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Verlagerung einer Fertigungsstraße

Eine Prüfliste für ein elektrisches System

Die Verlagerung oder Neukonfiguration einer Produktionsanlage kann ein komplexes und fein aufeinander abgestimmtes System durcheinanderbringen. Wenn Sie eine Produktionsanlage verlagern, können u. a. Energieverteilungssysteme, Frequenzumrichter, SPSs, Beleuchtung, Kommunikationsschaltkreise, Steuermodule, Notabschaltsysteme empfindlich auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren. Die Bandbreite reicht von Störimpulsen bis hin zu kompletten Ausfällen. Störimpulse und Ausfälle bei einem Gerät kann wiederum den Ausfall eines gesamten Systems bedeuten, wie z. B. die unvorhergesehene Auslösung von Förderbandsystemen, Ausfälle von Kommunikationssystemen in Werkhallen, Überhitzung der Geräte, unsichere elektrische Geräte – und viel Ratlosigkeit und Stillstandzeiten.

Probleme aufgrund einer Verlagerung sind u. U. nicht immer evident, wenn ein Förderbandsystem wieder in Betrieb genommen wird. Erfahrungen haben uns sogar gelehrt, dass möglicherweise schwerwiegende Probleme erst lange nach der Installation auftreten und wenn der Aufbau abgeschlossen ist. Die folgenden Probleme könnten auftreten:

  • Motoren entwickeln Lärm oder brennen frühzeitig durch
  • Anlagen schalten aus unerfindlichen Gründen ab
  • Sensoren und Fühler arbeiten nicht ordnungsgemäß
  • Bediener bemängeln ergonomische Probleme

Die Vergabe von elektrischen Arbeiten an Dritte ist kein Patentrezept

Da Elektriker und anderes Instandhaltungspersonal oft vollauf damit beschäftigt sind, den Betrieb operationstüchtig zu halten, werden elektrische Arbeiten bei der Verlagerung von Fertigungsstraßen oft an Dritte vergeben. Sie können natürlich in der Regel davon ausgehen, dass Elektroinstallateure die Normen des National Electrical Code bei allen Arbeiten beachten, die sie ausführen, vergessen Sie jedoch nicht, dass Elektroinstallateure sich bei diesem Code nicht um die weniger offensichtlichen und oft übersehenen Probleme kümmern müssen wie Spannungsabfall, Oberschwingungen und EMI (elektromagnetische Störungen).

Die Vorgaben für den Elektroinstallateur sind elektrische Installationen, die „im Wesentlichen frei von Gefahren sind aber nicht unbedingt effizient, komfortabel oder adäquat für angemessenen Service oder künftige Erweiterungen elektrischer Verwendung sind“, entsprechend Artikel 90 des National Electrical Code ausgeführt werden. Verlassen Sie sich nicht auf Ihren Elektroinstallateur, wenn es um die vorausschauende Planung und die Lösung der vielen subtilen Probleme geht, die auftreten können, es sei denn, Sie haben vertragliche Regelungen getroffen. Dies kann beinhalten, dass Verbesserungen der Leiter oder ggf. speziell für VFDs entwickelte Kabel installiert werden etc. oder dass für künftige Steuererweiterungen, neue Geräte oder Verbesserungen geplant wurde.

Was muss getan werden?

Viele Dinge, die getan müssen, wenn eine Fertigungsstraße neu konfiguriert oder verlagert wird, sind offensichtlich. Sie müssen:

  • ein neues Layout gestalten
  • jeden Prozessschritt planen und koordinieren
  • Kosten berechnen
  • die Geräte trennen, verlagern und neu aufstellen
  • Kabel neu verlegen
  • Geräte neu installieren und anschließen
  • das neu konfigurierte Förderband in Betrieb nehmen, testen und eine Fehlersuche durchführen

Hier sind einige der weniger offensichtlichen Anforderungen für einen neuen oder neu konfigurierten Aufbau:

  • EMI-Störungsursachen finden und korrigieren
  • Verschlissene oder veraltete Ausrüstung austauschen oder erneuern, wo sich das als sinnvoll erweist
  • Es muss sichergestellt werden, dass die Motorantriebssysteme nach der Verlagerung bei korrekter Spannung sauber arbeiten und keine Oberschwingungen aufweisen

Prüfliste mit 9 Schritten zur Verlagerung einer Fertigungsstraße

Wenn die Techniker mit dem Layout der Inbetriebnahme der Fertigungsstraße beschäftigt sind, sich der Projektleiter auf die Einhaltung des Zeitplans konzentriert und das Instandhaltungsteam sich um die restlichen Geräte im Betrieb kümmert – Wie stellen Sie sicher, dass Ihre neue elektrische Anlage sicher und einwandfrei arbeitet, wenn sie wieder hochgefahren wird? Wie können Sie sicherstellen, dass Aufrüstungen vorgenommen und Teile ausgetauscht wurden? Versuchen Sie es mit einer Checkliste. Die Liste kann als Plan, eine Einigung auf das fungieren, was zu tun ist (und wann und wie) und sie ist außerdem eine Gedächtnisstütze, damit nichts vergessen wird.

Eine Checkliste sollte mindesten die folgenden Dinge berücksichtigen:

  • Sicherheit
  • Netzqualität
  • Spannungsabfall und Spannungsunsymmetrie
  • Probleme in Zusammenhang mit Frequenzumrichtern
  • Erdung
  • Verdrahtung von Energieversorgung und Steuerungen
  • Zusätzliche Punkte, die für Ihren Industriezweig, Prozesse, Ziele und Anforderungen wichtig sind

Sie können diese Prüfliste mit 9 Schritten bei der Verlagerung einer Produktionsanlage als Beginn für die Planung der nächsten Verlagerung betrachten, um den Überblick zu behalten, die Möglichkeiten für den Austausch und die Erneuerung von Komponenten zu erfassen und als Unterstützung bei der Fehlersuche, wenn die Verlagerung abgeschlossen ist.

1. Legen Sie einen Maßstab für die existierende Fertigungsstraße fest.

Ermitteln Sie Primärmesswerte für Spannungen und Strom bei Schalttafeln und andern Versorgungspunkten während die existierende Konfiguration in Betrieb ist. Nachdem die Verlagerung beendet ist, können Sie die alten Messwerte mit denen nach der Verlagerung zur Bestätigung vergleichen und ggf. Maßnahmen zur Fehlersuche durchführen.

Untersuchen Sie, während Sie die Messwerte ermitteln, ob sich Schaltkreise kurz vor oder an der Leistungsgrenze befinden. So können Sie der neuen Konfiguration Kapazitäten hinzufügen oder ggf. Änderungen vornehmen.

Obwohl die Ermittlung von Primärmesswerten für Spannungen und Strom vor der Verlagerung nützlich ist, eine Untersuchung der Netzqualität ist noch wirkungsvoller, da Sie dadurch einen umfassenden Eindruck über den Zustand des elektrischen Systems bekommen, inklusive Oberschwingungen, Spannungsabfälle und andere Probleme. Untersuchen Sie, genau wie bei der Ermittlung der Spannungs- und Strommesswerte, ob Probleme bei der erstmaligen Untersuchung der Netzqualität aufgetreten sind, damit Sie diese in der neuen Konfiguration berücksichtigen können.

Egal ob Sie nur zielgerichtet Messwerte ermitteln oder ob Sie eine umfassende Überprüfung der Netzqualität durchführen, stellen Sie sicher, dass Sie Spannungsunsymmetrien an Schalttafeln erkennen, da Spannungsunsymmetrien bei dreiphasigen Transformatoren und Motoren zu Überhitzung führen können. Bei einem dreiphasigen System können Sie ein mobiles Digitalmultimeter oder einen Netz- und Stromversorgungsanalysator verwenden, um auf Abweichungen zwischen Phasenspannungen zu prüfen. Beachten Sie, dass, wenn Sie ein Digitalmultimeter verwenden, bei einem Spannungswert einer Phase, der um mehr als 1 bis 2 Prozent vom Durchschnittswert abweicht, Korrekturmaßnahmen erforderlich werden. Mit Netz- und Stromversorgungsanalysatoren können jedoch detailliertere Analysen durchgeführt werden. Die Lösung bei Spannungsunsymmetrien ist die gleichmäßige Verteilung von einphasigen Lasten über alle drei Phasen bei Schaltfeldern und Schalttafeln.

2. Überprüfen Sie die geplanten elektrischen Pläne und Zeichnungen für die neue Fertigungsstraße.

  • Achten Sie darauf, dass die Pläne den elektrischen Normen entsprechen
  • Stellen Sie sicher, dass alle, die bei diesem Projekt beteiligt sind, sich untereinander abgestimmt haben

Untersuchen Sie, nachdem Sie Ihre Maßstabsmessungen durchgeführt haben, die elektrischen Pläne und Zeichnungen für die neue Fertigungsstraße und stellen Sie sicher, dass die Pläne die beste Option für das sind, was Sie erreichen möchten.

3. Berechnen Sie die erwarteten Spannungsabfälle.

  • Begrenzen Sie den Spannungsabfall an dem Gerät, das am weitesten entfernt ist, auf 3 Prozent

    Der National Electrical Code (NEC) empfiehlt einen Spannungsabfall von höchstens 3 Prozent an der letzten Sicherung oder dem Leistungsschalter bei der Versorgung des Geräts, das am weitesten von der Versorgung entfernt liegt. Geräte arbeiten u. U. nicht ordnungsgemäß auf einem Wert unterhalb der vorgesehenen Spannung: Computer können ausfallen, elektronische Geräte und Steuerungen können Fehlalarme auslösen bzw. vollständig ausfallen und Motoren könnten überhitzen und weit vor ihrer erwarteten Lebensdauer von 20 Jahren ausfallen.

    Wenn Sie den Verdacht haben, dass bei einem Abzweigstromkreis mehr als der empfohlene Spannungsabfall von 3 Prozent auftritt, ziehen Sie eine Vergrößerung der Leiter in Betracht. Obwohl dickere Drähte mehr Geld kosten, werden diese durch die Verringerung von Stillstandzeiten mehr als abgegolten. Bedenken Sie, dass die Vergrößerung der Leiter unter Umständen eine Vergrößerung der Kabelführungen mit sich bringt. Überprüfen unbedingt Sie die geltenden NEC-Tabellen.

  • Begrenzen Sie den Spannungsabfall für kombinierte Speise- und Abzweigstromkreise auf 5 Prozent

    Die NEC empfiehlt, dass bei einem kombinierten Speise- und Abzweigstromkreis Spannungsabfälle von höchstens 5 Prozent auftreten sollten.

Berechnen Sie die voraussichtlichen Spannungsabfälle bei allen Schaltkreisen, deren Länge Sie vergrößern oder die Sie stärker belasten.

4. Stellen Sie sicher, das VFDs und Motoren ordnungsgemäß verkabelt sind.

  • Achten Sie darauf, dass die Empfehlungen des Herstellers im Hinblick auf die VFD-Ausgangsverkabelung und Längen befolgt wurden
  • Verwenden Sie die empfohlenen Kabel und verwenden Sie ggf. Lastdrosselungen bei VFD-Ausgängen
  • Minimieren Sie elektromagnetische Störungen in Kommunikations- und Steuerkreisen.
  • Alle Systeme und Geräte müssen ordnungsgemäß geerdet sein
  • Verlegen Sie VFD-Ausgangskabel und alle Steuerkabel in getrennten Kanälen
  • Achten Sie auf einen Mindestabstand bei VFD-Kabeln zu abgeschirmten Steuerkreisen von mindestens 30 cm und 1 Meter bei nicht-abgeschirmten Steuerkreisen
  • Müssen VFD-Netzkabel und Steuerkabel gekreuzt werden, so muss die Kreuzung rechtwinklig erfolgen
Abbildung 1. Oszilloskopanzeige mit reflektierten Wellen an den Motorklemmen und dem Ende eines langen Kabels.

Antriebe mit variabler Frequenz sind die am häufigsten vorkommenden Antriebe mit regelbarer Drehzahl bei Geräten auf Produktionsflächen. Da es sich beim Ausgang eines Antriebs mit variabler Frequenz um eine Serie von spitz zulaufenden Spannungsimpulsen handelt (im Gegensatz zu den weichen Sinuswellen bei einer Leistung von 50 oder 60 Hertz), muss besonders auf die Kabellänge und den Kabeltyp zwischen Antrieb und Motor geachtet werden und dessen einwandfreien Anschluss. Geschieht dies nicht, so kann dies zu gefährlichen und destruktiv reflektierenden Wellen im Antriebskabel führen Abbildung 1. Reflektierte Wellen können zu höheren Spannungen an den Motorklemmen führen – es können Werte von bis zu 2.000 V bei einem 480-V-Motor erreicht werden. Diese erhöhte Spannung ist gefährlich, sie strapaziert die Motorisolierung, verkürzt die Lebensdauer des Motors und kann zu sofortigem Motorausfall führen.

Wurde Ihr Antrieb mit variabler Frequenz anfänglich von einem Antriebsspezialisten eingerichtet (wie zum Beispiel ein Vertreter des Herstellers) hatten Sie vielleicht kaum oder gar keine Probleme. Werden jedoch Änderungen bei der Konfiguration vorgenommen – vor allem Änderungen bei der Verkabelung – kann dies zum Auftreten von reflektierten Wellen führen.

5. Überprüfung von Geräten im Hinblick auf Aktualisierungen und Austausch.

  • Es sind u. U. neue Technologien verfügbar, über die die Produktivität gesteigert und Energie eingespart werden kann. Als Regel gilt hier, dass beim Austausch von Betriebsanlagen Modelle mit höherer Effizienz gewählt werden sollten.
  • Verbesserungen bei Arbeitssicherheit, Komfort und bei den allgemeinen Arbeitsbedingungen führen häufig zu gesteigerter Produktivität und Berufszufriedenheit.
  • Eines der größten Probleme bei automatisierten Fertigungsstraßen sind kleinere Leistungs-Glitches, die zu Schäden an den SPSs führen können. Erwägen Sie daher SPS-Schutzmaßnahmen.
  • Wenn Sie Kreiselpumpen und Lüfter Antrieben mit variabler Frequenz hinzufügen, kann dies zu merklichen Einsparungen führen. Beispiel: Bei einem Preis von 9 Cent/Kilowattstunde kann die Geschwindigkeitsreduzierung eines Motors mit 25 PS von 1.800 U/min auf 900 U/min die Betriebskosten pro Stunde von 1,68 $ auf 0,21 $ senken. Eine Ersparnis von über 80 Prozent.
  • Die Verlagerung einer Fertigungsstraße ist auch eine gute Gelegenheit, Verbesserungen am Beleuchtungssystem vorzunehmen. Der Austausch von älteren T-12-Leuchtstoffröhren und HID-Beleuchtung gegen neuere T-8 und T-5 Leuchtstoffröhren verringert die Beleuchtungskosten erheblich. Überlegen Sie einen generellen Wechsel zu LED-Beleuchtung, wo dies angebracht ist.

Nach der Verlagerung

6. Prüfen Sie nach der vollständigen Verlagerung alle Sicherheitsschaltkreise und Notabschaltungssysteme.

  • Stellen Sie sicher, dass die Sicherheitsschaltkreise und Notabschaltungssysteme entsprechend den elektrischen Schaltplänen installiert sind
  • Stellen Sie für die Inbetriebnahme der Fertigungsstraße sicher, dass alle Schaltkreise ordnungsgemäß funktionieren

Beim Verlagern oder der Neukonfiguration sind Installation oder Reinstallation aller vorgeschriebenen Sicherheitsschaltkreise und Notabschaltungssysteme und deren Überprüfung auf ordnungsgemäßen Betrieb zwingend notwendig. Sie müssen mit den behördlichen Vorschriften vertraut sein und diese auch umsetzen (beispielsweise OSHA und NFPA in den USA). Hierzu gehören akustische Warnsignale vor dem Anlaufen eines Förderbandes, Notabschaltsysteme an den Standorten der Bediener und Sicherheitsschaltkreise. SPSs müssen Ausgänge abschalten, wenn eine Notabschaltung erfolgt und Motoren müssen anhalten, wenn eine SPS deaktiviert wird.

7. Überprüfung der Erdung auf Sicherheit, Einhaltung der entsprechenden Vorschriften und auf Rauschunterdrückung.

  • Mangelhafte Kommunikation, wie z. B. die Beeinträchtigung der Funktion eines Steuerkreissignals mit 4 - 20 mA durch Rauschen
  • Sporadische Abschaltungen
  • Intermittierende Kommunikation
  • SPSs, die in einer rein zufälligen Folge neu starten
  • Erdungsmessgeräte, die auslösen
  • 5-Volt-Versorgungsebene, die sich mit empfindlicher Ausrüstung nach oben oder nach unten verschiebt
Abbildung 2. Signalform mit Rauschen (rot) und ideale Signalform (blau) eines Antriebs mit variabler Frequenz.

Erdung ist ein wichtiger Faktor bei der Verlagerung von elektrischen Systemen (so wichtig, dass dies eine der ersten Prüfungen bei der Fehlersuche nach der Verlagerung einer Produktionsanlage ist). Die vorschriftsmäßige Erdung ist nicht nur aus Sicherheitsgründen wichtig, oder um den elektrischen Vorschriften zu entsprechen, denn es können auch die Auswirkungen von Rauschen reduziert werden. Bei elektrischem „Rauschen“ handelt es sich um die gesamte unerwünschte elektrische Energie in einem elektrischen oder elektronischen Schaltkreis. Der einfachste Weg, um elektrisches Rauschen zu ermitteln, ist die Verwendung eines Oszilloskops (Abbildung 2). Rauschen kann dazu führen, dass elektrische Geräte nicht wie beabsichtigt oder nicht optimal funktionieren. Zum Beispiel kann ein VFD, der an einen Motor mit einem nicht-abgeschirmtem Kabel angeschlossen ist, 80 Volt oder mehr an Rauschen bei in der Nähe gelegener nicht-abgeschirmter Verkabelung und 10 Volt oder mehr bei in der Nähe gelegenen abgeschirmten Kabeln erzeugen. Elektrisches Rauschen kann zu Betriebsproblemen in Werkhallen führen, die sich wie folgt bei der Inbetriebnahme einer neuen Fertigungsstraße äußern können:

8. Führen Sie nach der Installation eine Prüfung der Netzqualität durch, um potenzielle Probleme aufzudecken und Maßstabaufzeichnungen für das elektrische Instandhaltungsprogramm zu erstellen.

Die Prüfung der Netzqualität vermittelt Ihnen einen umfassenden Eindruck über den Zustand des elektrischen Systems, inklusive Oberschwingungen, Spannungsabfälle und andere Probleme. Obwohl die Ermittlung von Primärmesswerten für Spannungen und Strom nützlich ist, eine Untersuchung der Netzqualität ist noch wirkungsvoller. Maßstabmesswerte sind wertvolle Ressourcen für die Einführung oder Sicherung eines effektiven Programms zur vorausschauenden Instandhaltung, wenn dies gewünscht wird.

6. Prüfung der Fertigungsstraße auf einwandfreien Betrieb.

Testen Sie vor der Wiederaufnahme der Produktion die Fertigungsstraße gründlich auf einwandfreien Betrieb. Dies ist auch ein geeigneter Zeitpunkt, an dem Sie Bediener mit einbeziehen und Feedback erhalten können. Achten Sie darauf, dass alle bei der Verlagerung der Fertigungsstraße Beteiligten anwesend sind, wenn Sie die Fertigungsstraße wieder in Betrieb nehmen. Sie verfügen so über Hilfe bei der Fehlersuche und bei den endgültigen Anpassungen.