Ein Durchgang durch die Konstruktion von Schaltschränken

Einführung

Im Rahmen der Elektrotechnik und Systemintegration kann das Gehäuse kaum als bloßer Kasten bezeichnet werden. Es ist der erste Puffer gegen jegliche Beschädigung Ihrer lebenswichtigen Teile, ein gut durchdachtes Gel, das sicherstellt, dass die empfindliche Elektronik darin vor all den hässlichen Dingen, die ihr in der Welt widerfahren, geschützt ist. Eine schlecht ausgeführte Schaltschrankkonstruktion kann unsicher, unzuverlässig und kurzlebig sein, egal ob es sich um einen einfachen Verteilerkasten oder eine hochentwickelte industrielle Schalttafel handelt. Wenn Sie es gut machen, kann Ihr System über Jahre hinweg ohne Probleme laufen. Wenn Sie es falsch machen, kann es zu katastrophalen Ausfällen, teuren Stillstandszeiten und sogar zu ernsthaften Sicherheitsrisiken kommen.

Dieser Leitfaden für die Entwicklung von Schaltschränken soll Sie durch die einzelnen Schritte des Entwicklungsprozesses von Schaltschränken führen. Wir werden sozusagen einen Gang höher schalten und zur nächsten Phase übergehen, nämlich der Formulierung des Bedarfs und der Anforderungen der Anwendungen, und schließlich werden wir uns mit einigen Überlegungen zur Fertigung beschäftigen. Egal, ob Sie ein sehr erfahrener Ingenieur sind, der die grundlegenden Kenntnisse auffrischen muss, oder ein Projektmanager mit wenig oder gar keiner Erfahrung auf diesem Gebiet, dieser Leitfaden wird Ihnen die klaren, praktischen Strategien an die Hand geben, die Sie brauchen, um Ihr Konzept in der realen Welt erfolgreich und funktionierend umzusetzen.

Definition der Stiftung - Zweck, Umfang und Anforderungen

Bevor überhaupt Linien im CAD erstellt werden, steht die wichtigste Aufgabe an, nämlich das Was, Wo und Warum Ihres Gehäuses zu bestimmen. Diese erste Phase hilft, teure und zeitaufwändige Umgestaltungen in der Zukunft zu vermeiden. Alle weiteren Entscheidungen, z. B. über das zu verwendende Material oder die Art der Wärmeregulierung, werden durch eine klare Vorstellung von der Art des Gehäuses, der geplanten Verwendung und den Betriebsbedingungen bestimmt.

Stellen Sie die folgenden Fragen:

• Was ist seine Hauptaufgabe? Dient es als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) in einer Fabrikhalle, als Stromverteilungseinheit in einem Rechenzentrum oder als Klemmensatz für eine Außenleuchte? Es wird die Elemente enthalten, die es schützt, sowie deren Mindestgröße und interne Konfiguration, wodurch Ihre Strategie für das Design von Elektronikgehäusen vorherbestimmt und letztendlich beeinflusst wird.
• An welchem Ort soll es aufgestellt werden? Der Kopf der Umgebung spielt eine wichtige Rolle. Ein klimatisiertes Gebäude in einer Büroumgebung hat ganz andere Anforderungen als ein Gehäuse an der Küste, wo es dem Salznebel ausgesetzt ist, oder eine Fabrik, in der hohe Temperaturen und stark ätzende Chemikalien herrschen. Diese Faktoren haben einen direkten Einfluss auf die Wahl des geeigneten Gehäusetyps.
• Wer wird mit ihr arbeiten und auf welcher Grundlage? Wird es in geschlossenem Zustand dauerhaft aufbewahrt, oder müssen die Techniker es regelmäßig warten? Benötigt es HMI-Ausschnitte / Sichtfenster / externe Schalter? Durch die Interaktion mit dem Benutzer werden Dinge wie die Art der Scharniere an den Türen, das Schließsystem und die Art der Kennzeichnung bestimmt.

Die vollständige Beantwortung dieser Fragen hilft bei der Erstellung eines URS-Dokuments (User Requirement Specification). Das Dokument dient nun als Blaupause, so dass das Endergebnis nicht nur gut funktioniert, sondern auch genau zu der erwarteten Aufgabe passt.

Quelle: Chris Guyatt

Materialauswahl - Abwägen von Haltbarkeit, Gewicht und Kosten

Das Material Ihres Gehäuses ist seine Rüstung, die aus einer Vielzahl von Materialien besteht. Die Wahl des Materials wirkt sich direkt auf die Schutzfunktionen, die Lebensdauer, das Gewicht und natürlich das Budget aus. Die beiden Hauptkategorien sind Metalle und Nichtmetalle (Polymere), die jeweils ihre eigenen Vorteile haben.

Metalle: Stahl, rostfreier Stahl und Aluminium

Traditionell werden Metalle verwendet, die sehr stark und steif sind.

• Kohlenstoffstahl: Dies ist der Klassiker unter den Gehäusen. Es handelt sich um ein langlebiges Material, das sich leicht verarbeiten lässt und sehr kostengünstig ist; daher wird es häufig für den Bau von Mehrzweckgebäuden innerhalb eines Hauses verwendet. Seine größte Schwäche ist, dass es leicht rostet, was in der Regel durch eine dauerhafte Pulverbeschichtung abgedeckt wird.
• Rostfreier Stahl: Rostfreier Stahl ist die Lösung, wenn Korrosionsbeständigkeit gefragt ist. Die beiden beliebtesten Sorten sind 304 und 316. Typ 304 wird häufig in der Lebensmittelverarbeitung und bei Reinigungsanwendungen eingesetzt. Wenn die Anwendung (oder die Salzeinwirkung wie bei Chloriden) stark beansprucht wird (in der Schifffahrt wird häufig der Typ 316 verwendet, der manchmal auch als Marinequalität bezeichnet wird), ist die verbesserte Korrosionsbeständigkeit des Typs 316 ein wertvolles Investitionsmerkmal.
• Aluminium: Die Aluminiumgehäuse haben ein hervorragendes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht, d. h. sie haben etwa ein Drittel der Masse von Stahl. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Anwendungen, bei denen auf das Gewicht geachtet werden muss, wie z. B. bei der Aufstellung auf einem Mast oder bei tragbaren Geräten. Die Aluminiumgehäuse sind außerdem von Natur aus korrosionsbeständig und eignen sich daher für eine Vielzahl von unwirtlichen oder atypischen Umgebungen oder mobilen Anwendungen.

Nicht-Metalle: Polycarbonat und Glasfaser

Polymere Werkstoffe haben spezifische Vorteile, insbesondere dort, wo sie korrosiv sind oder drahtlos arbeiten. In Fällen, in denen die Umgebungsbedingungen ein Problem darstellen (z. B. potenzieller chemischer Kontakt oder feuchte Bedingungen), sind nichtmetallische Gehäuse häufig besser in der Lage, die Herausforderungen bei der Konstruktion von Elektronikgehäusen zu bewältigen.

• Polycarbonat: Es ist sehr stoßfest (IK10 in den meisten Fällen), leicht und einfach zu ändern. Es ist ein hervorragender Isolator und durchlässig für Funkfrequenzen, was es zu einem idealen Gehäuse für Geräte mit Wi-Fi- oder Mobilfunkantennen macht. Bei der kompakten Konstruktion von Elektronikgehäusen oder anderer Kommunikationselektronik kann Polycarbonat eine der effizientesten Galvanisierungsoptionen sein.
• Glasfaser (FRP): Hohe chemische Beständigkeit und fantastische Korrosionsbeständigkeit machen glasfaserverstärktes Polyester in bestimmten säurehaltigen Anwendungen sogar korrosionsbeständiger als Edelstahl. Es ist stark, leicht und kann sehr unterschiedlichen Umweltbedingungen standhalten; daher ist es ein langlebiges Material für den Einsatz in Kläranlagen, Chemiewerken und Außenanlagen.

Dimensionierung und Layout - Planung für Gehäuse

Ein Gehäuse, das "gerade groß genug" ist, ist in der Tat zu klein. Eine effektive Dimensionierung und Platzierungsplanung sind notwendig, um die Installation zu erleichtern, das thermische Gleichgewicht Ihres Systems zu gewährleisten und Ihr System zukunftssicher zu machen.

Bestimmung des internen Komponentenraums

Beginnen Sie zunächst damit, alle wichtigen Komponenten, SPS, Stromversorgungen, Schütze, Klemmenleisten, in Ihrer CAD-Software zu zeichnen. Aber hören Sie damit nicht auf. Der leere Raum ist ebenso wichtig. Gehen Sie wie folgt vor:

• Freiraum in Komponenten: Alle wärmeerzeugenden Komponenten sollten ausreichend Platz haben, damit die Luft frei zirkulieren kann. Datenblätter: Schauen Sie in den Datenblättern der Hersteller nach, welche Abstände empfohlen werden.
• Verdrahtungskanal und Kabelmanagement: Bestimmen Sie die Kanäle für die Verkabelung. Wenn das Gehäuse gut verwaltet wird, lassen sich Probleme leichter beheben und der Betrieb ist sicherer. Der Luftstrom kann durch überfüllte Kabel eingeschränkt werden, was zu heißen Stellen führt.
• Biegeradius: Die Kabel dürfen keine 90-Grad-Biegungen aufweisen. Berücksichtigen Sie den erforderlichen Biegeradius für alle Strom- und Datenkabel, um Schäden und Signalverluste zu vermeiden.

Eine Faustregel lautet: Berechnen Sie den gesamten Platzbedarf Ihrer Komponenten und fügen Sie dann einen Puffer von 20-25% hinzu, um die Verkabelung und den Luftstrom zu berücksichtigen.

Ermöglichung künftiger Erweiterungen und Änderungen

Die Bedürfnisse von heute sind vielleicht nicht die Bedürfnisse von morgen. Ein kluges Design sieht die Veränderungen in der Zukunft vor.

• Zusätzlicher Platz auf der DIN-Schiene: Falls Sie über DIN-Schienen verfügen, sollten Sie mindestens 25 % der Kapazität der DIN-Schienen reservieren. Die künftige Installation eines neuen Moduls oder Relais wird eher eine triviale Übung sein als eine vollständige Neuverkabelung.
• Modulare Rückenpaneele: Durch die Schaffung eines leicht abnehmbaren Subpanels oder einer Rückwand kann die komplexe Baugruppe auf einer Werkbank zusammengebaut und getestet und dann in das Gehäuse eingesetzt werden, was die Installation und Wartung erheblich vereinfacht.
• Ersatz-Ausbrecher/Stopfbuchsenplatten: Falls Sie in Zukunft mehr Kabel verlegen möchten, sollten Sie eine abnehmbare Bodenplatte verwenden, anstatt separate Löcher zu bohren. Dies gibt Ihnen größtmögliche Freiheit bei zukünftigen E/A-Änderungen.

Erfüllung der Normen - NEMA- und IP-Einstufungen

Es gibt Normen, die darauf abzielen, eine gemeinsame Sprache für Sicherheit und Schutz zu entwickeln. Bei elektrischen Gehäusen sind die beiden gängigsten Arten von Normen die NEMA- und die IP-Normen. Sie beschreiben die Fähigkeit eines Gehäuses, das Eindringen von Feststoffen (z. B. Staub) und Flüssigkeiten (z. B. Wasser) in das enthaltene Material zu verhindern.

Verstehen von IP-Ratings

IP ist eine internationale Norm (IEC 60529) für das System der Schutzart. Es hat zwei Zeichen:

• Erste Ziffer (Festkörper): Schutzgrade gegen große Körperteile (1), bis hin zu feinem Staub (6). Die Schutzart IP6X bedeutet, dass der Griff vollkommen staubdicht ist.
• Zweite Stelle (Flüssigkeiten): Die Schutzklassen schützen vor Flüssigkeiten, einschließlich Tropfwasser (1), kurzzeitigem oder dauerhaftem Untertauchen (7 und 8). IPX5 bedeutet, dass das Gerät vor Strahlwasser sicher ist, während IPX7 bedeutet, dass es 30 Minuten lang in einen Meter Wasser getaucht werden kann.

So ist zum Beispiel ein Gehäuse mit der Schutzart IP68 absolut staubdicht und widerstandsfähig gegen Gegenstände, die längere Zeit unter Wasser liegen.

Navigieren durch die NEMA-Normen (National Electrical Manufacturers Association)

Das NEMA-Bewertungssystem ist vor allem in Nordamerika verbreitet. Obwohl sich die IP-Einstufungen zum Teil überschneiden, stellen die NEMA-Normen zusätzliche Anforderungen an Bereiche wie Korrosionsbeständigkeit und Baupraktiken. Die direkte Substitution der einen durch die andere ist nicht möglich.

Einige typische NEMA-Typen sind wie folgt:

• NEMA 1: allgemeine Anwendungen in Innenräumen, die vor versehentlichem Kontakt und herabfallendem Schmutz schützen.
• NEMA 12: In Innenräumen, schützt vor Staub, Schmutz und nicht ätzenden Flüssigkeitstropfen. Typisch für die Steuerung von Industriemaschinen.
• NEMA 4: Ein geschlossener Kasten, der für den Innen- und Außenbereich geeignet ist. Der Rahmen kann als wasserdichtes Gehäuse gegen Wasser, Schnee und Wasser aus einem Schlauch verwendet werden.
• NEMA 4X: Alle Schutzfunktionen von NEMA 4, zusätzlich mit hoher Korrosionsbeständigkeit. Es ist der Standard der Wahl in der Lebensmittelverarbeitung, in der Schifffahrt und in chemischen Umgebungen.

Das kritische, oft übersehene Element - Wärmemanagement

Sie haben nun ein robustes, perfekt dimensioniertes und normgerechtes Gehäuse geschaffen. Wenn Sie ihn jedoch luftdicht abschließen, um zu verhindern, dass er verstaubt und bewässert wird, haben Sie ihn auch zu einem Ofen gemacht. Alle Elemente im Inneren des Gehäuses sind wärmeerzeugend, und wenn es keine Möglichkeit zur Wärmeübertragung gibt, kann die Temperatur auf ein Niveau ansteigen, das zum Ausfall der Komponenten, zur plötzlichen Abschaltung des Systems und zu einer radikalen Verkürzung der Gesamtlebensdauer der betroffenen Geräte führt. Thermisches Management darf kein Accessoire sein, sondern ist ein zentraler Bestandteil des Designs.

Effektive Lösungen für Kühlung und Belüftung

Bei Anwendungen mit geringer Leistung kann eine passive Kühlung (natürliche Konvektion und Strahlung) ausreichend sein. Wenn die Leistungsdichte jedoch höher ist, aktive Kühlung ist ein Muss. Dies kann durch den Einsatz einer Vorrichtung geschehen, die eine Luftbewegung bewirkt, oder durch aktives Abpumpen von Wärme aus dem Gehäuse. Das am weitesten verbreitete System ist ein Umluftsystem mit Gehäuselüftern.

Durch die richtige Konstruktion der Lüfter lässt sich leicht ein vorhersehbarer Luftstrom erzeugen, bei dem die kühle, gefilterte Luft unten in das Gehäuse eintritt und die heiße Luft oben austritt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Umgebungsluft kontinuierlich die heiße Innenluft verdrängt, so dass die die Komponenten selbst nicht überhitzen.

Auswahl der richtigen Kühllösung mit ACDCFAN

Die Wirksamkeit Ihres Wärmemanagementsystems hängt ganz von der Qualität und Eignung des von Ihnen gewählten Lüfters ab. Hier kann die Zusammenarbeit mit einem Spezialisten den entscheidenden Unterschied ausmachen.

Wir sind ein engagierter Hersteller mit über 20 Jahren Erfahrung, ACDCFAN weiß, dass ein Lüfter in einem Industriegehäuse nicht einfach nur eine weitere Komponente ist - er ist ein entscheidender Faktor für die Zuverlässigkeit. Wir bieten AC-, DC- und EC-Axial- und Radiallüfter an, die für die spezifischen Herausforderungen der Schaltschrankkühlung entwickelt wurden.

Welchen Wert hat dies für Ihr Design?

• Unerreichte Zuverlässigkeit und Nutzungsdauer: Das Ziel eines Gehäuses ist langfristiger Schutz. Ihr Lüfter muss dieser Langlebigkeit entsprechen. Unsere Schaltschranklüfter sind für eine lange Lebensdauer ausgelegt. Lebensdauer von 70.000 Stunden selbst bei einer Betriebstemperatur von 40℃. Für Hochtemperaturanwendungen arbeiten unsere Ganzmetall-Axialventilatoren zuverlässig bei Temperaturen bis zu 150°CDadurch wird sichergestellt, dass Ihr System kühl bleibt, wenn der Druck hoch ist. Dies ist entscheidend für Anwendungen in hochgelegenen Umgebungen, wo unsere Gehäusefilterlüfter eine MTBF (Mean Time Between Failures) von über 3 Jahren aufweisen und damit den Branchendurchschnitt weit übertreffen.
• Leistung unter Druck: Wir bauen unsere Gehäuselüfter für Stabilität. Der Rahmen besteht aus erstklassigem Aluminiummaterial, das mit Kupfer verstärkt ist, was zu 30% stabilere Lüfterleistung und Vibrationsbeständigkeit im Vergleich zu Standardprodukten. Diese robuste Konstruktion gewährleistet auch in anspruchsvollen industriellen Umgebungen einen gleichmäßigen Luftstrom.
• Weltweit zertifiziert und geschützt: Ihr Design muss internationalen Standards entsprechen, und das gilt auch für die Komponenten. ACDCFAN-Produkte tragen international anerkannte CE-, UL-, RoHS- und EMC-Zertifizierungen. Außerdem bieten wir für die anspruchsvollsten Umgebungen Lösungen mit IP-Schutzarten bis zu IP68Dadurch wird gewährleistet, dass sie vollständig gegen Staub und Wasser abgedichtet sind.
• Technische Expertenpartnerschaft: Sind Sie unsicher, wie viel Luftstrom (CFM) Sie benötigen? Dies ist eine häufige und kritische Frage. Unser Expertenteam kann Ihnen helfen. Basierend auf den Abmessungen Ihres Gehäuses, der internen Verlustleistung (Wärmelast) und der Umgebungstemperatur, wir können thermische Berechnungen durchführen, um das genaue Ventilatormodell und die Installationsstrategie zu empfehlen. Dies macht das Rätselraten überflüssig und gewährleistet, dass Ihr Wärmemanagementsystem vom ersten Tag an effektiv ist.

Wenn Sie sich für ACDCFAN entscheiden, kaufen Sie nicht nur Schaltschrankkühler, sondern eine professionell entwickelte, äußerst zuverlässige Kühllösung, die auf jahrzehntelanger Erfahrung beruht.

Design for Manufacturing (DFM) - Vorbereitung auf die Produktion

Ein Entwurf, der auf dem Bildschirm gut funktioniert, aber nicht gebaut werden kann, oder bei dem viele Kosten den Entwurf untergraben, wird als Fehlschlag betrachtet. Beim Design for Manufacturing (DFM) geht es darum, online proaktive Schritte zu unternehmen, um Ihr Produkt so zu entwerfen, dass es sich leicht herstellen lässt.

Berücksichtigen Sie bei der Konstruktion von Gehäusen die folgenden DFM-Richtlinien:

• Gestalten Sie das Design einfach: Kann man aus zwei Komponenten eine machen? Können Sie gängige Lochgrößen und Schrauben verwenden? Jede Zeit- und Kostenersparnis wird durch die Reduzierung der Komplexität erreicht.
• Details aus Blech: Wenn Sie Blech verwenden, sollten Sie bei der Gestaltung vorsichtig sein, um den Charakter des Materials nicht zu vernachlässigen. Biegen Sie die Konstruktion so ab, dass sie mindestens der Dicke des Materials entspricht, um Risse zu vermeiden. Platzieren Sie die Löcher in einem sicheren Abstand zu den Biegungen und Kanten.
• Komponenten standardisieren: Verwenden Sie nach Möglichkeit Standardverschlüsse, -scharniere und -verriegelungen. Auch Sonderanfertigungen sind kostspielig, und die Vorlaufzeiten sind sehr lang.
• Verdrahtungsplan: Wie kann ein Techniker die Teile verbinden? Gibt es einen ausreichenden physischen und visuellen Zugang? Die Anwendung des Montagegedankens in der Entwurfsphase wird dazu beitragen, große Kopfschmerzen in der Fabrik zu vermeiden.

Schlussfolgerung

Die Entwicklung eines Schaltschranks ist ein Abenteuer, bei dem es um vorsichtige Entscheidungen und sinnvolle Vorsichtsmaßnahmen geht. Es ist ein strukturierter Entwurfsansatz, der mit einem umfassenden Verständnis der Anforderungen und Absichten der Anwendung beginnt und zu einem sicheren, zuverlässigen und montierbaren Produkt führt.

Dieser Leitfaden führt Sie Schritt für Schritt durch die Erstellung eines Gehäuses. Er hilft Ihnen, ein Gehäuse zu erstellen und dabei alles zu wissen, was Sie wissen müssen, um sicherzustellen, dass das Gehäuse sowohl technisch als auch geschäftlich funktioniert. Sie schaffen die Grundlage für den Erfolg Ihres Systems. Sie schaffen einen begrenzten Raum, in dem Ihre wichtigen Teile nicht nur untergebracht sind, sondern auch bewacht und aufbewahrt werden und während der gesamten Betriebszeit einsatzbereit sind. Das ist die Blaupause für einen erfolgreichen Entwurf.