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Donnerstag, 28 Januar 2021 10:59

Effektives Remote-Wärmemanagement für Trafo- und Verteilerschränke

von Fabrizio Vitali
Geschätzte Lesezeit: 3 - 6 Minuten
Abb. 1: Ein Weitwinkel-Infrarotsensor kann breite Flächen (z. B. ein Panel) nach Hotspots überwachen Abb. 1: Ein Weitwinkel-Infrarotsensor kann breite Flächen (z. B. ein Panel) nach Hotspots überwachen

Remote-Überwachung des thermischen Status elektrischer Installationen ist sehr wichtig, damit z.B. automatisierte Infrastruktursysteme nicht die Umgebung gefährden. Die Strategien auf Schaltschrank- und Anlagenebene haben Parallelen zu Belangen der Mikroelektronik.

Eine ungewöhnliche Temperaturerhöhung ist oft Frühindikator einer Störung und muss angegangen werden, ehe das System zu Schaden kommt oder, noch schlimmer, in Flammen aufgeht und dadurch vielleicht sogar Werte oder gar Menschen in der Umgebung gefährdet. Temperaturanstiege können sich als individuelle ‚Hotspots' manifestieren, wenn Baugruppen oder einzelne Komponenten nahe am bzw. über dem sicheren Temperaturbereich operieren, oder wenn sie einer erhöhten Umgebungstemperatur ausgesetzt sind. Im ersten Fall könnte ein Fehlerzustand, z. B. ein Kurzschluss der Grund sein, oder eine System-Komponente, etwa ein Transformator, läuft über längere Zeit unter Volllast. Der zweite Fall kann durch die Betriebsumgebung (längere intensive Sonneneinstrahlung) oder einen Ausfall von Kühlkomponenten oder Lüftern hervorgerufen werden. Beide Fälle stellen eine Gefahr für das System und die Umgebung dar.

Erhaltende Wartung über das IoT

Ziel einer Erhaltung über das Internet der Dinge (IoT) ist stets, null Stillstandzeit zu erreichen und unvorhergesehene Geräteausfälle auszuschließen, die zu ernsthaften Unfällen oder ungeplanten Anlagenstopps führen können. Dazu ist die Temperatur eines jeden Panels in einer Fabrik sowie die Umgebungstemperatur mittels geeigneter Sensorlösungen sorgfältig zu überwachen. Dieser Art Echtzeit-Fernüberwachung sorgt dafür, dass erforderliche Besuche vor Ort auf das absolut notwendige Maß beschränkt werden. Manchmal lässst sich der Fehler aus der Ferne beheben, vielleicht durch die Reduzierung des Strombedarfs des Systems, damit die Schlüsselkomponenten abkühlen können. Ein anderes Mal mag die Vor-Ort-Begutachtung eines Technikers vonnöten sein, zum Beispiel um eine fehlerhafte Komponente zu ersetzen oder einen Kurzschluss zu reparieren.

plus 2021 01 0043Abb. 2: Gibt der Sensor die Temperatur direkt aus, ist das besser, als wenn zunächst noch eine Signalverarbeitung erforderlich istDie Temperaturüberwachung des gesamten Schranks, in dem das System untergebracht ist, ist unentbehrlich, aber allein genommen ganz klar ungenügend: Eine Komponente kann gefährlich heißlaufen und kurz vor dem Zusammenbruch oder Abbrennen stehen, ohne die Gesamttemperatur des Systems zu beeinträchtigen. Andererseits ist das Anbringen einzelner Temperatursensoren an jede elektrische Komponente völlig unpraktisch – ein Kabelbaum kann einen Brennpunkt fast überall entwickeln. Neue Weitwinkel-Thermo-Bildsensoren, die Hotspots in großen Systembereichen wie eine gesamte Panelfläche erkennen können, sind ein idealer Ausgangspunkt für ein wirklich effektives Fern-Wärmemanagement elektrischer Systeme. Ergänzt um Umgebungstemperatursensoren und Luftgeschwindigkeitssensoren, um die einwandfreie Funktion von Kühlgebläsen zu überprüfen, liefern sie eine vollständige IoT-basierte Wärmeüberwachungs- und Fernwartungslösung.

Weitwinkel-Temperatursensoren

Neue Infrarot-Temperatursensoren mit breitem Blickwinkel im kompakten Gehäuse heben im gesamten Sichtfeld Hotspots hervor und schließen die Lücke zwischen der Messung der Durchschnittstemperatur des Gesamtsystems und der Temperaturmessung eines oder zweier ausgewählter Punkte (Abb. 1).

„Ungewöhnliche Temperaturerhöhung ist oft Frühindikator einer Störung und muss angegangen werden“

plus 2021 01 0044Abb. 3: Der Omron 2JCIE misst sieben gefragte Umgebungsparameter in einer kompakten EinheitDer IR-MEMS-Temperatursensor D6T misst die Oberflächentemperatur des Zielobjekts kontaktlos mittels einer Thermosäule, die dessen abgestrahlte Energie absorbiert. Mit der eingebauten MEMS-Thermosäule auf neuestem Stand der Technik, einem maßgeschneiderten Sensor-ASIC, Signalverarbeitungsmikroprozessor und -Algorithmus in einem winzigen Gehäuse, bietet der D6T den wahrscheinlich höchsten Rauschabstand (SNR) in der Branche. Dies gewährleistet eindeutige, zuverlässige Messungen, die vom System leicht interpretiert werden können. Ein wesentlicher Vorteil des integrierten signalverarbeitenden Mikroprozessors ist sein vollständig linearer Ausgang (Abb. 2). Durch Pre-Processing des Signals im Modul wandelt der D6T das Sensorsignal in einen digitalen Temperaturausgang um, der als direkte Schnittstelle zu einem Mikrocontroller fungiert. Dies vereinfacht die Aufgabe des Systemintegrators, denn alternative Bauelemente haben keinen Temperaturausgang, so dass der Designer einen Signalverarbeitungsalgorithmus implementieren muss, um das Ausgangssignal in einen Temperaturwert umzuwandeln.

Durch das platzsparende Design – die größte Version mit 32 x 32 Elementen misst nur 14 x 8 x 8,93 mm – eignet sich der D6T hervorragend zum Einsatz in einem Panel oder System. Sein 90.0° x 90.0° Sichtfeld erfasst eine Fläche von 200 x 200 cm aus einem Meter Entfernung. In einem Umgebungstemperaturbereich von -10 bis 70 ºC lassen sich Temperaturen von 0 bis 200 ºC berührungslos messen. Omron hat hier auch weitere IR-Sensoren für andere Anforderungen im Programm.

Die Umgebungstemperatur

Während solche Sensoren spezifische Brennpunkte identifizieren, besteht weiterhin die Notwendigkeit, die Umgebungstemperatur des Gesamtsystems zu überwachen. Mit kompakten Vielzweck-Umgebungssensoren lässt sich sehr einfach ein breites Spektrum an Messfunktionen mit nur einem kleinen Sensor bereitstellen. Dazu zählen Temperatur, Feuchtigkeit, Luftqualität, Licht, Luftdruck, Geräuschentwicklung und Beschleunigung. Sensoren wie der Omron 2JCIE (Abb. 3) sind in der Lage, all diese Kriterien zu überwachen und die Daten über beliebte drahtlose und drahtgebundene Schnittstellen wie Bluetooth und USB zu liefern. Trotz seiner kompakten Bauform verfügt der 2JCIE über einen eigenen eingebetteten Speicher für die Messwerterfassung um den Überblick über die Umgebung zu behalten.

Überwachung von Kühlsystemen

plus 2021 01 0045Abb. 4: Der D6F-PH erkennt, wenn Abnutzung und Schmutz die Leistung von Belüftungsgebläsen verschlechtertEin Anstieg der Umgebungstemperatur kann natürlich auch auf eine Verschlechterung oder gar einen Ausfall von Kühlsystemen wie Lüfter zurückzuführen sein. Diese müssen, wie jede andere Komponente auch, gewartet und kontinuierlich in Echtzeit überwacht werden, um sicherzustellen, dass ihre Leistung nicht verschleißbedingt oder aufgrund von Schmutzablagerungen im Luftweg unter das geforderte Niveau abfällt. Geeignete Sensoren für diese Aufgabe wären:

1. Der Digitaldrucksensor D6F-PH (Abb. 4) zur Erkennung des Luftstroms und verstopfter Filter in Wärmerückgewinnungsgeräten. Er misst den Druckunterschied zwischen Ein- und Ausgang des Lüfters oder Filters und deckt so Funktionsbeeinträchtigungen und Leistungsverluste aufgrund von Schmutzverstopfungen auf und alarmiert, wenn Säuberung oder ein Austausch erforderlich ist.

2. Eine kompaktere Alternative ist der Luftdrucksensor 2SMPB. Omrons D6F-V verbessert den Wirkungsgrad durch die Überwachung des exakten Luftdurchsatzes, bei dem die Luft durch den Lüfter abgesaugt wird.

Hineinschauen ohne eine Tür zu öffnen

plus 2021 01 0046Autor Fabrizio VitaliWartungstechniker sollten in der Lage sein, den thermischen Status eines Schaltschrank oder -Feldes in Echtzeit sorgfältig zu überwachen, ohne eine Türe öffnen zu müssen. Durch Kombination der drei beschriebenen Sensortypen lässt sich dieses Ziel erfüllen. Weitwinklige Infrarotsensoren identifizieren Hotspots wo immer sie entstehen; Umgebungstemperatursensoren überwachen die Gesamttemperatur des Schaltschranks; Luftmengenmesser weisen nach, dass Kühllüfter korrekt arbeiten.

Die Echtzeitausgabe der Messdaten dieser Sensoren lässt sich so mit Algorithmen analysieren, dass sich die erforderlichen fachlichen Fertigkeiten für den Instandhaltungsprozess reduzieren lassen und die Ergebnisse es dem Wartungspersonal erlauben, Fehler in Echtzeit zu identifizieren und darauf zu reagieren. Durch die Nachverfolgung von Temperaturänderungen im Laufe der Zeit lassen sich zudem Vorhersagen treffen, die eine Wartungsplanung für maximale Produktivität beim Einsatz von Servicetechnikern und minimale Ausfallszeiten der Systeme erlauben.

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 1
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Fabrizio Vitali, Business Development Manager Europe – Automation, Omron Electronic Components Europe bv, Amsterdam (NL)

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