Elektrische Schaltschränke meistern: Design, Funktion & Industrieanwendungen

Wenn ein Produkt von einer automatisierten Montagelinie stammt, war ein elektrischer Schaltschrank an der Steuerung beteiligt. Das bedeutet: Jeder, der dies liest, hat bereits ein Produkt kennengelernt, das mit Hilfe eines Schaltschranks gefertigt wurde.

Ein elektrischer Schaltschrank ist ein System mehrerer elektrischer Geräte, die die mechanischen Funktionen industrieller Maschinen steuern und überwachen. Diese Maschinen haben vielfältige Anwendungen – von Montage und Fertigung über Lebensmittelproduktion bis zu Ampelanlagen.

Elektrische Schaltschrank-Designs variieren je nach Anwendung. Steuerungen haben meist SPS oder Industriecomputer mit Features wie SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). SCADA ist ein Überwachungssystem über einem Steuerungssystem. Üblicherweise überwacht ein SCADA-System mehrere Geräte, die jeweils einen oder mehrere Schaltschränke haben.

Ein umfassenderes Verständnis elektrischer Schaltschränke nützt jedem, der in industriellen, besonders fertigungstechnischen Unternehmen arbeitet oder diese leitet. Dieser Artikel beleuchtet elektrische Schaltschränke in der Tiefe, indem er jede Komponente und ihren Beitrag zum System betrachtet.

Komponenten elektrischer Schaltschränke

Die Komponenten eines elektrischen Schaltschranks lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: elektrische und nicht-elektrische. Beide zu betrachten ist wichtig für ein vollständiges Bild der Systemfunktionsweise.

Nicht-elektrische Komponenten

Wir betrachten diese zuerst, da es meist nur zwei sind und sie einfach zu verstehen sind.

Gehäuse

Das Gehäuse ist der Metallkasten, der die anderen Komponenten des Schaltschranks beherbergt. Es gibt diverse Größen, Materialien und Spezifikationen, passend zu den genauen Anforderungen der Prozesse, für die der Schrank genutzt wird, und der Umgebung, in der das Gehäuse steht. Die Türzahl zeigt die Sektionen des Gehäuses an und beeinflusst dessen Größe. Das Gehäuse besteht typischerweise aus Stahl, aber andere Materialien sind je nach Anwendung möglich.

Jedes Gehäuse weist folgende Informationen auf einem angebrachten Metallschild auf:

• UL-Sicherheitszertifizierung (Underwriters Laboratories)
• IP-Schutzart (falls zutreffend)
• NEMA-Klassifizierung (falls zutreffend)

Zusammen zeigen diese Ratings, ob das Gehäuse:

• Für Innen- oder Außeneinsatz geeignet ist
• Wasserdicht oder wasserabweisend
• Staub- oder feststoffdicht
• Explosionsgeschützt
• Für gefährliche Bedingungen geeignet

Montageplatte (Back Panel)

Montageplatten sind Metallbleche, die im Gehäuse montiert sind. Sie halten DIN-Schienen und Kabelkanäle. DIN-Metallschienen bieten eine standardisierte Montagestruktur für die anzubringenden elektrischen Geräte. Die Kabelkanäle dienen als Wege für Kabel, die die elektrischen Geräte verbinden. Sie helfen, Komponenten organisiert zu halten und Störungen zwischen Geräten zu managen.

Elektrische Komponenten

Dies sind die Komponenten, die Elektrizität nutzen. Sie lassen sich weiter in zwei Kategorien unterteilen: Komponenten, die Strom verteilen, und Komponenten, die mechanische Prozesse steuern und überwachen. Während die meisten dieser Komponenten im Gehäuse sitzen, gibt es Geräte außerhalb wie das HMI.

Hauptschalter (Main Disconnect)

Der Strom für alle Geräte gelangt über den Hauptschalter in den Schaltschrank. Hauptschalter können gesichert, ungesichert oder als Leistungsschalter ausgeführt sein. Meist haben sie einen Griff außen am Schrank, der Nutzer das Abschalten der Stromversorgung ermöglicht. Die typische Eingangsspannung liegt zwischen 120 und 480 Volt.

Überspannungsableiter (Surge Arrester)

Nach dem Hauptschalter wird der Strom zum Überspannungsableiter geleitet. Diese Komponente schützt alle anderen Geräte im Schaltschrank vor Spannungsspitzen. Diese können von Netzspitzen oder Blitzeinschlägen stammen.

Transformator und/oder Netzteil

Transformatoren ändern die Spannung von Wechselstrom. Normalerweise extern montiert, um Platz zu sparen, sind sie essenziell für kleine AC-Lasten wie Fördermotoren, Heizungen und Pumpen.

Netzteile wandeln AC in DC um. Die meisten Industrieschaltungen sind auf 24 V DC standardisiert. Netzteile können für diverse Eingangsspannungen konfiguriert werden.

Reihenklemmen (Terminal Blocks)

Reihenklemmen verteilen Strom an die Geräte im Schaltschrank. Jeder Block hat zwei Klemmen, die Drähte verbinden. Diese Blöcke können als Leiste auf der DIN-Schiene angeordnet werden, um Strom an die anderen Komponenten zu leiten.

Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS/PLC)

Die SPS ist vergleichbar mit der CPU eines Computers – sie ist das Gehirn des gesamten Schaltschranks. Tatsächlich hat sie eine Zentraleinheit, in der das Logikprogramm gespeichert ist. Die SPS hat Ein- und Ausgänge, an die die Reihenklemmen angeschlossen sind. Diese Verbindungen ermöglichen die Steuerung der mechanischen Prozesse.

Sensoren

Sensoren wie Näherungsschalter und Lichtschranken melden Informationen an die SPS. Sie überwachen die Prozesse und geben notwendiges Feedback an die SPS, um den Betrieb zu steuern.

Relais und Schütze

Relais und Schütze sind im Wesentlichen Schalter, die Geräte je nach Prozessbedarf ein- und ausschalten. Kleinere Relais steuern einfachere Geräte wie Lampen oder Lüfter. Schütze steuern höherlastige Geräte wie Motoren.

Relais und Schütze sind generell mit dem Ausgangsklemmen der SPS verbunden.

Netzwerk-Switch

Ein Netzwerk-Switch verbindet mehrere Geräte via Ethernet. Er dient als Kommunikationshub, der die SPS und netzwerkkompatible Geräte außerhalb des Schaltschranks verbindet – meist entlang der Montagelinie.

Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI)

Das HMI ist eines der netzwerkkompatiblen Geräte, die mit dem Netzwerk-Switch verbunden sind. Wie der Name sagt, dient das HMI als Werkzeug, das Nutzern die Interaktion mit dem Schaltschrank ermöglicht. Es hat meist einen Bildschirm, Tasten, Schalter, Joysticks und andere Eingabegeräte, die dem Nutzer Überwachung und Steuerung der Prozesse entlang der Montagelinie erlauben.

Der elektrische Schaltschrank

Der elektrische Schaltschrank ist ein essenzieller Bestandteil jeder modernen Montagelinie. Er ermöglicht Industrieunternehmen die einfache Steuerung und Überwachung von Prozessen – für Effizienz und Genauigkeit in jedem Schritt. Branchen, die komplexe Operationen benötigen, brauchen moderne Schaltschränke mit zusätzlichen Features und Integrationen, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

Jede Komponente in einem elektrischen Schaltschrank zu verstehen, ist wichtig, weil es Organisationen ermöglicht, den effektivsten Schrankaufbau und das passende Design zu wählen. Es hält Abläufe straff. Es eröffnet auch Chancen für kosteneffektive Reparaturen und Upgrades in der Zukunft.

Möchten Sie mehr über elektrische Schaltschränke erfahren? Wenden Sie sich an unser Team. JH Foster ist Branchenführer bei Industriesystemen und Automatisierung. Wir statten Organisationen seit 1938 aus.