Ein Blick ins Pflichtenheft moderner Gehäusesysteme

Dipl.-Ing. (Univ.) Hartmut Lohrey ist Leiter der Abteilung Marketing Training & Support bei der Rittal GmbH & Co. KG in Herborn.

In den Werkshallen der Industrie haben sich numerisch gesteuerte (NC), computergestützte numerische (CNC) Werkzeugmaschinen und am Arbeitsplatz programmierbare verfahrenstechnische Anlagen durchgesetzt. Daneben spielt auch der Büro-PC – neben dem Industrie-PC – eine nicht mehr verzichtbare Rolle in der Steuerung von Maschinen und Anlagen. Der Einsatz von Hightech-Lösungen hat dabei zu einer Produktivitätssteigerung geführt, die ohne Mikroelektronik, die Vernetzung von Steuerungssystemen und eine zunehmend sensiblere Messwerterfassung undenkbar wäre. In der Diskussion um Betriebssicherheit, Verfügbarkeit und Effizienz sind folglich unterschiedlichste Sicherheitsanforderungen allgegenwärtig. Bei allen Diskussionen um SIL einerseits und Firewall andererseits sollten aber auch sicherheitstechnische Basisanforderungen nicht aus den Augen gelassen werden.

Auch die stärkste Kette ist nur so gut wie ihr schwächstes Glied. Daher müssen moderne Steuerungssysteme sicher und gut bedienbar untergebracht werden. Moderne Gehäuse sind nicht nur ein Blechkleid, sondern erfüllen vielfältige Aufgaben, die erst den optimalen Einsatz und die ‚Rund-um-die-Uhr-Verfügbarkeit‘ der Elektroniksysteme und damit der gesteuerten Einrichtung ermöglichen.

An vorderster Stelle stehen die Sicherheit gegen Eindringen von Staub und Feuchtigkeit, vor mechanischer Beschädigung, vor thermischen Problemen und vor elektromagnetischen Beeinflussungen. Unabdingbar ist dabei die Erfüllung der für den jeweiligen Einsatzbereich der Steuerung zutreffenden, international gültigen Vorschriften:

Besonderes Augenmerk ist hier nach wie vor auf den Berührungs- und Fremdkörperschutz und den Wasserschutz zu richten. Diese sind als Schutzarten in IEC 60529 (DIN EN 60529:2000 – VDE 0470 Teil1) festgelegt. Die dort beschriebenen IP-Schutzartangaben ermöglichen eine Aussage darüber, wie gut ein Gehäuse die gestellten Anforderungen erfüllt. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Schutzartprüfungen unter normierten Laborbedingungen ablaufen und in realen Anforderungen abweichende Bedingungen herrschen können. Ein weit verbreitetes Missverständnis ist etwa die Vermutung, dass die Schutzart IP 66 gleichbedeutend ist mit einer Anwendung im Freien. Weder die mögliche längere Dauer der Belastung mit Wasser noch die möglichen Umgebungsparameter Temperatur, Wind oder UV-Einstrahlung finden in der Schutzartprüfung für IP 66 Berücksichtigung. Solche besonderen Faktoren müssen zwischen Hersteller und Anwender abgesprochen und bei der Produktkonfiguration herangezogen werden (Bild 1).

In den allermeisten industriellen Anwendungsfällen der Automatisierungstechnik kann eine Schutzart IP 55 oder IP 54 als gut geeignet betrachtet werden. Stellt man darüber hinausgehende Anforderungen, können diese im Einzelfall durch zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen (bis etwa IP 66) erfüllt werden. Anwendungen, bei denen Gehäuse mit Hochdruck-Wasserstrahl gereinigt werden müssen, können (aktuelle Ergänzung zur Norm) mit der Kombination IP 69 bezeichnet werden.

Der Schutz vor mechanischer Beschädigung ist bei rein statisch belasteten Systemen – durch die Verwendung entsprechender Stahlblechstärken oder durch Glasfaser-verstärkte Kunststoffe – für die Mehrzahl der Gehäuse leicht zu erreichen. Anders sieht dies bei stark schwingungs- oder schockbeanspruchten Anwendungen aus: In der Form wie etwa rechnergestützte Schwingungsanalyse und Finite-Elemente-Rechnung für Stabilitätsuntersuchungen in der Automobilentwicklung wesentliche Hilfsmittel sind, kann bei Rittal die Eignung eines Gehäuses im Einzelfall durch Belastungsprüfungen oder die Berechnung des Schwingungsverhaltens mittels der Modalanalyse untersucht werden. Wegen des dafür erforderlichen hohen materiellen und personellen Aufwands bleibt aber gerade das letztgenannte Verfahren meist auf sicherheitsrelevante Anwendungsprobleme beschränkt.

Steuerungsstörungen durch übermäßige Erwärmung treten trotz gut bekannter Problematik immer wieder auf. Dies gilt insbesondere bei Fertigungsverfahren mit prozessbedingter Wärmeentwicklung – und dann besonders in den heißen Sommermonaten –, wenn die Temperatur in der Umgebung der Steuerung eine natürliche Wärmeabgabe über die Oberfläche des Schaltschrankes nicht mehr zulässt oder gar zu einem Wärmefluss von außen nach innen und damit einer zusätzlichen Wärmebelastung der eingebauten Komponenten führt. Das Problembewusstsein der Anwender ist inzwischen so groß, dass der Themenkomplex ‚Klimatisierung‘ oft schon im Planungsstadium angesprochen und berücksichtigt wird.

Ausgehend von einer Klima-Berechnung können Lösungen von passiver Belüftung über aktive Belüftung mit Lüfterunterstützung bis zu Kühlgeräten zur dezentralen Wärmeabführung in die unmittelbare Umgebung eingesetzt werden. Gerade der Einsatz zentraler Wärmeabführungskonzepte, mit Luft-/Wasser-Wärmetauschern als Wand- oder Dachgerät mit integrierten Lüftern, der notwendigen Verrohrung und leistungsstarken Rückkühlanlagen ist in der Verbindung zwischen Schaltschrank- und Maschinen-/Anlagenkühlung inzwischen ein etabliertes System (Bild 2). Rittal bietet auf diesem Gebiet ein nahtloses Kühl- und Entwärmungs-Systemprogramm und die kompetente Vor-Ort-Unterstützung durch Vertriebsspezialisten für System-Klimatisierung an.

Unter dem Kürzel EMV bekannt, hat eine weitere Sicherheitsanforderung große Bedeutung: Der Schutz vor elektromagnetischer Beeinflussung. Im Automobilbau beispielsweise, mit komplexen elektronischen Motorsteuerungen und anderen elektronischen Systemen, muss dieser Problematik größte Beachtung geschenkt werden, um den Ausfall lebenssichernder Komponenten (etwa ABS oder ESP) zu verhindern. Auch in den Produktionsanlagen selbst können – ausgehend beispielsweise von Schweißrobotern – elektromagnetische Beeinflussungen auftreten, die es wirkungsvoll zu verringern gilt, um Störungen oder gar Zerstörungen von Steuerungsbaugruppen und damit sowohl Produktionsausfälle als auch Bediener-gefährdende Fehlfunktionen zu vermeiden.

Gegen feldgebundene Beeinflussungen kann Rittal für mehr als 95 % aller industriellen Gehäuseanwendungen mit den ‚normalen‘ Standard-Metallgehäusen eine ausreichende Schirmwirkung bieten. Für Systeme, in denen hochfrequente elektromagnetische Energie zur Be- oder Verarbeitung mit stärkeren Leistungen zum Einsatz kommt, bieten die Hochfrequenz-geschirmten EMV-Schaltschränke ein Plus an Sicherheit – und kompetente Beratung die notwendige Hilfe bei der Auswahl der Produkte und der fachgerechten Installation (Bild 3).

Resultierend aus der eingangs erwähnten Trennung zwischen Steuerungs- und Leistungsteil und darüber hinaus der funktionalen Unterteilung der Steuerung in Schaltteil und Bedienteil, ergeben sich verschiedene Forderungen für die Bereitstellung von Gehäuse- und Schranksystemen:

Für all diese – und mögliche weitergehende – Kombinationen aus Sicherheits- und Funktionalitätsanforderungen bietet Rittal mit seiner großen Produktpalette eine Lösung. Dabei finden weitere wichtige Faktoren wie Ergonomie und Design Beachtung; denn die Leistung einer automatisierten Fertigungsanlage hängt wesentlich von deren guter Bedienbarkeit und Unterstützung der eingebauten Visualisierungstools ab. Der Einsatz von Serienprodukten bietet dabei Vorteile hinsichtlich der schnellen Verfügbarkeit, der hohen standardisierten Qualität sowie des umfangreichen Zubehörprogramms und sinnvollen Montagehilfen. Damit werden auch individuelle Lösungen im Schaltschrankbereich ermöglicht, die auf der Basis des Dialogs mit dem Anwender entstehen. Die Weiterentwicklung aller Komponenten stellt sicher, dass etwa über die Effizienz von Kühlgeräten Betriebskosten gesenkt werden und die physikalischen Parameter in Anlagen-kritischen Schaltschrankanwendungen überwacht werden. co