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Haken

| von Kathrin Irmer

Untersucht man die elektrische Ausrüstung von Maschinen und Anlagen, so lässt sich deren Struktur in einen Leistungs-, Steuerungs- und Bedien- bzw. Beobachtungsteil untergliedern. In der Verteilung der elektrischen Energie bestimmen die Abmessungen der Bauteile oder -gruppen wie z. B. Sammelschienensysteme, Leistungsschalter, Frequenzumrichter die notwendigen Gehäusegrößen und begründen bei großen Leistungen daher auch zukünftig den Bedarf an Großschaltschränken.

Im Steuerungsteil werden manuell eingegebene Befehle, programmierte Abläufe und durch Sensoren erfasste Ist-Zustände miteinander verknüpft und in Schaltzustände der Leistungsgeräte umgesetzt. Durch den zunehmenden Einsatz dezentraler Steuerungen findet eine Verlagerung vom Steuerschrank zu individualisierten Kompaktgehäusen mit Steuerungen für Teilaufgaben einer Maschine oder Anlage dort, wo sie auftreten. Das heißt, die Steuerungselektronik rückt in unmittelbare Nähe zu Produktions-, Bearbeitungs- und Transport­prozessen.

Der Bedien- und Beobachtungsteil, auch als Mensch/Maschine-Schnittstelle bezeichnet, hat durch die Flachbildschirmtechniken und kompakte PC-Lösungen ebenfalls an Bedeutung gewonnen, was sich in der Vielfalt der Tragarm- und Bediengehäuse-Systeme widerspiegelt.

In prozessnahen Anwendungen müssen die elektronischen Komponenten durch ihre Gehäuse, gegen teilweise sehr raue Umgebungsbedingungen geschützt werden. Ganz oben stehen hier der Schutz der eingebauten Komponenten vor Eindringen von Staub und Feuchtigkeit, mechanischer Beschädigung, übermäßiger Erwärmung und elektromagnetischen Beeinflussungen. Diese Punkte beziehen sich unmittelbar auf die im Gehäuse eingebauten elektronischen Bauelemente und -gruppen und müssen sowohl für den störungsfreien Betrieb, als auch mittelbar für die Sicherheit des Bedien- und Wartungspersonals berücksichtigt werden.

 

Großschaltschränke werden auch in Zukunft aus Produktionshallen nicht verschwinden. Ein Flexibler Auf- und Ausbau, z. B. anreihbar nach allen Seiten, ist dabei selbstverständlich.

Bild: Großschaltschränke- Rittal

 

Diese Anforderungen sind in den, für den jeweiligen Einsatzbereich der Steuerung zutreffenden, international gültigen Vorschriften festgehalten: z.B. in der EN 60204 Teil 1 (DIN VDE 0113 für die „Elektrische Ausrüstung von Industriemaschinen“ oder der EN 60439-1 (DIN VDE 0660 Teil 500) für „Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen; Anforderungen an typgeprüfte und partiell typgeprüfte Kombinationen“ (für Energieverteilungen und Anlagen) und müssen durch entsprechende Maßnahmen erfüllt werden.

Das Hauptaugenmerk liegt dabei nach wie vor auf dem Berührungs- und Fremdkörperschutz sowie dem Wasserschutz, die als Schutzarten in der IEC 60529 festgelegt sind. Die dort beschriebenen IP-Schutzarten ermöglichen eine vergleichbare Aussage, inwieweit Gehäuse die gestellten Anforderungen erfüllen. In den meisten industriellen Anwendungsfällen ist eine Schutzart IP 55 oder IP 54 ausreichend. Durch zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen können Kennziffern bis zu IP 66 erreicht werden. Anwendungen, bei denen noch höherer Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit erforderlich ist – z.B. IP 68 oder 69 K – sollten auf kleine Gehäuse beschränkt bleiben, da diese Schutzarten für Großschaltschränke einen unvertretbar hohen Aufwand erfordern würden.

Mechanische Beschädigungen können bei rein statisch belasteten Systemen durch die Verwendung entsprechender Stahlblechstärken oder durch glasfaserverstärktes Polyestermaterial für die Mehrzahl der Gehäuse weitgehend verhindert werden. Bei stark schwingungs- oder schockbeanspruchten Anwendungen werden durch Approbationsgeber (z. B. Schiffahrtsregister oder Bahnzulassungsstelle) häufig Vorgaben gemacht, die in Laborprüfungen für Seriengehäuse bestätigt werden müssen. Besonders hohe Anforderungen, wie etwa Erdbebensicherheit, können im Einzelfall, nach der Berechnung des Schwingungsverhaltens mittels der Modalanalyse und festgestellter Eignung des jeweiligen Gehäuses, durch zusätzliche Dämpfungs- oder Versteifungsmaßnahmen erreicht werden. Das zuletzt genannte Verfahren bleibt wegen des hohen materiellen und personellen Aufwands meist auf sicherheitsrelevante Anwendungsprobleme beschränkt.

In heißen Sommermonaten treten immer häufiger thermische Probleme auf, wenn die Temperatur in der Umgebung der Steuerung eine natürliche Wärmeabgabe über die Oberfläche des Schaltschrankes nicht mehr zulässt oder gar zu einer zusätzlichen Wärmebelastung der eingebauten Komponenten führt. Elektronische Baugruppen dezentraler Steuerungen benötigen, wie im Großschrankbereich, entsprechende Lösungen zur Wärmeabführung. Die Zubehörkomponenten zur Klimatisierung (Kühlgeräte, Luft-/Wasser-Wärmetauscher) sind in großer Typenvielfalt, inzwischen auch in kleinen Kühlleistungen, verfügbar. Bei diesen Geräten sinkt natürlich durch die Verringerung der Baugröße auch die Wirtschaftlichkeit. Ein Wechsel der eingesetzten Technik kann erforderlich sein (z.B. Einsatz von Peltierelementen), wodurch die Klimatisierung bzw. Wärmeabführung meist teurer wird als bei zentraler Steuerungstechnik.

In Produktionsumgebungen bestehen oftmals Risiken elektromagnetischer Beeinflussungen, z.B. durch das Ein- und Ausschalten induktiver Verbraucher, durch Hochfrequenz verwendende Maschinen (beispielsweise Mikrowellen-Trocknung) oder Lichtbogen erzeugende Anlagen (beispielsweise Schweißrobotern). Die möglichen Störungen durch leitungs- und /oder feldgebundene Einkopplung gilt es zu verhindern, um Funktionsbeeinträchtigungen oder gar Zer­störungen von Steuerungsbaugruppen und damit Produktionsausfälle zu vermeiden.

 

Spezielle Gehäuse verpacken vor Ort Bus-Module an den Maschinen und Anlagen.

Bild: Busgehäuse – Rittal

 

Gegen feldgebundene Beeinflussungen können metallische Gehäuse durch ihre Schirmwirkung ein Plus an Sicherheit leisten. Wegen der meist nicht ausreichend bekannten technischen Parameter gibt es für die Auswahl zwischen Standard- und HF-geschirmter Gehäuseversion und des für EMV-gerechten Aufbau notwendigen Zubehörs kein Patentrezept. Die Entscheidung wird daher in den meisten Fällen durch den Preis und die Sensibilität der Anwender für die EMV-Thematik bestimmt.

Ein weiterer Anforderungsschwerpunkt für die Gehäuse besteht nach der Sicherheit in der Funktionalität. Die Trennung zwischen Steuerungs- und Leistungsteil und die Unterteilung der Steuerung in Schalt- und Bedienteil bedingen für die verschiedenen Anwendungsfälle folgende Anforderungen: Die Anreihbarkeit der Gehäuse muss gemäß ihrer funktionellen Aufteilung sein (mit/ohne innere Abschottung); die Schalt- und Bedienkomponenten müssen sich in ein bzw. unterschiedliche Gehäuse integrieren lassen; „normale“ Schaltschränke sollten sich problemlos mit Elektronik-Einschüben ausbauen lassen. Auch Kriterien wie Zugänglichkeit, optionale Integration in die Maschinenverkleidung, eine weitgehende individuelle Modifizierbarkeit und Design werden in Zukunft bei der Auswahl der Gehäuse ausschlaggebend sein.

Moderne zentrale wie auch dezentrale Steuerungskonzepte erfordern anspruchsvolle Gehäuse. Der klassische Schaltschrank wird in vielen Anwendungen hauptsächlich für die Funktionen Schalten und Schützen der Energieverteilung zum Einsatz kommen, aber auch für die komplexere Steuerungselektronik ist Sicherheit – wie oben dargestellt – unverzichtbar. Durch spezielle Kompaktgehäuse sowie ergonomische Bediengehäuse und Tragarmsysteme können die notwendigen Schutzfunktionen sichergestellt werden.

von Dipl.-Ing. (Univ.) Hartmut Lohrey
Fachreferent Schaltschranktechnik Rittal


Checkliste

Haken Die Einbauten bestimmen die Größe des Schaltschranks bzw. des Gehäuses
Haken Bei der zentralen Energieverteilung bestimmen Großschränke den Bedarf
Haken Bei dezentraler Steuerungstechnik ­kommen bevorzugt Kompaktgehäuse mit hoher IP-Schutzart zum Einsatz
Haken Besonders hohe Anforderungen etwa bei Erdbebensicherheit können durch zusätzliche Dämpfungs- und Versteifungmaßnahmen erfüllt werden.
Haken Wenn die Temperatur in der Umgebung eine natürliche Wärmeabgabe über die Ober­fläche des Schaltschrankes nicht mehr zulässt oder gar zu einer zusätzlichen Wärmebelastung führt, ist aktive Kühltechnik notwendig (Kühl­geräte, Luft-Wasser-Wärmetauscher oder Thermoelectric Cooler).
Haken Gegen feldgebundene EMV-Beeinflussungen können metallische Gehäuse durch ihre Schirmwirkung ein Plus an Sicherheit leisten.

 


Interview mit Hardy Heckel, Einkäufer I DT MC SPR6, Siemens AG

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Einkäufer von Schaltschränken müssen in der Praxis die Einsatzbedingungen der Geräte und ihren Spezialisierungsgradbesonders im Auge haben. technik+EINKAUF sprach mit Hardy Heckel, Einkäufer bei Siemens Industry Sector in Chemnitz über die Anforder­ungen, die er bei der Bestellung dieses
Produktsortiments beachten muss.

Welche Kriterien beachten Sie besonders beim Kauf von Schaltschränken?
Bei der Vergabe von Aufträgen aus dem Bereich des Gehäusebaus und der Blechbearbeitung werden die Anfragen an Vorzugslieferanten des Materialgebietes je nach Spezialisierungsgrad des Schaltschrankes vergeben. Der einbezogene Lieferantenpool wird nach den Kriterien Logistik, Qualität, Technik und Einkauf ausgewählt. Bei der Berücksichtigung des Spezialisierungsgrades stellt sich die Frage, ob es sich um ein Standardprodukt, eine Modifikation oder um ein generelles Sondergehäuse handelt. Der letztendliche Zuschlag erfolgt unter den Aspekten Preis, Lieferzeit, technische Ausführung und Qualität. Aktuell steht nicht mehr unbedingt der Preis im Vordergrund der Kaufentscheidung, vielmehr gilt es die Versorgungssicherheit innerhalb kürzester Zeit zu gewährleisten.

Stellen Sie sich Ihre Gehäuse auch ­individuell zusammen oder kaufen Sie nur Standardlösungen ein?
An unserem Standort produzieren wir ein breites Spektrum an Ausrüstungen von Standard- bis hin zu kundenspezifischen Lösungen. Dementsprechend werden Gehäuse auftragsbezogen individuell zusammengestellt.

Nutzen Sie Hilfestellungen von Schrank­anbietern, wie Konfiguratoren oder ähnliches, um Ihre ­individuelle Lösung zu planen?
Die Nutzung von Konfiguratoren bietet sicherlich eine Hilfestellung bei der Auswahl möglicher Lösungsvarianten, allerdings wird vordergründig insbesondere bei individuellen kundenbezogenen Lösungen auf eigene Konstruk­tion gesetzt.


Firmenporträt: Rittal GmbH & Co. KG

Das Unternehmen mit Hauptsitz in Herborn, Hessen, ist ein weltweit führender Systemanbieter für Schaltschränke, Stromverteilung, Klimatisierung, IT-Infrastruktur sowie Software & Service. Systemlösungen von Rittal kommen in allen Bereichen der Industrie, im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der ITK-Branche zum Einsatz. Zum breiten Leistungsspektrum gehören dabei auch Komplettlösungen für modulare und energieeffiziente Rechenzentren, vom innovativen Sicherheitskonzept (ehemals Litcos) bis zur physikalischen Daten- und Systemsicherung der IT-Infrastruktur (ehemals Lampertz). Der führende Softwareanbieter Eplan sowie der Softwarehersteller Mind8 sind Tochtergesellschaften von Rittal und ergänzen die Rittal-Systemlösungen durch disziplinübergreifende Engineering-Lösungen. 1961 gegründet, ist Rittal mittlerweile mit 10 Produktionsstätten, 63 Tochtergesellschaften und 40 Vertretungen weltweit präsent. Mit insgesamt 10 000 Mitarbeitern ist Rittal das größte Unternehmen der inhabergeführten Friedhelm Loh Group, Haiger, Hessen. Die gesamte Unternehmensgruppe beschäftigt mehr als 11 000 Mitarbeiter und wird im Jahr 2010 einen Umsatz von circa 1,8 Mrd Euro erzielen.
Weitere Informationen unter: www.rittal.de