Grundlagen der Schalt- und Schutztechnik in der Automatisierung

Grundlagen der elektrischen Automatisierungstechnik

Aktor (Betriebsmittel)

Der Aktor (oder das Betriebsmittel) ist ein Gerät zur Prozesssteuerung einer einzelnen Maschine oder der gesamten Produktion, wodurch menschliche Arbeit reduziert wird. Die am häufigsten verwendeten Funktionen sind: Schaltfunktionen und Schutzfunktionen.

Trennvorrichtung (Isolationsgerät)

Die Funktion der Trennvorrichtung ist es, das gesamte Automatisierungsnetzwerk, das die Steuerung speist, elektrisch zu isolieren, um Wartungsarbeiten sicher durchführen zu können. Beispiele hierfür sind: Trennschalter, Lasttrennschalter, Leistungsschalter oder Schütze.

Schaltgeräte

Ziel der Schaltgeräte ist es, die Stromzufuhr zu den Verbrauchern automatisch und ferngesteuert herzustellen oder zu unterbrechen. Dazu gehören: elektromagnetische Schütze, Relais und Leistungsschalter (die für verschiedene Funktionen verwendet werden).

Schutzgeräte

Schutzgeräte schützen Aktoren (Verbraucher) vor schädlichen Auswirkungen von Überstromschäden, die durch elektrische Fehler verursacht werden.

Überlast (Overload)

Eine Überlast ist ein kleiner, aber anhaltender Anstieg der Stromaufnahme, der zu einer schädlichen Überhitzung des Motors führen kann. Der Schutz wird gewährleistet durch: thermische Relais, elektronische Relais, Sensoren und Relais.

Kurzschluss (Short Circuit)

Ein Kurzschluss ist ein brutaler Anstieg des Stroms in kürzester Zeit, der durch direkten Kontakt zwischen zwei Punkten unterschiedlichen Potenzials entsteht. Mögliche Ursachen sind: Phase-Phase, Phase-Neutralleiter oder Phase-Erde. Der Schutz wird gewährleistet durch: Sicherungen und magnetische Schutzschalter.

Motorstarter (Anlasser)

Es gibt 3 Arten von Motorstartern:

1. Ein/Aus (On-Off): Direkter Start und Stopp.
2. Konstante Geschwindigkeit: Betrieb mit konstanter Drehzahl.
3. Elektronische Steuerung: Steuerung von Beschleunigung und Verzögerung sowie ständige Drehzahlregelung (Basis der elektronischen Drehzahlregelung).

Vergleich von Trenn- und Lastschaltern

Anforderungen an Schaltgeräte

Schaltgeräte dienen der Zu- oder Abschaltung der Stromzufuhr zu den Aktoren. Sie müssen folgende Kriterien erfüllen:

• Verbindung und Abschaltung unter Last.
• Der Schaltvorgang muss in einer einzigen Bewegung ausgeführt werden.
• Alle aktiven Stromkreise (Phase und Neutralleiter) müssen gleichzeitig getrennt werden.

Die manuelle Umschaltung erfolgt durch die direkte Betätigung der Vorrichtungen durch den Bediener.

Das Elektromagnetische Schütz (Leistungsschütz)

Das elektromagnetische Schütz ist ein Schalter, der den elektrischen Strom durch Öffnen oder Schließen einer Reihe von Kontakten herstellt oder unterbricht. Es wird für komplexe und einfache Anlagen genutzt.

Merkmale und Vorteile des Schützes

• Robust und zuverlässig.
• Passt sich schnell an die Versorgungsspannung an.
• Gewährleistet die Sicherheit der Mitarbeiter gegen unerwarteten Anlauf.
• Erleichtert die Verteilung von Not-Halt-Positionen.
• Schützt den Verbraucher vor großen Spannungsabfällen.

Wichtigste Bauteile

1. Spule
2. Anpresskraft (Feder)
3. Kontaktsatz

Vorteile der Nutzung

• Möglichkeit, das Starten und Stoppen von Motoren zu automatisieren.
• Steuerung von mehreren Punkten aus.
• Sehr hohe Ströme können mit niedrigen Steuerströmen geschaltet werden.
• Hohe Sicherheit für die Arbeitnehmer, da sie sich von Maschinen und Hochspannungen fernhalten können.
• Steuerung und Automatisierung komplexer Anlagen und Prozesse.

Kategorien von Schützen (AC-Gebrauchskategorien)

Die Kategorien definieren die Einsatzbedingungen für Schütze in der elektrischen Automatisierungstechnik:

• AC1: Ohmsche Verbraucher (resistive Lasten) mit cos φ > 0,95 (z. B. Heizungen).
• AC3: Motoren, die erst nach Erreichen der Nenndrehzahl geschaltet werden (z. B. Käfigläufermotoren).
• AC2 und AC4: Besondere Bedingungen. AC2 für Schleifringläufermotoren. AC4 für Käfigläufermotoren mit Tippbetrieb oder Gegenstrombremsung (häufiges Schalten unter Last).

Sicherungen und Schmelzcharakteristik

Es existieren zwei Hauptarten von Sicherungen, unterschieden nach ihrer Schmelzcharakteristik:

• Schnell: Typ gL oder gG (allgemeiner Geräteschutz).
• Träge (Langsam): Typ aM (Motorschutz).

Dialoggeräte (Mensch-Maschine-Schnittstelle, HMI)

In automatisierten Anlagen ermöglichen Dialoggeräte das symbolische Eingreifen des Bedienpersonals in den Prozess.

Taster (Schaltfläche)

Der Taster ist ein Bedienelement des Mensch-Maschine-Dialogs. Er besitzt zwei stabile Positionen: eine vorübergehende Ruheposition und eine Betätigungsposition. Er kann mehrere Kontakte schalten.

Arten von Tastern

• Starttaster: Gibt den Marschbefehl (Startbefehl).
• Stopptaster: Gibt den Stoppbefehl.
• Rastender Taster: Gibt Befehle, die erst durch eine erneute, bewusste Betätigung aufgehoben werden.
• NOT-AUS-Taster: Rot, groß und leicht zugänglich.
• Doppeltaster: Kombiniert Start- und Stopp-Funktionen.
• Andere Betätigungselemente: Mit Hebeln, Schlössern etc.

Verriegelte Tasterblöcke

Bei verriegelten Tasterblöcken wird beim Drücken einer Taste die andere Taste gleichzeitig entriegelt, sodass sie niemals gleichzeitig betätigt werden können (mechanische Verriegelung).

Schalterkontakte

Die Kontakte der Schalter können offen oder gekapselt (verdeckt) ausgeführt sein.

Wahlschalter (Selektor)

Der Wahlschalter ist ein Drehschalter, der mehrere stabile Positionen einnehmen kann und nicht automatisch in die Ausgangsstellung zurückkehrt (rastend).

Steuerknüppel (Joystick)

Der Steuerknüppel ist ein manipulatives Gerät zur Steuerung der Bewegung eines Prozesses über eine oder zwei Achsen.

Kontrollleuchte (Signalleuchte)

Die Kontrollleuchte wird zur optischen Signalisierung von Betriebszuständen oder Prozesszuständen verwendet. Es gibt verschiedene Arten.

Beleuchtete Taster und Schalter

Hierbei ist eine Kontrollleuchte in dasselbe Gerät (Taster oder Schalter) integriert.

Hänge-Steuerkästen (Pendant Stations)

Hänge-Steuerkästen sind mobile Bedienpulte aus widerstandsfähigen Materialien (z. B. Gummi), die Dialoggeräte (HMI) aufnehmen und deren flexible Nutzung ermöglichen.

Signalsäulen und Leuchtmelder (Baken)

Signalsäulen und Leuchtmelder sind Dialoggeräte (HMI), die den Status des Prozesses optisch oder akustisch signalisieren. Sie ermöglichen die Visualisierung aus großer Distanz und über 360°.