Industrietechnik & Elektronik für eine moderne Betriebstechnik

Digitalisierung, Automatisierung und intelligente Fabriken – das sind die Schlagworte der Industrie 4.0. Diese Entwicklungen stellen neue Anforderungen an die Industrietechnik. Und die entsprechenden elektrischen Schaltanlagen sowie die Betriebstechnik werden zunehmend umfangreicher, vielschichtiger und komplexer.

Grundsätzlich sind industrielle Schaltanlagen für die Stromverteilung und -steuerung sowie das Zusammenfassen und Messen von Lasten zuständig. Sie finden heute mit wachsender Elektrifizierung, Digitalisierung und Automatisierung in den Bereichen Energie, Industrie, Gebäude und Mobilität ihren Einsatz. Als Beispiele wären hier elektrische Netzstationen von Industrie- und Versorgungsanlagen, Stromversorgungssysteme von Gebäuden oder auch das Nahverkehrssystem zu nennen.

 

Vom Konzept zur fertigen elektrotechnischen Schaltanlage

Die Planung und Durchführung von industriellen Elektroinstallationen erfassen sämtliche Bereiche von Betriebsstätten. Auch wenn die einzelnen Prozessschritte zur elektrischen Anlage gestern wie heute noch dieselben sind, so unterscheiden sie sich in Umfang und Komplexität erheblich. Die einzelnen Konstruktionsstufen vollziehen sich grob zusammengefasst in fünf Stufen:

 

Planung & Engineering der Betriebstechnik

Elektrische Schaltanlagen entstehen in CAE- und CAD-Planungssoftwares wie beispielsweise EPLAN für die verschiedensten Anwendungsbereiche. Die Entwicklungsphase umfasst die Erstellung von industriellen Schaltplänen (z. B. Stromlaufplan, Übersichtsschaltplan, Funktionsschaltplan, Anschlussplan) und technischen Dokumentationen. Das Schaltungsbuch bildet die Grundlage für die Erstellung der Schaltschränke sowie für die Feldmontage von Kabeln, Sensoren und Aktoren. Ebenfalls wird es für die reibungslose Instandhaltung, Wartung und Fehlerbeseitigung im Betrieb genutzt.

 

Industrielle Kabel- und Leitungsverlegung

Die professionelle Verdrahtung von Industrieschaltanlagen erfolgt normkonform für Stromkreisverteiler, Kommunikationsinfrastrukturen und Schaltanlagen. Für die Industriemontage stehen verschiedene Verlegesysteme und Installationsbereiche zur Auswahl, die bereits durch Fachplaner im Vorfeld festgelegt werden. Dieser Projektschritt umfasst die Verkabelung bzw. Verdrahtung folgender Bereiche: Automatisierung und Sicherheit von Gebäuden sowie Maschinen und Anlagen, Brandschutztechnik, Schaltschrankverdrahtung, Netzwerktechnik, Steuerungstechnik, Kommunikationstechnik, Beleuchtung und Belüftung sowie Stromversorgung.

 

Schaltschränke steuern & versorgen

Die Ausstattung und Verdrahtung von Schaltschränken werden maßgeblich durch den Grad der Automatisierung und Digitalisierung beeinflusst. Dabei kommen ihnen in industriellen Schaltanlagen wichtige Funktionen zu. Sie schützen Sicherungen, Relais, Frequenzumrichter und viele weitere elektrotechnische Komponenten vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise Wasser, Staub, Überhitzung, mechanische/elektromagnetische Beeinflussung oder Feuer. Die verbauten elektrischen Komponenten sorgen zum einen für die Verarbeitung der Sensorik-Daten der gesamten Prozessanlage und sichern sowie verteilen zum anderen die elektrische Energie an die jeweiligen Verbraucher.

 

Prüfung & Inbetriebnahme von Schaltanlagen

Der bedeutsame, komplexe und sensible Knotenpunkt in der Fertigung ist die Industrietechnik und Elektronik. Daher werden in der Regel bereits während der Montage funktionale Prüfungen durchgeführt. Nach abgeschlossener Installation erfolgt die elektrische Inbetriebnahme und die gesamte Anlage wird gemäß Prüfablaufplan nach DIN VDE 0100-600 (Erstprüfung)  und DIN VDE 0100/0105 (Wiederholungsprüfung)  sowie den Unfallvorschriften der DGUV V3 geprüft.

 

Die Anwendungsbereiche der Industrietechnik sind vielfältig

Industrietechnik und Elektronik sind die Basis für einen effizienten Betrieb von Anlagen und Systemen. Sie tragen maßgeblich zur Steigerung der Produktivität, Langlebigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit bei. Dies setzt jedoch ein reibungsloses Zusammenspiel aller elektrischen Systeme, Anlagen, Maschinen, Geräte und Verfahren in einem industriellen und gewerblichen Produktionskomplex voraus.

Während die klassische Industrietechnik die Aufgabe hatte, einzelne Maschinen und Anlagen zu versorgen sowie zu steuern, hat sich dieses Bild heute mit stetig steigender Vernetzung grundlegend geändert. Die Anforderung an eine zeitgemäße Industrietechnik und industrielle Elektrotechnik ist, ein automatisiertes, energieeffizientes, flexibles und zuverlässiges Energie- und Kommunikations-Netzwerk in sämtlichen elektrotechnischen Bereichen des Unternehmens zu schaffen. Das Ziel ist,

• eine erhöhte Leistungsfähigkeit der Industrieanlage und des Gebäudes zu erreichen.
• eine maximale Energieeffizienz zu schaffen und Betriebskosten zu senken.
• möglichst geringe Wartungs- und Instandhaltungsaufwände zu erzielen.
• die Zuverlässigkeit der Anlage und die Lebensdauer aller elektrotechnischen Komponenten zu erhöhen.

Um dies erreichen zu können, verschmelzen die verschiedenen elektrotechnischen Bereiche innerhalb eines Industrieunternehmens nahtlos miteinander.    

 

Elektrokonstruktion und mechatronisches Engineering

Die Planung, Neu- und Weiterentwicklung sowie die Realisierung von elektrotechnischen Anlagen, Betriebsmitteln, Anlageteilen und Fertigungsprozessen fällt in den umfassenden Bereich der Elektrokonstruktion. Mit zunehmender Digitalisierung in der Industrie 4.0 verschmelzen dabei zunehmend Mechanik, Elektrik und Automatisierung.

Das interdisziplinäre mechatronische Engineering stellt sich den wachsenden Anforderungen zur Bewältigung dieser ganzheitlichen Herausforderung mithilfe von leistungsfähigen Planungssoftware-Anwendungen. So stehen durchgängig Planungsdaten in Systemplanung, Mechanik-CAD, Schaltplänen, SPS-Hardware Konfiguration, Signalen und SPS-Software zur Verfügung.

Moderne CAE-Programme bieten nicht nur die Möglichkeit eines zeitgleichen Engineerings aller beteiligten Disziplinen. Insbesondere im virtuellen Bereich lassen sich mit aktuellen Anwendungen digitale Zwillinge erstellen, die 3D CAD mit Kinematik, Simulationsanwendungen zur Verhaltensmodellierung, EDAC zur Pneumatik- sowie Elektroplanung und Entwicklungsumgebungen zur SPS- und Roboterprogrammierung ermöglichen.  

 

Energieverteilung und -management

Die Hauptaufgabe der Industrietechnik liegt nach wie vor in der Stromversorgung und Energieverteilung, die mit komplexen Energieversorgungsanlagen umgesetzt werden. Das Feld der elektrischen Energieversorgung in einem Industrie- bzw. Gewerbeunternehmen kann sich auf diese elektrotechnischen Bereiche erstrecken:

• Eigenstromversorgungsanlagen
• Energieoptimierungsanlagen
• Kompensationsanlagen
• Mittelspannungsanlagen
• Niederspannungsanlagen
• Transformatoren & Trafostationen
• USV-Anlagen

Die elektrischen Anlagen ermöglichen eine konstante Verteilung hoher Energieleistungen und eine zuverlässige Versorgung mit elektrischer Energie, die sowohl in der Produktion sowie Fertigung als auch in Bürokomplexen und Hallen (z. B. Lager/Logistik) benötigt werden.

 

Automation und Automatisierungstechnik

Industrietechnik und Automatisierung gehen Hand in Hand. Komplett vernetzte Produktionssysteme erfordern entsprechenden Einsatz von Automationssoftware sowie -hardware und arbeiten inzwischen weitestgehend autark. Hierzu werden innerhalb der Antriebstechnik, Mess- und Prüftechnik sowie Steuerungs- und Regeltechnik intelligente Systeme und Komponenten in den Elektronikkreislauf eingesetzt, welche die Basis für die Automatisierungstechnik bilden.

Neben der klassischen Automatisierung von Anlagen, Geräten und Systemen sind diese weiteren Anwendungsbereiche besonders relevant:

• Prozessautomatisierung
• Robotik
• Messtechnik
• Steuerungstechnik
• Regelungstechnik
• Mechatronik

Durch die Digitalisierung werden Produktionsanlagen zunehmend flexibel und vernetzt. Und die optimale Kombination ist die direkte Kommunikation zwischen Mensch, Maschine und Produkt (dem sogenannten IoT – Internet der Dinge). Damit wird die Basis geschaffen, dass Maschinen und Prozesse sich autark planen und optimieren können.

 

Elektrische Antriebstechnik

Im modernen Maschinen- und Anlagenbau sind elektrische Antriebe ein fester Bestandteil. Sie wandeln die elektrische Energie aus dem Stromnetz in mechanische Energie um. Die daraus resultierende Kraft wird dann in Bewegung übertragen und bringt die Maschine ans Laufen.

In heutigen Fertigungsanlagen sind Antriebs- und Automatisierungstechnik verschmolzen und für das optimale Zusammenspiel werden weitere Komponenten benötigt. Beispielsweise übernimmt ein dem Motor nachgeschaltetes Getriebe die Funktion eines mechanischen Wandlers. So kann je nach Anforderung das Getriebe die vom Motor eingespeiste konstante Drehzahl und deren Drehmoment anpassen.

Hinzu kommt, dass viele Prozesse neben einer umgewandelten Drehzahl auch eine regelbare Drehzahl erfordern. Und dafür wird dann ein zusätzlicher Frequenzumrichter eingesetzt, der dem Elektromotor vorgeschaltet ist. Dieser wandelt die elektrische Energie in Frequenz und Amplitude so um, dass die Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung veränderbar sind und zu einer regelbaren Größe werden. Daher bieten Hersteller vollständig aufeinander abgestimmte elektrische Antriebssysteme an, die bereits aus Getriebe, Motor und Frequenzumrichter bestehen.

 

Industrie-Sensorik (Mess- und Regeltechnik)

In heutigen Fertigungsanlagen arbeiten Sensorik und Elektronik eng im Team zusammen. Denn erst die sensorisch ermittelten und umgewandelten Messdaten ermöglichen es, komplexe Regelungen und Steuerungen zu verwirklichen. Damit erreichen zeitgemäße Produktionsanlagen eine immer höhere Flexibilität sowie Autonomie, die für intelligente Fertigungssysteme innerhalb der Industrie 4.0 notwendig sind. Die Basis dafür bilden hochwertige Industriesensoren und eine leistungsfähige Elektronik.

In der Automatisierungstechnik wird mit unterschiedlichster Sensortechnik gearbeitet, um die Anforderungen nach präzisen Messergebnissen mit einer zuverlässigen Prozesskontrolle zu erfüllen. Dafür werden Sensorlösungen für verschiedene Anwendungen eingesetzt, wie z. B.:

• Positionsschalter
• Optische Sensoren
• Ultraschallsensoren
• Messwertaufnehmer
• Sensor-Aktor-Verteiler
• Induktive/kapazitive Näherungsschalter
• Druck-, Temperatur-, Durchfluss- & Füllstandmesser

Um wettbewerbsfähig zu bleiben und gleichzeitig den wachsenden Herausforderungen der Automatisierung nachkommen zu können, werden in zunehmendem Maße Bestandsanlage mit zusätzlicher Sensorik nachgerüstet – zum Beispiel im Rahmen einer Retrofit-Überholung.

 

Industrielle Robotertechnik

In der Großindustrie werden Roboter bereits flächendeckend eingesetzt. Zunehmend gewinnen sie auch an Bedeutung in kleinen und mittelständischen Unternehmen. Diese Entwicklung ist den neuen Roboter-Generationen geschuldet, die einfacher zu installieren, zu programmieren und zu vernetzen sind. Dabei wird ein Großteil der modernen Roboter durch Elektromotoren angetrieben und in größeren Industrierobotern oder CNC-Maschinen werden vor allem Drehstrommotoren verbaut.

Zunehmend werden Roboter mit KI-Software, Bildverarbeitung und Sensorsystemen ausgestattet, sodass sie auch anspruchsvollere Arbeiten durchführen können. Aus dieser Weiterentwicklung resultiert, dass immer mehr herkömmliche Roboter in der Industrie durch kollaborative Roboter ersetzt bzw. erweitert werden.

Durch diese technologischen Verbesserungen der neuen Roboter-Generationen arbeiten sie nicht mehr durch Schutzvorrichtungen getrennt von ihren menschlichen Kollegen. Vielmehr arbeiten diese sogenannten „Cobots“ im Fertigungsprozess direkt Hand in Hand mit dem Menschen zusammen.  

 

Schaltschrank- und Schaltanlagentechnik

Schaltschränke in industriellen Produktionsanlagen sind elektrotechnische Steuerzentralen, die Maschinen- und Anlagenteile mit elektrischer Energie versorgen, Stromkreise absichern, Antriebe steuern und Maschinen mit dem Internet vernetzen. Gleichzeitig dienen sie als Schnittstelle für sämtliche Informationen, die Daten zum aktuellen Anlagen- und Bearbeitungszustand liefern.

Dabei sorgen Schaltschränke vor allem für den Schutz sämtlicher elektrotechnischer Betriebsmittel:

• Schutz vor Staub und Wasser (nach IP-Schutzklassen)
• Schutz vor Überhitzung bzw. Unterkühlung
• Schutz vor elektromagnetischer Beeinflussung (EMV)
• Schutz vor mechanischen Einflüssen

Auch zum Schutz für die Umgebung dienen sie als Abschirmung von elektromagnetischen Emissionen und bieten neben Brandschutz auch Schutz gegen das Berühren von gefährlichen Spannungen durch Personen. Darüber hinaus sorgen Schaltschränke durch entsprechende Befestigungssysteme und Halterungen für eine effiziente Strukturierung des Innenaufbaus der Komponenten.

 

Netzwerktechnik und Industrial Ethernet

Moderne Netzwerke sind die Basis für jede Art von industrieller Automatisierung und mit zunehmendem Digitalisierungsgrad müssen Kommunikationsnetzwerke auch größte Datenmengen schnell, sicher und zuverlässig bewältigen können.

In der Automatisierungstechnik werden zwei grundverschiedene Kommunikationssysteme eingesetzt. Zum einen serielle Feldbusse, die seit rund 25 Jahren in der Prozessindustrie im Einsatz sind. Die klassischen Feldbusse (wie z. B. PROFIBUS, CC-Link, Modbus, CANopen oder DeviceNet) eröffneten der Industrie große Automationspotenziale, jedoch ist diese kabelgebundene Kommunikationstechnologie rückläufig.

Zunehmend werden Ethernet-Systeme für die industrielle Datenkommunikation eingesetzt, da sie darüber hinaus die Basis für die Integration der Automatisierung in übergeordnete IT-Systeme bilden. Damit bietet das Industrial Ethernet einige Vorteile gegenüber Feldbussen. So erfolgt die Übertragung von IT-Daten und Echtzeitdaten gleichzeitig. Die Netzwerkausdehnung und die Anzahl der Netzwerkteilnehmen ist enorm. Zudem können verschiedene Übertragungsmedien kombiniert werden (z. B. Kabel, Funk, Lichtwellenleiter).

 

Industrielle Sicherheitstechnik

Ein wichtiger Bereich der Industrietechnik und Elektronik ist die Sicherheitstechnik. Wobei hier unterschieden werden muss zwischen der Gebäudesicherheit und der Maschinensicherheit. Die Gebäudesicherheit von Gewerbe- und Industrieobjekten wird durch die Installation von entsprechenden Alarm- und Sicherheitssystemen erreicht, wie z. B.

• Einbruchmeldeanlagen
• Brandmeldeanlagen
• Rauchmelder
• Videoüberwachungen
• Sprachalarmierungsanlagen
• Schließsysteme
• Zutrittskontrollen (RFID-Lösungen)

Dahingegen sorgt die installierte elektronische Sicherheits- und Gefahrenmeldetechnik innerhalb des Produktionsbereichs für das sichere Zusammenarbeiten von Mensch und Maschine. Die Maschinensicherheit wird gewährleistet durch eine entsprechende Sicherheitssensorik in Verbindung mit einer Steuerungstechnik, die sofort auf ungewöhnliche Vorkommnisse in der Produktion hinweisen und reagieren. Diese elektronischen Sicherheitskomponenten lassen sich direkt an der Maschine (z. B. Not-Schalter) oder einfach in die Anlagensteuerung der Maschine integrieren.

 

Gebäudeautomation und Domotik

Die Vorteile der durchgängigen Elektrifizierung, Digitalisierung und Automatisierung innerhalb von Produktionssystemen macht sich auch die moderne Gebäudetechnik zunutze. Auf diese Weise kann die Effizienzsteigerung innerhalb des gesamten Unternehmens durchgängig genutzt werden.

Die entsprechende industrielle Elektrotechnik integriert und vernetzt alle Systeme in einem Gebäude. Hierzu zählen die Gebäudesteuerung (Heizung, Lüftung, Beleuchtung etc.), die Sicherheitstechnik und die Netzwerk- sowie Kommunikationstechnik.

Somit bündelt die Gebäudeautomation alle Überwachungs-, Steuer-, Regel- und Optimierungseinrichtungen eines Gebäudes, sodass Funktionsabläufe gewerkeübergreifend selbstständig nach vorgegebenen Einstellwerten durchgeführt werden. Dafür werden alle Sensoren, Aktoren, Bedienelemente, Verbraucher und weitere technische Einheiten in einem Gebäude miteinander vernetzt, was beispielsweise durch ein Bussystem wie KNX erfolgt.

Mit effizienter Betriebstechnik Energiekosten sparen

Industrielle Unternehmen verbrauchen 45 Prozent des Stroms in Deutschland und sind mit Abstand der größte Energieverbraucher (Quelle: statista). Daher ist gerade in diesem Sektor in ökologischer sowie in ökonomischer Hinsicht wichtig, den Weg in eine energieeffizientere Nutzung zu gehen.

Versteckte Verbraucher entlarven und echte Potenziale heben – das wird durch ein Energiemonitoring und eine wirkungsvolle Energiemanagement-Strategie möglich. Das Energiemonitoring überwacht alle Energieträger wie Strom, Gas, Wärme, Öl und Druckluft. Die systematische Erfassung des Energieverbrauchs deckt die innerbetrieblichen Schwachstellen auf und zeigt genau an, in welchen Bereichen ein Handlungsbedarf für eine effizientere Nutzung von Energien besteht.

Die Sparpotenziale in der Industrie sind groß. Mit einer optimierten Betriebstechnik und dem richtigen Energiemanagement lässt sich in Unternehmen viel Energie sparen, was die Betriebskosten erheblich senkt. Denn allein Wärme- und Stromverbrauch machen durchschnittlich 2 bis 10 Prozent des Jahresumsatzes aus.

In diesen Bereichen können Unternehmen erhebliche Einspareffekte erzielen:

Beleuchtung

Mit modernen Beleuchtungsanlagen und LED-Technologie lassen sich die Stromkosten erheblich reduzieren. Je nach Raumnutzung können weitere Maßnahmen greifen, die sich durch zeitgemäße Leuchtsysteme regeln und steuern lassen, wie z. B. der Einsatz von Bewegungsmeldern, vorprogrammierte Leuchtzeiten, Nutzung des Tageslichts, Optimierung der Lichtlenkung, Lichtleistung und Leuchtenhöhe etc.

Elektrische Antriebe

Fast 80 Prozent des gesamten Stroms in der Industrie wird durch elektrisch angetriebene Systeme verbraucht. Die Prüfung bestehender Pumpen und Motoren rechnet sich, denn moderne Antriebssysteme sind stufenlos regulierbar und laufen im optimalen Drehzahlbereich. Auch die bedarfsgerechte Anpassung des Antriebskonzepts zahlt sich aus, da Leerläufe verhindert werden können. Und die regelmäßige Wartung sorgt für reibungslosen Betrieb.

 

Kühlung und Kälte

Klimaanlagen, Kühlhäuser, Prozesskühlung – viele industrielle Bereiche können mit optimierter Kühl- und Kältetechnik energieeffizienter arbeiten. Große Einsparpotenziale können auch durch die Optimierung der Verdampfungs- und Kondensationstemperatur erreicht werden. Das passende Kältemittel und eine Wärmerückgewinnung bringen weitere entscheidende Reduzierungen im Verbrauch.

 

Druckluft

Ein großer Verbraucher, dem wenig Beachtung geschenkt wird, sind Druckluft-Anlagen. Durch eine optimale Dimensionierung der Druckluftleitungen, der bedarfsgerechten Kompressoren und dem richtigen Druckniveau lassen sich Energiekosten sparen. Auch Wartungen decken mögliche Leckagen auf, wie z. B. defekte Ventile oder Rohre. Diese können durch regelmäßige Prüfungen schnell behoben werden.

 

Klima und Lüftung

Energie sparen und ein besseres Raumklima wird durch optimierte Lüftungstechnik möglich. Denn die meisten Lüftungsanlagen verfügen über eine unzureichende Regelung. Häufig ist ihre Bauweise veraltet und zusätzlich erfüllen sie oft Zusatzfunktionen wie Heizen oder Kühlen, was die Betriebskosten ebenfalls erhöht. Effiziente Systeme sowie vernetzte RLT-Geräte messen, regeln und steuern die Luftqualität und sorgen für entsprechende Wärmerückgewinnung.