Spezifikation von LED-Beleuchtungen für industrielle Umgebungen

Die Beleuchtung ist ein entscheidendes Element bei der Gestaltung sicherer, effizienter und kosteneffektiver industrieller Umgebungen für verschiedene Tätigkeiten. In einer wachsenden Zahl von Fällen können LEDs überlegene Beleuchtungslösungen bieten. Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstoffröhren, Halogen-Metalldampflampen, Natriumdampf-Hochdrucklampen und anderen Beleuchtungsarten sind LED-Leuchten energieeffizienter, was die Betriebskosten senkt, und haben eine längere Lebensdauer, was die Wartungskosten reduziert. Industrieleuchten werden häufig in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt und müssen neben der Arbeitssicherheit und der Hygiene auch einen Schutz vor eindringenden Medien (z.B. Wasser) und eine bestimmte Stromqualität bieten. Diese unterschiedlichen Anforderungen unter einen Hut zu bringen, erschwert die Leuchtenauswahl.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über Leistungskennzahlen wie Lumen, Wattleistung, Effizienz, Lux, zonale Lichtverteilung, korrelierte Farbtemperatur, Farbwiedergabeindex, Nennlebensdauer und Kosten im Zusammenhang mit Industrieleuchten, wobei der Schwerpunkt auf LEDs liegt. Anschließend werden Umweltaspekte wie Schutzanforderungen, Gesamtverzerrung der Oberwellen und Anforderungen an die Stromqualität sowie die Beleuchtung für gefährliche Umgebungen erläutert Abschließend werden spezifische Lösungen von Banner Engineering für die Beleuchtung von Pick-to-Light-Systemen, die Staplerführung und die allgemeine Beleuchtung von Arbeitsplätzen, Maschinenbeleuchtungen und Schaltschränken vorgestellt (Abbildung 1).

Abbildung 1: LED-Leuchten sind in einer Reihe von Formaten erhältlich, die für eine Vielzahl von Anwendungen optimiert sind. (Bildquelle: Banner Engineering)

Leistungsmetriken

Die Angabe der Beleuchtungsstärke ist die Grundlage für die Auswahl der optimalen Leuchte für eine bestimmte Anwendung. Es gibt zahlreiche Kriterien, die zu berücksichtigen sind, von der Betriebseffizienz der Leuchte bis zur Nachahmung von weißem Standardlicht. Es beginnt mit einer einzigen Kerze oder Candela (Cd). Der Cd-Wert ist eine SI-Basiseinheit, die die Lichtstärke des sichtbaren Lichts angibt, das von einer bestimmten Quelle (Standardkerze) in eine bestimmte Richtung ausgestrahlt wird. Aufbauend auf dem Konzept des Cd-Wertes sind wichtige Messgrößen für den Vergleich von Leuchten:

• Lumen (lm) - Lichtstrom, der dem Licht entspricht, das von einer gleichförmigen Punktquelle mit einem Cd in einem Raumwinkel abgestrahlt wird, wobei die Lichtabgabe in alle Richtungen berücksichtigt wird.
• Watt (W) - Stromverbrauch: für Gleichstromkreise, W = V_DC x Ampere; für Wechselstromkreise, W = V_eff x Ampere.
• Lichtausbeute (lm/W) - Gibt an, wie effizient eine Lichtquelle sichtbares Licht erzeugt.
• Lux (lm/m²) - Intensität des Lichts, das auf eine Oberfläche trifft und vom menschlichen Auge wahrgenommen wird.
• Zonale Lichtverteilung - Verteilung der von einer Leuchte abgegebenen Lumen in Zonen in diskreten vertikalen Ebenen. Wird verwendet, um die Abstandsanforderungen für eine Leuchte zu bestimmen.
• Korrelierte Farbtemperatur (CCT) - Temperatur, in Kelvin (K), eines Schwarzkörperstrahlers mit einem Farbwert, der dem der Lichtquelle entspricht. Der CCT-Wert des weißen Lichts reicht von 2700 K bis 6500 K.
• Farbwiedergabeindex (CRI) - Fähigkeit einer Lichtquelle, die Farben verschiedener Objekte im Vergleich zu einer idealen oder natürlichen Lichtquelle getreu wiederzugeben. Die CRIs reichen von 0 bis 100. Glühbirnen haben einen CRI von 100, LEDs haben CRIs von 80 bis 90+.

Mit der Weiterentwicklung der Beleuchtungstechnologien ist der Prozess der Festlegung der optimalen Lösung komplizierter geworden. So ist der Wirkungsgrad von LEDs wesentlich höher als der von Leuchtstoffröhren und Hochdruckentladungslampen (HID). Während Fluoreszenzlampen und HIDs ihr Licht in alle Richtungen ausstrahlen, sind LEDs richtungsabhängig. Unterm Strich sind die Kennzahlen am nützlichsten für den Vergleich von LEDs mit LEDs, von Leuchtstofflampen mit Leuchtstofflampen und so weiter. Um verschiedene Beleuchtungstechnologien zu vergleichen, müssen die Nutzer oft Muster nebeneinander bewerten, um die beste zu ermitteln.

Neben der Qualität des erzeugten Lichts müssen die Nutzer auch auf die gesamte harmonische Verzerrung (THD) und den Leistungsfaktor (PF) des Vorschaltgeräts oder des Treibers achten, der die Leuchte versorgt. THD ist ein Maß für die Verzerrung des elektrischen Stroms, der in einen elektronischen Leistungswandler einfließt. Ein geringerer THD-Wert bedeutet niedrigere Spitzenströme und eine höhere Effizienz des Stromverteilungsnetzes in einem Gebäude sowie eine geringere Nachfrage nach dem örtlichen Stromversorger. IEEE 519-2014 ist eine hilfreiche Referenz für das Verständnis von Oberschwingungen und die Anwendung von Oberschwingungsgrenzen in Stromnetzen. In der Regel sind THDs von 20 % oder weniger erforderlich. Der Leistungsfaktor PF ist eine ebenso wichtige Kennzahl. Eine Last (Vorschaltgerät oder Treiber) mit einem niedrigen PF zieht bei gleicher Ausgangsleistung mehr Strom als eine Last mit einem hohen PF. Der PF ist eine dimensionslose Zahl zwischen 0 und 1. Vorschaltgeräte und Treiber sollten einen PF-Wert von mindestens 0,9 haben.

Lebensdauer und Kostenüberlegungen

LEDs haben im Allgemeinen eine Lebensdauer von mehr als 25.000 Stunden, aber ihre Effizienz und Helligkeit nehmen mit zunehmendem Alter ab. Die Lebensdauer von LED-Leuchten basiert auf der Anzahl der Stunden, die erforderlich sind, um auf 70 % der ursprünglichen Lichtleistung zu fallen, und wird als L70-Parameter bezeichnet. Nicht-LED-Beleuchtungstechnologien erleiden irgendwann katastrophale Ausfälle; ihre Lebensdauer ist definiert als die Anzahl der Betriebsstunden, nach denen voraussichtlich 50 % der Einheiten ausgefallen sein werden. Auch bei Nicht-LED-Technologien nimmt der Lumenwert mit zunehmendem Alter ab. Dieser Effekt wird als Lampenlumenabfall (LLD) bezeichnet und variiert je nach Beleuchtungstechnologie (Tabelle 1).

Tabelle 1: Vergleich der Lumenabnahme und der Nennlebensdauer von Leuchten. (Quelle der Tabelle: Banner Engineering)

Um die Kosten von Beleuchtungstechnologien zu vergleichen, müssen die Benutzer die anfänglichen Arbeits- und Ausrüstungskosten sowie die Energie-, Wartungs- und Ausrüstungskosten über die gesamte Lebensdauer der Leuchte berücksichtigen (Abbildung 2). Die anfänglichen Arbeits- und Ausrüstungskosten können durch die höhere Energieeffizienz und den geringeren Wartungsbedarf wettgemacht werden, und die langlebigeren und effizienteren LEDs können zu erheblichen Einsparungen während der Lebensdauer führen.

Abbildung 2: Vergleich der Beleuchtungskosten auf der Grundlage eines 15-jährigen Lebenszyklus. (Bildquelle: Banner Engineering)

Umweltanforderungen

Leuchten, die in Industrieanlagen eingesetzt werden, müssen so konstruiert sein, dass sie gefährlichen Bedingungen standhalten. Der National Electrical Code definiert drei Arten von Gefahrenbereichen:

• Klasse I - entzündbare Gase oder Dämpfe
• Klasse II - brennbarer Staub
• Klasse III - leicht entzündliche Fasern oder Schwebstoffe

Die US-Bundesvorschriften schreiben vor: „Geräte müssen eine Kennzeichnung mit Angabe der Klasse, der Gruppe und der Betriebstemperatur oder des Temperaturbereichs für den sie zugelassen sind aufweisen, basierend auf dem Betrieb bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C.“

Die Schutzart (IP) ist wichtig und wird durch zwei Ziffern angegeben. Die erste beschreibt die Widerstandsfähigkeit des Geräts gegenüber festen Fremdkörpern, wie z. B. Staub, die zweite beschreibt den Schutzgrad gegen Wasser. Leuchten mit der Schutzart IP67 sind staub- und wasserdicht und eignen sich daher für viele industrielle Umgebungen und können kurzzeitig in Wasser getaucht werden. Leuchten der Schutzart IP68g bieten zusätzlichen Schutz und sind widerstandsfähiger gegen das Eindringen von Öl und Wasser.

Vibrationen und extreme Temperaturen sind in industriellen Umgebungen häufig anzutreffen. Die dünnen Glühfäden, die empfindlichen Komponenten und die Glashüllen, die bei einigen Beleuchtungstechnologien verwendet werden, sind besonders anfällig für Schäden durch Vibrationen. LEDs haben keine empfindlichen Bauteile und sind viel widerstandsfähiger gegen Vibrationen und Stöße. Sie sind zwar mechanisch robust, aber hohe Umgebungstemperaturen verringern die Effizienz und Lebensdauer von LEDs. Andererseits sind LEDs im Vergleich zu anderen Beleuchtungstechnologien besser für Kühlhäuser und andere Einrichtungen geeignet, in denen Temperaturen bis zu -40 °C herrschen.

Leuchten für Pick-to-Light

Pick-to-Light-Systeme können die Kosten von Kommissioniervorgängen im Lager durch höhere Effizienz, Produktivität und Genauigkeit senken. Für Pick-to-Light-Installationen bietet Banner die EZ-LIGHT®-Serie K50L an, einschließlich der K50LGRASXPQ (Abbildung 3). Die K50L-Leuchten werden je nach Modell mit einer LED (grün), zwei LEDs (grün und rot) oder drei LEDs (grün, rot und gelb) angeboten und sind vibrationsfest. Die K50LGRASXPQ bietet eine grüne und rote LED-Beleuchtung sowie einen akustischen Alarm mit mehreren Tönen. Zu den Merkmalen der K50L-Serie gehören:

• Einfach zu installieren mit hellen LED-Anzeigen und akustischem Alarm
• Widerstandsfähig und vollständig versiegelt. Schutzart IP67 oder IP69K nach DIN 40050-9, je nach Modell
• Für diese autarken Leuchten ist keine externe Steuerung erforderlich
• Unempfindlich gegenüber Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektromagnetische Störungen (EMI)
• Der akustische Alarm der IP67-Modelle hat eine einstellbare Intensität, die kontinuierlich oder stakkatoartig sein kann
• Flexible Installation mit Eingängen von 12 V_DC bis 30 V_DC und Schutz gegen Verpolung

Abbildung 3: Die Pick-to-Light-Leuchten der Serie K50 von Banner Engineering werden mit Gleichstrom betrieben und verfügen je nach Modell über einen Dauer- oder Stakkato-Ton und eine Auswahl von 1, 2 oder 3 farbigen LED-Anzeigen. (Bildquelle: Banner Engineering)

Staplerleitleuchten und Sensoren

Gabelstaplerfahrer haben oft eine eingeschränkte Sicht, so dass sie beim Absetzen schwieriger Lasten mehrmals absteigen müssen. Die Effizienz von Materialtransportvorgängen kann durch den Einsatz von Staplerleitleuchten und Sensoren erhöht werden. Die Leuchte WLS27PXRGBW285DSQ von Banner gehört beispielsweise zur Pro-Serie WLS27, ist 285 mm lang, hat die Schutzklassen IP66, IP67 und IP69K und verfügt über rote, grüne, blaue und weiße LEDs (Abbildung 4).

Abbildung 4: Diese 285 mm lange Leuchte enthält rote, grüne, blaue und weiße LEDs und kann für die Gabelstaplerführung verwendet werden. Sie bietet die Schutzklassen IP66, IP67 und IP69K. (Bildquelle: Banner Engineering)

Alle Leuchten der Pro-Serie WLS27 können mehrfarbige Animationen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Mustern anzeigen und sind segmentierbar, wodurch sie sich gut für Gabelstaplerleitsysteme eignen. Mit bruchsicheren Copolyestergehäusen in Aluminiumrahmen sind die Pro-Einheiten WLS27 bruch- und stoßfest. Dank der Schutzart IP69K sind sie für den Betrieb in rauen Waschanlagen und im Freien geeignet. Integrierte Timer- und Zählerfunktionen ermöglichen die Anzeige von Zeit- oder Mengeninformationen, einschließlich Entfernung und Position, unter Verwendung von Impulssignalen.

Die Pro-Leuchten WLS27 können mit dem Multifunktions-Lasersensor Q5X kombiniert werden, um Gabelstaplerleitsysteme zu realisieren (Abbildung 5). Der Q5X hat eine Reichweite von 50 mm bis 5 m. Weitere Merkmale sind:

• Zuverlässige Erkennung klarer und reflektierender Objekte, mehrfarbiger Ziele, schwarzer Ziele vor einem glänzenden metallischen Hintergrund, schwarzer Ziele vor einem schwarzen Hintergrund und dunkler Objekte (<0,1% reflektierende schwarze Ziele)
• Der Dual-Teach-Modus misst sowohl die Lichtintensität als auch die Entfernung
• Um 270 Grad drehbar, um eine Vielzahl von Montagevorgaben zu erfüllen
• Programmierbar über IO-Link, Ferneinlernung, Onboard-Benutzeroberfläche oder optionale Sensor-Fernanzeige

Abbildung 5: Multifunktions-Lasersensoren wie der Q5X von Banner Engineering können zur Implementierung von Staplerleitsystemen verwendet werden. (Bild: Banner Engineering)

Allgemeine Beleuchtungsoptionen

Die WLB32ZC285PBQMB von Banner ist eine 285 mm lange, ultrahelle LED-Leuchte mit einer gleichmäßigen Lichtleistung von 750 lm und einem blendfreien „Glühen“ (Abbildung 6). Sie ist Teil der WLB32-Familie, die Leuchten mit einer Länge von 285 bis 1130 mm und einer Beleuchtungsstärke von 750 bis 3000 lm umfasst. Diese Leuchten sind für Arbeitsplätze, Maschinenbeleuchtung, Schaltschränke und Fertigungsstraßen konzipiert.

Abbildung 6: Das Modell WLB32ZC285PBQMB von Banner ist eine 285 mm lange, ultrahelle LED-Stableuchte für allgemeine Beleuchtungszwecke. (Bild: Banner Engineering)

Es sind WLB32-Lichtleisten erhältlich, die durch Verkettung mit einem Minimum an Verkabelung eine durchgehende Beleuchtungsstrecke bilden können, wobei die einzelnen Lichtleisten unabhängig voneinander funktionieren. Weitere Merkmale sind:

• Schalter für Hell/Gedimmt/Aus
• Bruchsicheres Fenster und Metallgehäuse
• Flexible Montage mit Magnet- oder Winkelhalterungen oder Schnappverschlüssen
• Augenblende verhindert bei einigen Modellen seitliche Blendung
• Bewegungserkennung bei einigen Modellen

Zusammenfassung

Bei der Auswahl von Beleuchtungslösungen für die Industrie gibt es eine Vielzahl von Leistungs-, Kosten- und Umweltfaktoren zu berücksichtigen. In einer wachsenden Zahl von Fällen sind LED-Leuchten eine attraktive Option. Im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungstechnologien bieten LED-Leuchten eine größere Beleuchtungsflexibilität und -zuverlässigkeit, eine höhere Energieeffizienz, eine längere Lebensdauer und einen geringeren Wartungsbedarf. Daher können die anfänglichen Installationskosten von LEDs zwar höher sein als bei anderen Beleuchtungstechnologien, doch bieten LEDs neben überlegenen Beleuchtungslösungen auch niedrigere Lebenszykluskosten.