Mit dem Aufkommen des industriellen Internets der Dinge (IIoT), Industrie 4.0 und anderer Verbesserungen der Betriebseffizienz sind Schaltschränke die bevorzugten Orte, um alle neuen Automatisierungskomponenten und -systeme darin unterzubringen. Der Platzbedarf der Maschinen übersteigt jedoch den verfügbaren Platz. Da der Platz in den Fabriken immer knapper wird, öffnet dies die Tür für eine Reihe von technologischen Fortschritten, um den Platz in den Schränken optimal zu nutzen.
Die Welt der industriellen Steuerung im Wandel
Moderne Fabriken und Fertigungsprozesse werden zunehmend automatisiert und stark optimiert. Die Betriebstechnologie (OT) steht im Mittelpunkt dieser Verbesserungen. Bildverarbeitung in Echtzeit und neuronale Netze mit maschinellem Lernen ermöglichen hohe Durchsatzraten und eine bessere Nutzung der Anlagen. Roboter und der Einsatz von kollaborativen Robotern sind ebenfalls an der Tagesordnung, wodurch der Bedarf an Technologie in der Fertigungsumgebung steigt.
Fabrikfläche – eine knappe Ressource
Die Verbesserungen der betrieblichen Effizienz durch IIoT und OT können zwar erhebliche Vorteile bringen, stellen die Betriebsleitung aber auch vor einige Herausforderungen bei der Umsetzung. Der Platz in den Fabriken ist immer knapp bemessen, und die Unterbringung der Produktionsanlagen hat Priorität. Doch wo sollen die Steuergeräte platziert werden? In der Vergangenheit wurde in der Regel für jede Maschine ein separater Schaltschrank aufgestellt. IIoT-Installationen hängen in hohem Maße von elektronischen Systemen, Sensoren und Aktoren ab, um effizient zu arbeiten. Die Entwickler von Schaltschränken und Schalttafeln müssen nun auch Bildverarbeitung, vorausschauende Wartungssysteme, Netzwerk-Switches und Stromversorgungen integrieren. Leistungswandler, Frequenzumrichter, Prozesslogiksteuerungen und elektrische Schaltanlagen müssen ebenfalls untergebracht werden. Ein neuer Trend, der derzeit an Dynamik gewinnt, sind digitale Zwillinge. Im Grunde genommen sind digitale Zwillinge die virtuelle Abbildung der physischen Produktionslinie. Sie dienen nicht nur der Überwachung der Anlagenleistung, sondern bieten auch eine digitale Plattform für die Simulation und Modellierung verschiedener Produktionsverfahren und -szenarien. Doch immer mehr Technologie setzt den Platz in den Schränken und auf den Schalttafeln weiter unter Druck, so dass ein strukturierter Ansatz zur Optimierung des verfügbaren Platzes immer wichtiger wird.
Herausforderungen im Schaltschrank
Platz für ein weiteres Steuergerät zu finden, ist für industrielle Systemarchitekten nur eine von vielen Herausforderungen. Bei der Planung eines neuen Schaltschranks muss die Art und Anzahl der einzubauenden Geräte sorgfältig geprüft werden. Gibt es eine logische Gruppierung nach Funktion oder physischer Größe? Wie sieht es mit der Konnektivität zu anderen Modulen und Steuerungen aus? Vielleicht ist es von Vorteil, bestimmte Teile nebeneinander zu platzieren, um den Verkabelungsaufwand zu verringern. Auch die Gruppierung von Geräten mit gleichem Höhenprofil trägt zur Optimierung des verfügbaren Platzes bei.
Vermeidung von Problemen beim Wärmemanagement
Planer sollten bei der Auflistung der Steuerungen, Module und Geräte auf die vom Hersteller empfohlenen Mindestabstände achten, sofern diese angegeben sind. Wärmemanagement im Schrank ist umso zwingender, je mehr Komponenten darin verbaut sind und je mehr Abwärme produziert wird. Einige Geräte können mehr Abwärme erzeugen als andere; Netzteile unter Volllast zum Beispiel. Geräte mit nur geringer Wärmelast können dennoch eine heiße Stelle im Schrank bilden, wenn sie zu mehreren und zu dicht im Schrank montiert werden. Einige Schaltschränke müssen möglicherweise zwangsbelüftet werden, was den verfügbaren Platz weiter einschränkt. Die Auswahl von Steuergeräten, die so konzipiert sind, dass sie möglichst wenig Abwärme abstrahlen, und die sich für eine dichte Aneinanderreihung eignen, optimiert die Raumnutzung.
Kabelmanagement – Vermeidung von Kabelgewirr
Die Zugänglichkeit, die Identifizierung und die Verlegung von Kabeln ist während des gesamten Lebenszyklus der Produktionsanlage wichtig. Eine eindeutige Kennzeichnung und praktische Befestigungsmethoden gewährleisten eine schnelle und effiziente Wartung. Außerdem müssen je nach Kabeldurchmesser und -typ die Mindestbiegeradien der Kabel sorgfältig berücksichtigt werden, was besonders bei optischen Kabeln wichtig ist. Die Verlegung von ungeschirmten Niederspannungssignalkabeln von einem analogen Sensor neben Hochspannungskabeln, z. B. von Motorantrieben, kann dazu führen, dass an den Sensoreingängen hohe Spannungstransienten induziert werden, was ein fehlerhaftes Systemverhalten auslösen kann. Die in letzter Zeit immer beliebter werdenden Push-in-Kabelanschlüsse tragen dazu bei, die Verkabelung während der Installation zu beschleunigen. Federbelastete Steckverbinder bieten eine bequeme, werkzeuglose und zuverlässige Verbindung für eindrähtige Leiter oder vorkonfektionierte Kabel mit Aderendhülsen. Die Einführungskräfte werden minimiert, wodurch die Belastung des Kabels verringert und gleichzeitig die Rückhaltung maximiert und ein Ausreißen verhindert wird.
Einhaltung von Normen – elektrische und funktionale Sicherheit
International anerkannte Normen legen sichere Abstände für Hochspannungsklemmen, maximale Ableitströme und Mindestisolationsspannungen fest. Für Stromkreise, die in der Nähe von explosiven oder brennbaren Stoffen verwendet werden, gelten die Vorschriften für den Eigensicherheitsschutz. Diese Sicherheitsstandards gelten für ein System als Ganzes, einschließlich der Software. Halbleiterbauelemente, die in industriellen Automatisierungssystemen eingesetzt werden, weisen zunehmend funktionale Sicherheitsmerkmale auf. Beispiele für elektromechanische Schutzeinrichtungen sind zwangsgeführte Relais.
Elektromagnetische Verträglichkeit und Störfestigkeit (EMV/EMI )
Der industrielle Bereich ist elektrisch verrauscht. Frequenzumrichter, schnell schaltende Motorantriebe und Hochleistungsmotoren schaffen ein Umfeld, das den Einsatz von Geräten erfordert, die den einschlägigen EMV- und EMI-Normen entsprechen. Auch Normen wie die IEC61000 und die EMV-Richtlinie 2014/30/EU empfehlen einen Mindestabstand zwischen Netzwerkkabeln und Netzstromleitern. Systemarchitekten und Schrankkonstrukteure sollten die Produktinformationen und Datenblätter der Hersteller auf ihre Konformität prüfen.
Die Zukunft des industriellen Schaltschrank- und Schalttafelbaus
Die Aufgabe des Schalttafelbauers ist aufgrund der vielen Überlegungen zu Layout und Design sehr anspruchsvoll. Die Anbieter von Schaltschränken bieten heute jedoch eine umfassende Palette von 3D-Planungswerkzeugen und Konfiguratoren sowie digitale Systeme an. 3D-Planungsressourcen, einschließlich 3D-Modellen der zahlreichen Geräte und Systeme im Schaltschrank, ermöglichen es Systemarchitekten, Layout-Alternativen zu visualisieren, bevor sie sich für die optimale Anordnung entscheiden. Sobald eine Konfiguration ausgewählt ist, kann die Design-Anwendung das thermische Profil und die elektrische Dimensionierung modellieren. Auch Architekten können die erforderlichen Unterlagen und Zertifizierungen zur Einhaltung von Normen mühelos zusammenstellen.
www.distrelec.de
