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Vorwort

1 Ablauf und Methoden der Konstruktion

1.1 Entwurfsprozess

1.2 Konstruktion in der Elektrotechnik

2 Gesetzliche Grundlagen und Normung

2.1 Produkthaftung

2.2 Normung

2.2.1 Begriff und Inhalt technischer Normen

2.2.2 Rechtliche Stellung der Normen

2.2.3 Normungsgremien

2.3 Risikobeurteilung und Risikominderung

2.3.1 Risikobeurteilung

2.3.2 Risikominderung

3 Gestaltung elektrischer Geräte und Anlagen

3.1 Sicherheitsgerichtete Konstruktion

3.1.1 Grundsätzliche Gestaltungshinweise

3.1.2 Handlungen im Notfall

3.1.3 Schaltungstechnische Umsetzung

3.2 Bedien- und Anzeigeelemente

3.3 Gefäßsysteme und mechanischer Aufbau

3.3.1 Schränke und Gehäuse aus dem 19-Zoll-Aufbausystem

3.3.2 Mechanischer Aufbau

3.4 Wärmeabführung

3.4.1 Physikalische Grundlagen

3.4.2 Schaltschrankklimatisierung

4 Konstruktionsunterlagen

4.1 Technische Zeichnungen

4.2 Technische Unterlagen in der Elektrotechnik

4.3 Grundlegende Gestaltungshinweise

4.3.1 Format und Faltung

4.3.2 Schriftfeld

4.3.3 Linienarten

4.4 Schaltzeichen

4.5 Beschriftungen

4.5.1 Referenzkennzeichnung  

4.5.2 Verweis auf den Darstellungsort  

4.5.3 Angaben an Verbindungen

5 Pläne und Listen der Elektrotechnik

5.1 Übersichtsschaltplan

5.2 Stromlaufplan

5.2.1 Anwendung

5.2.2 Inhaltliche Gestaltung

5.2.3 Verteilte Darstellung

5.3 Verbindungsschaltplan

5.3.1 Geräteverdrahtungsplan und Verbindungsplan

5.3.2 Anschlussplan und Klemmenplan

5.3.3 Kabelplan

5.4 Anordnungsplan

5.5 Elektropneumatik

5.5.1 Bauelemente

5.5.2 Grundschaltungen

5.5.3 Pläne der Elektropneumatik

5.6 Stückliste

6 Rechnerunterstützte Konstruktion und EPLAN

6.1  Smart Engineering

6.1.1 Konzept

6.1.2 Computer Aided Design (CAD)

6.1.3 CAD in der Elektrotechnik

6.2 Arbeitsweise der Elektro-CAD-Systeme

6.2.1 Systemaufbau

6.2.2 Handlungsablauf

6.2.3 Angrenzende Systeme und Schnittstellen

6.3 Das Programmsystem EPLAN Electric P8

7 Beispiele mit EPLAN

7.1 Hubanlage

7.1.1 Überblick

7.1.2 Programmstart und Oberfläche

7.1.3 Projekte verwalten

7.1.4 Parametereinstellungen

7.1.5 Strukturkennzeichen vorbereiten

7.1.6 Projektseiten

7.1.7 Grafische Bearbeitung

7.1.8 Artikelverwaltung

7.1.9 Projekt prüfen

7.1.10 Pläne und Listen erstellen (Auswertungen)

7.2 Transporttisch

7.2.1 Überblick

7.2.2 Projekt und Projektseiten anlegen

7.2.3 Stromlaufpläne projektieren

7.2.4 SPS-Übersicht anlegen

7.2.5 Pläne und Listen erstellen (Auswertungen)

8 Lösungen

Literatur, Gesetze und Normen

Gerald Zickert


Elektrokonstruktion

Gestaltung, Schaltpläne und Engineering mit EPLAN


5., neu bearbeitete Auflage

Mit 207 Bildern, 27 Tabellen und 60 Aufgaben

Prof. Dr.-Ing. Gerald Zickert

Westsächsische Hochschule Zwickau, Fakultät Elektrotechnik

Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen, Verfahren und Darstellungen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine juristische Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Informationen – oder Teilen davon – entsteht.

Ebenso übernehmen Autoren und Verlag keine Gewähr dafür, dass beschriebene Verfahren usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt deshalb auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen­ und Markenschutz­Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

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Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) – auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung – reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.

Lektorat: Franziska Jacob, M. A.
Herstellung: le-tex publishing services GmbH, Leipzig
Satz: Kösel Media GmbH, Krugzell
Coverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München
Coverrealisierung: Stephan Rönigk

ISBN 978-3-446-45494-1
E-Book ISBN 978-3-446-45700-3

Verwendete Schriften: SourceSansPro und SourceCodePro (Lizenz)
CSS-Version: 1.0

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Vorwort

Das vorliegende Buch entstand im Zusammenhang mit den Vorlesungen Elektrokonstruktion im Grundstudium und Elektroprojektierung im Hauptstudium des Studienganges Elektrotechnik. Sie werden begleitet durch weitere Lehrveranstaltungen insbesondere zu den Themen Elektroenergietechnik, Steuerungstechnik und elektrische Antriebe.

Die Elektrokonstruktion umfasst die Erarbeitung der notwendigen Unterlagen für Herstellung, Betrieb und Wartung einer elektrischen Einrichtung. Dieser Prozess bringt das Wissen mehrerer Fachgebiete in Zusammenhang und erfordert die Beachtung zahlreicher Restriktionen. Von besonderer Bedeutung sind dabei die gesetzlichen Grundlagen und Normen, weshalb in dem vorliegenden Buch zahlreiche Verweise auf aktuelle Normen enthalten sind. Die Normen sollen den Konstrukteur nicht mit Formalismen „bevormunden“, sondern sie sollen als Nachschlagewerk oder als Lösungssammlung eine wichtige Informationsquelle darstellen.

Die europäische Normung ist ein sehr dynamischer Prozess, in dessen Ergebnis zahlreiche neue oder geänderte Normen entstanden sind. Oft ist dies mit der Trennung von gewohnten und viele Jahre genutzten Prinzipien verbunden, wie z. B. von dem Schriftfeld aus dem Jahr 1970.

Zu einer der wichtigsten Aufgaben des Elektrokonstrukteurs gehört es, eine Anlage so zu gestalten, dass von ihr keine Gefährdungen ausgehen, und dies auch nachzuweisen. Aus diesem Grund wird ein Überblick über die Problematik von Risikobeurteilung und Risikominderung gegeben. Es ist bereits jetzt erkennbar, dass die Bedeutung dieses Nachweises weiter steigen wird.

Die Elektrokonstruktion mündet in die Anfertigung der Konstruktionsdokumentationen. Vermittelt werden hierzu Grundkenntnisse für die Erarbeitung von Plänen und Listen der Elektrotechnik, wobei großer Wert auf moderne rechnerunterstützte Konstruktionsmethoden (CAD) gelegt wird. Dabei werden sowohl energietechnische als auch steuerungstechnische und elektropneumatische Komponenten berücksichtigt.

In dieser Grundlagenvermittlung ist das Wissen dargestellt, das nötig ist, bevor man EPLAN einsetzt, und es wird anschließend die Anwendung dieses Wissens in EPLAN an Beispielen aus der Praxis erläutert.

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Zum Erlernen der Arbeit mit EPLAN Electric P8 und zur Anfertigung der Beispiele in diesem Buch wird das Programm EPLAN Education – Version 2.7 eingesetzt.

Eine kostenlose, auf die Ausbildungszeit befristete Version EPLAN Education kann zur Erstellung von Labor- und Abschlussarbeiten im Bereich Elektro-, Fluid- und EMSR-Technik von Schülern, Studenten und Auszubildenden bei der Firma EPLAN Software & Service GmbH & Co. KG über WWW.EPLAN.DE bezogen werden.

Ein erstes durchgängiges Beispiel zeigt einen „Weg durch EPLAN“ und ermöglicht damit, den Umgang mit diesem Elektro-Engineering-System zu erlernen. Die dabei erworbenen Fähigkeiten können danach an einem weiteren Beispiel geübt und erweitert werden. Zusätzliche Funktionen des Programmsystems können auf dieser Basis selbst erarbeitet oder in weiterführenden Lehrgängen bei EPLAN Software & Service erlernt werden.

Mein besonderer Dank gilt der Firma EPLAN Software & Service GmbH & Co. KG für die wertvollen Hinweise bei der Gestaltung dieses Buches.

Gleichfalls danke ich dem Fachbuchverlag Leipzig für die Anregung zu diesem Buch und für die Betreuung dieses Projektes.

Zwickau, September 2018            Gerald Zickert

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Für die Erläuterung der Programmbedienung wird folgende Syntax benutzt:

  • Menüpunkte mit Fettschrift,

  • Menüfenster mit <. . .>,

  • Registerkarten mit /. . ./,

  • Tasten (Bildschirm oder Tastatur) mit [. . .],

  • Befehlsfolgen durch → getrennt,

  • beispielhafte Einträge kursiv.

Ablauf und Methoden der Konstruktion

Die Konstruktion beinhaltet den Entwurf eines technischen Erzeugnisses, wobei im Mittelpunkt die Anfertigung technischer Zeichnungen zur Dokumentation des Entwurfsergebnisses steht. Ein technisches Erzeugnis kann eine Anlage, eine Maschine oder ein einzelnes Bauteil sein. Die Elektrokonstruktion befasst sich mit dem Entwurf eines elektrotechnischen Erzeugnisses – einer elektrischen bzw. elektronischen Anlage oder eines Gerätes.

1.1 Entwurfsprozess

Im Zentrum der Konstruktion steht der Entwurfsprozess (Bild 1.1). Dies ist ein zyklischer und sich der Lösung schrittweise nähernder (iterativer) Prozess der Bestimmung und ständigen Detaillierung einer Struktur (Synthese) bei gleichzeitiger Prüfung auf Erfüllung der geforderten Funktion (Analyse).

 

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Bild 1.1 Entwurfsprozess

Das ist am Beispiel des Softwareentwurfes leicht nachvollziehbar. Basierend auf einer Aufgabenstellung (Sollfunktion) wird ein Programm (Struktur) im ersten Entwurf geschrieben. Das ist die Synthese. Danach folgt ein erster Test des Programms auf Erfüllung der geforderten Funktion. Das ist die Analyse. Meist ist das Programm in diesem Entwurfsstadium noch fehlerhaft, weshalb in der nächsten Iteration weiter an der Struktur gearbeitet wird. Dieser Zyklus wird durchlaufen bis das Programm fehlerfrei arbeitet.

Die Synthese kann auch als Abbildung einer Funktion in eine Struktur verstanden werden. Diese Abbildung ist mehrdeutig, da es für eine Aufgabe meist mehrere Lösungen gibt. Der Entscheidungsspielraum wird jedoch durch Anforderungen des Auftraggebers, durch Vorschriften und Normen sowie durch weitere Randbedingungen eingeschränkt. Die Analyse ist die Abbildung einer Struktur in eine Funktion und ist im Allgemeinen eindeutig.

In der Norm VDI 2221 werden der Konstruktionsprozess und die Konstruktionsphasen ausführlich beschrieben. Die Konstruktionsphasen lassen sich zu fünf Schwerpunkten zusammenfassen:

Zu den Randbedingungen gehören neben den Vorschriften und Normen die Umgebungs- und Aufstellungsbedingungen, aber auch wirtschaftliche Gesichtspunkte.

1.2 Konstruktion in der Elektrotechnik

Der zunächst allgemein beschriebene Konstruktionsprozess lässt sich auch auf den Bereich der Elektrotechnik/Elektronik anwenden. Es handelt sich ebenfalls um einen mehrschrittigen Prozess der Lösungssuche, welcher mit der Klärung der Aufgabenstellung beginnt und dessen Ziel die detaillierte Dokumentation des konstruierten Gerätes oder der Anlage ist (Bild 1.2).

Die Elektroprojektierung ist ein Informationsverarbeitungsprozess, in dem Informationen über industriell hergestellte und katalogisierte Betriebsmittel zu komplexen Informationen über elektrische Anlagen verarbeitet werden. Dieses einmalige und neue Vorhaben, das Projekt, ist durch eine Aufgabenstellung, eine spezifische Ablauforganisation sowie durch zahlreiche Randbedingungen geprägt.

Die Aufgabenstellung wird als Ergebnis der Aufgabenklärung zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer vereinbart. Der Auftraggeber erstellt hierzu das Lastenheft als Ausschreibungsgrundlage mit einer Zusammenstellung aller Anforderungen an das Konstruktionsergebnis. Als Grundlage für die Realisierung erarbeitet der Auftragnehmer nach Auftragserteilung das Pflichtenheft, in dem er die Umsetzung der Forderungen aus der Aufgabenstellung beschreibt. Häufig ist hierzu bereits ein Grobentwurf in Form einer Vorstudie notwendig, da grundlegende Fragen der Realisierung bereits in dieser Phase geklärt werden müssen. Das Lastenheft wird zum Bestandteil des Pflichtenheftes. Angaben zu Inhalt und Gliederung dieser Unterlagen können der VDI/VDE 3694 entnommen werden.

Eine zweckmäßige Ablauforganisation unter Nutzung von Methoden des Projektmanagements sichert die planmäßige Bearbeitung des komplexen Arbeitsgebietes, welches Schnittstellen zu zahlreichen Fachgebieten aufweist und vom ständigen technologischen Wandel geprägt ist. Eine besondere Bedeutung haben in diesem Zusammenhang die Terminplanung und die Kostenplanung sowie deren strikte Kontrolle.

 

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Bild 1.2 Konstruktionsprozess

Randbedingungen aus der Aufgabenstellung schränken den Entscheidungsspielraum des Projektanten bzw. des Konstrukteurs ein. Die wichtigste Forderung ist die Beachtung des anerkannten Standes der Elektrotechnik, auf den zahlreiche Gesetze verweisen. Die Einhaltung von gesetzlichen Vorschriften und von Sicherheitsnormen hilft, Unfälle und Havarien mit hohen Folgekosten zu vermeiden. In diesem Zusammenhang ist ebenfalls die Betrachtung der Zuverlässigkeit und der Qualität des konstruierten Produktes von großer Bedeutung.

Die Umgebungs- und Aufstellungsbedingungen beinhalten neben den Anschlussbedingungen und Platzverhältnissen auch klimatische, mechanische und elektromagnetische Einflüsse sowie die notwendige Überspannungsfestigkeit.

Wirtschaftliche Gesichtspunkte werden außer vom Preis auch durch Erfahrungen mit Herstellern und Lieferanten geprägt. So werden in diesem Fall durch den Auftraggeber mittels Freigabelisten einzelne Hersteller oder Produkte vorgeschrieben, für die bereits positive Erfahrungen vorliegen.

Die Gestaltung des Gerätes bzw. der Anlage umfasst ein komplexes Tätigkeitsfeld, für das Informationen aus zahlreichen Fachgebieten notwendig sind und gemäß der Aufgabenstellung in Übereinstimmung gebracht werden müssen (Bild 1.3). Die Konstruktion ist ein integratives Arbeitsgebiet, da Wissen in Zusammenhängen anzuwenden ist.

 

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Bild 1.3 Arbeitsgebiete der Konstruktion

Zur Tätigkeit des Konstrukteurs gehört wesentlich mehr als „nur“ die Anfertigung von technischen Zeichnungen. Dennoch sind Zeichnungen und Pläne ein wichtiges Verständigungsmittel in den technischen Abteilungen eines Unternehmens. Sie dokumentieren das Arbeitsergebnis des Konstrukteurs und sind Grundlage für die anschließende Fertigung des konstruierten Gerätes oder der Anlage.

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Aufgabe 1.1

Nennen Sie die Hauptkomponenten des Konstruktionsprozesses. Welche Restriktionen müssen bei der Konstruktion beachtet werden?

Aufgabe 1.2

Worin besteht der Unterschied zwischen Lastenheft und Pflichtenheft?

Gesetzliche Grundlagen und Normung