Damit Magnetventile in der Stahlindustrie sicher funktionieren

SCHALTER, RELAIS, SCHÜTZE UND TASTER
Damit Magnetventile
in der Stahlindustrie
sicher funktionieren
In der Stahlindustrie stellen die großen Entfernungen zwischen der Energieversorgung, der Steuerung und der Schaltgeräte für die Aktoren direkt im Feld
eine Herausforderung dar. Bei diesen Anwendungen übernehmen zusätzliche
Steuer- und Auswerteeinheiten verschiedene Überwachungsfunktionen und leiten
die entsprechenden Rückmeldungen aus der Feldebene direkt an die Steuerungsund Prozessleitebene weiter.
Text: Erich Fischer
n Stahl- und Walzwerken findet die Ansteuerung von
Stellantrieben, hydraulischen oder pneumatischen MagInetventil-Baugruppen
besondere Beachtung, die meist weit
entfernt von der Energieversorgung (z. B. DC-24-V-Netzteil
oder Drehstrombrücke) sowie der zentralen Steuerung oder
der dezentralen IO-Peripherie angeordnet ist. Grundsätzlich gilt, dass für alle Maschinen und komplexen Anlagen
eine CE-Kennzeichnung nach der EG-Maschinenrichtlinie
2006/42/EG vorgeschrieben ist. Dabei wird bei den häufig vorkommenden ungeerdeten Systemen (IT-Netze) in
der Stahlindustrie gefordert, dass die elektrische Sicherheit
durch die Einhaltung der DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1)
[1] nachgewiesen wird. Nach Abs. 9.4.3.1 – Erdschlüsse –
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müssen speziell in diesen IT-Systemen alle Strom führenden
Leiter, insbesondere die Aktoren, zweipolig abgesichert und
auch zweipolig geschaltet werden.
Im Rahmen der genannten Überwachungen in der Stahlindustrie sind die zentralen Prozessinformationen:
· die Auswertung oder Überwachung der Anlagenverfügbarkeit vor und während des Betriebs von Magnetventilen,
· die Überwachung deren Verbindungsleitungen auf eine
Länge von bis zu 400 m Entfernung inklusive der verwendeten Magnetventilstecker sowie
· die Kurzschluss- und Überlastüberwachung der Lastkreise.
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NennstromVoreinstellung
01 Schaltbild
galvanische
Trennung
für Schutzschaltrelais
E-1071-623
off
Status
Funktion
Status
Betrieb
max. DC 35 V
Steuereingang
SF
SB
−UA
+US
10
1 +U
B
(DC 28 V… 60 V)
+
3
9
5
8
6
−US 7
Steuer- und
Überwachungselektronik
gb gn rt rt
LED-Anzeige
Dabei haben zusätzliche Isolations- oder Spannungswächter
die Aufgabe, einen Erdschluss zu detektieren oder die Versorgungsspannung auf Unter- oder Überspannung zu überwachen. Bei all diesen Überwachungsfunktionen gilt es,
hohe Anforderungen bezüglich der Störanfälligkeit durch
Umgebungseinflüsse, wie Wechselrichter, geregelte Antriebs- und Rückkopplungen, durch Schaltvorgänge zu beachten.
+
Ventillast
4
Steuereingang
OK
Drahtbruch
Fehler
+UA
max. DC 60 V/0,1 A
0
1
2
−
2 −U
B
+ −
stromproportionaler
Spannungsausgang U (I )
In der Stahlindustrie sind Entfernungen von teilweise
300 m bis 400 m im Lastkreis durchaus gängige Praxis. Bei
diesen hohen Leitungslängen wirken die in Kabelkanälen
oder Kabelrinnen verlegten Leitungen wie sehr effektive
Empfangsantennen. Diese „Antennen“ koppeln dann undefinierte Störimpulse auf die elektronischen Steuer- und
Auswertmodule. Besonders kritische Störungen beim Betreiben und Überwachen induktiver Aktoren sind kapazitive
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Betrieb des Magnetventils gewährleistet ist. Vorhandene
Fehler werden über diese Ausgänge an die übergeordnete
Steuerung übertragen. Das Schutzschaltrelais fungiert hier
als Frühwarnsystem: Tritt vor der Ansteuerung eines Ventils
zum Beispiel ein Leitungsbruch auf, erhält die Steuerung die
Information „Anlagenteil nicht verfügbar“. So lässt sich ein
fehlerhafter Anlagenteil frühzeitig vor dem Anfahren des
Fertigungsprozesses erkennen. Dies ist wichtig, da bei defekten Anlagenkomponenten bereits gestartete Prozesse wie der
Stranganguss nicht mehr einfach gestoppt werden können.
Typische Anwendungen
02 Blick in den Schaltschrank einer Stranggussanlage
bei der Installation
Störimpulse, die der Induktivität direkt entgegenwirken.
Diese auftretenden Störeinflüsse gilt es, elektronisch zu filtern, um aus den gesammelten Daten keine fehlerhaften
Auswertungen bzw. Rückmeldungen abzuleiten.
Bei den rauen Bedingungen in einer Stranggussanlage
kommt das zweipolige, elektronische Schutzschaltrelais Typ
E-1071-623 von E-T-A [2] zum Einsatz (Bild ). Das Gerät
schaltet, steuert und überwacht Pneumatik- und Hydraulikventile sowie Magnetbremsen und Hubmagnete mit Nennspannung DC 24 V bis maximal 3,1 A (ca. 75 W) inklusive
deren Zuleitung. Das Schutzschaltrelais ermöglicht die geforderten Überwachungsfunktionen, wie zweipolige Kurzschluss-/Überlastabschaltung, Unter- und Überspannungsdetektierung, Drahtbrucherkennung bei unterschiedlichen
Leitungslängen bzw. Leitungsquerschnitten, und ignoriert
dabei gleichzeitig die beschriebenen Störeinflüsse.
Erhöhte Spannung für sicheren Betrieb
Zur Gewährleistung des Betriebs und der Überwachungsfunktionen wird die Einheit nicht mit der VerbraucherNennspannung von DC 24 V, sondern mit einer erhöhten
Spannung von DC 48 V (DC 28 V bis 60 V) betrieben. Die
Aktoren erhalten dabei durch eine elektronische Regelung
genügend Leistung für das Einschalten und den Betrieb.
Dies wäre mit einer reinen DC-24-V-Versorgung nur bei
kürzeren Leitungslängen bzw. größeren Leitungsquerschnitten möglich. Die Spannungsverluste durch die Leitungsdämpfung wären zu groß für ein sicheres Einschalten des
Aktors. Im Betrieb regelt das Gerät dann zur Verringerung
der Spulentemperatur und damit zur Erhöhung der Lebensdauer auf eine geringere Halteleistung des Aktors elektronisch zurück.
Der Steuereingang und die beiden Statusausgänge des
Relais E-1071-623 für Betriebs- und Funktionsmeldung
werden direkt mit den IO-Baugruppen der SPS verdrahtet.
Dabei bedeutet ein High-Signal beim Meldeausgang „Funktion“, dass alle Rückmeldungen aus dem Feld sowie das
Elektronik-Relais selbst störungsfrei arbeiten.
Der Meldeausgang „Betrieb“ zeigt an, dass die SPS-Ansteuerung erfolgreich war und der ungestörte elektrische
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Eine typische Anwendung (Bild ) des elektronischen Schutzschaltrelais in der Stahlproduktion ist die Stahlstrangbeförderung in einer Stranggussanlage sowie die Arretierung
des Stahlstrangs durch Spannrollen. Diese werden durch
Hydraulik-Ventile bewegt und angepresst. Die Spannrollen
ermöglichen eine kontrollierte Bewegung des Strangs nach
dem Stranggießen. Dabei ist eine Überwachung der Anlagenverfügbarkeit zwingend erforderlich. Beim Ausfall einer
oder mehrerer Spannrollen wäre sonst eine sichere Beförderung des glühenden Stahlstrangs nicht mehr kontrollierbar.
Im schlimmsten Fall könnte das noch flüssige Innere des
Stahlstrangs diesen zum Platzen bringen. Mit möglichen
fatalen Folgen wie einer sehr großen Brandgefahr, einem längeren Anlagenstillstand und einer aufwendigen Reparatur.
Eine weitere Applikation in einer Brennschneidmaschine
der Stranggussanlage ist das Abschneiden des Stahlstrangs zu
einer Stahlbramme. Hauptaufgabe des Typs E-1071-623 ist
hier die sichere Ansteuerung und zuverlässige Überwachung
von Magnetventilen für die Freigabe der Kühlflüssigkeit, die
Zufuhr von Brenngas und Sauerstoff.
Auch in den Signier-/Markiermaschine einer Stranggussanlage findet man diese Geräte zur Ansteuerung und
Überwachung von Freigabeventilen für die Bewegung der
Maschine, von Ventilen zum Anpressen einer Entschlackungsrolle und zur Bewegung der Kennzeichnungsstempel. Schließlich ist auch die interne und externe Wasserwirtschaft der Stranggussanlage mit dem Schutzschaltrelais
ausgestattet, um die Ansteuerung und Überwachung von
Wasserventilen für Vor- und Rücklauf des Kühlwassers sowie
von Spül- und Sperrventilen zu ermöglichen. Bei diesen Anwendungen realisiert das Gerät eine Überwachung der Anlagenverfügbarkeit. Damit die Prozesse laufen – und nicht die
Instandhaltung.
(hz)
Literatur
[1] DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1) Sicherheit von Maschinen –
Elektrische Ausrüstung von Maschinen Teil 1: Allgemeine
Anforderungen. Berlin · Offenbach: VDE VERLAG
[2] E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Altdorf:
www.e-t-a.de
Autor
Dipl.-Ing. Erich Fischer ist Leiter
der Sparte Industry, Energy & Equipment
bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate
GmbH in Altdorf.
[email protected]
www.etz.de S4/2013