail die Bereichsverantwortlichen über das Auslösen der Sicherung informieren.
Des Weiteren wird direkt an dem jeweiligen Sicherungsmodul über einen Button mit Status-LED (Grün = fehlerfreier Betrieb, Rot = Auslösung durch Kurzschluss oder Überlast) der aktuelle Zustand visualisiert. Dies unterstützt bei der Fehlersuche und zeigt direkt an, welcher Kanal betroffen ist. Über den Button kann die Sicherung direkt wieder eingeschaltet werden.
Systemübersicht
- Einspeisemodul und elektronische Sicherung (DF2101 + z.B. DF2212)
- IO-Link Master (z.B. AL1350)
Dashboard
Erfolg
Die Überwachung von Schaltschränken mit Sensorik und moneo RTM bietet somit bei unterschiedlichen Anwendungsfällen viele Vorteile:
- Eine rechtzeitige, automatische Alarmierung bei Fehlern ist möglich.
- Energiekosten können durch die optimierte Kühlung bzw. Heizung eingespart werden und die Lebensdauer der Komponenten des Schaltschrank wird durch eine optimale Umgebungstemperatur verlängert.
- Schäden und ungeplante Stillstände aufgrund von Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen im Schaltschrank werden vermieden. Die permanente Leistungsüberwachung ist gewährleistet.
