Design industrieller Schaltschränke für Platzeinsparung, Effizienz und Sicherheit

Entwickler von Schaltschränken in der Industrie stehen vor einer Vielzahl von Herausforderungen. Dazu gehören begrenzter Platz und begrenztes Budget, Umweltgefahren wie Stromausfall und Exposition gegenüber Chemikalien sowie menschliche Faktoren wie Missbrauch und Manipulationen. Trotz dieser Schwierigkeiten müssen die Entwickler Schaltschränke und Schalttafeln entwickeln, die kompromisslose Sicherheit, Zuverlässigkeit und die Einhaltung von Normen bieten.

Um diese Ziele zu erreichen, benötigen Entwickler kreative Lösungen, die die Erstellung, Installation und Verwendung des Schaltschranks vereinfachen. Insbesondere benötigen sie Komponenten, die auf ihren speziellen Anwendungsfall zugeschnitten sind, sowie Installations- und Wartungswerkzeuge, die einen ordnungsgemäßen Betrieb gewährleisten.

Dieser Artikel bietet einen Leitfaden zur Auswahl dieser Komponenten, wobei der Schwerpunkt auf der Kosten- und Platzoptimierung liegt. Er umfasst Verkabelungssysteme, Identifikationssysteme, Sicherheitssysteme, Zugangskontrollen und USV. Anhand von Beispielen von Panduit werden die Rolle und die Auswahlkriterien der einzelnen Komponenten erläutert. Der Artikel erklärt auch, wie diese Komponenten implementiert werden, um Zuverlässigkeit, Sicherheit und die Einhaltung von Industriestandards zu gewährleisten.

Platzsparender Schaltschrankbau durch Auswahl der Kabelkanäle

Bei der Entwicklung eines effizienten Schaltschranks müssen Ingenieure des Bereichs Automatisierung und Steuerung eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigen, wie z. B. Kabeltrennung, Wärmemanagement, Kabeleinführung, elektromagnetische Störungen (EMI), Kabelbiegeradius und zukünftiger Erweiterungsraum. Kabelkanäle spielen in diesem Prozess eine entscheidende Rolle, da sie das „Skelett“ der gesamten Schaltschrankkonstruktion bilden. Bei der Auswahl eines Kabelkanals für einen industriellen Schaltschrank sollte ein Entwickler die folgenden Faktoren berücksichtigen:

• Schaltschrankdesign: Die Abmessungen, der Schaltschranktyp und Spezifikationen wie die Größe der Sammelschienen und die Kühlkapazität wirken sich auf die Art und die Eigenschaften des erforderlichen Kabelkanals aus.
• Größe: Der Kabelkanal sollte etwas Platz für zukünftige Erweiterungen oder Anpassungen bieten. Er sollte jedoch nicht so groß sein, dass er unnötig viel Platz im Schaltschrank beansprucht.
• Art der Verkabelung: Kabel mit unterschiedlichen Größen und Funktionen (z. B. Strom-, Steuer- oder Datenkabel) benötigen unter Umständen unterschiedliche Arten von Kanälen oder Durchführungen.
• Umwelt und Materialien: Zu den gebräuchlichen Materialien gehören Polyvinylchlorid (PVC) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) , aber einige Bedingungen wie hohe Temperaturen, Feuchtigkeit oder korrosive Stoffe erfordern Rohre aus speziellen Materialien oder mit bestimmten Schutzfunktionen.
• Installation und Wartung: Es sollte einfach sein, Kabel oder Drähte hinzuzufügen oder zu entfernen, und der Kanal sollte einfach im Schaltschrank zu installieren sein.
• Richtlinientreue: Der Kanal sollte den geltenden Sicherheitsstandards, elektrischen Vorschriften und branchenspezifischen Bestimmungen entsprechen.

Normen und Vorschriften sind besonders wichtig, da die Verwendung eines nicht konformen Kabelkanals zu Sicherheitsrisiken oder zum Ausfall des Schaltschranks führen kann. Ein Beispiel für eine normgerechte Komponente ist der geschlitzte Kabelkanal F1X3LG6 von Panduit aus bleifreiem PVC mit einer Dauergebrauchstemperatur von bis zu +122°F (+50°C). Er erfüllt die UL94-Entflammbarkeitsklasse V-0 und entspricht den Anforderungen der NFPA 79-2007, Abschnitt 13.3.1, für flammhemmendes Material.

Der F1X3LG6 eignet sich auch gut für platzsparende Designs. Er verfügt über schmale Schlitze, die sich an den Abständen von Komponenten mit hoher Packungsdichte orientieren, sowie über Rillen, die das Einbringen größerer Löcher für Verzweigungen oder anderes Kabelmanagement erleichtern (Abbildung 1). Er ist mit Schnappabdeckungen erhältlich, die einen schnellen und sicheren Zugang zu den Kabeln ermöglichen.

Abbildung 1: Der F1X3LG6 von Panduit verfügt über schmale, eng beieinander liegende Schlitze mit einem doppelt eingeschränkten Schlitzdesign zur Aufnahme von Drähten. (Bildquelle: Panduit)

Alternative Lösungen für die Kabelführung in Schaltschränken

Natürlich sind Kabelkanäle nicht für alle Situationen geeignet. So kann es beispielsweise sein, dass Kabel durch einen Bereich geführt werden müssen, in dem ein Kanal nicht in das Gehäuse gebohrt werden kann. In diesem Fall können Lösungen wie die Kabelbinderhalterung ABM100-A-C mit Kleberückseite in Betracht gezogen werden. Diese Vier-Wege-Halterung ist sowohl für eine schnelle Installation als auch für langfristige Zuverlässigkeit ausgelegt.

Wie bei allen Klebstoffsystemen sollte darauf geachtet werden, dass der richtige Klebstoff für die jeweilige Anwendungsumgebung ausgewählt wird (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein Klebstoffsystem sollte so gewählt werden, dass es den Anforderungen der Anwendungsumgebung entspricht. (Bildquelle: Panduit)

Schutz der Drähte und Kabel des Schaltschranks gegen Abrieb

Wenn Kabel oder Drähte außerhalb eines Kanals verlegt werden, sollte darauf geachtet werden, dass sie nicht durch Abrieb oder andere Gefahren beschädigt werden. So müssen beispielsweise bei Schaltschränken in der Regel Kabel vom inneren des Gehäuses zur Frontplatte verlegt werden. Diese Kabel oder Drähte sollten umwickelt werden, um Schäden zu vermeiden. Es stehen unter anderem folgenden Optionen zur Verfügung:

• Spiralförmige Umhüllung: Allgemeiner Abriebschutz für Kabelbäume und Kabelbündel. Ermöglicht einfache Ausbrüche und ist in verschiedenen Farben, Materialien und Größen erhältlich.
• Geteilte Pan-Wrap-Umhüllung: Flexibler Abriebschutz für Kabelbäume und Kabelbündel. Bietet ein einzigartiges Schlitzmuster und eine große Überlappung, die die Installationszeit verkürzt und für verschiedene Bündeldurchmesser geeignet ist.
• Geflochtene Umhüllungen: Kontinuierlicher Abriebschutz für Drähte, Kabel, Schläuche und Rohre. Bietet ein flexibles, offenes Gewebe, das weder Hitze noch Feuchtigkeit einschließt.
• Gewellte Rohre: Wirtschaftliche Lösung mit einer soliden Wandkonstruktion, die einen vollständigen Schutz eines Kabelbündels bietet. In verschiedenen Materialien erhältlich, einige davon mit einer geschlitzten Wand für eine einfache Montage und Demontage.
• Schrumpfschlauch: Gut geeignet zum Isolieren, Schützen und Farbcodieren von Drähten und Kabeln. Kann auch mit Klemmen und Kabelschuhen verwendet werden, um eine saubere und sichere Installation zu gewährleisten. Schrumpfschläuche sind in verschiedenen Materialien, Größen und Wandstärken erhältlich, einige davon mit Klebebeschichtung für eine wasserdichte Abdichtung.

Bei der Auswahl einer geeigneten Umhüllung spielen viele Faktoren eine Rolle (Abbildung 3). Wenn die Anwendung zum Beispiel eine Lösung erfordert, die leicht und flexibel ist und sich unregelmäßigen Formen anpassen kann, ist die Spiralhülle T25F-C eine gute Wahl. Diese Drahtumwicklung wurde für eine einfache Installation entwickelt, ist aber auch langlebig und für eine Verwendung bis zu +122°F (+50°C) ausgelegt.

Abbildung 3: Es gibt verschiedene Arten von Drahtumwicklungen für unterschiedliche Anforderungen. (Bildquelle: Panduit)

Verbesserung der Wartbarkeit und Sicherheit von Schaltschränken durch Kabelabschlüsse, -management und -kennzeichnung

Um eine effektive Installation, Nutzung und Wartung eines Schaltschranks zu gewährleisten, müssen Entwickler die richtige Methode und das richtige Material für den Kabelanschluss wählen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Es werden Beispiele für Terminierungsarten und ihre Merkmale gezeigt. (Bildquelle: Panduit)

Die optimale Wahl hängt von mehreren Faktoren ab, unter anderem von der Anzahl der erforderlichen Abschlüsse. So kann beispielsweise die nylonisolierte Steckbuchse DNF14-250FIB-C ohne Werkzeug auf den Stecker gesteckt und wieder entfernt werden, was zu geringeren Installationskosten und einer einfacheren Wartung führt. Im Gegensatz dazu ist die isolierte DIN-Aderendhülse FSD80-8-KD6 für den Einsatz mit automatischen Applikatoren konzipiert, die sich besser für hohe Anschlusszahlen eignen.

Kabelbinder spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Sicherheit und Wartung, da sie die Verkabelung organisieren und sichern. Wie in Abbildung 5 dargestellt, gibt es eine Vielzahl von Kabelbindern, die unterschiedlichen Bedürfnissen gerecht werden. Neben dem grundlegenden Design des Kabelbinders ist die Auswahl des Materials ein entscheidender Faktor. Die verriegelnden Kabelbinder PLT1.5M-M beispielsweise bestehen aus Nylon 6.6 und sind daher am besten für die Verwendung in Innenräumen geeignet. Für Außenanwendungen, die Gefahren wie Salz und saurem Regen ausgesetzt sind, wäre ein Material wie Propylen besser geeignet.

Abbildung 5: Die Materialauswahl für Kabelbinder erfordert eine sorgfältige Abwägung einer Vielzahl von Umgebungsfaktoren; die verriegelnden Kabelbinder PLT1.5M-M verwenden Nylon 6.6 und sind am besten für die Verwendung in Innenräumen geeignet. (Bildquelle: Panduit)

Die Verwendung geeigneter Kabelbinderwerkzeuge kann die Produktivität steigern, die Kosten senken und die Sicherheit der Arbeiter erhöhen. Die Kabelbinderpistole GTH-E zum Beispiel ist auf einfache Handhabung ausgelegt (Abbildung 6). Sie erfordert 15 % weniger Griffkraft als vergleichbare Werkzeuge, und sein Kabelbinder-Abschneidemechanismus reduziert die Belastung für die Hand des Benutzers um mehr als 40 %.

Abbildung 6: Die wichtigsten Merkmale der Kabelbinderpistole GTH-E, die für eine einfache Handhabung konzipiert wurde. (Bildquelle: Panduit)

Schließlich sind eindeutige Kennzeichnungen für die ordnungsgemäße Nutzung und Wartung eines Schaltschranks von entscheidender Bedeutung. Die Wahl der Kennzeichnung hängt nicht nur vom Verwendungszweck, sondern auch von den Umweltgefahren ab (Abbildung 7). Wenn Kabel nur milden, wasserbasierten Flüssigkeiten ausgesetzt sind, eignet sich beispielsweise das selbstlaminierende Thermotransfer-Vinyl-Etikett S100X150VATY. Diese Etiketten haben eine spezielle Größe für Draht- und Kabelanwendungen und sind für den Einsatz bis +150°F (+65°C) ausgelegt.

Abbildung 7: Abgebildet sind Beispiele für Kennzeichnungslösungen und ihre Eignung für verschiedene Umweltgefahren. (Bildquelle: Panduit)

Lösungen wie der Thermotransferdrucker TDP43ME können dazu beitragen, eine ordnungsgemäße Kennzeichnung sicherzustellen (Abbildung 8). Dieser Thermotransferdrucker ermöglicht es dem Bediener, Etiketten auf Drähten und Kabeln in einem Abstand von nur 12,7 Millimetern (1/2") vom Ende von Steckern und Klemmen anzubringen. Der Drucker bietet Zykluszeiten, die bis zu dreimal schneller sind als die herkömmliche manuelle Installation und doppelt so schnell wie die Lösungen der Konkurrenz. Das ergonomische Design verringert die Ermüdung des Bedieners und minimiert das Risiko von Verletzungen durch sich wiederholende Bewegungen.

Abbildung 8: Der Thermotransferdrucker TDP43ME wird mit Software und Zubehör für eine effiziente Kennzeichnung geliefert. (Bildquelle: Panduit)

Erdung und Sicherheit in Schaltschrankanwendungen

In Anbetracht der hohen Leistungen, die in industriellen Schalttafeln vorhanden sein können, ist eine ordnungsgemäße Erdung für die Sicherheit entscheidend. Die Auswahl einer Erdungsschiene ist daher eine kritische Designentscheidung, die sich nicht nur auf die Sicherheit, sondern auch auf die Kosteneffizienz und Wartungsfreundlichkeit eines Schaltschranks auswirken kann.

Die universelle Erdungsschiene UGB2/0-414-6 veranschaulicht diesen Punkt. Sie ist Teil des patentierten UGB-Systems (Universal Ground Bar) StructuredGround™ von Panduit, das mit allen Arten von Kabelanschlüssen und über 140 Steckverbindern kompatibel ist. Diese Flexibilität vereinfacht die Konstruktion und Wartung erheblich. Darüber hinaus sind zwei abgesetzte Montageoptionen verfügbar, die zusätzlichen Verdrahtungsraum in engen Bereichen bieten.

Sicherheit und Produktivität stehen manchmal im Widerspruch zueinander. So schreiben die Vorschriften beispielsweise vor, dass vor der Wartung elektrischer Geräte eine Prüfung auf Spannungsfreiheit durchgeführt werden muss. Mit Handgeräten kann dies ein zeitaufwändiger Prozess sein. Der VeriSafe-Spannungsfreiheitsprüfer VS-AVT-C02-L03 vereinfacht das Verfahren, indem er es automatisiert. Sobald dieses Gerät in der Frontplatte installiert ist, können die Arbeiter mit einem einzigen Tastendruck prüfen, dass keine Spannung vorhanden ist (Abbildung 9).

Abbildung 9: Die automatisierte Prüfung mit Geräten wie dem VeriSafe-Spannungsfreiheitsprüfer VS-AVT-C02-L03 ist nicht nur schneller, sondern auch sicherer. (Bildquelle: Panduit)

Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Vernetzung und Vermeidung von Manipulationen mit industriellen Ethernet-Lösungen und USVs

Datennetze sind heute Bestandteil der meisten Schaltschrankkonzepte. Um Sicherheitsverletzungen und Ausfallzeiten aufgrund von Manipulationen oder Missbrauch zu vermeiden, muss sichergestellt werden, dass die Netzwerkkabel an ihrem Platz bleiben. Zu diesem Zweck wurden die RJ45-Buchsenmodulsperren PSL-DCJB entwickelt. Diese Geräte werden in ungenutzte Ethernet-Ports eingesteckt und sind nur für autorisierte Mitarbeiter zugänglich, die die Sperren mit einem Spezialwerkzeug entfernen können. Umgekehrt verhindern die Sperren das Entfernen von Netzwerkkabeln von aktiven Ethernet-Anschlüssen.

In einigen Fällen muss ein Ethernet-Port von der Außenseite des Schaltschranks zugänglich sein. Hier spielen Lösungen wie das IndustrialNet Cat 6 UTP RJ45-Kupplungseinbaumodul IAEBHC6 mit Schutzkappe eine wertvolle Rolle. Dieses Einbauelement bietet eine Dichtung mit der Schutzart IP67, die Schutz vor Staub und vorübergehendem Eintauchen in Wasser bietet, und eignet sich somit für Arbeitszellen, die gewaschen werden müssen.

Für netzbetriebene Geräte erfordern die Ethernet-Stecker besondere Eigenschaften. Der geschirmte, feldkonfektionierbare RJ45-Stecker FPS6X88MTG (IndustrialNet, Kategorie 6A) ist zum Beispiel für Power-over-Ethernet (PoE) und ähnliche Anwendungen gemäß IEEE 802.3af/802.3at (PoE/PoE+) ausgelegt. Neben anderen Merkmalen übertrifft dieser Stecker die Leistungsanforderungen von ANSI/TIA 568-C.2 Kategorie 6A und ISO 11801 Klasse EA und entspricht den Normen ANSI/TIA-1096-A (früher FCC Teil 68), IEC 60603-7 und IEC 60529 (IP20).

Unabhängig von der Energiequelle benötigen viele Schaltschränke eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), um bei Stromausfällen funktionsfähig zu bleiben. Bei der Auswahl einer USV für einen Schaltschrank sollte folgendes beachtet werden:

• Leistungskapazität: Die Leistung sollte die Leistungsaufnahme des Schaltschranks übersteigen.
• Wartung: Die Fernverwaltung ermöglicht die Überwachung und Kontrolle der wichtigsten Parameter und spart so Kosten und Zeit.
• Montage: Optionen wie die Hutschienenmontage erleichtern die Integration in Schaltschränken.
• Sicherheit und Konformität: Die USV sollte mindestens die einschlägigen Normen wie UL508 erfüllen.

Die industrielle Netzwerk-USV UPS00100DC zeigt eine Reihe von Möglichkeiten auf, über diese Grundlagen hinauszugehen. Sie verwendet Ultrakondensatoren anstelle von Batterien, wodurch das Risiko von Ausfallzeiten verringert und eine mögliche Wasserstoffgasbildung vermieden wird. Das batterielose Design ist wartungsfrei und bietet einen 2-mal besseren ROI und 50 bis 70 % niedrigere Betriebskosten als eine batteriegestützte USV.

Fazit

Die Entwicklung industrieller Schaltschränke ist ein anspruchsvoller und komplizierter Prozess, bei dem Platzbedarf, Sicherheit und Zuverlässigkeit unter einen Hut gebracht werden müssen. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen Entwickler Lösungen für Schalttafeln verwenden, die ihnen helfen, ihre Schaltschränke zu organisieren, zu verdrahten und zu beschriften sowie sie vor externen und internen Gefahren zu schützen. Diese Lösungen sollten auf die spezifischen Anforderungen von industriellen Schaltschrankanwendungen zugeschnitten sein und über Installations- und Wartungswerkzeuge verfügen, die einen ordnungsgemäßen Betrieb gewährleisten. Durch die Verwendung von Schaltschranklösungen, die diese Kriterien erfüllen, können Entwickler Schaltschränke bauen, die effektiv, sicher und konform sind.