{"id":13000,"date":"2022-02-10T08:00:00","date_gmt":"2022-02-10T08:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/?p=13000"},"modified":"2022-02-09T09:48:26","modified_gmt":"2022-02-09T09:48:26","slug":"die-entwicklung-des-industriellen-schaltschranks-im-zeitalter-des-industriellen-internets-der-dinge","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/de\/fertigungsindustrie\/die-entwicklung-des-industriellen-schaltschranks-im-zeitalter-des-industriellen-internets-der-dinge\/","title":{"rendered":"Die Entwicklung des industriellen Schaltschranks im Zeitalter des industriellen Internets der Dinge"},"content":{"rendered":"\n

Der Schaltschrank ist ein unverzichtbarer Bestandteil jeder industriellen Maschinenanlage. Urspr\u00fcnglich f\u00fcr die Unterbringung einiger Relais, Sicherungen, Schaltger\u00e4te und einfacher Steuerungen gedacht, erleben die Schaltschr\u00e4nke einen Wandel. Mit dem Aufkommen des industriellen Internets der Dinge (IIoT), Industrie 4.0 und anderer Verbesserungen der Betriebseffizienz sind Schaltschr\u00e4nke die bevorzugten Orte, um alle neuen Automatisierungskomponenten und -systeme darin unterzubringen. Der Platzbedarf der Maschinen \u00fcbersteigt jedoch den verf\u00fcgbaren Platz. Da der Platz in den Fabriken immer knapper wird, \u00f6ffnet dies die T\u00fcr f\u00fcr eine Reihe von technologischen Fortschritten, um den immensen Druck zu bew\u00e4ltigen, mehr industrielle Steuerger\u00e4te in einen festen Schaltschrankraum zu zw\u00e4ngen. Dieser Artikel zeigt auf, weshalb ein strategischer Ansatz f\u00fcr die Verwendung von Schaltschr\u00e4nken erforderlich ist.<\/p>\n\n\n\n

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Die Welt der industriellen Steuerung im Wandel<\/h2>\n\n\n\n

Moderne Fabriken und Fertigungsprozesse werden zunehmend automatisiert und stark optimiert. Die Betriebstechnologie (OT) steht im Mittelpunkt dieser Verbesserungen. In der Produktion werden routinem\u00e4\u00dfig Bildverarbeitungssysteme eingesetzt, um z. B. die korrekte Ausrichtung der Etiketten auf den Flaschen und den korrekten Sitz des Geh\u00e4uses zu erkennen. Bildverarbeitung in Echtzeit und neuronale Netze mit maschinellem Lernen erm\u00f6glichen 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.<\/p>\n\n\n\n

Fabrikfl\u00e4che; eine knappe Ressource<\/h2>\n\n\n\n

Die Verbesserungen der betrieblichen Effizienz durch IIoT und OT k\u00f6nnen 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 Priorit\u00e4t. Doch wo sollen die Steuerger\u00e4te platziert werden? In der Vergangenheit wurde in der Regel f\u00fcr jede Maschine ein einziger Schaltschrank aufgestellt. IIoT-Installationen h\u00e4ngen in hohem Ma\u00dfe von elektronischen Systemen, Sensoren und Aktoren ab, um effizient zu arbeiten. Die Entwickler von Schaltschr\u00e4nken und Schalttafeln m\u00fcssen nun auch Bildverarbeitung, vorausschauende Wartungssysteme, Netzwerk-Switches und Stromversorgungen integrieren. Die Automatisierung unterstreicht die Notwendigkeit der Einhaltung von Normen zur funktionalen Sicherheit wie IEC61508 und IEC62061. Die Einhaltung von Vorschriften zur elektrischen Sicherheit, elektromagnetischen Vertr\u00e4glichkeit (EMV) und elektromagnetischen St\u00f6rfestigkeit (EMI) erfordert ebenfalls gro\u00dfe Aufmerksamkeit. Vergessen Sie nicht die Leistungswandler, Frequenzumrichter, Prozesslogiksteuerungen und elektrischen Schaltanlagen; sie alle m\u00fcssen untergebracht werden.<\/p>\n\n\n\n

Mit dem Fortschritt der industriellen Automatisierungstechnik kann das Produktionsmanagement neue Konzepte und Markttrends aufgreifen. Ein neuer Trend, der derzeit an Dynamik gewinnt und auf Industrie 4.0 und das IIoT folgt, sind digitale Zwillinge. Im Grunde genommen sind digitale Zwillinge eine Nachbildung einer physischen Produktionslinie. Sie dienen nicht nur der \u00dcberwachung der Anlagenleistung, sondern bieten auch eine digitale Plattform f\u00fcr die Simulation und Modellierung verschiedener Produktionsverfahren und -szenarien.<\/p>\n\n\n\n

Doch immer mehr Technologie setzt den Platz in den Schr\u00e4nken und auf den Schalttafeln weiter unter Druck, so dass ein strukturierter Ansatz zur Optimierung des verf\u00fcgbaren Platzes immer wichtiger wird.<\/p>\n\n\n\n

Herausforderungen im Schaltschrank<\/h2>\n\n\n\n

Was muss im Inneren des Schaltschranks oder der Schalttafel untergebracht werden?<\/em><\/h3>\n\n\n\n

F\u00fcr industrielle Systemarchitekten ist der Versuch, Platz f\u00fcr ein weiteres Steuerger\u00e4t zu finden, nur die erste Herausforderung. Bei der Planung eines neuen Schaltschranks muss der Schaltschrankbauer die Art und Anzahl der einzubauenden Ger\u00e4te sorgf\u00e4ltig pr\u00fcfen. Gibt es eine logische Gruppierung nach Funktion oder physischer Gr\u00f6\u00dfe? Wie sieht es mit der Konnektivit\u00e4t 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 Ger\u00e4ten mit gleichem H\u00f6henprofil tr\u00e4gt zur Optimierung des verf\u00fcgbaren Platzes bei.<\/p>\n\n\n\n

Vermeidung von Problemen beim W\u00e4rmemanagement<\/em><\/h3>\n\n\n\n

Achten Sie bei der Auflistung der Steuerungen, Module und Ger\u00e4te auf die vom Hersteller empfohlenen Mindestabst\u00e4nde, sofern diese angegeben sind. W\u00e4rmemanagement im Schrank ist umso mehr zwingend, je mehr Komponenten darin verbaut sind und je mehr Abw\u00e4rme produziert wird. Einige Ger\u00e4te k\u00f6nnen mehr W\u00e4rme erzeugen als andere; Netzteile zum Beispiel k\u00f6nnen ein paar Watt W\u00e4rme erzeugen, auch wenn sie sehr effizient sind. Mehrere Ger\u00e4te, die geringe W\u00e4rmemengen erzeugen, k\u00f6nnen eine hei\u00dfe Stelle im Schrank bilden, die andere Ger\u00e4te beeintr\u00e4chtigen kann.<\/p>\n\n\n\n

Einige Schaltschr\u00e4nke m\u00fcssen m\u00f6glicherweise zwangsbel\u00fcftet werden, was den verf\u00fcgbaren Platz weiter einschr\u00e4nkt. Die Auswahl von Steuerger\u00e4ten, die so konzipiert sind, dass sie m\u00f6glichst wenig Abw\u00e4rme abstrahlen, und die sich f\u00fcr eine dichte Aneinanderreihung eignen, verbessert die Raumnutzung.<\/p>\n\n\n\n

Kabelmanagement; Vermeidung von Kabelgewirr<\/em><\/h3>\n\n\n\n

Bei der Installation kann es vorkommen, dass das Kabelmanagement \u00fcbersehen wird. Die Zug\u00e4nglichkeit, die Identifizierung und die Verlegung von Kabeln sind kritische Faktoren w\u00e4hrend des gesamten Lebenszyklus der Produktionsanlage. Eine eindeutige Kabelkennzeichnung und praktische Befestigungsmethoden sorgen f\u00fcr einen reibungslosen und schnellen Ablauf der Wartungsarbeiten. Au\u00dferdem m\u00fcssen je nach Kabeldurchmesser und -typ die Mindestbiegeradien der Kabel sorgf\u00e4ltig ber\u00fccksichtigt 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 f\u00fchren, dass an den Sensoreing\u00e4ngen hohe Spannungstransienten induziert werden, was zu einem fehlerhaften Systemverhalten f\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Die in letzter Zeit immer beliebter werdenden Push-in-Kabelanschl\u00fcsse tragen dazu bei, die Verkabelung w\u00e4hrend der Installation zu beschleunigen. Federbelastete Steckverbinder bieten eine bequeme, werkzeuglose und zuverl\u00e4ssige Verbindung f\u00fcr eindr\u00e4htige Leiter oder vorkonfektionierte Kabel mit Aderendh\u00fclsen. Die Einf\u00fchrungskr\u00e4fte werden minimiert, wodurch die Belastung des Kabels verringert und gleichzeitig die R\u00fcckhaltung maximiert und ein Ausrei\u00dfen verhindert wird.<\/p>\n\n\n\n

Einhaltung von Normen; elektrische und funktionale Sicherheit<\/em><\/h3>\n\n\n\n

F\u00fcr den industriellen Bereich konzipierte Ger\u00e4te m\u00fcssen den einschl\u00e4gigen Sicherheitsnormen entsprechen. Diese Vorschrift sch\u00fctzt Arbeitnehmer und Produktionsanlagen vor Sch\u00e4den. International anerkannte Normen legen sichere Abst\u00e4nde f\u00fcr Hochspannungsklemmen, maximale Ableitstr\u00f6me und Mindestisolationsspannungen fest. F\u00fcr Stromkreise, die in der N\u00e4he von explosiven oder brennbaren Stoffen verwendet werden, gelten die Vorschriften f\u00fcr den Eigensicherheitsschutz.<\/p>\n\n\n\n

Risikobewertungen und Normen zur funktionalen Sicherheit definieren die Wahrscheinlichkeit und Schwere von Unf\u00e4llen aufgrund von Fehlfunktionen der Betriebsmittel. Diese Sicherheitsstandards gelten f\u00fcr ein System als Ganzes, einschlie\u00dflich der Software. Halbleiterbauelemente, die in industriellen Automatisierungssystemen eingesetzt werden, weisen zunehmend funktionale Sicherheitsmerkmale auf. Beispiele f\u00fcr elektromechanische Schutzeinrichtungen sind zwangsgef\u00fchrte Relais.<\/p>\n\n\n\n

Elektromagnetische Vertr\u00e4glichkeit und St\u00f6rfestigkeit ( EMV\/EMI )<\/em><\/h3>\n\n\n\n

Der industrielle Bereich ist elektrisch verrauscht. Frequenzumrichter, schnell schaltende Motorantriebe und Hochleistungsmotoren schaffen ein Umfeld, das den Einsatz von Ger\u00e4ten erfordert, die den einschl\u00e4gigen 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 Datenbl\u00e4tter der Hersteller auf ihre Konformit\u00e4t pr\u00fcfen.<\/p>\n\n\n\n

Die Zukunft des industriellen Schaltschrank- und Schalttafelbaus<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Die Aufgabe des Schalttafelbauers ist aufgrund der vielen \u00dcberlegungen zu Layout und Design sehr anspruchsvoll. Die Anbieter von Schaltschr\u00e4nken bieten heute jedoch eine umfassende Palette von 3D-Planungswerkzeugen und Konfiguratoren sowie digitale Systeme an, die die Komplexit\u00e4t der Schaltschrankplanung erleichtern. 3D-Planungsressourcen, einschlie\u00dflich 3D-Modellen der zahlreichen Ger\u00e4te und Systeme im Schaltschrank, erm\u00f6glichen es dem Systemarchitekten, verschiedene Layout-Alternativen zu visualisieren, bevor er sich schnell f\u00fcr die optimale Anordnung entscheidet. Sobald eine Konfiguration ausgew\u00e4hlt ist, kann die Design-Anwendung das thermische Profil und die elektrische Dimensionierung modellieren. Auch Architekten k\u00f6nnen die erforderlichen Unterlagen und Zertifizierungen zur Einhaltung von Normen m\u00fchelos zusammenstellen. Abbildung 1 veranschaulicht einen Beispielprozess mit dem Siemens<\/a> Control Panel Design Workflow.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 1 – Der Siemens-Workflow f\u00fcr die Schaltschrankkonstruktion zeigt die wichtigsten Schritte bei der Erstellung eines Schaltschranks von Grund auf (Quelle: Siemens)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Phoenix Contact<\/a> bietet die Schaltschrankplanungssoftware PROJECT f\u00fcr das komplette Programm an Schaltschrank- und Schalttafelger\u00e4ten, Modulen und Systemen an, siehe Abbildung 2.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 2 – PROJECT Schrankplanungssoftware von Phoenix Contact (Quelle: Phoenix Contact)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Diese Anwendung verf\u00fcgt \u00fcber eine unkomplizierte und anpassbare, intuitive Benutzeroberfl\u00e4che. Eine detaillierte St\u00fcckliste kann in Echtzeit erstellt und eine Web-Bestellung aufgegeben werden, sobald sie fertig ist. Entwurfsdaten k\u00f6nnen mit g\u00e4ngiger CAE\/CAD-Software ausgetauscht werden, um den Prozess so nahtlos wie m\u00f6glich zu gestalten. Mit der visuellen Benutzeroberfl\u00e4che werden DIN-Schienen-Ger\u00e4te und -Module schnell erstellt, so dass der Entwickler sehen kann, wie der Schaltschrankbau voranschreitet.<\/p>\n\n\n\n

Im Zuge der IIoT- und Industrie 4.0-Innovationen werden durch neue stromsparende und energieeffiziente Ger\u00e4te erhebliche Platzeinsparungen in Schaltschr\u00e4nken und Schalttafeln m\u00f6glich. Durch die Aneinanderreihung von hocheffizienten Komponenten mit geringem Stromverbrauch wird der verf\u00fcgbare Platz optimiert (siehe Abbildung 3).<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 3 – Bessere Ausnutzung des verf\u00fcgbaren Platzes auf der DIN-Schiene durch Aneinanderreihung energieeffizienter Ger\u00e4te (Quelle: Omron<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Ger\u00e4tehersteller verringern auch die Abmessungen ihrer Ger\u00e4te bei gleichem H\u00f6henprofil, wodurch zus\u00e4tzlicher Platz eingespart wird (siehe Abbildung 4).<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 4 – Die Verwendung von DIN-Schienenger\u00e4ten mit gleichem H\u00f6henprofil reduziert den ungenutzten Raum (Quelle: Omron)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Ger\u00e4ten mit gleicher H\u00f6he ist, dass der Luftstrom im Schrank weniger gest\u00f6rt und gleichm\u00e4\u00dfiger ist, wie in Abbildung 5 dargestellt. Das Auftreten von Hot Spots ist daher weniger wahrscheinlich.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 5 – Die Verwendung von Ger\u00e4ten und Komponenten mit einheitlicher H\u00f6he gew\u00e4hrleistet einen ungehinderten Luftstrom (Quelle: Omron)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Phoenix Contact empfiehlt einen Entwicklungsansatz, der sich auf f\u00fcnf Funktionsbereiche bei der Gestaltung von Schaltschr\u00e4nken und Schalttafeln konzentriert, um erfolgreich zu sein: Zuverl\u00e4ssigkeit der Stromversorgung, Konnektivit\u00e4t und Umschaltung, Automatisierung, Netzwerke und E\/A, Sicherheit und Produktivit\u00e4t in der Fertigung. Jedes Thema wird dann in relevante Kategorien unterteilt.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 6 – Phoenix Contact Ger\u00e4te f\u00fcr die DIN-Schiene (Quelle Phoenix Contact)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Das Thema Automatisierung, Netzwerke und E\/A umfasst beispielsweise die Konvergenz von Netzwerktopologien, Fernzugriff, Datenaustausch und Echtzeit-Datenerfassung. Abbildung 6 zeigt Phoenix Contact COMPLETE-Netzteile, Ethernet-Switches und Wireless LAN-Ger\u00e4te f\u00fcr die DIN-Schienenmontage.<\/p>\n\n\n\n

Siemens bewirbt sein TIA (Total Integrated Automation) Selection Tool f\u00fcr Cloud- oder Desktop-Design, siehe Abbildung 7. Da es die gesamte Palette der Automatisierungskomponenten, -ger\u00e4te und -systeme von Siemens abdeckt, werden die Konfiguration und das Layout eines Schaltschranks oder einer Schalttafel stark vereinfacht, und es sind keine technischen Kenntnisse erforderlich.<\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 7 – Das TIA Selection Tool von Siemens bietet einen visuellen und intuitiven Ansatz f\u00fcr den Entwurf von Schalttafeln (Quelle: Siemens)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Optimale Schaltschrankleistung und Raumeffizienz durch einen strukturierten Designansatz<\/h2>\n\n\n\n

Da der Platz in den Fabriken knapp bemessen ist, ist die Optimierung des internen Layouts und Designs von Schaltschr\u00e4nken und Schalttafeln von gr\u00f6\u00dfter Bedeutung. Um die betriebliche Effektivit\u00e4t zu verbessern, m\u00fcssen mehr Technologien eingesetzt werden, was die Entwickler von Industriesystemen vor Herausforderungen stellt. Ein strukturierter Ansatz zur Auswahl und Anordnung der Komponenten und bei der Dokumentation hilft dabei, die vielen Arbeitsschritte zu vereinfachen. F\u00fchrende Anbieter von industriellen Automatisierungssystemen bieten umfassende visuelle 3D-Design-, Komponentenlayout- und Konfigurationsressourcen, die diese komplexen Aufgaben erheblich erleichtern.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Der Schaltschrank ist ein unverzichtbarer Bestandteil jeder industriellen Maschinenanlage. 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