Kransteuerschrank-Integration und elektrische Konstruktion
Kransteuerschrank-Integration und Elektroplanung: Standardisierte Stromverteilung und Montagepraxis. Der Kransteuerschrank ist die physische Plattform des elektrischen Systems eines Brückenkrans – er integriert SPS, Frequenzumrichter, Stromversorgungsmodule, Sicherheitsrelais, Klemmenleisten und Kühlsysteme in einem normgerechten Schrankgehäuse und gewährleistet den sicheren und zuverlässigen Betrieb der elektrischen Ausrüstung unter den rauen Bedingungen einer Werkstattumgebung.
Der Kransteuerschrank bildet das Rückgrat der elektrischen Krananlage. Er vereint SPS, Frequenzumrichter, Stromversorgungsmodule, Sicherheitsrelais, Klemmenleisten und Kühlsysteme in einem standardisierten Schrankgehäuse und stellt so den sicheren Dauerbetrieb aller elektrischen Komponenten auch unter widrigen Werkstattbedingungen sicher. Kelude Schwerindustrie hat auf Basis der Normen GB/T 7251.1-2020 und IEC 61439 ein standardisiertes Konzept für Kransteuerschränke entwickelt, das Gehäuseauswahl, Stromverteilung, Komponentenlayout, interne Verdrahtung, Kühlungsberechnung und EMV-Schutz umfasst. Dieser Beitrag erläutert die gesamte ingenieurtechnische Praxis – von der Elektroplanung bis zur Montage und Inbetriebnahme.
Schaltschrank-Design und Schutzart (IP) für Krane
Die Konstruktion des Kransteuerschranks beginnt mit der Gehäuseauswahl und der Festlegung der Schutzart. Die standardisierten Kransteuerschränke von Kelude Schwerindustrie werden aus Edelstahl oder kaltgewalztem Stahlblech gefertigt (Blechdicke 2,0 mm). Die Gehäuseabmessungen betragen 1200 mm (Höhe) × 800 mm (Breite) × 400 mm (Tiefe), das nutzbare Innenvolumen liegt bei ca. 0,38 m³. Die Schutzart wird entsprechend dem Montageort gewählt: Schränke in der Krankanzel erhalten IP54 (Staubschutz + Spritzwasserschutz), Schränke auf Werkstattboden oder an Säulen IP55 (Staubschutz + Strahlwasserdicht), und Schränke in Gießereien oder Hüttenbetrieben IP65 (Staubschutz + Strahlwasserschutz) mit zusätzlicher interner Überdruckbelüftung zum Schutz vor korrosiven Gasen. Die Schranktüren sind mit einem Drei-Punkt-Verschlusssystem mit Scharnieren ausgeführt; die Türdichtung besteht aus geschlossenzelligem EPDM-Schaumgummi mit einer Temperaturbeständigkeit von –40 bis 120 °C und einer Lebensdauer von mindestens 5 Jahren.
Das Schrankinnere ist nach Funktionsbereichen gegliedert. Links befindet sich der Netzanschlussbereich (Breite 200 mm) mit Einspeise-Leistungsschalter, EMV-Filter, Schaltnetzteil und USV. In der Mitte liegt der Steuerungs- und Antriebsbereich (Breite 430 mm) mit zwei übereinander angeordneten Ebenen für die S7-1500-SPS-Baugruppe und den G120-Frequenzumrichter sowie für die Sicherheitsrelais- und Hilfsrelais-Gruppen. Rechts schließt sich der Anschluss- und Ausgangsbereich an (Breite 170 mm) mit Reihenklemmen für Abgänge und reservierten Kabelkanälen. Die drei Bereiche sind durch metallische Schottbleche oder Kabelkanäle physisch voneinander getrennt; Stromkabel und Signalleitungen werden in getrennten Ebenen geführt. An der Schrankunterseite befinden sich Kabeleinführungen (4 Durchbruchöffnungen Ø 32 mm) sowie die PE-Erdungsschiene (Kupferschiene 30 mm × 5 mm); an der Oberseite sind Kabelausgänge und die Montageposition für das Kühlgebläse vorgesehen.
Stromversorgung und normgerechte Verteilung im Schaltschrank
Die Stromversorgung des Kransteuerschranks ist in vier Ebenen aufgebaut: Einspeiseschutz, Filterung, Gleichstromversorgung und USV. Für den Einspeiseschutz wird ein 3-poliger Leistungsschalter in Kompaktbauweise eingesetzt (Nennstrom 400 A, Schaltvermögen 50 kA, Typ NSX400F oder TM400D). Als Einspeisekabel dient ein Kupfer-Stromkabel YJV-0,6/1 kV 4×185+1×95 mm² mit einer Strombelastbarkeit von ca. 370 A (bei Verlegung in Luft). Der Einspeise-Leistungsschalter ist mit einem thermisch-magnetischen Auslöser ausgestattet – thermischer Auslöser eingestellt auf 400 A, magnetischer Auslöser auf 3200 A (8-facher Nennstrom); die Kurzschluss-Abschaltzeit beträgt weniger als 20 ms. Der Einspeise-Leistungsschalter dient gleichzeitig als Trennschalter für die gesamte Anlage und verfügt über Hilfskontakte zur Statuserfassung durch die SPS.
Der EMV-Filter ist nach dem Einspeise-Leistungsschalter angeordnet. Zum Einsatz kommt ein Dreiphasen-Dreileiter-EMV-Filter (Nennstrom 400 A, Einfügungsdämpfung > 60 dB im Frequenzbereich 150 kHz – 30 MHz). Der Erdungsanschluss des EMV-Filters wird über eine 6 mm² gelb-grüne Erdungsleitung direkt mit der PE-Kupferschiene verbunden; die Erdungsleitungslänge beträgt maximal 300 mm. Die Stromkabel vom Frequenzumrichter werden durch eine Ferritkern-Drossel (3 Windungen, Innendurchmesser 32 mm) geführt, um hochfrequente Gleichtaktstörungen weiter zu unterdrücken. Als Schaltnetzteil dient ein Hutschienen-Netzteil 24 V DC/10 A (Eingang AC 380 V, Dreiphasen-Vierleiter; Ausgang DC 24 V/10 A; Leistung 240 W), das die SPS, das HMI, die Sicherheitsrelais und die Sensoren versorgt. Auf der Eingangsseite des Schaltnetzteils ist ein C20-Leitungsschutzschalter (1-polig, C-Charakteristik) vorgesehen; auf der Ausgangsseite sind Sicherungen für Plus- und Minuspol (Nennstrom 12 A) installiert.
| Stromversorgung Ebene | Bauelemente | Spezifikation | Schutzkonfiguration |
|---|---|---|---|
| Einspeiseschutz | 3PLeistungsschalter Leistungsschalter QS1 | 400A/50kA | thermomagnetischer Auslöser, Hilfskontakt |
| Filterung | EMCFilter | 400A/3P | 150kHz~30MHz >60dB |
| Gleichstrom Stromversorgung | Schaltnetzteil PS-24V | 24VDC/10A/240W | C20 MCB+12ASicherung |
| Reserve Stromversorgung | UPS-1500VA | 1500VA/15min | automatische Umschaltung<5ms |
| USV-Anlage | Die USV-Anlage ist in der Reserve-Stromversorgungsebene integriert. Die USV-Leistung beträgt 1500 VA (entspricht ca. 1050 W Ausgangsleistung), die Überbrückungszeit bei 24 V DC-Last liegt bei ca. 15 Minuten. Der USV-Eingang wird über einen Leitungsschutzschalter an der Primärseite des Schaltnetzteils angeschlossen, der Ausgang versorgt die CPU-Baugruppe der SPS sowie das HMI-Bedienpanel. Die Umschaltzeit der USV liegt unter 5 ms, sodass die SPS bei kurzzeitigen Netzunterbrechungen nicht neu startet. Der Batteriezustand der USV (Entladen/Laden/Batterie schwach) wird über potenzialfreie Trockenkontakte an den Digitaleingang der SPS übergeben. Bei schwacher Batterie führt die SPS automatisch einen sicheren Stopp aus und speichert die Betriebsdaten. |
Integration von SPS und Frequenzumrichter im Schaltschrank
Die Positionierung und der Abstand zwischen der S7-1500-SPS und dem G120-Frequenzumrichter beeinflussen maßgeblich die Wärmeableitung und die elektromagnetische Verträglichkeit im Schaltschrank. Der SPS-Baugruppenträger ist im linken Bereich der Schaltschrankmitte montiert, die Montagehöhe beträgt ca. 400 mm über dem Schrankboden – so kann das Bedienpersonal die LED-Anzeigeleuchten und das Anzeigebildschirm der CPU-Baugruppe bequem einsehen. Der Baugruppenträger ist von links nach rechts wie folgt bestückt: PS-60-W-Stromversorgungsmodul, CPU 1516-3 PN/DP, DI-32×24-V-DC-Modul, DO-32×24-V-DC/0,5-A-Modul sowie AI-8×U/I-Modul. Die Module werden über U-förmige Bus-Steckverbinder verbunden, der Modulabstand beträgt 0 mm.
Der horizontale Abstand zwischen SPS und Frequenzumrichter beträgt mindestens 100 mm. Als Frequenzumrichter kommt die Steuereinheit G120 CU250S-2 DP mit dem Leistungsteil PM240-2 zum Einsatz. Die Steuereinheit wird von oben nach unten montiert – die CU250S-2 DP sitzt oberhalb des PM240-2 und wird über ein Drive-CLiQ-Kabel verbunden. Die Kühlrippen des Frequenzumrichters sind nach vorne (in Richtung Schaltschranktür) ausgerichtet, sodass die Warmluft ungehindert an der Schrankfront nach oben abströmen kann. Unterhalb des Frequenzumrichters ist ein Freiraum von 200 mm für die Motoranschlussleitungen (U/V/W-Drehstromkabel sowie Kabel für den Bremswiderstand) vorgesehen. Die U/V/W-Kabel dürfen nicht in demselben Kabelkanal wie die DI/DO-Signalleitungen der SPS verlegt werden; der Mindestabstand beträgt 200 mm. Der PE-Schutzleiteranschluss des Frequenzumrichters wird über eine 10 mm² gelb-grüne Erdungsleitung direkt mit der PE-Kupferschiene verbunden; die Erdungsleitungslänge beträgt höchstens 500 mm.
Die Auswahl der Leitungen im Schaltschrank erfolgt gemäß DIN EN 50525. Für die DI/DO-Signalleitungen der SPS wird geschirmtes Kabel RVVP 4×0,5 mm² verwendet; die Schirmung wird auf der SPS-Seite einseitig geerdet (Anschluss an die Erdungsschiene der SPS). Die Analog-Signalleitungen (AI 4–20 mA) werden als paarig verdrilltes, geschirmtes Kabel RVVP 2×0,75 mm² ausgeführt; die Schirmung wird auf der Sensorseite einseitig geerdet. Für die PROFINET-Kommunikation wird ein CAT6A-S/FTP-geschirmtes Netzwerkkabel verwendet; an beiden Enden sind IP20-RJ45-Steckverbinder montiert. Die Netzwerkleitung wird im linken Kabelkanal des Schaltschranks geführt, der Abstand zu Stromkabeln beträgt mindestens 200 mm. Als Stromkabel für den Frequenzumrichter (U/V/W) dient ein Kupferkabel YJV-0,6/1 kV 3×16 mm² + 1×10 mm² mit einem Außendurchmesser von ca. 22 mm; der Biegeradius beträgt mindestens das Fünffache des Kabelaußendurchmessers.
Verdrahtung von Sicherheitsrelais und Hilfsrelais
Die Sicherheitsrelais und Hilfsrelais sind im rechten Bereich der Schaltschrankmitte direkt neben dem SPS-Baugruppenträger angeordnet. Als Sicherheitsrelais kommt das erweiterbare Sicherheitsrelais Siemens 3SK1121-1AB41 zum Einsatz. Jeder Brückenkran ist mit drei Sicherheitsrelais-Modulen ausgestattet – K1 übernimmt die STO-Funktion (Safe Torque Off) über PROFIsafe zum Frequenzumrichter, K2 realisiert die SBC-Funktion (Safe Brake Control) zur unabhängigen Ansteuerung der Doppelbremsen-Magnetspulen, K3 überwacht die SS1-Funktion (Safe Stop 1) mit zeitüberwachter Verzögerung. Jedes Sicherheitsrelais-Modul hat eine Breite von 22,5 mm und wird auf einer DIN-Tragschiene montiert; der Abstand zwischen den Modulen beträgt 10 mm, um eine ausreichende Wärmeableitung und Zugänglichkeit der Anschlüsse zu gewährleisten.
Die Steuerverdrahtung zwischen Sicherheitsrelais und Hilfsrelais wird im Kransteuerschrank ab Werk vollständig vorverdrahtet. Nach Abschluss der Vorverdrahtung erfolgt die Verifikation der F-LAD-Logik sowie die Prüfung der Zuordnung zwischen PLC-DO-Ausgängen und Hilfsrelaisspulen über das Safety-Admin-Tool in TIA Portal. Jede Ader ist an beiden Enden mit einem beschrifteten Kabelmarker versehen (der Marker enthält Betriebsmittelkennzeichen und Klemmenbezeichnung, z. B. steht A1 für die K1-Relaisspulenklemme A1). Die Kabelmarker bestehen aus PVC-Schrumpfschlauch (Innendurchmesser 3 mm, Schrumpfverhältnis 2:1) und werden mit einem Beschriftungsgerät (z. B. Phoenix Contact THERMOMARK ROLL) gedruckt; die Schrifthöhe beträgt mindestens 2 mm.
Klemmenleisten und Abgangsverdrahtung
Die Abgangsklemmenleisten des Schaltschranks bilden die Schnittstelle zwischen der internen Verdrahtung und den externen Gerätekabeln. Kelude stattet den Kransteuerschrank mit drei Klemmenleisten aus: XT1 als Stromversorgungsklemmenleiste (einspeiseseitig montiert, für den Gesamtanschluss), XT2 als Steuersignalklemmenleiste (im mittleren rechten Bereich des Schranks, für PLC-DI/DO, Sensorsignale und Kommunikationsleitungen) und XT3 als Motorklemmenleiste (abgangsseitig, für Frequenzumrichter-Ausgänge U/V/W sowie Bremskabel). XT1 verwendet Phoenix Contact PT 35/3-3P (Nennstrom 125 A, Nennspannung 1000 V), XT2 verwendet Phoenix Contact PT 2.5-2P (Nennstrom 24 A, Nennspannung 800 V), XT3 verwendet Phoenix Contact PT 16-4P (Nennstrom 76 A, Nennspannung 1000 V).
Kennzeichnung der Klemmenleisten. Am Anfang jeder Klemmenleiste ist ein Klemmenleisten-Beschriftungsträger (als Hutschienen-Beschriftungsschild) montiert; das Schild trägt die Bezeichnung der Klemmenleiste und den Nummernbereich, z. B. XT2:001-050 (Steuersignalklemmenleiste, Klemmen 1 bis 50). Die Kennzeichnung jeder einzelnen Klemme folgt der gleichen Regel wie bei den Aderendmarkern – z. B. bedeutet „XT2:023“ die 23. Klemme der Klemmenleiste XT2. Die Verdrahtungsreihenfolge folgt dem Prinzip „oben einspeisen, unten abgreifen“: Die Leitungen der Schrankkomponenten werden von oben an die Klemmenleiste angeschlossen, die Kabel der externen Geräte von unten abgeführt.
Abdichtung der Kabeleinführungen. Die Kabeleinführungen am Schrankboden verwenden eine Kombination aus Durchbruchöffnungen und Kabelverschraubungen (Typ PG29 oder PG36) – die Schutzart der Kabelverschraubungen beträgt mindestens IP68, der Innendurchmesser ist auf den Kabelaußendurchmesser abgestimmt (Reduzierdichtringe passen die Verschraubung an unterschiedliche Leiterquerschnitte an). Die eingeführten Kabel werden im Schrank mit einer Wartungsreserve von mindestens 500 mm vorgehalten und an der Einführungsstelle befestigt (Kabelbinder oder -schellen an der Montageplatte); der Befestigungspunkt liegt nicht weiter als 100 mm von der Einführung entfernt. Für Reservekabel sind drei weitere Durchbruchöffnungen mit einem Durchmesser von 32 mm vorgesehen und mit Blindstopfen verschlossen.
Wärmeabfuhr, EMV und Inbetriebnahme
Die Wärmeabfuhr und die EMV-Schutzmaßnahmen des Schaltschranks sind entscheidend für den langfristig stabilen Betrieb der elektrischen Ausrüstung. Berechnung der Verlustleistung: Die Hauptwärmequellen im Schrank sind der Frequenzumrichter G120 (ca. 1200 W bei Volllast), das Schaltnetzteil (ca. 30 W), die PLC-Module (ca. 20 W gesamt) und die Hilfsrelaisgruppe (ca. 15 W gesamt). Die Gesamtverlustleistung beträgt ca. 1265 W. Die natürliche Wärmeabfuhr über die Schrankoberfläche (ca. 2,6 m²) wird auf ca. 200 W geschätzt; die Differenz von 1065 W muss aktiv gekühlt werden. Kühlkonzept: Zwei Axiallüfter (Typ SANYO DENKI 9GV1212P1G03, 120 mm × 120 mm × 38 mm, Luftstrom 94 CFM/Stück, Geräuschpegel 45 dB(A)) werden oben in der Schranktür montiert. Jeder Lüfter ist mit einem Edelstahl-Schutzgitter und einem Filter (Filterfeinheit 10 µm) ausgestattet. Die Lüfter blasen nach unten (Zuluft) – die erwärmte Luft entweicht über das Lüftungsgitter an der Schrankoberseite.
EMV-Schutzmaßnahmen. Der Schaltschrank dient als Schirmgehäuse – alle Türen, Seitenwände und die Dachplatte sind über leitfähige Dichtungen (EMV-Gaskets) elektrisch verbunden; der Übergangswiderstand der Dichtungen beträgt weniger als 10 mΩ/m. Die Motorstromkabel (U/V/W) des Frequenzumrichters werden vor dem Verlassen des Schranks durch eine Ferritdrossel (3 Windungen) geführt; der Innendurchmesser der Drossel beträgt 32 mm, die Impedanz bei 30 MHz mindestens 200 Ω. Die DI/DO-Signalleitungen der PLC werden vor dem Eintritt in das Modul durch eine Schirmklemme geführt (die Schirmung wird an der Montageschiene der PLC mit einer Metallklemme fixiert und geerdet); der Abstand zwischen Schirmklemme und PLC-Modul beträgt maximal 50 mm. Der Punkt-zu-Punkt-Erdungswiderstand der PE-Kupferschiene liegt unter 0,5 Ω; die Kupferschiene ist über eine 16 mm² grün-gelbe Erdungsleitung mit dem Erdungsnetz der Werkstatt verbunden, der Erdungswiderstand beträgt weniger als 4 Ω (konform zur Blitzschutznorm DIN EN 62305).
Werksabnahmeprüfung. Nach Abschluss der Montage wird der Schaltschrank in fünf Schritten geprüft: Schritt 1 – Isolationsprüfung: Messung des Isolationswiderstands der Einspeisung L1/L2/L3 gegen PE mit einem 500-V-Isolationsmessgerät; der Wert muss größer als 1 MΩ sein, der Isolationswiderstand der DI/DO-Signalleitungen gegen PE größer als 5 MΩ. Schritt 2 – Spannungsprüfung: Nach dem Einschalten werden die Einspeisespannung (Drehstrom 380 V ± 10 %), die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils (24 V ± 0,5 V) und der Ladezustand der USV geprüft. Schritt 3 – I/O-Punkt-zu-Punkt-Test: Mit der Force-Funktion von TIA Portal werden alle DI-Eingänge und DO-Ausgänge einzeln geprüft; alle Eingänge müssen nach manueller Auslösung das korrekte Signal an der PLC liefern, alle Ausgänge müssen nach dem Forcen das zugehörige Relais bzw. die Leuchte korrekt ansteuern. Schritt 4 – Kommunikationstest: Prüfung, ob PLC, Frequenzumrichter und Remote-IO-Stationen im PROFINET-Netzwerk online sind und ob der OPC-UA-Server alle 26 Standard-Datenknoten korrekt auslesen kann. Schritt 5 – Alterungstest: Der Schaltschrank wird 24 Stunden im Leerlauf betrieben; die Schrankinnentemperatur wird alle 30 Minuten protokolliert (maximal Umgebungstemperatur + 15 K). Bei Temperaturabweichungen werden die Lüfterfunktion und die Durchgängigkeit der Kühlkanäle überprüft.
