Stabile 24-VDC-Stromversorgungsarchitekturen bilden die Grundlage jeder zuverlässigen Prozessautomatisierungsinfrastruktur. Ingenieure für Steuerungssysteme müssen industrielle Stromversorgungen (PSUs) äußerst sorgfältig dimensionieren.

Falsch dimensionierte Stromversorgungen führen bei Spitzenlasten zu unerwarteten Neustarts der CPU, beschädigen den Prozessspeicher und beeinträchtigen Sicherheitsverriegelungen.

Dieser technische Leitfaden behandelt wichtige Designparameter, Dimensionierungsmethoden, Konfigurationssoftware von Anbietern und praxisnahe Anwendungsbeispiele für unternehmenskritische industrielle Steuerungssysteme.

Warum die Zuverlässigkeit der Stromversorgung in der Fabrikautomation wichtig ist

Moderne speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und verteilte Leitsysteme (DCS) erfordern eine kompromisslos hohe Gleichstromqualität. Schwankungen oder Spannungseinbrüche verursachen gravierende betriebliche Engpässe in automatisierten Produktionslinien.

Hochwertige Schaltnetzteile (SMPS) verfügen über eine präzise Netzregelung, einen Kurzschlussschutz sowie eine geringe Restwelligkeit und ein niedriges Rauschverhalten. Diese integrierten Schutzfunktionen schützen empfindliche Mikrocontroller-Hardware vor starken Netzspitzen.

Kernparameter für die Dimensionierung von Stromversorgungen für Steuerungssysteme

Ingenieure müssen den Strombedarf des Systems vor der Auswahl der Hardwaremodule genau berechnen. Eine zu knapp dimensionierte Stromversorgung kann während des Kaltstarts eine thermische Abschaltung verursachen, wenn Feldgeräte einen hohen Einschaltstrom ziehen.

Zu den wichtigsten Designkriterien gehören die folgenden Parameter:

1. AC-Eingangsspannungsbereich: Stellen Sie die universelle Kompatibilität mit AC-Eingangsspannungen (100–240 VAC) bei großzügiger Frequenztoleranz sicher.
2. Stromaufnahme und Reserve: Addieren Sie den Nennverbrauch aller CPUs, Netzwerk-Switches und I/O-Schleifen. Planen Sie anschließend eine Sicherheitsreserve von mindestens 20 % bis 25 % ein.
3. Wirkungsgrad der Leistungswandlung: Wählen Sie hocheffiziente Geräte (über 94 %), um Wärmestau am Panel zu minimieren und die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern.
4. Umgebungsanforderungen: Überprüfen Sie die Betriebstemperaturbereiche (typischerweise -25°C bis +70°C) und kontrollieren Sie, ob eine Schutzbeschichtung (ANSI/ISA S71.04-1985 Class G3) für korrosive Umgebungen vorhanden ist.
5. Zertifizierungen: Bestätigen Sie die Konformität mit den Normen UL 508, CE, Class I Div 2 und ATEX für explosionsgefährdete Prozessbereiche.

Interne Logikversorgung von Feldlastkreisen trennen

Eine wichtige Konstruktionsregel in industriellen Schaltschränken ist die Trennung der Logikversorgung von der Versorgung der Feldaktoren. Ingenieure sollten für unterschiedliche Funktionskreise separate Netzteile einsetzen.

• Interne Systembus-Schiene: Versorgt CPU-Module, lokale Rückwandbus-Racks, Ethernet-Switches und Kommunikationsgateways. Dieser Bus erfordert einen äußerst sauberen, überspannungsgeschützten 24-VDC-Ausgang.
• Feldgeräte-I/O-Schiene: Versorgt externe 24-VDC-Stromkreise, induktive Magnetventile, Relais, Signalsäulen und Feldtransmitter. Induktive Lasten erzeugen beim Schalten hohe Gegen-EMK-Spitzen.

Die Trennung dieser Stromschienen verhindert, dass Feldstörungen und induktive Spannungsspitzen empfindliche Mikroprozessoren der Steuerungen beeinträchtigen.

Konfigurationstools von Anbietern zur Dimensionierung von Stromversorgungssystemen nutzen

Führende Automatisierungsanbieter stellen digitale Konfiguratoren bereit, um Abläufe zur Leistungsberechnung zu optimieren. Ein herausragendes Beispiel ist das Siemens TIA Selection Tool, das Ingenieure bei der Dimensionierung von SITOP-Stromversorgungskonfigurationen zusammen mit SIMATIC-Steuerungen unterstützt.

Mithilfe von Konfigurationssoftware lassen sich komplexe Leistungsbudgetberechnungen durch eine strukturierte Abfolge vereinfachen:

• Schritt 1: Hardwarebaum erstellen: Fügen Sie alle SPS-Racks, dezentralen I/O-Stationen, Bedienpanels mit HMI und industriellen Netzwerk-Switches zum Projektarbeitsbereich hinzu.
• Schritt 2: 24-VDC-Verbraucher erfassen: Analysieren Sie die Ansicht der 24-VDC-Verbraucher. Die Software identifiziert den Verbrauch der internen Logik getrennt vom Leistungsbedarf der externen Feldlasten.
• Schritt 3: Redundanzregeln definieren: Legen Sie basierend auf der Kritikalität der Prozesse eine parallele N+1-Redundanz, Selektivitätsmodule oder Batterie-Backup-Module für unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) fest.
• Schritt 4: Stückliste (BOM) erstellen: Filtern Sie die Katalogmodelle der Netzteile nach Schaltschranktiefe, Montageart und Umgebungstemperatur, um die exakten Bestellnummern festzulegen.

Diese automatisierten Auswahltools berechnen den thermischen Verlust im Worst-Case-Szenario und die Spitzenstromaufnahme und eliminieren manuelle Berechnungsfehler während der Basic-Engineering-Phase (FEED).

Technische Expertenanalyse: Konstruktionsregeln für hochverfügbare Stromversorgungssysteme

Aus fünfzehn Jahren Erfahrung in der Inbetriebnahme von Anlagen weiß ich, dass die Dimensionierung eines Netzteils über den bloßen Abgleich von Spannungs- und Stromangaben hinausgeht. Elektroplaner müssen dynamische Lastverhalten und Umweltbelastungen berücksichtigen.

Erstens sollte beim Einschalten mehrerer kapazitiver HMI-Bildschirme oder induktiver Magnetventile stets das Einschaltstromprofil bewertet werden. Wählen Sie Netzteile mit dynamischer Boost-Technologie (bis zu 150 % zusätzlicher Strom für 5 Sekunden), um hohe Anlaufströme ohne Spannungseinbruch zu bewältigen.

Zweitens sollten nachgeschaltete Selektivitätsmodule am zentralen 24-VDC-Bus eingesetzt werden. Standard-Leitungsschutzschalter (MCBs) lösen bei Feldkurzschlüssen an elektronischen Netzteilen häufig nicht schnell genug aus, wodurch die gesamte 24-VDC-Schiene zusammenbrechen kann. Elektronische Selektivitätsmodule isolieren fehlerhafte Einzelzweige innerhalb von Millisekunden, sodass die Haupt-CPU der SPS voll funktionsfähig bleibt.

Anwendungsszenario: Ausfallsicheres DCS-Stromversorgungsdesign für eine Anlage zur Aufbereitung von Chemikalien

Eine kontinuierlich betriebene chemische Prozessanlage benötigte eine Überarbeitung ihrer Stromversorgungsarchitektur, um unvorhersehbare Controller-Resets durch externe Kurzschlüsse im Feld zu beheben.

Die Herausforderung: Hohe Umgebungstemperaturen im Schaltschrank (bis zu 55 °C) führten dazu, dass Standardnetzteile ihre Ausgangsleistung reduzieren mussten. Außerdem zogen kurzgeschlossene Feldmagnetventile die gemeinsame 24-VDC-Schiene wiederholt herunter, was zu vollständigen Abschaltungen der DCS-Prozessoren führte.

Die Lösung: Die Ingenieure teilten die Stromversorgungsarchitektur des Schaltschranks in zwei getrennte, hocheffiziente (95 %) Stromversorgungsgruppen auf. Für die Versorgung der DCS-CPU-Racks installierten sie ein redundantes Paar von 20-A-Geräten mit einem Diodenentkopplungsmodul.

Alle Feldventile wurden über ein separates 40-A-Netzteil versorgt, das durch mehrkanalige elektronische Selektivitätsmodule geschützt war.

Das Ergebnis: Die Anlage konnte ungeplante CPU-Neustarts vollständig eliminieren. Wenn ein Feldmagnetventil einen Kurzschluss gegen Erde verursachte, isolierte das Selektivitätsmodul den betroffenen Fehlerkanal in weniger als 5 Millisekunden, sodass der primäre Prozesscontroller und die benachbarten Feldkreise vollständig aktiv blieben.

Über den Autor

Huang Jun ist ein Senior-Spezialist für industrielle Automatisierung mit über 15 Jahren Praxiserfahrung in der Planung, Inbetriebnahme und Bewertung von SPS-, DCS- und industriellen Stromverteilungssystemen in Ostasien und Europa. Er ist spezialisiert auf hochzuverlässige Stromversorgungsarchitekturen, die Integration funktionaler Sicherheit und die Auslegung industrieller Schaltschränke für die Schwerindustrie und kontinuierlich betriebene Prozessanlagen.