Ausgangssituation
Ein Unternehmen aus der schweren Industrieautomation beauftragte TPS Elektronik mit der Modernisierung einer bestehenden Schutzplattform in Stromverteilerschränken.
Das vorhandene Leistungsschalterfeld war seit über 20 Jahren im Einsatz. Die Konstruktion entsprach weder aktuellen technischen Anforderungen noch den heutigen Erwartungen an Monitoring und Systemintegration.
Folgende Herausforderungen wurden identifiziert:
- Die bestehende Systemauslegung erfüllte aktuelle Schutz- und Überwachungsanforderungen nicht mehr.
- Mechanische Komponenten waren verschlissen und nur eingeschränkt erweiterbar.
- Die Embedded-Steuerlogik bot begrenzte Skalierbarkeit und keine strukturierte Fehlerbehandlung.
- Digitale Konstruktionsdaten lagen nicht vor; lediglich ein Mustergerät war verfügbar.
- Der ursprüngliche Lieferant stand für Weiterentwicklung und Produktion nicht mehr zur Verfügung.
TPS Elektronik wurde mit einer vollständigen Retrofit-Neuentwicklung beauftragt, einschließlich Elektronik, Mechanik und Embedded-Software.
Technische Herausforderungen
Die Modernisierung erforderte ein koordiniertes Vorgehen über mehrere Disziplinen hinweg.
1. Neuausrichtung der Schutzarchitektur
- Überführung der bestehenden Logik in eine strukturierte, moderne Steuerungsarchitektur
- Integration eines Software-Entwurfsmusters „Circuit Breaker“ zur kontrollierten Fehlerisolation
- Kombination aus hardwareseitiger Stromunterbrechung und softwarebasierter Resilienz
2. Elektronik-Neuentwicklung
- Entwicklung eines neuen Schutzcontrollers mit Überwachungs- und Logikfunktionen
- Neuaufbau des PCB-Layouts in professionellen ECAD-Umgebungen (u. a. Altium Designer, Cadence Allegro)
- Optimierung der Hochstromführung und Signaltrennung zur Unterstützung des EMV-Verhaltens
3. Mechanische Rekonstruktion
- Reverse Engineering des vorhandenen Gehäuses und der Betätigungsmechanik
- Neukonstruktion mechanischer Baugruppen zur Verbesserung von Wartungszugänglichkeit und thermischem Verhalten
- Simulation bewegter Teile und Auslösemechanismen zur Funktionsabsicherung
4. Retrofit-Integration
- Mechanische und elektrische Integration in bestehende Schaltschränke
- Beibehaltung der Feldverdrahtung, soweit technisch möglich
- Minimierung des Umrüstaufwands im laufenden Betrieb
Umgesetzte Lösung
TPS Elektronik realisierte eine ganzheitliche Systemmodernisierung mit folgenden Kernkomponenten:
Elektronik und PCB-Layout
- Entwicklung einer neuen Schutz- und Steuerplatine
- Strukturierte Leiterplattenauslegung in mehrlagiger Bauweise
- Berücksichtigung von Hochstrompfaden, Signalführung und EMV-Aspekten
Embedded-Software und FPGA-Steuerung
- Implementierung der Schutzlogik auf FPGA-Basis
- Deterministische Signalverarbeitung und schnelle Fehlererkennung
- Einsatz eines Circuit-Breaker-Softwaremusters in Firmware und verteilter Überwachungssoftware zur strukturierten Fehlerbehandlung
Mechanik und Gehäuse
- Neukonstruktion von Gehäuse- und Betätigungsmechanik
- CAD-gestützte Validierung von Bewegungsabläufen
- Anpassung der Baugruppen zur Integration in bestehende Schaltschranksysteme
Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurden folgende Verbesserungen erzielt:
- Anpassung der Schutzarchitektur an aktuelle industrielle Anforderungen
- Optimiertes EMV-Verhalten durch überarbeitetes PCB-Layout
- Strukturierte softwareseitige Fehlerbehandlung zur Reduzierung systemischer Wechselwirkungen
- Weiterverwendung bestehender Infrastruktur durch Retrofit-Integration
- Verkürzte Reaktionszeit der Schutzfunktion im Vergleich zur Legacy-Ausführung
Alle Ergebnisse wurden projektbezogen dokumentiert und gemeinsam mit dem Kunden validiert.
Fazit
Die Modernisierung zeigt, wie bestehende industrielle Leistungsschaltersysteme durch gezielte Neuentwicklung von Elektronik, Embedded-Software und Mechanik technisch weiterentwickelt werden können.
Durch die Kombination aus:
- PCB-Neuentwicklung
- FPGA-basierter Schutzlogik
- mechanischer Rekonstruktion
- strukturierter Software-Fehlerbehandlung
entstand eine skalierbare und wartungsfreundliche Plattform, die in vorhandene Anlagen integriert werden konnte.
Das Projekt verdeutlicht die Möglichkeit, bestehende Schutzsysteme durch Retrofit-Ansätze weiterzuentwickeln, ohne die gesamte Infrastruktur zu ersetzen.
