Das automatisierte Lagerhaus: Eine RECOM-Geschichte

RECOM unterstützte kürzlich einen Kunden bei der Entwicklung einer Stromversorgungslösung für eine automatisierte Lageranwendung. Die Kernkompetenz des Kunden liegt in hochpräzisen mechatronischen Systemen und komplexer Software zur Lagerung und Handhabung von Waren. Um Entwicklungskosten zu senken und die Markteinführungszeit (Time-to-Market, TTM) zu verkürzen, werden für elektronische Baugruppen wie Motorantriebe, Sensoren, Steuerungen, CPUs, Kameras, Laser, Schnittstellen und drahtlose Kommunikationssysteme nach Möglichkeit handelsübliche Industriekomponenten eingesetzt.

Die effiziente Energienutzung in diesen Systemen stellt sicher, dass Logistikunternehmen einen zuverlässigen und schnellen Service bieten können. Die spezifischen Anforderungen solcher Anwendungen erschweren jedoch den Einsatz standardisierter Stromversorgungslösungen. Für einen unterbrechungsfreien Betrieb rund um die Uhr bewegen sich die Transportfahrzeuge auf Schienen und unterliegen dabei starker Beschleunigung und Verzögerung. Diese Dynamik führt zu erheblichen Schock- und Vibrationsbelastungen für die gesamte Elektronik.

Eine zusätzliche Herausforderung stellen die rauen Temperaturbedingungen in Lagerhäusern dar: Die Temperaturen können von unter -20°C in gekühlten Bereichen bis über 50°C in heißen Regionen reichen. Um einen sicheren Betrieb ohne besonderen Isolationsschutz zu gewährleisten, ist die Schienenspannung auf maximal 60V begrenzt. Eine höhere Spannung könnte das Lagerpersonal gefährden, da sie bei Kontakt einen gefährlich hohen Stromfluss verursachen und zu Atemstillstand oder Herzkammerflimmern führen könnte. Die Schiene weist zwar nur einen geringen, aber dennoch vorhandenen Widerstand auf; die am Fahrzeug verfügbare Gleichspannung hängt daher sowohl von der Entfernung des Fahrzeugs als auch vom fließenden Strom ab. Die Schienenspannung wird durch ein leistungsstarkes, dreiphasiges DIN-Schienennetzteil nach Industriestandard erzeugt, dessen Ausgang auf 60V eingestellt ist, um die erheblichen Spannungsabfälle über die langen Schienen hinweg zu kompensieren.

Der Strom für die Motoren kommt direkt von der Schiene. Die hohe Leistung, die für die Motoren benötigt wird – und damit die hohen Ströme auf den langen Schienen – führen zu erheblichen Spannungsabfällen und Erdverschiebungen. Darüber hinaus kann es zu intermittierendem Kontakt zwischen Schienen, Rädern oder Schleifkontakten kommen, was zu Spannungseinbrüchen oder Transienten führt, die durch Kondensatoren gepuffert werden. Um die Kosten zu minimieren, werden standardmäßige 24V-IN-Industriegeräte verwendet. Die Stromversorgung der Transporteinheit muss daher über den weiten Eingangsspannungsbereich der Schiene hinweg zuverlässig arbeiten können. Die von der Elektronik benötigte Gesamtleistung beträgt 200W.

Aufgrund der besonderen Leistungsanforderungen hatte der Kunde in der Vergangenheit ein komplexes, diskret aufgebautes, kundenspezifisches Design verwendet, das von einem externen Anbieter entwickelt und gefertigt wurde. Für das neue Design suchte der Kunde jedoch nach einer einfacheren Lösung mit weniger Komponenten und geringeren NRE-Kosten. RECOM schlug eine Standardlösung aus dem eigenen umfangreichen Portfolio vor und begleitete das Projekt von der frühen Konzeptphase bis hin zum finalen Design in enger Abstimmung mit dem Kunden.

Die frühzeitige Zusammenarbeit mit RECOM ermöglichte es dem Kunden, die NRE-Kosten niedrig zu halten, indem er sich auf das konzentrieren konnte, was er am besten kann – das mechanische und elektrische Design. Auf diese Weise konnten Umgestaltungen, Rückschläge oder unerwartete Überraschungen vermieden werden, wie sie häufig bei diskreten, kundenspezifischen Designs auftreten.

Abbildung 2 oben zeigt die Blöcke, die über den 24V-Systembus versorgt werden. Die raue elektrische Umgebung mit ihren stark schwankenden Eingangsspannungen, Spannungstransienten und Erdverschiebungen erfordert den Einsatz eines isolierten DC/DC-Wandlers. Die Lösung von RECOM verwendet den RPA200H-11024SRUW/P als Herzstück des Bordnetzes. Dieser DC/DC-Wandler liefert eine Ausgangsspannung von 24VDC über einen Eingangsspannungsbereich von 16,5V bis 140VDC. Der ultrabreite Eingangsbereich deckt die stark variierende Versorgungsspannung auf der Schiene zuverlässig ab und kann auftretende Unter- und Überspannungen ausgleichen.

Der DC/DC-Wandler gehört zur Familie der Half-Brick-DC/DC-Wandler der Serie RPA200H, die speziell für die Anforderungen der Bahnindustrie entwickelt wurde. Stromversorgungen in automatisierten Lagerfahrzeugen und in Schienenfahrzeugen müssen viele der gleichen Herausforderungen bewältigen: eine lange Lebensdauer unter extremen Temperaturbedingungen, hohe Schock- und Vibrationsbelastungen sowie das Auftreten von Spannungstransienten. Zudem bewegen sich beide Systeme – wenig überraschend – auf Schienen.

Der RPA200H-11024SRUW/P bietet einen konstant hohen Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich hinweg und ist mit einer Metallgrundplatte ausgestattet, die einen weiten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +93,5°C bei Grundplattenkühlung ermöglicht. Das Gehäuse verfügt über integrierte Gewindeeinsätze, die eine sichere Befestigung auf der Leiterplatte oder an einem Schott erlauben – ideal für Anwendungen mit hohen Schock- und Vibrationsbelastungen. Die Stromversorgung ist nach UL/IEC/EN60950 zertifiziert und wird mit einer dreijährigen Garantie geliefert.

RECOM unterstützte den Kunden auch in anderer Hinsicht. Das Datenblatt des RPA200H-11024SRUW/P enthält eine vollständig validierte EMI-Filterlösung, die die strenge Norm DE 50121-3-2 erfüllt. Darüber hinaus bot RECOM an, Messungen der Gesamtlösung im firmeneigenen EMI-Labor vorzunehmen.

Ein weiterer Vorteil für den Kunden bestand darin, dass das vorherige diskrete Design Hunderte verschiedener Komponenten, darunter auch schwer beschaffbare Magnete, enthielt. Die Lösung von RECOM reduzierte den Beschaffungsaufwand auf ein Stromversorgungsmodul und einige wenige Komponenten für den Filter.