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Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Steuern von Energiefluss in einer Anlage.
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In der 1 ist eine Anlage nach Stand der Technik skizziert. Dabei sind die Verbraucher 1 T-förmig verbunden mit einem Energiebus 4. Der Energiebus ist als Drehstromnetz vorgesehen. Die Leitungsquerschnitte sind hierbei für Starkstrom ausgelegt. Die am T-Punkt, also T-Knoten, verbundenen Versorgungsleitungen 5 der Verbraucher 1 sind mit einem reduzierten Leitungsquerschnitt ausgelegt, da der Verbraucher jeweils nur weniger Strom aufnehmen kann als der Energiebus zu liefern vermag. Daher sind Sicherungen 3, insbesondere Schmelzsicherungen, vorgesehen zum Schutz der Versorgungsleitungen.
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Die Verbraucher sind von einer SPS 2 anschaltbar oder abschaltbar. Dazu sind Signalleitungen 6 zwischen der SPS 2 und den Verbrauchern 1 vorgesehen.
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Als Schutzelemente sind im Stand der Technik auch reversible Schutzschalter bekannt.
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Diese könnte der Fachmann auch bei einer Anlage nach 1 anstelle der Schmelzsicherungen einsetzen.
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Nachteilig ist beim Stand der Technik, dass für jede Versorgungsleitung ein Schutzelement vorzusehen ist. Dies ist aufwendig und kostspielig.
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Aus der
DE 198 24 168 A1 ist eine elektrische Anschlussverteilerschaltung bekannt, bei der mittels Schaltungsmitteln eine Priorität vorgebbar ist, durch welche ein Verbraucher gegenüber einem zweiten Verbraucher vorrangig mit einem Versorgungsstromkreis verbunden wird. Die Anschlussverteilerschaltung umfasst Mittel zur Abschaltung von einzelnen, insbesondere energieintensiven Teilstromkreisen, die sich innerhalb der Verbraucher befinden.
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Aus der
DE 198 24 168 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik eine Anlage und ein Verfahren zum Steuern von Energiefluss in einer Anlage bekannt.
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Aus der
DE 196 54 620 A1 ist ein Verfahren zur gleichmäßigen Lastverteilung in Unterverteilungen von öffentlichen oder privaten Verteilungsnetzen bekannt, bei dem ein zentraler Leitrechner in Echtzeit die Koordinierung der Leistungsentnahmen und Rückspeisevorgänge der Verbraucher übernimmt. Hierzu vergibt eine mit dem Leitrechner verbundene SPS entsprechende Freigaben an Verbraucher.
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Aus der
FR 2 094 994 A5 ist ein Überstromverteiler bekannt, der das gleichzeitige Anlaufen der Motoren verhindert, um Überstrom zu verhindern. Dies erfolgt über ein zentrales festgelegtes Programm.
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Aus der
DE 195 18 306 A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung einer Anzahl von untereinander kommunizierenden Aktuatoren eines Systems bekannt, bei dem den Aktuatoren Ansteuersignale zur Vermeidung von Überstrom zeitlich versetzt zugeführt werden.
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Aus der
EP 0 828 406 A1 ist eine Vorrichtung zur Begrenzung und Verteilung der von einem Herd aufgenommenen elektrischen Leistung, umfassend Mikrorechner, Steuerschalter und Heizelemente, bekannt, wobei durch die vom Mikrorechner angesteuerten Steuerschalter die Zahl der gleichzeitig eingeschalteten Heizelemente so begrenzt ist, dass eine zulässige Gesamtleistung nicht überschritten ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellungskosten der Anlage zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anlage nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anlage sind, dass sie einen Energiebus und mit diesem verbundene, Verbraucher versorgende Versorgungsleitungen umfasst, wobei die Verbraucher Mittel zur Begrenzung des Stroms auf einen Strom-Maximalwert umfassen,
wobei ein Schutzelement zur Absicherung der Versorgungsleitungen gegen Überstrom, insbesondere gegen unzulässig hohen Überstrom, vorgesehen ist,
wobei ein Steuergerät zur Informationsübertragung mit den Verbrauchern verbunden ist, insbesondere über Signalleitungen,
wobei das Steuergerät Mittel zum Bestimmen der jeweiligen Strom-Maximalwerte der Verbraucher umfasst.
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Vorteilig ist dabei, dass die Versorgungsleitungen mit reduziertem Querschnitt vorsehbar sind im Vergleich zum Querschnitt der Leitungen des Energiebusses.
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Vorteilig ist auch, dass die Verbraucher mit einem Steuergerät mittels Signalleitungen verbindbar sind, von welchem diese Verbraucher derart beeinflussbar sind, dass ein Auslösen des Schutzelementes und/oder das Auftreten von Überstrom verhinderbar ist.
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Als Beispiel für Verbraucher sind Elektromotoren mit Motorschalter oder Antriebe, die Frequenzumrichter und Elektromotoren umfassen, im Rahmen der Erfindung besonders vorteilig einsetzbar. Dabei weisen die Motorschalter und Frequenzumrichter einen Anschluss für Signalleitungen auf zur Verbindung mit dem Steuergerät.
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Von Vorteil ist dabei, dass für mehrere Verbraucher zusammen nur ein Schutzelement vorgesehen werden muss, obwohl die Verbraucher insgesamt zusammen im angeschalteten Zustand über ihre Versorgungsleitungen die Möglichkeit hätten mehr Strom zu entnehmen, als das Schutzelement zulassen würde und die Leitungen vom Schutzelement zum Energiebus zulassen würden. Denn hier sind nur Querschnitte verwendet, die denen der Versorgungsleitungen der Verbraucher entsprechen.
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Von Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist dabei auch, dass über ein Steuergerät Verbraucher flexibel ansteuerbar sind und somit letztere nicht warten müssen, bis das ihnen jeweils fest zugewiesene Zeitsegment erreicht wird.
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Von Vorteil ist dabei weiterhin, insbesondere gegenüber dem Stand der Technik, dass die Verbraucher unabhängig von dem Steuergerät den Strom begrenzen können auf einen Strom-Maximalwert. Das Steuergerät übermittelt nur diese Strom-Maximalwerte und wird dadurch entlastet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Mittel zum Bestimmen Strommessmittel, insbesondere sind die Mittel zum Bestimmen derart ausgeführt, dass die Strom-Maximalwerte derart bestimmt sind, dass ein Auslösen des Schutzelements und/oder ein Auftreten von Überstrom verhindert ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass das Steuergerät den Strom in den Verbrauchern und/oder den Summenstrom durch alle Verbraucher misst und somit die Strom-Maximalwerte derart bestimmbar sind, dass die Versorgungsleitungen optimal ausgelastet und geschützt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Informationen austauschbar zur Verhinderung eines Auslösens des Schutzelements und/oder des Auftretens von Überstrom.
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Von Vorteil ist dabei, dass das Steuergerät von den Verbrauchern Informationen über den momentanen Strom bezieht und den Verbrauchern Strom-Maximalwerte übermittelt. Somit sind in den Verbrauchern Mittel zur Strommessung vorsehbar, und die Verbraucher sind mit dem Steuergerät zu einer dezentralen Einheit zusammenfassbar. Alternativ sind die Mittel zur Strommessung auch außerhalb der Verbraucher vorsehbar und mit diesen elektrisch verbunden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schutzelement irreversibel, wie Schmelzsicherung oder dergleichen, oder reversibel, wie Schutzschalter oder dergleichen, ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass kostengünstige reversible Elemente einsetzbar sind. Alternativ sind aber auch vorteiligerweise Schutzschalter mit vorgebbarem Überwachungsverhalten verwendbar. Insbesondere ist dabei der Wert des kritischen Überstroms und seine Dauer beziehungsweise die Verzögerungszeit für das Auslösen vorgebbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens ein Verbraucher als Anlagenbereich ausgeführt, umfassend zumindest mehrere elektrische Geräte. Von Vorteil ist dabei, dass der gesamte Anlagenbereich beeinflussbar ist von dem Steuergerät. Der Anlagenbereich kann beispielsweise aus zwei oder mehr parallel geschalteten Frequenzumrichtern bestehen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Energiebus ein ein- oder dreiphasiges elektrisches Versorgungsnetz. Insbesondere ist die Versorgungsleitungen für ein- oder dreiphasig zu betreibende Verbraucher ausgelegt. Von Vorteil ist dabei, dass die Erfindung bei verschiedenen Netzen einsetzbar ist, also auch in Industrie oder Haushalt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Signalleitungen Steuerleitungen. Von Vorteil ist dabei, dass die Verbraucher vom Steuergerät schaltbar und/oder steuerbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass durch die Möglichkeit der Einflussnahme auf die Verbraucher vom Steuergerät aus eine übergeordnete Beobachtungs- und Kontrollfunktion ausführbar ist. Außerdem ist das Steuergerät im Rahmen der dezentralen Technik nahe an den Verbrauchern einsetzbar. Im Vergleich zu einer weit entfernten und mit sehr vielen Komponenten verdrahteten SPS oder zentralen Steuerung ist somit für das Steuergerät eine schnelle und zeitnahe Reaktionszeit ausführbar. Außerdem ist die Funktion des T-förmige Verteilens der Energie und die Schutzfunktion in einem Gerät integriert, das auch die Steuerfunktion für die Verbraucher übernimmt. Dazu ist insbesondere im Steuergerät das Schutzelement vorgesehen, insbesondere zur Einsparung von Bauraum und zur Reduzierung der Anzahl von Gehäuseteilen.
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Im Unterschied zu Anlagen mit einer zentralen Steuereinheit und mehreren Verbrauchern sind in Anlagen mit dezentraler Technik zwischen der zentralen Steuereinheit und einzelnen oder Gruppen von Verbrauchern, Automatisierungszellen genannt, zusätzliche Steuereinheiten in oder nahe bei den Verbrauchern vorgesehen, die Teilaufgaben der zentralen Steuereinheit übernehmen und diese so entlasten. Dadurch können Verbindungsleitungen eingespart werden, und die Anlage lässt sich modular strukturieren. Insbesondere lassen sich die Gruppen von Verbrauchern leicht austauschen und warten, und neue Gruppen von Verbrauchern können mit geringem Programmieraufwand an der zentralen Steuerung integriert werden.
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Anlagen mit dezentraler Technik zeichnen sich somit durch Automatisierungszellen aus, die Mittel zur Abarbeiten komplexer Aufgaben umfassen und die ebenfalls umfassten Verbraucher somit eigenständig informationstechnisch versorgbar sind.
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Die vorliegende Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft in derartigen Anlagen einsetzen. Denn eine Integration von Schutzelement und Steuergerät und eine Bündelung von EnergieVersorgungsleitungen verstärkt die Vorteile des Einsatzes dezentraler Technik.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Stromaufnahme vom Steuergerät vorgebbar oder begrenzbar. Von Vorteil ist dabei, dass der Strom den Verbrauchern vom Steuergerät aus quasi zugeteilt werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Versorgungsleitungen zu den Verbrauchern zur Signalübermittlung vom Steuergerät an die Verbraucher verwendet, insbesondere über PowerLAN. Von Vorteil ist dabei, dass Leitungen eingespart werden.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass Verbraucher über Versorgungsleitungen aus einem Energiebus versorgt werden,
wobei die Verbraucher ihren Strom begrenzen auf einen vorgebbaren Strom-Maximalwert,
wobei von einem Steuergerät an die Verbraucher jeweils die Strom-Maximalwerte übermittelt werden.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Versorgungsleitungen mit einem verringerten Leitungsquerschnitt ausführbar sind, wodurch Material eingespart wird. Das Steuergerät stellt vorteilhaft anhand von Prozessdaten fest, welcher Verbraucher wie viel Strom aufnehmen darf, ohne dass die Versorgungsleitungen überlastet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird von einem Steuergerät an die Verbraucher jeweils eine Prioritätsstufe übermittelt. Somit ist jedem Verbraucher stets eine Prioritätsstufe zugeordnet.
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Von Vorteil ist dabei, dass das Steuergerät für einen Prozess, an dem die Verbraucher beteiligt sind, gemäß Prioritätsstufe wichtigere und weniger wichtigere Verbraucher unterscheiden und in Gruppen einteilen und an diese Gruppen kollektiv Anweisungen übermitteln kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird von einem Steuergerät an die Verbraucher einer vorgegebenen Prioritätsstufe ein Befehl zur Reduktion des Stroms auf einen Minimalwert übermittelt.
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Hierbei ist der jeweilige Minimalwert gerätespezifisch und in jedem Verbraucher abgelegt. Ein solcher Strom-Minimalwert kann beispielsweise der Strom für einen stand by-Betrieb oder für ein sicheres Abschalten oder für eine Arretierung eines beweglichen Teils am Verbraucher sein.
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Von Vorteil ist dabei, dass das Steuergerät entlastet wird und dass Verbraucher austauschbar und hinzufügbar sind, ohne dass bei einem Austausch oder bei einer Erweiterung eine umfangreiche Neuprogrammierung des Steuergeräts nötig wäre.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung übermittelt das Steuergerät unter Berücksichtigung des Summenstroms aus dem Energiebus an die Verbraucher Strom-Maximalwerte und/oder Prioritätsstufen und/oder Befehle zur Strom-Reduktion. Insbesondere wird der Summenstrom gemessen und/oder mittels eines mathematischen Modells bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass die zentrale Steuerung entlastet wird und dass eine Überlastung der Versorgungsleitungen sicher vermeidbar ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Verbraucher Antriebe, wobei durch Regelung des vom Antrieb erzeugten Drehmoments der Strom des Verbrauchers regelbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Strom des Verbrauchers über einen Bereich kontinuierlich regelbar ist. Somit lassen sich die Strom-Maximalwerte für die an einem Schutzelement angeschlossenen Verbraucher besonders flexibel vorgeben.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Antrieb einen umrichtergespeisten Elektromotor, insbesondere wobei der Umrichter über Feldbus mit dem Steuergerät verbunden ist, insbesondere zum Datenaustausch.
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Von Vorteil ist dabei, dass umrichtergespeiste Elektromotoren nach Stand der Technik ohne zusätzlichen, konstruktiven Aufwand verwendbar sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verfahren zum Steuern von Energiefluss in einer Anlage vorgesehen,
wobei die Versorgungsleitungen einen reduzierten Querschnitt aufweisen im Vergleich zum Querschnitt der Leitungen des Energiebusses,
wobei ein Schutzelement zur Absicherung der Versorgungsleitungen gegen Überstrom, insbesondere gegen unzulässig hohen Überstrom, vorgesehen ist,
wobei die Verbraucher von einem Steuergerät derart beeinflusst werden, dass ein Auslösen des Schutzelementes und/oder das Auftreten von Überstrom verhindert wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Querschnitte der Versorgungsleitungen klein gewählt werden können, insbesondere kleiner als bei dem Energiebus und das Schutzelement nur auf den zugehörigen maximal zulässigen Strom passen und vorgesehen werden muss. Ein gleichzeitiges Betreiben aller vom Schutzelement aus versorgten Verbraucher ist vom Steuergerät aus verhinderbar.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrischer Verbraucher 2 SPS
- 3
- Sicherung
- 4
- Energiebus, insbesondere Drehstrom-Versorgungsnetz
- 5
- Versorgungsleitungen
- 6
- Signalleitung
- 20
- Sicherung
- 30
- reversibles Schutzelement, wie Schutzschalter
- 31
- Steuerungsgerät
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In 2 und 3 ist jeweils ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt. In 2 ist der Energiebus 4 wiederum dreiphasig ausgeführt und es sind auch an einem T-Punkt des Energiebusses Versorgungsleitungen verbunden. Jedoch sind alle gezeigten Verbraucher 1 über ihre Versorgungsleitungen, die wiederum einen reduzierten Querschnitt aufweisen im Vergleich zum Querschnitt des Energiebusses, über ein Schutzelement abgesichert. Das Schutzelement ist nach 2 als drei Sicherungen 20, insbesondere Schmelzsicherungen, ausgeführt oder alternativ nach 3 als ein reversibler Schutzschalter 30 ausgeführt.
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Wesentlich ist bei der Erfindung, dass das Schutzelement nur für den reduzierten Querschnitt der Versorgungsleitungen 5 ausgelegt werden muss. Somit ist nur ein Schutzelement für mehr als einen Verbraucher mit zugehörigen Versorgungsleitungen notwendig. Das Schutzelement ist also zu im Wesentlichen gleichen Kosten und bei gleichem Raumbedarf wie im Stand der Technik für einen Verbraucher vorsehbar. Beim Stand der Technik hingegen ist für jeden Verbraucher ein Schutzelement vorzusehen.
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Wenn alle Verbraucher 1 bei der Erfindung ihren maximal für den Verbraucher selbst zulässigen Strom entnehmen würden, müsste das Schutzelement auslösen, also die Stromzufuhr unterbrechen wegen Überstrom.
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Wesentlich ist aber bei der Erfindung, dass dieser Fall bei der Anlage nie auftritt und verhindert wird durch Ausführung des Steuerungsgeräts 31, welches mit den Verbrauchern mittels Signalleitungen 6 verbunden ist. Hierzu umfassen die Signalleitungen 6 zumindest Steuerleitungen vom Steuergerät 31 zu jedem Verbraucher 1. Das Steuergerät 31 und alle Verbraucher 1 sind derart ausgeführt, dass das Steuergerät 31 ein Abschalten bei jedem Verbraucher ausführen kann.
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Das Steuergerät 31 ist mit einer übergeordneten Steuerung, wie SPS oder anderes Steuerungsgerät, zum Austausch von Daten verbindbar, mit der auch die Verbraucher zum Datenaustausch verbindbar sind, insbesondere über das Steuergerät 31.
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Das Steuergerät 31 ist derart ausgeführt, dass es den Verbrauchern nur derartige Freigaben erteilt und/oder die Verbraucher derart schaltet, dass ein Auslösen des Schutzelementes (20,30) verhindert bleibt, weil der Strom den zulässigen Wert in den Versorgungsleitungen 5 nicht überschreitet, also kein entsprechender Überstrom auftreten kann.
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Die Signalleitungen 6 sind als Datenbusleitungen oder als Untermenge eines Datenbusses ausführbar.
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Das Schutzelement (20,30) ist im Steuergerät integriert ausgeführt zur Einsparung von Leitungslänge und Schutzgehäusen. Außerdem wird dadurch der Raumbedarf verringert.
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Außerdem ist auch der T-förmige Anschluss im Steuergerät integriert. Somit hat das Steuergerät unter seinem Gehäuse auch die Funktion eines Verteilerkastens mit T-förmiger Verkabelung umfasst.
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Wenn also von der übergeordneten Steuerung der Befehl käme, alle Verbraucher 1 mit voller Last zu betreiben, würde dies von dem Steuergerät 31 verhindert. Das Steuergerät 31 weist also eine logische Kontrolle der Zustände der verbundenen Verbraucher 1 auf. Dabei werden nicht-erlaubte Zustände durch entsprechende Abschaltsignale an die entsprechenden Verbraucher verhindert.
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Das Steuergerät 31 erhält von den Verbrauchern 1 auch Informationen über den Leistungsbedarf und/oder - verbrauch. Somit ist auch eine zusätzlich überwachende Funktion im Steuergerät ausführbar.
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Besonders vorteilhaft ist die Erfindung einsetzbar bei sequentiell arbeitenden industriellen Produktionsanlagen. Beispielsweise sind die Verbraucher Antriebe bei einem Drehtisch mit Zuförderer und Abförderer. Zuerst wird der Antrieb des Zuförderers, danach der Antrieb des Drehtisches der Maschine und zuletzt der Abförderer betrieben. Das Abschalten kann überlappend erfolgen, wobei aber nie alle drei Antriebe gleichzeitig in Betrieb sind.
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Bei einem anderen Beispiel sind die Verbraucher Elektromotoren mit einem Motorschalter. Dabei sind die Motorschalter mittels Steuerleitungen mit dem Steuergerät verbunden. Die Motoren weisen beim Einschalten kurzzeitige Stromspitzen auf. In Kenntnis dieser Spitzenwerte lässt das Steuergerät 31 ein gleichzeitiges Einschalten aller Antriebe nicht zu sondern begrenzt die maximal zulässige Anzahl gleichzeitig einzuschaltender Elektromotoren.
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Im Steuergerät 31 ist also auch Wissen berücksichtigbar und hinterlegbar über die Verbraucher, ihr Betriebsverhalten oder ähnliche Informationen.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist statt des dreiphasigen Drehstromnetzes auch ein einphasiges Netz vorsehbar. Die Erfindung ist entsprechend anzupassen, insbesondere die Anzahl der Versorgungsleitungen für jeden Verbraucher und das Schutzelement.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist statt eines jeweiligen Verbrauchers stets auch ein von der entsprechenden Versorgungsleitung versorgter Bereich einer Anlage zu verstehen, wobei der Bereich wie der Verbraucher gemäß 2 und 3 schaltbar ist beziehungsweise Rückmeldeinformationen entsprechend dem Verbraucher gemäß 2 und 3 liefert.
