Midwest Flexible Packaging ist ein mittelständischer Hersteller mit Sitz in Ohio, der 320 Mitarbeiter beschäftigt. Das Unternehmen produziert Mehrschichtfolien und Beutel für die Lebensmittel- und Medizinindustrie. Die Anlage betreibt 12 Hochgeschwindigkeits-Extrusionslinien, 8 Druckmaschinen und Dutzende Hilfsmotoren und Antriebe. Die Anlage läuft rund um die Uhr, mit nur zwei geplanten Wartungsfenstern pro Jahr.

Das Unternehmen stand unter Druck, die Liefertreue zu verbessern. Die Kunden forderten kürzere Lieferzeiten und jeder unerwartete Produktionsausfall wirkte sich negativ auf den Umsatz aus. Im Jahr vor dem Projekt betrug die ungeplante Ausfallzeit durchschnittlich 84 Stunden, was 2 % der jährlichen Produktionskapazität entspricht.

Herausforderungen und Schmerzpunkte

Die Hauptursache für die meisten ungeplanten Stopps waren Überspannungen. Die Anlage befindet sich am Ende einer ländlichen Verteilerleitung, und Spannungsspitzen durch Blitzschlag und Netzumschaltungen waren keine Seltenheit. Innerhalb der Anlage führten häufige Starts großer Motoren an Kompressoren und Kältemaschinen auch zu Schalttransienten, die sich über das Stromnetz ausbreiteten.

Diese Überspannungen lösten die Leistungsschalter nicht immer sofort aus. Stattdessen verschlechterten sie nach und nach empfindliche Komponenten. Innerhalb von 12 Monaten ersetzte die Anlage sieben SPS-Stromversorgungen, vier Frequenzumrichter und mehr als ein Dutzend HMI-Touchpanels. Jeder Ausfall bedeutete einen Produktionsstopp von 2 bis 6 Stunden, während die Techniker den Fehler diagnostizierten und einen Ersatz installierten. Die gesamten direkten Reparaturkosten beliefen sich auf 38.000 US-Dollar, wobei zusätzlich 120.000 US-Dollar an Produktionsverlusten verloren gingen.

Das Ingenieurteam versuchte zunächst, an einzelnen Arbeitsplätzen günstige Überspannungsschutzsteckdosen zu installieren. Dieser Ansatz schützte nur Geräte, die an diese Steckdosen angeschlossen waren. Festverdrahtete Maschinen wie Extrusionsantriebe und Druckregistrierungssensoren blieben ungeschützt. Bei dem Versuch, gebäudeübergreifende Blitzschutzsysteme einzusetzen, wurden die internen Schalttransienten, die nicht von außerhalb des Gebäudes kamen, nicht berücksichtigt.

Warum das Soutya AC 230V-Überspannungsschutzgerät?

Der Leiter der Elektrotechnik des Werks bewertete drei Optionen: ein Motor-Generator-Isolationssystem, eine gebäudeweite unterbrechungsfreie Stromversorgung und eine koordinierte Überspannungsschutzgerätelösung. Die ersten beiden kosteten 80.000 bzw. 150.000 US-Dollar, mit langen Vorlaufzeiten und hohen laufenden Wartungskosten.

Im Gegensatz dazu bot das Soutya AC 230V-Überspannungsschutzgerät Schutz vom Typ 2 gemäß IEC 61643-11 und entsprach UL 1449. Der Spannungsschutzwert des Geräts war niedrig genug, um die SPS- und Antriebseingänge zu schützen, und es verfügte über eine thermische Trennung, die irreparable Schäden nach einem starken Überspannungsschutz verhinderte. Die Gesamtkosten für sechs Einheiten, die die Hauptschalttafel und fünf Unterschalttafeln abdeckten, beliefen sich einschließlich Leistungsschaltern und Montagematerial auf 2.400 US-Dollar. Das Ingenieurteam schätzte auch die visuelle Statusanzeige, die die Inspektion vor Ort vereinfachte.

Implementierungsprozess

Das Projekt dauerte vom Entwurf bis zur Inbetriebnahme zwei Wochen. Ein zugelassener Elektroinstallateur schloss die Installation in Zusammenarbeit mit dem Wartungsteam der Anlage in drei Tagen ab.

• Schritt 1 – Studie laden:Das Team kartierte alle Stromkreise und identifizierte die fünf Verteilertafeln, die die kritischsten Produktionsanlagen versorgten.
• Schritt 2 – Panelmontage:Jedes Soutya-SPD wurde im jeweiligen Panel mit kurzen, geraden Leitungen montiert, um die Impedanz zu minimieren.
• Schritt 3 – Koordination:Die Installateure stellten sicher, dass die Stoßstromkapazität des SPD an jedem Punkt den berechneten Worst-Case-Überspannungspegel überstieg.
• Schritt 4 – Testen:Nach dem Einschalten bestätigten die Statusanzeigen den normalen Betrieb und das Team zeichnete die Grundspannungswerte an jedem Panel auf.
• Schritt 5 – Schulung:Das Wartungspersonal erhielt eine 30-minütige Sitzung zum Lesen des Statusfensters und zum Austauschen des Geräts nach einem größeren Überspannungsereignis.

Bei der Installation ergab sich eine Herausforderung: Der Innenraum der Hauptschalttafel war begrenzt. Der Auftragnehmer löste dieses Problem, indem er neben der Schalttafel ein oberflächenmontierbares Gehäuse verwendete und so die Leiterlänge unter 10 Zoll hielt und dennoch den Empfehlungen des Herstellers entsprach.

Anwendungsergebnisse und quantifizierte Ergebnisse

In den folgenden 12 Monaten konnte die Anlage eine Reduzierung der außerplanmäßigen Ausfallzeiten um 41 % verzeichnen. Gerätebedingte Überspannungsausfälle sanken von 23 auf 9 Vorfälle. Die Gesamtkosten für Reparaturen, einschließlich Ersatzteilen und Arbeitsaufwand von Auftragnehmern, sanken von 38.000 US-Dollar auf 16.000 US-Dollar.

Die Produktionsleistung stieg um 3,2 %, da die Linien länger ohne Unterbrechung liefen. Das Verpackungswerk erreichte eine Pünktlichkeitsquote von 98,5 %, gegenüber 94,1 % im Vorjahr. Der Werksleiter berichtete außerdem, dass sich die sechs Soutya-Geräte allein aufgrund der vermiedenen Reparatur- und Ausfallkosten innerhalb von drei Monaten amortisiert hätten.

Die Überspannungsschutzgeräte waren nicht wartungsfrei. Im Januar zeigte eine Einheit in der Nähe eines großen Luftkompressors nach einer Reihe interner Spannungsanstiege eine durchgebrannte Thermosicherung. Die Ersatzkosten betrugen 180 US-Dollar und die Ausfallzeit für diesen Austausch betrug nur 20 Minuten – ein geringfügiges Ereignis im Vergleich zu den zuvor verlorenen Stunden.

Kundenstimme

„Wir waren skeptisch, ob ein 450-Dollar-Überspannungsschutz ein Problem lösen könnte, das unsere alten USV-Geräte nicht lösen konnten. Nach einem Jahr an Daten sprechen die Zahlen für sich. Die Soutya-Geräte waren der zuverlässigste Teil unseres elektrischen Systems“, sagte der technische Leiter, der das Projekt beaufsichtigte.

Lektionen und Erkenntnisse

Drei Tipps können anderen Pflanzen mit ähnlichen Problemen helfen:

• Koordinieren Sie den Schutz auf allen Ebenen.Ein einzelner Überspannungsschutz am Hauptpanel reicht nicht aus. Installieren Sie Geräte vom Typ 2 an Unterschalttafeln, die empfindliche Elektronik versorgen.
• Überprüfen Sie regelmäßig die Statusanzeige.Eine thermische Trennung kann ohne sichtbares äußeres Ereignis aktiviert werden. Fügen Sie eine monatliche Patrouille hinzu, um die Anzeigefenster zu überprüfen.
• Planen Sie einen Ersatz.Überspannungsschutzgeräte versagen nach wiederholten Überspannungen. Halten Sie ein Ersatzgerät bereit und planen Sie einen Ersatz alle 3 bis 5 Jahre ein.

Bei einer Wiederholung des Projekts würde das Ingenieurteam Überwachungsgeräte installieren, die Überspannungsereignisse in einem zentralen System protokollieren. Dies würde noch klarere Daten über die Häufigkeit und den Schweregrad von Überspannungen liefern und dazu beitragen, künftige zusätzliche Schutzmaßnahmen zu rechtfertigen.

Referenzen

IEC 61643-11:2011. Niederspannungs-Überspannungsschutzgeräte – Teil 11: SPDs, die an Niederspannungsnetze angeschlossen sind. 

UL 1449. Standard für Überspannungsschutzgeräte.