ABB DYNAFIN™
ABB Dynafin™ ist ein revolutionäres elektrisches Antriebskonzept, das neue Maßstäbe für Effizienz in der Schifffahrt setzt. Die auf einem Zykloidalpropeller basierende Technologie bietet Schiffskonstrukteuren beispiellose Innovationsmöglichkeiten und hilft der Schifffahrtsindustrie dabei, ihr Ziel zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen umzusetzen.
Die Dynafin™-Lösung umfasst einen Zykloidalpropeller mit einzeln gesteuerten vertikalen Schaufeln. Ein elektrischer Hauptmotor treibt ein mit moderaten 30–80 Umdrehungen pro Minute rotierendes großes Rad an. An dem Rad befinden sich mehrere vertikale Schaufeln, die jeweils von einem eigenen Motor und Steuerungssystem geregelt werden. Dabei imitieren die Schaufeln die hocheffizienten Bewegungen eines Walschwanzes.
Das Dynafin™-System zeichnet sich durch eine geringe Bauhöhe aus, die Konstrukteuren die Möglichkeit bietet, das Layout von Schiffen zu optimieren. Darüber hinaus bietet es eine beispiellose Antriebseffizienz mit einem Freifahrtwirkungsgrad von bis zu 85 Prozent. Verglichen mit einem herkömmlichen Propeller ermöglicht Dynafin Energieeinsparungen um bis zu 22 Prozent. Aufgrund seiner moderaten Betriebsdrehzahl, der besonderen Wirkungsweise und den geringen Druckimpulsen erzeugt Dynafin™ wenig Vibrationen und Geräusche, was den Komfort verbessert und die Auswirkungen von Unterwasserlärm minimiert.
Beim ABB Dynafin™-System werden Antriebs- und Lenkkräfte gleichzeitig erzeugt, was eine sofortige und stufen- bzw. getriebelose Veränderung der Schubkraft und -richtung ermöglicht. Das Konzept wird zunächst im Leistungsbereich von 1–4 MW pro Einheit erhältlich sein und sich an kleinere und mittelgroße Schiffe wie Personen- und Fahrzeugfähren, Offshore-Versorgungsschiffe und Yachten richten.
ABB geht davon aus, dass der erste ABB Dynafin™-Prototyp im Jahr 2025 zur Verfügung stehen wird.
Mehr über Dynafin™ erfahren Sie im Artikel „Revolutionärer Antrieb“ auf Seite 26–29 dieser Ausgabe der ABB Review.
UNMITTELBARE VORHERSAGE DER AUSWIRKUNGEN VON BEDIENEINGRIFFEN
EAnlagenfahrer sind manchmal unsicher, wie sich ihre Eingriffe auf den Prozess auswirken werden. Wird in einer Anlage ein Sollwert verändert, z. B. ein Durchfluss von 10 l/s 30 l/s erhöht, muss das Bedienpersonal den Prozess mehrere Minuten lang überwachen, um zu sehen, was letztendlich passiert.
Wie wäre es, wenn Anlagenfahrer vorab ausprobieren könnten, wie sich mögliche Bedieneingriffe wahrscheinlich auf den Prozess auswirken würden?
ABB 800xA Simulator What-if bietet Anlagenfahrern die Möglichkeit, geplante Eingriffe sicher auszuprobieren und sofortige Rückmeldung darüber zu erhalten, wie die der Prozess reagieren wird.
Das 800xA Simulator What-if System nutzt maschinelles Lernen (ML), um das Prozessverhalten infolge von Bedieneingriffen vorherzusagen. Das Training erfolgt mithilfe von rekurrenten neuronalen Netzen (RNN) mit LSTM (Long Short-Term Memory) und Zeitreihendaten und führt zu zuverlässigen Vorhersagen, die unmittelbar (in weniger als 1 s) dargestellt werden.
Die Zeitreihendaten können mithilfe historischer Prozessdaten aus dem Prozessdatenspeicher (Historian) der Anlage erstellt werden. Darüber hinaus nutzt der 800xA Simulator einen digitalen Zwilling der Anlage und ein dynamisches High-Fidelity-Modell des Prozesses, das zum Trainieren der Daten genutzt werden kann, um robustere Modelle zu erhalten.
Das aus dem ABB-Forschungsprojekt Augmented Operator [1] hervorgegangene 800xA Simulator What-if System:
• hilft dem Leitwartenpersonal dabei, kritische Situationen wie etwa Abschaltungen aufgrund von Überdruck zu vermeiden,
• trägt zur erheblichen Verbesserung der betrieblichen Gesamteffizienz der Anlage bei,
• berücksichtigt den demografischen Wandel zukünftiger Belegschaften und Betriebsabläufe,
• ermutigt Anlagenfahrer, Stelleingriffe in größeren Schritten vorzunehmen und ermöglicht so einen effizienteren Betrieb.
800xA Simulator What-if gibt Anlagenfahrern genügend Zeit zur Implementierung geeigneter Maßnahmen und unterstützt sie so im täglichen Anlagenbetrieb.
Literaturhinweis
[1] R. Tan et al.: „Zuverlässige Hilfe“. ABB Review 03/2022, S. 18–23.
MEHR LEISTUNG FÜR WILD GEWICKELTE NIEDERSPANNUNGSMOTOREN
Niederspannungsmotoren können mit Formspulen aus systematisch angeordneten quadratischen oder rechteckigen Drähten oder mit wild gewickelten Spulen aus runden, zufällig angeordneten Drähten ausgestattet sein. Erstere sind teurer und kommen aus Gründen der Leistungsfähigkeit, Haltbarkeit usw. für gewöhnlich in Motoren mit mehr als 1.500 kW zum Einsatz. Eine ABB-Studie hat jedoch ergeben, dass durchaus eine Nachfrage nach wild gewickelten Motoren mit höheren Leistungen, z. B. in der Baugröße IEC 500, besteht.
Im Jahr 2018 wurde ein Projekt ins Leben gerufen, um eine entsprechende Motorenbaureihe mit Wasserkühlung zu entwickeln. Für die Produktisierung dieser neuen Motoren waren nur relativ geringe Investitionen in neue Werkzeuge und Gießformen erforderlich.
Nach der erfolgreichen Produktisierung des wassergekühlten IEC-500-Morors war die Entwicklung einer luftgekühlten Version aufgrund der größeren potenziellen Kundenbasis ein natürlicher Schritt. Die wassergekühlte Variante wurde mit den vorhandenen gusseisernen ABB-Motoren vom Typ M3BP harmonisiert, um Bestell- und Lieferprozesse zu rationalisieren.
Die wichtigste neue Komponente war ein Gehäuse aus Gusseisen mit interner Kühlung. Der Motor verfügt über zwei Kühlkreisläufe: einen internen Kreislauf zur Kühlung des Rotors durch Kühlkanäle, der das Gehäuse als Wärmetauscher nutzt, und einen externen Kreislauf, bei dem Luft über die Kühlrippen geführt wird. Beide Kreisläufe müssen im perfekten Einklang miteinander arbeiten.
Bei der Konstruktion wurden umfangreiche CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) durchgeführt, um die Temperaturverteilung im Motor zu analysieren. Mithilfe der Simulationen konnte die Anzahl und Form der Kühlrippen auf der Motoroberfläche optimiert und gleichzeitig ausreichend Platz für die internen Kühlkanäle geschaffen werden. Die Motortemperaturen des Prototyps stimmten sehr gut mit den simulierten Werten überein.
HOCHGESCHWINDIGKEITSMOTOREN
Runtech Systems, ein Unternehmen des Ingersoll Rand Konzerns und Hersteller von Vakuumgebläsen für Papiermaschinen, war auf der Suche nach Möglichkeiten, um die Effizienz der Hochgeschwindigkeitsmotoren in seinen Turbogebläsen zu verbessern.
Das Turbo-Vakuumgebläse von Runtech wird direkt angetrieben und leistet bis zu 600 kW bei 10.000 U/min. Die Maschinen werden verbreitet in der Zellstoff- und Papierindustrie zur Entwässerung von Papier eingesetzt. Da die Flügelräder direkt am Rotor montiert sind, spielt die Rotordynamik bei der Konzeption eines Motors für dieses Anwendung eine entscheidende Rolle.
ABB war bei Runtech bereits für die Fertigung fortschrittlicher Rotoren bekannt. So zeichnen sich die Rotoren von ABB aus Aluminiumguss zum Beispiel aufgrund ihrer geblechten Struktur durch einen erstklassigen Leistungsfaktor und geringere Leistungsverluste aus. Daher lag es für beide Unternehmen nahe, sich für die Entwicklung eines neuen Motors für die Turbogebläse von Runtech zusammenzuschließen.
Die Aufgabe war nicht einfach: Es mussten nicht nur 600 kW aus einer Motorgröße herausgeholt werden, die normalerweise nur 200 kW liefert; gleichzeitig galt es auch, Aspekte wie Vibrationen, Lagerschmierung und Fliehkräfte zu berücksichtigen. Das Team entwickelte einen Prototyp mit einem geteilten Statorkern zur besseren Kühlung, einem speziellen IP23-Gehäuse, einer neuen Rotorkernstruktur und einer Ölumlaufschmierung für die keramischen Hochgeschwindigkeitslager. Die gusseisernen Bauteile wurden im Rapid-Prototyping-Guss mithilfe 3-D-gedruckter Gießformen hergestellt.
Schnell wurde deutlich, dass der Motor die gesteckten Leistungsziele nicht nur erfüllte, sondern auch eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads um ein- bis zwei Prozent erreichte. Die Produktisierung ist abgeschlossen, und ABB hat bereits mehrere Hundert dieser Motoren an Runtech geliefert.
SKALIERTE ETHERNET-APL-LÖSUNG ERMÖGLICHT DIREKTEN ZUGRIFF AUF FELDGERÄTEDATEN
Die APL-Technologie (Advanced Physical Layer) ermöglicht eine schnelle Kommunikation von Prozessdaten, Gerätekonfigurationen und Diagnosedaten und die Spannungsversorgung von Feldgeräten per Ethernet.
Die Installation ist einfach und robust, da die Geräte über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit dem APL-Switch verbunden werden, der wiederum Teil eines Netzwerkrings mit vielen Geräten sein kann. Ein solches Szenario ermöglicht Medienredundanz, wenn es auf eine erhöhte Verfügbarkeit ankommt. Mit APL kann auch auf die traditionellen I/O-Module von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) oder verteilten Leitsystemen (DCS) verzichtet werden, da der Controller statt indirekt direkt über ein I/O-Modul, das analoge Standardsignale umwandelt und an die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) sendet, auf die Gerätedaten zugreifen kann.
Diese Technologie steht nun zur Verfügung, da immer mehr APL-Geräte auf dem Markt erhältlich sind. ABB hat Automatisierungslösungen auf der Basis von System 800xA® mit dem PROFINET-Protokoll für drei große chemische Prozessanlagen breitgestellt. In einem Fall sind bis zu 252 Feldinstrumente über einen APL-Netzwerkring direkt mit einem Controller verbunden. Typischerweise unterstützt jeder Controller drei Ethernet-Kommunikationsringe: zwei für Prozessgeräte, die über APL verbunden sind, und einer für die Spannungsversorgung. Darüber hinaus erfasst eine Remote I/O, die an denselben PROFINET-Ring angeschlossen ist, die Hilfssignale, die nicht von APL-fähigen Geräten kommen.
Kunden profitieren nicht nur von einem vereinfachten Engineering und einer robusten, unkomplizierten Installation, die Lösung benötigt im Vergleich zu klassischen Lösungen mit I/O-Geräten und früheren Feldbuslösungen wie PROFIBUS PA oder Foundation Fieldbus auch weniger Platz in Schaltschränken. Der einfache und schnelle Zugang zu Diagnose- und Konfigurationsdaten der Geräte beschleunigt die Inbetriebnahme und Fehlerbehebung. Durch den Einsatz von Asset-Management-Lösungen werden zudem die Lebenszykluskosten reduziert.
Ein längerer Artikel zu diesem Thema erscheint in der nächsten Ausgabe der ABB Review.
VD4 EVO – MITTELSPANNUNGSSCHUTZ FÜR EINE SMARTERE, GRÜNERE ZUKUNFT
Mit der zunehmenden Realisierung von Smart Grids wandelt sich auch die Rolle von Mittelspannungs-Leistungsschaltern von einfachen Schutzgeräten zu aktiven Apparaten, die in der Lage sind, direkt mit den wichtigsten Instanzen im elektrischen Netz zu interagieren und somit den Netzbetrieb zu koordinieren. Diese Entwicklung wird vorangetrieben durch Forderungen nach einer höheren Betriebskontinuität und einer besseren Versorgungsqualität. Darüber hinaus muss das Netz in der Lage sein, bidirektionale Energieflüsse von unbeständigen erneuerbaren Energiequellen zu bewältigen. ABB hat erkannt, dass fortschrittliche Netzschutz- und -steuerungskomponenten wie Leistungsschalter in Kombination mit Sensorsystemen, Datenanalysen und Algorithmen für maschinelles Lernen dabei helfen können, das Stromnetz zuverlässiger, robuster und intelligenter zu gestalten.
Aufbauend auf dem äußerst erfolgreichen konventionellen Leistungsschalter vom Typ VD4 hat ABB den VD4 evo entwickelt. Die im Jahr 2023 eingeführte evolutionäre Lösung ist ein energie- und wartungseffizientes, cybersicheres, intelligentes System, das ebenso wie der VD4 ein Höchstmaß an Sicherheit und Schutz bietet.
Der VD4 evo wurde gemäß der etablierten ABB-Nachhaltigkeitsprozesse entwickelt und ermöglicht eine Steigerung der Effizienz um bis zu 60 Prozent sowie eine Reduzierung unerwarteter Ausfälle um bis zu 30 Prozent. Dabei ist er um 15 Prozent kompakter.
Neben seiner hohen Effizienz zeichnet sich der VD4 evo durch integrierte Überwachungs- und Diagnosefunktionen aus. Dazu gehören Sensoren und eine Steuerungs- und Überwachungseinheit (CMU), die kontinuierlich den Betriebszustand analysieren und sofort an eine Bedienschnittstelle (HMI) vor Ort kommunizieren.
Dank der nahtlosen Integration dieser neuen intelligenten Merkmale ist es ABB nicht nur gelungen, die Flexibilität, Effizienz und Konnektivität zu erhöhen und gleichzeitig die Gefahr von Cyberangriffen zu reduzieren, sondern auch die Umweltverträglichkeit, Materialeffizienz und Wiederverwendbarkeit zu verbessern. Alles in allem hilft der VD4 evo Kunden dabei, die Anforderungen eines sich entwickelnden intelligenten Stromnetzes effizient, zuverlässig und sicher zu erfüllen und somit eine digitale, grünere Zukunft zu ermöglichen.
Mehr über den VD4 evo erfahren Sie im Artikel „Logische Entwicklung“ auf Seite 54–61 dieser Ausgabe der ABB Review.
Weitere Informationen
ABB website, “IEC indoor vacuum circuit breaker VD4”.
ABB website, “VD 4 evo. Evolution that empowers”.
ABB website, “ABB sustainability – driving progress for a sustainable tomorrow”.
ABB website, “Leading the way to a circular economy”.
ETHERNET-APL FÜR FELDGERÄTE IN DER PROZESSINDUSTRIE
Die Messung von Parametern wie Temperatur, Druck und Durchfluss ist entscheidend für die Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse. Zudem zwingen steigende Energie- und Rohstoffkosten und ein stärkeres Umweltbewusstsein Anlagenbetreiber dazu, ihre Prozesse genauer zu überwachen als jemals zuvor. Keine leichte Aufgabe, wenn schon eine mittelgroße Anlage über bis zu 10.000 Feldgeräte verfügen kann, die Prozessparameter messen und übermitteln.
Traditionell werden für die Datenübertragung zwischen Feldgeräten und Leitwarten analoge 4–20-mA-Stromschleifen, häufig in Verbindung mit dem HART-Protokoll, verwendet. Doch die Eigenschaften von Stromschleifen entsprechen nicht mehr unbedingt den Erwartungen einer modernen Kommunikation. Die Zukunft gehört einem neuen Standard: Ethernet-APL.
Ethernet-APL ist das Ergebnis jahrzehntelanger Standardisierungsbemühungen. Der Standard ermöglicht die Übertragung von deutlich mehr Geräteparametern und erleichtert die Automatisierung beim Design und Betrieb von Prozessanlagen.
Ein Bereich, für den Ethernet-APL besonders interessant ist, sind explosionsgefährdete Umgebungen, da das zugrunde liegende eigensichere Zweidraht-Ethernet-Konzept (2-WISE) die Spannung und den Strom zum Feldgerät begrenzt. Darüber hinaus können Geräte mit den für 2-WISE zulässigen Leistungen komplexere Messaufgaben und Berechnungen durchführen als bisher.
ABB hat Ethernet-APL in ihren Wirbel-/Drall-Durchflussmessern vom Typ FSx430 und FSx450 implementiert. Zudem verfügen die Geräte über eine Bluetooth-Schnittstelle, die den lokalen Zugriff über eine sichere Smartphone-App vereinfacht.
Es ist vorgesehen, Ethernet-APL auch in anderen Produkten einzuführen und weitere Funktionalitäten wie PROFIsafe zu implementieren, um Ethernet-APL und PROFINET für Anwendungen nutzbar zu machen, die eine funktionale Sicherheit gemäß Sicherheitsintegritätslevel (SIL) erfordern.
Mehr über Ethernet-APL erfahren Sie im Artikel „Brückenschlag ins Feld“ auf Seite 48–53 dieser Ausgabe der ABB Review.
EXPERTENWISSEN STETS ZUR HAND
Versteckte Hürden in Form von Produktnamen und lokalem Jargon können die Arbeit eines Technikers bei der Diagnose und Problembeseitigung in komplexen Anlagen erheblich erschweren. Wie kann ein Neuling aus Anweisungen wie „repariere den VD4-Leistungsschalter am Abgang zu T11 im UniGear ZS1 Feld TS4“ schlau werden? Noch komplizierter wird es, wenn Komponenten von verschiedenen Herstellern beteiligt sind.
Angesichts dieser Herausforderungen und der abnehmenden Bereitschaft vieler Unternehmen, in Schulungen zu investieren, hat ABB mit Service Assist einen virtuellen Assistenten eingeführt, der unmittelbare Unterstützung und Informationen vor Ort bietet. Die Interaktion ist per Text- oder Sprecheingabe möglich – tatsächlich ist Service Assist in der Lage, menschliche Sprache und besonders Elektrotechnik-Jargon zu verstehen. So können Techniker Handbücher, Videos und vor allem AR-Anleitungen (Augmented Reality) abrufen, was auch weniger erfahrenen Personen eine erfolgreiche Problembeseitigung ermöglicht. Dabei ist das System nicht auf Dokumentation und Ausrüstung von ABB beschränkt.
Dank AR-Technologie ist Service Assist in der Lage, Informationen direkt in das Sichtfeld der Nutzerin oder des Nutzers einzublenden. Dadurch werden Anweisungen praktischer, verständlicher und leichter umsetzbar, was unterm Strich zu einer schnelleren Problembeseitigung führt und Stillstandzeiten reduziert.
Wird zusätzliche Hilfe benötigt, kann ein Remote-Support-Anruf von einem ABB-Servicespezialisten angefordert werden, der dann AR-Informationen einblenden kann, um seine sprachlichen Anweisungen visuell zu unterstützen.
Ein längerer Artikel zu diesem Thema erscheint in der nächsten Ausgabe der ABB Review.
KOMFORT FÜR ZUHAUSE
Um die Energieeffizienz, den Komfort und den Wert ihrer Immobilie zu erhöhen, setzen immer mehr Hausbesitzer auf Haussteuerungssysteme. Um diesem Trend zu begegnen, haben ABB und ihr Tochterunternehmen Busch-Jaeger die intelligente drahtlose Raumsteuerungsplattform ABB/Busch-free@home® flex auf den Markt gebracht. Das System basiert auf einem drahtlosen 2,4-GHz-Mesh-Netzwerk mit neuesten Verschlüsselungs- und Cybersicherheitsstandards und kann zur Steuerung eines einzelnen Raums genutzt oder auf ein komplettes Smart-Home-System erweitert werden.
Dank seines intuitiven, bedienungsfreundlichen Designs ermöglicht das System eine schnelle Gerätekonfiguration und die digitale Bedienung verschiedener smarter Funktionen über Bluetooth® mithilfe eines Smartphones oder Tablets. Jalousien, Beleuchtung und Bewegungsmelder können einzeln gesteuert oder drahtlos mit bis zu 32 Geräten vernetzt werden. So lassen sich auf einfache Weise auch Zeitschaltfunktionen und Gruppensteuerungen implementieren.
Über einen System-Access-Point können bis zu 150 drahtlose Sensoren oder drahtgebundene Geräte angeschlossen werden. Zu den möglichen Premium- und Highend-Funktionen gehören die Integration der ABB/Busch-Welcome® Türkommunikationsanlage sowie Haushalts- und Multimedia-Geräte.
Benötigt ein Kunde Unterstützung, nutzt ABB künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) zur effizienten Bearbeitung der Anfragen. Zum Training der Engines kommen Daten aus Handbüchern, Produktdokumentationen und Online-Communities zum Einsatz.
ANWENDUNGSBEISPIELE
Garten: Dank unterschiedlicher Beleuchtungsszenen garantiert ABB/Busch-free@home® flex Orientierung und Sicherheit.
Treppe: Das System bietet automatische Bewegungserfassung und spart Energie durch automatisches Ein- und Ausschalten.
Bad: ABB/Busch-free@home® flex kreiert individuelle Lichtatmosphären und unterstützt so den natürlichen Biorhythmus.
Kinderzimmer: ABB/Busch-free@home® flex kann das Licht an- und ausschalten und bietet voreingestellte Beleuchtungsszenen wie den Gute-Nacht-Modus, bei dem das Licht automatisch gedimmt wird.
Ein längerer Artikel zu diesem Thema erscheint in der nächsten Ausgabe der ABB Review.
MESSGASENTNAHME AUS ZEMENTÖFEN MIT PROKILN
In den letzten Jahren hat der Einsatz von alternativen Brenn- und Rohstoffen (AFR) in der Zementindustrie stark zugenommen. Trotz der vielen Vorteile stellen AFR die Gasanalysesysteme in der ohnehin schon rauen Umgebung am Drehrohrofeneinlauf vor neue Herausforderungen. Solche Gasanalysatoren sind unverzichtbar, denn sie liefern dem Anlagenbetreiber wertvolle Informationen über den Verbrennungswirkungsgrad und die Emissionswerte und helfen so dabei, eine optimale betriebliche Effizienz, die Einhaltung von Umweltvorschriften und den effektiven Einsatz von AFR sicherzustellen.
ProKiln, die Gasentnahmesonde der vierten Generation von ABB, ermöglicht eine effektive Entnahme von Messgasproben in der rauen Umgebung am Drehrohrofeneinlauf auch bei einem hohen AFR-Anteil. Die Sonde, die in Zusammenarbeit mit FLO2R – einem dänischen Unternehmen mit langjähriger Erfahrung in der Gasmessung am Drehrohrofeneinlauf – entwickelt wurde, zeichnet sich durch ein effektiveres Reinigungskonzept und eine erhöhte mechanische Festigkeit aus.
Die Hauptkomponente des ABB ProKiln-Systems ist eine 3 m lange wassergekühlte Sonde mit einem Entnahmefilter an der Spitze. Zwei leistungsstarke Luftkanonen sorgen für den Messgasfluss und die Reinigung. Die Sonde ist auf einem Wagen montiert, der auf einer Fahrvorrichtung läuft.
Das ProKiln-System wurde in einer Anlage von Holcim Deutschland in Lägerdorf getestet. Bei den Tests kamen Brennstoffe von 17 verschiedenen AFR zum Einsatz, was zu erheblichen Schwankungen in den O₂- und CO-Werten sowie leichten bis sehr starken Verkrustungen führte. Trotz dieser Bedingungen arbeitete die Sonde im automatischen Betrieb zuverlässig und erforderte keine manuelle Reinigung.
Allein die Ofenabschaltungen, die dadurch verhindert werden können, rechtfertigen eine Investition in die effektive und robuste Sonde.
Mehr über ProKiln erfahren Sie im Artikel „Spitzenfilter“ auf Seite 30–35 dieser Ausgabe der ABB Review.
SACE INFINITUS: HALBLEITERBASIERTER ALL-IN-ONE-SCHUTZ FÜR DC-NETZE
Die charakteristische hohe Effizienz von Gleichstrom-(DC-)Lösungen macht sie zu einem wirksamen Werkzeug auf dem Weg zur Klimaneutralität. Doch bis jetzt hat die kurze Anstiegszeit des Fehlerstroms im Falle eines Kurzschlusses die Entwicklung geeigneter Schutz- und Isolierungstechnologien erschwert. Die Antwort liefern halbleiterbasierte Leistungsschalter (SSCBs), die Schaltgeschwindigkeiten im Mikrosekundenbereich ermöglichen. Der einzigartige SCCB von ABB, der SACE Infinitus, integriert Leistungselektronik, Mechanik, Kühlung, Steuerung, Sensorik und Kommunikation in einer All-in-one-Schutzlösung [1] und ist der weltweit erste gemäß IEC 60947-2 zertifizierte Leistungsschalter auf Halbleiterbasis.
Der SACE Infinitus nutzt spezielle rückwärts sperrende IGC-Thyristoren (RB-IGCTs) mit einer in Reihe geschalteten Diode zum Schutz gegen Rückwärtsspannungen. Durch die antiparallel geschalteten RB-IGCTs lassen sich bidirektionale Stromflüsse von bis zu 2,5 kA kontrollieren. Die ABB-Lösung erreicht einen Wirkungsgrad von 99,9 Prozent und weist um bis zu 70 Prozent geringere Leistungsverluste auf als vergleichbare Technologien.
Dennoch sind die Leistungsverluste noch immer deutlich höher als bei herkömmlichen Leistungsschaltern, was eine integrierte Kühlung erfordert. Der SACE Infinitus nutzt Aluminiumnitrid-Kühlkörper, die die gewünschte elektrische Isolierfähigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verbinden. Damit kann als Kühlmittel die bekannte Mischung aus Wasser und Glykol verwendet werden, wobei keine Entionisierung erforderlich ist.
Extrem kurze Ausschaltzeiten von 15 µs bei bis zu 1 kV DC – verglichen mit mehreren Dutzend Millisekunden bei herkömmlichen elektromechanischen Leistungsschaltern – machen den SACE Infinitus zur besten Wahl für Anwendungen, in denen Fehlerströme innerhalb weniger Millisekunden Werte von über 100 kA erreichen können, wie es zum Beispiel in neuartigen industriellen DC-Netzen, Batteriespeichersystemen, Infrastrukturen für E-Fahrzeuge oder DC-Verteilnetzen an Bord von Schiffen der Fall ist.
Literaturhinweis
[1] A. Antoniazzi et al.: „Der erste seiner Art“. ABB Review 04/2022, S. 14–19.
ML-BASIERTE LÖSUNG IDENTIFIZIERT PROZESSZUSTÄNDE IN ECHTZEIT
In vielen Industrien ist die Bestimmung des Prozesszustands nicht so einfach, wie es scheint. Das hat viele Gründe. Zum Beispiel können manuelle Eingriffe zu einer Veränderung des Betriebszustands führen. Zudem enthalten große Datenmengen für gewöhnlich Signaturen verschiedener Zustände, was eine Bestimmung einzelner Zustände erschwert. Hinzu kommt, dass ein Betriebszustand mehrere Unterzustände beinhalten kann.
Angesichts dieser Herausforderungen hat ABB mit ABB Ability™ PlantInsight Operator Assist eine Lösung entwickelt, die in der Lage ist, Prozesszustände und Unterzustände genau zu erkennen, um Anlagenfahrern eine genauere Beurteilung und Überwachung von Produktionsprozessen zu ermöglichen. Die Lösung basiert auf einer innovativen Architektur, die maschinelle Lernverfahren (ML) nutzt, um die Signaturen von Betriebszuständen zu erkennen. Die Lösung ist in der Lage, sowohl Zustände mit einfachen als auch mit komplexeren Signaturen zu erkennen.
Sind die Betriebszustände identifiziert, analysiert die Lösung die entsprechenden Betriebsabläufe und konfiguriert zustandsspezifische ML-Modelle. Als Online-Unterstützung für Anlagenfahrer markiert die Lösung den aktuellen Betriebszustand des Prozesses mithilfe der verfügbaren Online-Daten und nutzt das entsprechende ML-Modell zur Generierung von „Fahrspuren“ zur Unterstützung des Anlagenpersonals in Echtzeit. Gleichzeitig überwacht die Lösung allmähliche Veränderungen in den Online-Daten – wenn zum Beispiel keiner der zuvor identifizierten Zustände auf die neu erzeugten Daten angewendet werden kann – und initiiert einen Retraining-Workflow, sodass die neuen Betriebszustände erkannt und die ML-Modelle entsprechend aktualisiert werden können.
Die Lösung wurde in verschiedenen Kundenanwendungen mit realen Datensätzen aus Chemieanlagen, Ölraffinerien und Kraftwerken verifiziert.
Ein längerer Artikel zu diesem Thema erscheint in der nächsten Ausgabe der ABB Review.
EIN DASHBOARD FÜR DAS ENERGIE- UND ANLAGENMANAGEMENT
Angesichts steigender Energiepreise, alternder Infrastrukturen und immer strengerer CO₂-Emissionsvorschriften setzen Unternehmen verstärkt auf digitale Lösungen, um eine optimale Nutzung ihrer Anlagen bei gleichzeitiger Erfüllung aller Auflagen sicherzustellen. Dazu hat ABB mit dem ABB Ability™ Energy and Asset Manager eine hochmoderne modulare, cloudbasierte Lösung entwickelt, die Energie- und Anlagenmanagement in einem einzigen intuitiven Dashboard integriert. Die Lösung bietet Echtzeit-Einblicke in den Energieverbrauch, die Stromversorgungsqualität und den Funktionszustand von Betriebsmitteln in der Nieder- und Mittelspannungsverteilung und hilft Unternehmen mit mehreren kleinen oder mittelgroßen Betriebsstätten wie Fabriken, Zweckbauten und Rechenzentren dabei, den Stromverbrauch zu optimieren und Stillstandzeiten zu minimieren.
Die Module der Lösung können einzeln oder zusammen erworben werden. Die Überwachung kann auf einzelne Geräte bzw. Teilsysteme wie einen Aufzug, ein einzelnes Lüftungssystem oder eine Produktionslinie heruntergebrochen werden. So können Nutzer nicht nur informierte Entscheidungen zur Reduzierung des Energieverbrauchs und Minimierung ungeplanter Stillstandzeiten treffen, durch vorausschauende Wartung wird auch eine frühzeitige Erkennung und Behandlung von Problemen ermöglicht
Die Module der Lösung können einzeln oder zusammen erworben werden. Die Überwachung kann auf einzelne Geräte bzw. Teilsysteme wie einen Aufzug, ein einzelnes Lüftungssystem oder eine Produktionslinie heruntergebrochen werden. So können Nutzer nicht nur informierte Entscheidungen zur Reduzierung des Energieverbrauchs und Minimierung ungeplanter Stillstandzeiten treffen, durch vorausschauende Wartung wird auch eine frühzeitige Erkennung und Behandlung von Problemen ermöglicht.
Die Lösung baut auf Microsoft Azure auf und bietet ein Höchstmaß an Skalierbarkeit und Sicherheit. Sie kann eigenständig genutzt oder mithilfe einer flexiblen Anwendungsschnittstelle in vorhandene Systeme integriert werden. Einigen Kunden hat ABB Ability™ Energy and Asset Manager dabei geholfen, ihre Energie- und Wartungskosten um bis zu 40 Prozent zu senken.
Ein längerer Artikel zu diesem Thema erscheint in einer kommenden Ausgabe der ABB Review.
HALBE BREITE, DOPPELTE FUNKTIONALITÄT – DER FI/LS-SCHALTER DS301C
Der neue zweipolige (1P+N) Fehlerstrom- und Leitungsschutzschalter (FI/LS-Schalter) DC301C von ABB bietet Schutz gegen Kurzschlüsse, Überlast und Fehlerströme in einem einzigen Schalter in Modulbreite (1 TE). Dabei ist der Schalter spannungsunabhängig, d. h. er funktioniert ohne eine externe Spannungsquelle. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, die die Breite von zwei Modulen einnehmen, benötigt der DS301C erheblich weniger Platz und ermöglicht kleinere Verteiler, den Schutz von mehr Stromkreisen und kleinere bzw. weniger überfüllte Technikräume in Wohnbauten, Zweckbauten und Schienenfahrzeugen. Erweiterungen und Nachrüstungen werden ebenfalls vereinfacht.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Installationen, in denen der Überstromschutz auf Stromkreisebene und der Fehlerstromschutz darüber realisiert ist, führt mit dem schlanken DS301C ein Fehlerstrom nur zur Abschaltung des betroffenen Stromkreises und nicht der gesamten Anlage. Diese höhere Selektivität sorgt für eine höhere Betriebskontinuität.
Alle Kunststoffteile des leichten Schalters sind aus recycelbarem Thermoplast gefertigt. Zudem sind durch das kombinierte Schalterdesign – anders als bei Konfigurationen mit getrennten LS- und FI-Schaltern – die resistiven Elemente nicht doppelt vorhanden. Das senkt die Leistungsverluste und die Kühlanforderungen. Die daraus resultierenden Energieeinsparungen über die Lebensdauer des Schalters hinweg sind beträchtlich. Der DS301C ist Bestandteil des EcoSolutions™-Portfolios von ABB.
Anzeigen der Kontaktstellung und für die Fehlerstromauslösung vereinfachen die Systemwartung. Der DS301C eignet sich für die Verdrahtung mit Kabeln oder Phasenschienen und verfügt über Merkmale, die eine falsche Verdrahtung verhindern. Praktisch ist auch das Clipsystem, das eine einfache Montage und Demontage ermöglicht, ohne dass Phasenschienen von benachbarten Schaltern entfernt werden müssen.
Ein umfangreiches Angebot von Zubehör der ABB System Pro M Reihe ergänzt den DS301C und unterstützt auch komplexere Installationen. Über einen QR-Code an der Vorderseite des Schalters können Datenblätter und technische Informationen abgerufen werden.
Mehr über den DS301C erfahren Sie im Artikel „Kompakt geschützt“ auf Seite 70–75 dieser Ausgabe der ABB Review.
ZENTRALISIERTE UND VIRTUALISIERTE SCHUTZ- UND STEUERUNGSLÖSUNGEN FÜR VERTEILNETZSTATIONEN
Angesichts der zunehmenden Komplexität und Unberechenbarkeit der Stromversorgung, bedingt durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energien, werden Mittelspannungsschaltanlagen, die in der Lage sind, das Netz wirksam zu steuern und zu schützen, immer wichtiger.
Im Jahr 2018 hat ABB Ability™ mit Smart Substation Control and Protection SSC600 eine intelligente, softwareorientierte Lösung auf den Markt gebracht, die die Funktionen mehrerer Relais in einem Gerät bündelt und so eine Zentralisierung von Schutz und Steuerung (Centralized Protection and Control, CPC) ermöglicht. Beim CPC-Konzept bleibt lediglich die Funktionalität der Prozessschnittstellen in sogenannten Merging Units auf der Feldebene. Die zentrale CPC-Einheit ermöglicht den Informationsfluss zwischen verschiedenen Komponenten, Schaltfeldern, Schaltanlagen und dem zuständigen Bedienpersonal und kann so die Aufgaben von bis zu 30 Schutzrelais übernehmen.
Dank erweiterter Venetzungs- und Verarbeitungsmöglichkeiten unterstützt das SSC600 auch neuere Management- und Automatisierungskonzepte, zum Beispiel durch routingfähiges GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events).
Aufbauend auf dem Erfolg des SSC600 hat ABB im Januar 2023 mit SSC600 SW die erste softwarebasierte virtualisierte Schutz- und Steuerungslösung (VPC) der Welt auf den Markt gebracht, bei der die Software von der Hardware unabhängig ist.
Das virtuelle Abbild des CPC-Systems wurde in einer Mittelspannungsschaltanlage in Westfinnland erfolgreich getestet und verifiziert und hat in allen Bereichen – zum Beispiel bei der Fehlerklärung – die gleiche Echtzeit-Performance wie das SSC600 von ABB erreicht. In Kombination mit Merging Units bildet SSC600 SW eine IEC-konforme CPC-Lösung. Damit haben Kunden die Möglichkeit, Anwendungen verschiedener Anbieter zu implementieren und Funktionen bei Bedarf zu aktualisieren, solange die Performance-Anforderungen erfüllt werden. Die Wartung und Aktualisierung der Hardware wird erleichtert, und die Lebenszykluskosten der Schaltanlage werden gesenkt
Mit der SSC600- oder SSC600 SW-Lösung sind Mittelspannungsschaltanlagen nun in der Lage, die in der IEC 61850 definierte Echtzeit-Performance zum Schutz und zur Steuerung des Verteilnetzes zu erreichen. Die Modularität beider Systeme ermöglicht flexible Modifikationen und kundenspezifische Anpassungen – ein besonderer Vorteil, wenn der Stationsschutz mit dem sich entwickelnden Stromnetz Schritt halten muss.
Mehr über CPC und VPC erfahren Sie im Artikel „Zentraler Schutz“ auf Seite 62–69 dieser Ausgabe der ABB Review.
AUTOMATISCHE ANOMALIEERKENNUNG FÜR MOTOREN
Die Erkennung eines ungewöhnlichen Verhaltens bei Motoren ist wichtig, da dies auf Versatz oder einen drohenden Lagerschaden hindeuten kann. Allerdings ist eine solche deterministische Diagnose unglaublich schwierig. So kann es ein, dass bei einem Motor selbst kleinste Drehzahlschwankungen oder Vibrationen bei konstanter Last auf ein untypisches Verhalten hindeuten, das sofortige Aufmerksamkeit verlangt, wohingegen bei einem anderen Motor derselben Flotte in einer anderen Anwendung große Drehzahlschwankungen und Vibrationen typisch und zu erwarten sind.
Es reicht also nicht aus, „untypisches“ Verhalten für ganze Motorenklassen zu definieren. Um einen erstklassigen Service bereitstellen zu können, ist ein genaues Verständnis des einzigartigen Leistungsverhaltens jedes einzelnen Motors erforderlich. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, hat ABB das Motor Anomaly Detection Tool entwickelt. Das automatische, cloudbasierte Tool nutzt maschinelle Lernverfahren (ML), um ein individuelles Verhaltensprofil für jedes Betriebsmittel innerhalb einer Flotte zu erstellen, das mit ABB Ability™ Smart Sensors ausgestattet ist, und informiert die Supportexperten von ABB, sobald der Motor eines Kunden ein Verhalten aufweist, das einer näheren Betrachtung bedarf.
Die Plattform erstellt für jeden Motor langfristige ML- und regelbasierte Modelle, die in der Lage sind, Anomalien zu erkennen, die sich durch geringfügige Veränderungen über mehrere Wochen oder Monate bemerkbar machen. Hinzu kommen kurzfristige Modelle zur Erkennung sich rasch entwickelnder Probleme, die sofortige Aufmerksamkeit verlangen. Die ML-Modelle trainieren sich selbst regelmäßig nach, sobald frische Daten zur Verfügung stehen, und präsentieren ihre Ergebnisse über eine einheitliche Benutzeroberfläche.
Die Plattform soll Fernwartungsexperten von ABB die Möglichkeit bieten, entstehende Probleme zu erkennen, die sonst unerkannt bleiben könnten, und deutlich mehr Betriebsmittel zu überwachen. Ein solches Tool wird dazu beitragen, die Verfügbarkeit und Effizienz von Motoren zu maximieren und die Gesamtbetriebskosten für den Kunden zu minimieren.
Ein längerer Artikel zu diesem Thema erscheint in der nächsten Ausgabe der ABB Review.
LEISTUNGSSTARKE INTEGRIERTE MOTORANTRIEBE
Auf der Suche nach einer höheren Leistungsdichte, mehr Effizienz und einer höheren Temperaturfestigkeit bei elektrischen Antriebssystemen entscheiden sich immer mehr Anwender für integrierte Motorantriebe (IMDs). IMDs bieten beträchtliche Kosten- und Leistungsvorteile gegenüber herkömmlichen Systemen mit getrenntem Motor und Frequenzumrichter. Doch thermische und elektromagnetische Aspekte spielen bei IMDs eine kritische Rolle, besonders bei hohen Leistungen (über 7,5 kW). Jetzt hat ABB IMD-Prototypen für 7,5 kW entwickelt, die sich besonders in puncto Wärmemanagement und elektromagnetische Emissionen durch eine hervorragende Performance auszeichnen.
Der neue, ultrakompakte IMD – ein integriertes Paket aus IE5-Permanentmagnet-(PM-)Motor und Frequenzumrichter – basiert auf Kundenanforderungen und hilft dabei, Platz, Energie und Kosten zu sparen. Da beim integrierten Konzept keine getrennten Gehäuse für den Motor und den Frequenzumrichter und keine langen Kabelstrecken erforderlich sind, können die Systemkosten erheblich reduziert werden. Der Wegfall von Kabeln und dazugehörigen elektromagnetischen Filtern erhöht zudem die Zuverlässigkeit.
Das elektromagnetische Design des IE5 PM-Motors reduziert Verluste und nutzt radiale Kühlrippen sowie einen speziell entwickelten Lüfter zur besseren Kühlung. Der IMD erreicht eine Schutzart von IP56 und ist somit für raue Umgebungen geeignet.
Ein steckbares Verbindungskabel zwischen Umrichter und Motor ermöglicht den getrennten Austausch beider Komponenten und vereinfacht die Wartung.
Das Design erfüllt die Kundenanforderung, dass die maximale Temperatur an jedem Punkt auf dem Gehäuse bei einer Umgebungstemperatur von 35 °C unter 80 °C liegen sollte. Tatsächlich ist die Gehäusetemperatur niedriger und der Wirkungsgrad höher als bei gewöhnlichen Permanentmagnetmotoren.
Mehr über den IMD erfahren Sie im Artikel „Cool bleiben“ auf Seite 42–47 dieser Ausgabe der ABB Review.
UNÜBERTROFFENE BAHNGENAUIGKEIT MIT SPC
Der Trend zur Produktminiaturisierung und steigende Anforderungen an die robotergestützte Automation verlangen Roboter und Robotersteuerungen mit einer höheren Bahngenauigkeit. Aufbauend auf dem Konzept von TrueMove, das seit den 1990ern für eine hochpräzise Bewegungssteuerung von Robotern sorgt, arbeitet ABB nun an der Integration einer sekundären Positionsregelung (Secondary Position Control, SPC), um die Grenzen der Genauigkeit von Robotern weiter zu verschieben.
SPC ist eine innovative Technologie, die neben herkömmlichen motorseitigen Messungen auch armseitige Informationen in den Servokreisen nutzt. Durch diese zusätzliche Funktionalität ist die Robotersteuerung noch besser in der Lage, Störungen und Unsicherheiten, die durch das Getriebe hervorgerufen werden, sowie externe Störungen zu unterdrücken.
Im Vergleich zu herkömmlichen motorseitigen Sensoren bieten sich Messungen am Getriebeausgang als Ausgangspunkt für eine Verbesserung der Genauigkeit an. Ungeachtet dessen sind Aktorik und Sensorik physisch verteilt, was Regelungssysteme im Allgemeinen und die Regelung von Robotern im Speziellen vor große Herausforderungen stellt [1]. Durch die Entwicklung eines besseren Verständnisses der Getriebe und Messsysteme und die Integration dieses Wissens in die fortgeschrittene modellbasierte Regelung ist es ABB gelungen, die Stabilität und Regelgüte des SPC-Konzepts über den gesamten Arbeitsbereich des Roboters hinweg sicherzustellen und den kompletten Traglast- und Geschwindigkeitsbereich abzudecken.
Messungen mit einem hochpräzisen Lasertracker vom Typ Leica AT960 (zur Evaluierung von Bewegungen entlang gerader Linien und komplexerer Formen wie kleiner Kreise, Sechsecke und Rechtecke, was aufgrund der hohen Beschleunigungen in den Eckbereichen besonders schwierig ist), die an einem Cobot der GoFa™-Familie vorgenommen wurden, haben gezeigt, dass mit SPC eine Verbesserung der Bahngenauigkeit gegenüber herkömmlichen motorseitigen Regelungen um 65 Prozent erzielt werden kann. Bei den Tests erreichte der GoFa mit SPC durchgängig eine 3-D-Bahngenauigkeit von 0,1 mm bei Geschwindigkeiten von bis zu 80 mm/s und eine 2-D-Bahngenauigkeit von 0,05 mm bei Geschwindigkeiten von bis zu 40 mm/s. Diese Werte sind nach den Erkenntnissen von ABB bisher unübertroffen und vergleichbar mit dem Durchmesser eines menschlichen Haars (~ 75 µm).
Weitere Tests haben gezeigt, dass sich die absolute Positioniergenauigkeit um 50 Prozent verbessert, wenn SPC in Kombination mit der Absolute-Accuracy Kalibrierung verwendet wird. So wurde bei den Tests mit GoFa ein durchschnittlicher absoluter Fehler von 0,1 mm und ein maximaler absoluter Fehler von 0,2 mm erreicht.
Auf der Grundlage dieser vielversprechenden Ergebnisse finden zurzeit weitere Forschungs- und Technologieentwicklungsarbeiten statt.
Ein längerer Artikel zu diesem Thema erscheint in einer kommenden Ausgabe der ABB Review.
Literaturhinweis
[1] P. A. Chodavardapu, M. W. Spong: „On noncollocated single control of a flexible link“. Proceedings of the IEEE Conference on Robotics and Automation. Minneapolis, USA, 22.–28. April 1996.
