Autoren: Dr. Michael Dzieia, Heinrich Hübscher, Dieter Jagla, Jürgen Klaue, Michael Krehbiel, Roland Stolzenburg, Ludwig Wenzl, Harald Wickert

Herausgeber: Heinrich Hübscher

Elektrotechnik Gesamtband■ Energie- und Gebäudetechnik■ Betriebstechnik■ Automatisierungstechnik

5. Auflage

Bestellnummer 231050

Zusatzmaterialien zu Elektrotechnik Gesamtband

Für Lehrerinnen und Lehrer:

Lehrerlizenz BiBox Dauerlizenz: 978-3-14-103952-8

Kollegiumslizenz BiBox Dauerlizenz: 978-3-14-103955-9 Kollegiumslizenz BiBox Schuljahr: 978-3-14-107643-1

Für Schülerinnen und Schüler:

Schülerlizenz BiBox Schuljahr: 978-3-14-103951-1

© 2021 Bildungsverlag EINS GmbH, Ettore-Bugatti-Straße 6-14, 51149 Köln, www.westermann.de

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Druck und Bindung: Westermann Druck GmbH, Georg-Westermann-Allee 66, 38104 Braunschweig

ISBN 978-3-14-231050-3

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VorwortDas fachsystematisch aufgebaute Buch der Elektro-technik lässt sich im Unterricht der Berufsschule in allen Ausbildungsjahren der Fachrichtungen• Energie- und Gebäudetechnik,• Betriebstechnik und• Automatisierungstechnik einsetzen.

Da im Buch die wesentlichen Inhalte der Elektrotech-nik übersichtlich und lernwirksam aufbereitet worden sind, kann es auch in• Berufsfachschulen,• Fachschulen,• Fachoberschulen und• Fachgymnasien verwendet werden.

Auf der Grundlage der Rahmenlehrpläne sind im In-haltsverzeichnis (S. 4 bis 8) die Lerninhalte der Haupt-kapitel den Lernfeldern zugeordnet worden (Ziffern).

Beispiel:

Bedeutung der Farben:

Je nach Lernsituation im Unterricht werden sich ggf. andere Zuordnungen ergeben.

Das Buch ist so gestaltet, dass es außer zur Unterstüt-zung des Unterrichts auch in der Weiterbildung und selbstständigen Erarbeitung von Bildungsinhalten die-nen kann. Somit werden das Vorbereiten, Nachbe-reiten sowie das Nachholen von versäumtem Unter-richtsstoff ermöglicht.

Praxisnähe – veranschaulicht durch mehrfarbige Ab-bildungen sowie ausführlich erklärende und herlei-tende Darstellungen – unterstützen die Lernmotiva-tion. Abstrakte elektrotechnische Vorgänge werden gründlich erklärt und durch Schaltpläne und Fotos verdeutlicht.

Am Ende von Lernsequenzen befinden sich farblich unterlegte Merksätze. Sie enthalten in kurzer Form die wesentlichen Lerninhalte und dienen der Festigung des Lehrstoffs.

Mit den Aufgaben im Buch kann der Lehrstoff vertieft und wiederholt werden.

Wichtige Fachbegriffe sind im Text durch Fettdruck hervorgehoben worden. Die entsprechenden engli-schen Fachbegriffe befinden sich dahinter in eckigen Klammern. Alle wichtigen Begriffe sind im Sachwort-verzeichnis aufgeführt.

Die Texte sind in der Regel so verfasst, dass über-sichtliche Lernsequenzen entstehen. In vielen Fällen geschieht dies auf gegenüber liegenden Seiten.

Durch Kapitelverweise werden Zusammenhänge her-gestellt (Vorwärts- und Rückwärtsverweise).

Aufgrund der technologischen Weiterentwicklung sind gegenüber der 4. Auflage folgende Änderungen vor-genommen worden:– Durchgängige Aktualisierung der Normen und Vor-

schriften– Aufnahme neuer Normen und Vorschriften– Austausch von Fotos gegen aktuelle Fotos– Kapitel 4 (Informationstechnik) wurde vollständig

überarbeitet und an den gegenwärtigen Stand der Technik angepasst.

– Kap. 9.2 (Telekommunikationsanlagen) und Kap. 9.2 (Empfangsverteilanlagen) wurden vollständig überarbeitet.

– Im Kap. 11 (Automatisierungstechnik) wurden Bus-systeme aktualisiert und erweitert.

Für Hinweise und Verbesserungsvorschläge sind die Autoren und der Verlag jederzeit aufgeschlossen und dankbar.

Autoren und Verlag

Braunschweig 2021

Vorwort / Foreword

2.1 Gefahren durch elektrischen Strom 952.2 Arbeitsschutz und Sicherheit 972.3 Hausverteilung 99

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Lernfelder Energie- und Gebäudetechnik

Lernfelder Automatisierungstechnik

Lernfelder Betriebstechnik

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Inhalt / Content

1 Grundlagen der Elektrotechnik

1.1 Elektrizität in Natur und Technik 91.2 Größen der Elektrotechnik 101.2.1 Grundgrößen 101.2.2 Elektrischer Strom 111.2.3 Elektrische Ladung 121.2.4 Elektrische Stromstärke 131.2.5 Stromleitung in Metallen,

Flüssigkeiten und Gasen 141.2.6 Elektrische Spannung 161.2.7 Wechselspannung 171.2.8 Messen von Spannung und

Stromstärke 181.2.9 Anzeige bei Messgeräten 191.2.10 Elektrischer Widerstand 221.2.11 Zusammenhang zwischen

Spannung und Stromstärke 241.2.12 Zusammenhang zwischen

Widerstand und Stromstärke 261.2.13 Elektrische Leistung 281.2.14 Leistung und Widerstand 291.2.15 Elektrische Arbeit und Energie 311.2.16 Elektrische Energie und Wärme 331.2.17 Leiterwiderstand 341.2.18 Widerstand und Temperatur 351.3 Schaltungen 361.3.1 Schaltungen mit Widerständen 361.3.1.1 Parallelschaltung 361.3.1.2 Reihenschaltung 371.3.1.3 Gruppenschaltungen 391.3.1.4 Brückenschaltung 411.3.1.5 Vorwiderstand, Spannungsteiler 421.3.1.6 Spannungsfall auf Leitungen 431.3.2 Schaltungen mit Spannungsquellen 441.3.2.1 Innenwiderstand 441.3.2.2 Ideale Spannungs- und Stromquellen 451.3.2.3 Anpassung 461.3.2.4 Reihenschaltung 461.3.2.5 Parallelschaltung 471.3.2.6 Elektrochemische Spannungsquellen 481.4 Elektrisches Feld 501.4.1 Elektrische Feldeigenschaften 501.4.2 Kondensatoren 511.4.3 Schaltungen mit Kondensatoren 541.5 Magnetisches Feld 551.5.1 Magnetische Feldeigenschaften 551.5.2 Stromdurchflossene Leiter im

Magnetfeld 561.5.3 Kräfte im Magnetfeld 581.5.4 Spannung durch Magnetfelder 601.5.4.1 Induktion der Bewegung 601.5.4.2 Induktion der Ruhe 611.5.5 Spulen 641.6 Wechselspannung 661.6.1 Wechselspannungserzeugung 661.6.2 Darstellung und Kenngrößen 671.6.3 Effektivwerte 701.6.4 Nichtsinusförmige Wechselspannungen 711.7 Spulen im Wechselstromkreis 741.7.1 Widerstand der Spule 741.7.2 Reihenschaltung aus R und XL 75

1.7.3 Parallelschaltung aus R und XL 801.8 Kondensatoren im

Wechselstromkreis 821.8.1 Widerstand des Kondensators 821.8.2 Reihenschaltung aus R und XC 831.8.3 Parallelschaltung aus R und XC 841.9 Spulen, Kondensatoren und

Wirkwiderstände im Wechsel- stromkreis 86

1.9.1 Reihenschaltung aus R, XC und XL 861.9.2 Parallelschaltung aus R, XC und XL 881.10 Drei-Phasen-Wechselspannung 901.10.1 Spannungserzeugung 901.10.2 Belastetes Drehstromnetz 921.10.2.1 Sternschaltung 921.10.2.2 Dreieckschaltung 931.10.2.3 Unsymmetrische Belastung 94

2 Elektrische Installationen 2.1 Gefahren durch elektrischen Strom 952.2 Arbeitsschutz und Sicherheit 972.3 Hausverteilung 992.3.1 Hausanschlussraum 992.3.2 Zähler 1032.3.3 Stromkreisverteiler 1062.3.4 Schaltpläne 1102.4 Leitungsverlegung 1132.4.1 Leitungsarten 1132.4.2 Überstrom-Schutzorgane 1152.4.2.1 Leitungs-Schutzsicherung 1152.4.2.2 Leitungsschutz-Schalter 1172.4.2.3 Bemessung und Anordnung

von Überstrom-Schutzorganen 1192.4.3 Auswahl von Leitungen 1202.4.3.1 Einflüsse 1202.4.3.2 Ermittlung des Leiterquerschnitts 1222.4.3.3 Korrektur der Strombelastbarkeit 1242.5 Kalkulation und Angebot 1272.6 Installationsdurchführung 1292.6.1 Installationsformen 1292.6.2 Installationsarten 1302.6.3 Installationszonen 1322.6.4 Elektroinstallation in der Küche 1332.6.5 Elektroinstallation im Bad 1342.7 Schutzmaßnahmen 1362.7.1 Fehlerstromkreis 1362.7.2 Spannungsbereiche, Schutz-

klassen und Schutzarten 1372.7.3 Schutzmaßnahmen – Überblick 1392.7.4 Basisschutz und Fehlerschutz 1402.7.5 Basisschutz 1422.7.6 Fehlerschutz 1442.7.6.1 Doppelte oder verstärkte Isolierung 1442.7.6.2 Schutztrennung 1452.7.6.3 Nicht leitende Umgebung 1462.7.6.4 Erdfreier örtlicher Schutzpotenzial-

ausgleich 1462.7.6.5 Abschaltung im TN-System 1472.7.6.6 Abschaltung im TT-System 1502.7.6.7 Abschaltung im IT-System 1512.7.6.8 Übersicht: Verteilungssysteme 1522.7.7 Schutzpotenzialausgleich und Erdung 153

Lernfelder Energie- und Gebäudetechnik Lernfelder AutomatisierungstechnikLernfelder Betriebstechnik

5Inhalt / Content

2.7.8 Anlagenschutz 1542.7.9 Schutz vor Ausgleichsströmen 1562.7.9.1 Problemdarstellung 1562.7.9.2 Netzumrüstung 1572.7.9.3 Differenzstromüberwachung 1592.7.10 Schutz vor Oberschwingungen 1602.7.10.1 Belastungsfälle in Energieverteil-

systemen 1602.7.10.2 Messen von Oberschwingungen 1612.7.10.3 Netzfilter 1642.8 Besondere Bereiche und Anlagen 1662.9 Prüfen und Messen 1702.9.1 Übersicht 1702.9.2 Erstprüfung 1702.9.3 Besichtigung 1712.9.4 Niederohmmessung 1712.9.5 Isolationswiderstand 1732.9.6 Erdungswiderstand 1742.9.7 Schleifenimpedanz 1752.9.8 Netzinnenwiderstand 1762.9.9 Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 1772.9.10 Drehrichtung 1782.9.11 Funktionsprüfung 1782.9.12 Prüfplan 1792.9.13 Dokumentation 1802.9.14 Wiederkehrende Prüfung 1822.10 Nutzereinweisung 1852.11 Schritte einer Elektroinstallation 1872.12 Rechnung 188

3 Steuerungstechnik 3.1 Steuerungsprinzip 1893.1.1 Steuern 1893.1.2 Steuerungsarten 1913.1.3 GRAFCET 1923.1.4 Signale 1933.1.5 Bedienelemente 1943.2 Sensoren 1953.2.1 Übersicht 1953.2.2 Temperatursensoren 1963.2.3 Druck- und Kraftsensoren 1973.2.4 Durchflusssensoren 1983.2.5 Füllstandssensoren 1993.2.6 Positionssensoren 2003.2.7 Näherungssensoren 2003.3 Aktoren 2033.3.1 Übersicht 2033.3.2 Aktoren mit elektrischer Hilfsenergie 2043.3.3 Thermische Aktoren 2053.3.4 Aktoren für Strömungen 2063.4 Digitaltechnik 2073.4.1 Logische Grundschaltungen 2073.4.2 Schaltnetze 2093.4.3 Speicherschaltungen 2113.4.4 Monostabile Kippstufen 2133.4.5 Zähler 2143.5 Steuerrelais 2153.6 Relais und Schütze 2193.6.1 Relais 2193.6.2 Schütze 2213.6.3 Anwendungen 2223.7 Pneumatik 224

4 Informationstechnik 4.1 Nachricht, Information und

Kommunikation 2274.2 Computertechnik 2284.2.1 Aufbau und Arbeitsweise eines

Computers 2284.2.2 PC-Erweiterungen, PCI 2324.2.3 Parallele Datenübertragung 2344.2.4 Serielle Datenübertragung 2354.2.5 USB – Universal Serial Bus 2364.2.6 PC-Anschlüsse 2374.2.7 Tonverarbeitung 2384.2.8 Grafikverarbeitung 2394.2.9 Festplatten 2404.2.10 SSD – Solid State Disc 2414.2.11 Speicherkarten 2424.2.12 Optische Datenträger 2434.3 Peripheriegeräte 2444.3.1 Ein- und Ausgabegeräte – Übersicht 2444.3.2 Tastatur 2454.3.3 Zeigegeräte 2454.3.4 Maus 2464.3.5 Grafiktablett 2464.3.6 Berührungsempfindliche

Eingabegeräte 2474.3.7 Scanner 2484.3.8 Drucker 2494.3.9 Computerbildschirm 2514.4 Computernetzteil 2534.5 Software 2544.6 Betriebssysteme 2564.7 Netzwerke (Netze) 2574.7.1 Einteilung und Bezeichnungen 2574.7.2 Netzwerktopologien 2574.7.3 Netzwerkkomponenten 2594.7.4 Client-Server-Modell (Prinzip) 2604.7.5 Netzwerkprotokolle 2624.7.6 Ethernet-II-Rahmen 2644.7.7 IP-Adressen 2664.7.8 Domänen-Name-System

(Domain Name System) 2684.7.9 MAC-Adresse 2694.7.10 Netzwerkkabel 2704.7.11 Verkabelung 2724.7.12 WLAN 2734.8 Internet 2744.8.1 Aufbau und Dienste 2744.8.2 Informationsbeschaffung 2754.8.3 Ports 2764.8.4 Datenschutz 2774.8.5 Zugriffsschutz 2784.8.6 Schadsoftware 2794.8.7 Firewall 2804.8.8 Datensicherung 280

5 Elektroenergieversorgung 5.1 Kraftwerke 2815.2 Brennstoffzellen 2835.3 Kraft-Wärme-Kopplung 2845.4 Energieverteilung 286

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6 Inhalt / Content

5.4.1 Verbundnetz 2865.4.2 Niederspannungsnetz 2875.5 Transformatoren 2905.5.1 Einphasentransformator 2905.5.2 Sondertransformatoren 2935.5.3 Drehstromtransformatoren 2945.6 Photovoltaik 2965.6.1 Solarmodule 2965.6.2 Komponenten einer PV-Anlage 2985.6.3 Installation einer PV-Anlage 3005.7 Unterbrechungsfreie Strom-

versorgung 3035.7.1 Einsatz und Klassifizierung 3035.7.2 USV-Auswahl 3055.7.3 USV-Management 3065.8 Kompensationsanlagen 3075.8.1 Kompensationsarten 3075.8.2 Kompensation bei sinusförmiger

Belastung 3085.8.3 Kompensation bei nichtsinus-

förmiger Belastung 3115.8.4 Kompensation und Rundsteuer-

signale 3145.8.5 Aktive Filter 3155.9 Schaltanlagen 3165.9.1 Aufbau 3165.9.2 Schaltgeräte 3185.9.3 Antriebe von Leistungsschaltern 3215.9.4 Zähleranschluss 3225.9.5 Schalthandlungen 3245.9.6 Schutzsysteme 3265.10 Fehlersuche 3325.11 Instandhaltung 3385.12 Funktionserhalt 341

6 Elektronik6.1 Halbleiterwiderstände 3436.1.1 Halbleiter 3436.1.2 Spannungsabhängige Widerstände 3436.1.3 Temperaturabhängige Widerstände 3446.1.4 Lichtabhängige Widerstände 3466.1.5 Magnetabhängige Widerstände 3466.2 Dioden 3476.2.1 Funktion und Aufbau 3476.2.2 Leuchtdioden 3496.2.3 Gleichrichterschaltungen 3506.2.4 Spannungsstabilisierung 3526.3 Elektronische Schalter 3536.3.1 Prinzip 3536.3.2 Transistor als Schalter 3546.3.2.1 Bipolare Transistoren 3546.3.2.2 Feldeffekttransistoren 3566.3.3 Thyristoren 3576.3.4 Triac 3596.3.5 Elektronische Relais 3616.4 Verstärker 3626.4.1 Verstärkungsprinzip 3626.4.2 Verstärker mit bipolaren Transistoren 3636.4.3 Verstärker mit Feldeffekttransistoren 3656.4.4 Operationsverstärker 3666.5 Netzteile 369

7 Speicherprogrammierbare Steuerungen

7.1 Aufbau und Funktion einer SPS 3717.2 Auswahl einer SPS 3747.3 Programmieren einer SPS 3787.3.1 Zyklischer Programmablauf 3787.3.2 Programmdarstellungen 3807.3.3 Operanden 3817.3.4 Operationen 3827.3.5 Merker 3847.3.6 Timer 3867.3.7 Zähler 3877.3.8 Programmbausteine und -strukturen 3887.4 Programmierbeispiel

Schrankenanlage 3907.4.1 Programmstruktur und Projekt anlegen 3907.4.2 Hardwarekonfiguration 3917.4.3 Schranke aufwärts 3927.4.4 Schranke abwärts 3967.4.5 Zählen der Parkplätze 3987.4.6 Programmsimulation 3997.4.7 Installation und Inbetriebnahme 4007.4.8 Dokumentation und Rechnung 402

8 Antriebstechnik8.1 Drehstrommotoren 4038.1.1 Drehfeld 4038.1.2 Leistung und Drehmoment 4058.1.3 Asynchronmotoren 4058.1.3.1 Übersicht 4058.1.3.2 Kurzschlussläufer-Motor 4068.1.3.3 Schleifringläufer-Motor 4098.1.4 Drehstrommotor an Wechselspannung 4118.1.5 Kondensatormotor 4128.1.6 Synchronmotoren 4138.1.7 Motorauswahl 4158.2 Steuerung von Drehstrom-

motoren 4198.2.1 Motorschutz 4198.2.2 Anlassverfahren 4238.2.2.1 Grundsätzliche Probleme 4238.2.2.2 Vorwiderstände 4238.2.2.3 Anlasstransformator 4238.2.2.4 Stern-Dreieck-Anlassen 4248.2.2.5 Sanftanlaufgeräte 4268.2.2.6 Frequenzumrichter 4298.2.3 Bremsbetrieb 4338.2.4 Drehrichtung 4348.2.5 Drehzahländerung 4358.3 Stromwendermaschinen 4378.3.1 Gleichstromgeneratoren 4378.3.2 Gleichstrommotoren 4408.3.2.1 Arbeitsweise 4408.3.2.2 Motorschaltungen 4428.3.2.3 Motorsteuerung 4448.3.2.4 Bremsbetrieb 4478.3.3 Universalmotor 4488.4 Energieeffizienz 4498.5 Servoantriebe 4518.5.1 Sychron-Servomotor 4518.5.2 Asynchron-Servomotor 4538.5.3 Linear-Servomotor (Linearmotor) 454

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7 Inhalt / Content

8.5.4 Bremsen von Servomotoren 4558.5.5 Gebersysteme 4568.5.6 Messsysteme für lineare Servomotoren 4588.5.7 Servo-Umrichter 4608.6 Spaltpolmotor 4618.7 Schrittmotor 462

9 Kommunikationstechnik9.1 Gebäudesystemtechnik 4639.1.1 KNX-System 4639.1.2 KNX-Installation 4649.1.3 Programmierung 4669.1.4 Inbetriebnahme 4709.1.5 Programmierumgebung 4729.2 Telekommunikationsanlagen 4759.2.1 Telekommunikation 4759.2.2 IP-basierte Telekommunikation 4769.2.3 Datenübertragung im TK-Netz 4789.2.5 Analoge Telefonstecker und Dosen 4819.2.6 ISDN 4839.2.7 Mobile Kommunikation 4859.2.8 Videokonferenzsysteme 4869.3 Gefahrenmeldeanlagen 4889.3.1 Sicherheitstechnik 4889.3.2 Begriffe 4899.3.3 Objekte für Einbruchmeldeanlagen 4919.3.3.1 Melder zur Außenhautsicherung 4919.3.3.2 Melder zur Innenraumsicherung 4929.3.3.3 Überfallmelder 4939.3.3.4 Brandmelder 4949.3.3.5 Meldelinien 4969.3.3.6 Schalteinrichtungen 5009.3.3.7 Einbruchmeldezentrale 5019.3.4 Installation 5029.3.5 Videoüberwachung 5049.4 Empfangsverteilanlagen 5069.4.1 TV-Standards 5069.4.2 Terrestrischer Fernsehempfang 5099.4.3 Nutzung bestehender Antennen-

anlagen 5109.4.4 Pay-TV 5139.4.5 HbbTV 5139.4.6 DVB-C 5149.4.7 DVB-S 5159.4.8 Installation einer Satelliten-

Empfangsanlage 517

10 Haustechnik10.1 Hausgeräte und -anlagen 51910.1.1 Elektroherde und Backöfen 51910.1.2 Mikrowellengeräte 52210.1.3 Kühl- und Gefriergeräte 52310.1.4 Geschirrspüler 52410.1.5 Waschmaschinen 52510.1.6 Warmwassergeräte 52610.1.7 Prüfen und Messen 53010.2 Beleuchtungsanlagen 53210.2.1 Einflussgrößen 53210.2.2 Kennzeichnung von Leuchten 53410.2.3 Lampen 53410.2.3.1 Lampenarten 53510.2.3.2 Glühlampen 535

10.2.3.3 Halogenlampen 53610.2.3.4 Leuchtstofflampen 53810.2.3.5 Hochdrucklampen 54110.2.3.6 LED-Lampen 54210.2.3.7 Entsorgung 54310.2.3.8 Energieeffizienz 54410.2.4 Beleuchtungsbeeinflussung 54410.2.4.1 Prinzipien 54410.2.4.2 Dimmen 54510.2.4.3 Digitale Steuerung 54610.2.5 Sicherheitsbeleuchtung 54810.3 Installation von Beleuchtungs-

anlagen 55110.3.1 Hallenbeleuchtung 55110.3.2 Bürobeleuchtung 55610.3.3 Prüfung und Wartung 55810.4 Gebäudeautomation 55910.5 Funksysteme 56010.6 Überspannungsschutz 56110.6.1 Auswirkungen von Überspannungen 56110.6.2 Äußerer Blitzschutz 56210.6.3 Innerer Blitzschutz 56510.6.4 Prüfung und Wartung 568

11 Automatisierungstechnik11.1 Regelungstechnik 56911.1.1 Steuern und Regeln 56911.1.2 Regelkreis 57011.1.3 Regelstrecken 57211.1.4 Regelkreisverhalten 57511.1.5 Grundschaltungen stetiger Regler 57611.1.6 Zusammengesetzte Regler 57811.1.7 Reglereinstellungen mit Tabellen 58011.1.8 Digitale PID-Regler 58111.1.9 Unstetige Regler 58211.2 Ebenen der Automatisierungs-

technik 58311.3 Industrial Ethernet 58411.4 Bussysteme 58611.4.1 AS-Interface 58611.4.2 PROFIBUS 58711.4.3 PROFINET 58811.4.4 EtherNet/IP 59011.4.5 EtherCAT 59111.4.6 CC-Link 59211.4.7 CC-Link IE 59311.4.8 Modbus 59411.5 IO-Link 59511.6 Steuerungen in automatisierten

Anlagen 59611.6.1 Bibliotheksfähige Funktionen (FC) 59611.6.2 Bibliotheksfähige Funktionsbau-

steine (FB) 59911.6.3 Ablaufsteuerung mit Schrittmerkern 60211.6.4 Ablaufsteuerung mit S7-GRAPH 60311.6.5 Standardisierte Ablaufsteuerung 60511.7 Sicherheit in Steuerungen 60811.7.1 Risikobewertung 60811.7.2 Performance Level 60911.7.3 Elektrische Ausrüstung von

Maschinen 613

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8 Inhalt / Content

11.7.4 Sicherheits-Lichtvorhänge und -Lichtgitter 615

11.7.5 Sicherheitssysteme 61611.8 EMV 617

12 Betrieb und Umfeld12.1 Betriebliche Arbeit 61912.1.1 Arbeitsschutz 61912.1.2 Arbeitsorganisation 62012.1.3 Teamarbeit 62212.1.4 Kommunikation 62312.1.5 Konflikt 62312.1.6 Projekt 62412.1.7 Qualität und Qualitätssicherung 62512.2 Umgang mit Kunden 62612.2.1 Kundenberatung 62712.2.2 Auftragsbearbeitung 62812.2.3 Kostenkalkulation 629

12.3 Darstellung von Ergebnissen 63012.3.1 Präsentation 63012.3.2 Visualisierung 63212.3.3 Berichte 63312.3.4 Lastenheft und Pflichtenheft 63312.3.5 Moderation 63412.4 Lernen und Weiterbildung 63512.4.1 Informationsaufbereitung 63512.4.2 Informationsbeschaffung 636 Sachwortverzeichnis deutsch/englisch 638Bildquellenverzeichnis 656

Lernfelder Energie- und Gebäudetechnik Lernfelder AutomatisierungstechnikLernfelder Betriebstechnik

10

*

*

11

*

*

11

*

*

*

*

*

*

*

*

* Übergreifende Themen für unterschiedliche Lernfelder

Leistung P

Weitere Einflussfaktoren

AderzahlVerlegeart Temperatur

Ib ①

Ir ②

qn, vorl ③

IZ ④⑦

⑤

qn,vorl

qn,vorl erhöhen

qn,vorl

⑥

⑧

IZ > Ibnein

ja

∆U berechnen

∆U < ∆Uzul

ja

nein

qn

Δu: Prozentualer SpannungsfallUN: Bemessungsspannung∆u = ∆U

UN· 100 %

u in V

300

230200

100

0 t in ms

2,5 5 10 15 20

T

④③①

②

⑥ ⑤

– Text

– Abbildung

Maximalwert (Amplitude [amplitude]) û ②

Zusammenhang zwischen Text und AbbildungDurch die blauen Kreise mit Zahlen ① wird der Zu-sammenhang zwischen dem Text und der dazugehöri-gen Abbildung hergestellt (Verknüpfung zwischen Text und Abbildung).

FlussdiagrammeFlussdiagramme verdeutlichen Zusammenhänge und Abhängigkeiten.

FormelnFormeln sind in roter Schrift gesetzt worden und treten deutlich aus dem umgebenden Text hervor.

WirkungskettenMit Wirkungsketten werden Abhängigkeiten herausge-stellt und verdeutlicht (Ursache und Wirkung, Wenn-Dann-Beziehung).

ϑ ↓ ⇒ RPTC ↑ ⇒ U ↓

Hinweise zum Buch

99

①

2.3.1Hausanschlussraum/Serviceentranceroom

2.3 Hausverteilung2.3.1 Hausanschlussraum

InAbb.5ist ineinerSchnittdarstellungfüreinWohn-haus die elektrische Hausinstallation mit wichtigen Komponenten dargestellt. Die elektrische Energie gelangt über das Spannungsnetz des VNB (Verteil-netzbetreiber[distributionnetworkoperator],s.Kap.1.10.1) in dasWohnhaus. Die Einspeisung kann übereinen Freileitungsanschluss oder einen unterirdischen Kabelanschluss erfolgen. In neuen Wohngebieten ist in der Regel ein Kabelanschluss vorhanden.

Im Hausanschlussraum [service entrance room] (Abb. 5 ①) des Wohnhauses sind folgende Einrichtun gen zur Verteilung der elektrischen Energie installiert:• Hausanschlusskasten(HAK)• Haupterdungsschiene• HauptverteilermitArbeitszähler

Anforderungen an den Hausanschlussraum

In jedem Wohngebäude mit mehr als zwei Wohnungen ist ein gesonderter Hausanschlussraum (Abb. 4) erfor-derlich. In Ein- und Zweifamilienhäusern ist dieser zentraleVersorgungsraumzwarnichtvorgeschrieben,jedoch durchaus sinnvoll. In ihm sind alle zur Versor-gung notwendigen Anschlussleitungen (elektrische Energie, Wasser, Gas, Telekommunikation,…) undderen Verteileinrichtungen untergebracht.

Bei der Planung und Auswahl des Hausanschluss-raumssindnachDIN18012folgendeVorgabeneinzu-halten:– Der Raum muss im Untergeschoss an einer Außen-

wand liegen.

4: Hausanschlussraum

5: Elektroinstallation in einem Wohnhaus

– Der Raum muss leicht und jederzeit begehbar sein und darf nicht als Durchgang zu weiteren Räumen dienen.

– Der Raum darf nicht für andere Zwecke genutztwerden.

Maße in mm

500 80

0

mind. 1800

mind. 200

0

Haupt-erdungsschiene

Durchgang ≥ 1200

Raumhöhe ≥ 2000

min

d. 2

000

Leuchte mit einemSchalter an der Türsowie eine Steck-dose für Wartungs-arbeiten

Elektrische Ein-richtungen nichtan einer gemein-samen Wand mitVersorgungsleitun-gen für Gas undWasser montieren.

Die Anschlussfahnedes Fundament-erders in der Nähedes Hausanschluss-kastens anordnen.

Bei zusätzlichenVersorgungsan-schlüssen im Raumfür ausreichendeLü�ung und Ent-wässerung sorgen.

HauptleitungFernmeldeleitung

Hausanschluss-kasten (HAK)

Frischwasser-leitung

Fundamenterder

Erdgleiche

Abwasserleitung

Gasinnenleitung

132

Installationszonen für …

Wohnräume

Küchen

Bäder

DeckenleuchtenFensterleuchte

Wand-leuchte

Antenne

15

115

1515

150

301515

1530

30

15

321

303015

2010

1020 10 2010 2010202010

InstallationzonenVorzugsmaßeVorzughöhen für SchalterVorzugshöhen für Steckdosen

Licht- und Steckdosenleitung 1Antennenleitung für Fernseh- 2und RundfunkempfangsgeräteLeerrohr für Lautsprecherleitung 3

30

SenkrechteInstallationszonen:• Breite:• Mitte:

20 cm15 cmneben denRohbau-kanten

15Waagerechte Installationszonen:• Breite• Mitte

30 cm30 cm unterhalb der Decke30 cm oberhalb des fertigenFußbodens (OKF)

Maße in cm

2.6.3 Installationszonen / Installation zones

2.6.3 Installationszonen

Alle unsichtbar verlegten Leitungen müssen in Räu-men so geführt werden, dass sie durch später ange-brachte Nägel oder Schrauben nicht beschädigt werden. Zu den unsichtbaren Leitungsinstallationen zählen Leitungen in bzw. unter Putz, in der Wand oder hinter einer Wandverkleidung.

Aus diesem Grunde werden diese Leitungen nur in vor-gegebenen waagerechten und senkrechten Zonen installiert (DIN 18015-3, Abb. 2). Die Leitungsführung an Decken und Fußböden ist nicht fest vorgeschrieben. Jedoch sollte auch hier davon abgesehen werden, die Leitungen auf dem kürzesten Weg zu führen. Aufputz-Installationen sind auch außerhalb der beschriebenen Zonen möglich.

Die Installationszonen [installation zones] in Wohnge-bäuden sind abhängig von der Nutzung des Raumes (Abb. 1).

Installationshinweise

• Alle angegebenen Maße gelten ab der Oberkante des fertigen Fußbodens (OKF). Im Rohbau gilt als Anhaltspunkt für die OKF der eingezeichnete „Meterriss“. Er gibt die Höhe eines Meters über dem OKF an.

• Beim Einführen der Leitungen in die Gerätedosen ist darauf zu achten, dass die Krallen der Steckdo-sen beim Montieren die Leitungen nicht beschädi-gen.

• Zwischen Energie- und Telekommunikations- leitungen ist ein Schutzabstand von 10 mm einzu-halten.

• Die Verlegung von Leitungen an Schornsteinen ist wegen erhöhter Umgebungstemperaturen zu ver-meiden.

1: Installationszonen für Räume

2: Installationszonen in Wohnräumen

■ Die Montagehöhe von Schaltern beträgt 115 cm von der Mitte des oberen Schalters bis zur Ober-kante des fertigen Fußbodens (OKF).

■ Die Betriebsmittel müssen exakt ausgerichtet werden, da spätere Korrekturen nur schwer möglich sind.

■ Die Schalter an einer Tür werden an der Seite installiert, an der der Türgriff montiert ist.

■ Die Steckdosen sind in der unteren waagerech-ten Installationszone in 30 cm Höhe anzuordnen.

■ Zuleitungen zu Wandleuchten werden senkrecht aus einer waagerechten Installationszone geführt.

161

SPANNUNG/STROM/FREQUENZ

228,6 50,0

0,750

rmsU

MAXMIN Hz

rmsA

228,7 V227,9 V

200 V0 ①

②1A

0

2.7.10 Schutz vor Oberschwingungen / Protection against harmonics

2.7.10.2 Messen von Oberschwingungen

Die Messung von Stromoberschwingungen mit einer Stromzange [current clip-on] ist in Abb. 5 dargestellt. Ein Auftrennen der Stromkreise ist nicht erforderlich. Es erfolgt eine indirekte und berührungslose Messung. Die Zange wird dazu um den Leiter gelegt. Danach wer-den beide Zangenhälften geschlossen (magnetischer Kreis geschlossen). Da um den stromdurchflossenen Leiter ein magnetisches Wechselfeld entsteht, kann über die Stärke des Magnetfeldes die Stromstärke indirekt gemessen werden. Die Messung findet unter Betriebsbedingungen statt. Deshalb müssen Vorschrif-ten für das Arbeiten an den unter Spannung stehenden Teilen gewissenhaft beachtet werden (s. Abb. 5, Hand-schuhe usw.).

4: Strom und Spannung bei nichtlinearer Belastung

Störungen durch nichtlineare Belastungen beeinflus-sen nicht nur das eigene Energieversorgungssystem, sondern breiten sich über das Verbundnetz in andere Systeme aus. Sie müssen deshalb durch entsprechende Maßnahmen verringert werden. Hilfreich für die Besei-tigung der Störungen ist es, wenn die impulsartigen Leiterströme in sinusförmige Einzelschwingungen aufgelöst werden (Oberschwingungen [harmonics], s. Kap. 1.6.4).

5: Messen mit Stromzange und Universalmessgerät

■ Bei nichtlinearen Belastungen entstehen impulsartige Ströme in L1, L2 und L3. Die Span-nungskurve verformt sich und wird flacher.

■ Bei nichtlinearer Belastung heben sich die Ströme im N-Leiter nicht auf. Die Belastung des N-Leiters ist größer als die Belastung der einzelnen Außenleiter.

■ Mit Hilfe von Stromzangen und entsprechenden Auswertungsgeräten lassen sich Stromstärken berührungslos und indirekt messen. Dabei sind besondere Sicherheitsmaßnahmen zu beachten.

Stromzangen

• Transformatorprinzip:Die Zange ist der Eisen-kern eines Transformators (Stromwandler). Der stromdurchflossene Leiter ist die Primär-wicklung. Im Innern befindet sich die Sekundär- wicklung mit der Anzeigeauswertung. Es können nur sinusförmige Ströme gemessen werden.

• Magnetfeldsensor:Eine Hallsonde im Eisen-kern der Zange wandelt die Änderungen des magnetischen Flusses in Spannungsänderungen um. Diese werden elektronisch aufbereitet und angezeigt. Gemessen werden können beliebige Effektivwerte von Gleich- und Wechselströmen, inklusive Oberschwingungen (TrueRMS: echte Effektivwerte, inklusive Oberschwingungen).

Bei der Stromzange werden zwei unter-schiedliche Zangen-sensoren verwendet:

Zangen

Öffner für die Zange

Anzeige

Stromstärke I

199

C1

C2

Mess-sonde

Messsensor

Füllstand-Anzeige

Tank

4–20 mA Kontakt-geber

Kontakt-ausgang

VOLL

LEER

StörungDrahtbruch

Pumpe EIN

①

3.2 Sensoren / Sensors

■ Bei einem kapazitiven Füllstandssensor ändert sich die Kapazität in Abhängigkeit vom Flüssig-keitsstand.

■ Bei der Füllstandsmessung werden Wellen-reflexionen (Schall, Ultraschall, Radar, Licht) an der Oberfläche von Flüssigkeiten oder Schüttgut ausgewertet.

■ Der Druck einer Flüssigkeitssäule kann zur Mes-sung des Füllstandes verwendet werden.

5: Füllstandssensoren

3.2.5 Füllstandssensoren

In vielen Bereichen der Automatisierungstechnik ist es erforderlich, Behälter bis zu einer gewissen Höhe mit Flüssigkeiten (z. B. Öl, Wasser) oder Schüttgut zu füllen. Verwendet werden unterschiedliche Füllstandssen-soren (Abb. 5). Sie arbeiten mechanisch, kapazitiv, mit Wellen (Schall, Ultraschall, Radar) oder optisch.

Ohne mechanisch bewegte Teile arbeitet der kapazi-tive Füllstandssensor. Zwischen der Sonde und der Tankwandung (Abb. 6) bildet sich eine Kondensator-kapazität. Durch die Flüssigkeit (isolierte Flüssigkeit) ändert sich die Kapazität. Bei Erreichen einer bestimm-ten Endkapazität wird der Zufluss unterbrochen. Die Genauigkeit dieses Verfahrens wird u. a. durch die Zusammensetzung der Flüssigkeit, Umgebungstempe-ratur und Luftfeuchtigkeit bestimmt.

Anders arbeitet der Reflexions-Füllstandssensor [reflexion level sensor]. Der Sender (Abb. 7) ① strahlt über einen elektro-akustischen Wandler Schallwellen ab, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit c ausbreiten. An der Flüssigkeitsoberfläche werden die Wellen dann reflektiert und im Empfänger registriert (Abb. 7). Sender und Empfänger bilden dabei eine Ein-heit. Die Laufzeit [propagation time] (Weg/Geschwin-digkeit) der Signale zwischen Sender und Empfänger ist ein Maß für die Füllstandshöhe.

Der Füllstand kann aber auch mit den in Kap. 3.2.3 beschriebenen Drucksensoren ermittelt werden. Am Boden des Behälters befindet sich der Drucksen-sor (Abb. 8a), der nach dem piezoresistiven Verfahren arbeitet. Da der Druck in der Flüssigkeit nur von der Höhe der über ihm befindlichen Flüssigkeitssäule abhängig ist, kann beim Erreichen eines vorgegebenen Endwertes ein Abschalten der Flüssigkeitszufuhr er-folgen.

Auch mit Hilfe von Lichtleitern, Lichtsendern und Lichtempfängern lassen sich Füllstandssensoren auf-bauen. Das Licht in Abb. 8b tritt in den Lichtleiter ein, gelangt an die Sensorspitze, wird von dort an einem Prisma reflektiert und gelangt zum Empfänger. Wenn die Flüssigkeit die Spitze erreicht hat, wird das Licht am Prisma weniger reflektiert und gelangt somit auch nicht mehr vollständig zum Empfänger. Ein Schaltim-puls stoppt dann die Flüssigkeitszufuhr.

6: Kapazitiver Füllstandssensor

7: Ultraschall-Reflexions-Füllstandssensor

a) Druckmessung

8: Füllstandsmessung

L

LE

P

p1hx

h0P

Licht-sender

Licht-wellen-leiter

Licht-empfänger

Flüssigkeit

Prisma

b) Optische Messung

230 4.2.1 Aufbau und Arbeitsweise eines PCs / Building and function a PC

1: Hauptplatine eines Computers mit Komponenten

Die Hauptplatine eines Computers mit seinen wichtigs-ten Komponenten ist in Abb. 1 beispielhaft dargestellt. Im PC-Gehäuse befinden sich mindestens:

• Netzteil [power supply unit] ① für die Energiever-sorgung aller Komponenten

• Hauptplatine [mainboard, motherboard] ② als Grundleiterplatte, an der alle anderen Komponen-ten angeschlossen sind

• Prozessor (CPU) ③ als zentrale Verarbeitungsein-heit zum Auszuführen der Programme

• Speicher (Hauptspeicher) [main memory] ④, der die laufenden Programme und die gerade verarbei-teten Daten vorübergehend abspeichert

• Festplatte [hard disc drive] ⑤ zum dauerhaften Speichern von Daten und Programmen

• Grafikkarte [graphics card] ⑥ zum Steuern der Bildschirmanzeige

• CD-, DVD- oder Blu Ray-Brenner ⑦ als optische Speicher zum Abspielen und Speichern (Brennen)

• Kartenlesegerät [card reader] oder Steckplatz zum Auslesen von Speicherkarten

Um das Gerät bedienen zu können, kommen minde-stens noch folgende externe Peripheriegeräte hinzu:

• Tastatur ⑨ [keyboard] zur Eingabe von Buchsta-ben, Zahlen, Symbolen und Tastenkombinationen als Befehle

• Maus ⑩ [mouse] als Zeigegerät, um grafische Benutzeroberflächen zu bedienen

• Monitor ⑪ [monitor] als Anzeigegerät zur Darstel-lung von Texten, Bildern oder Videos

Wichtige Komponenten auf einer Hauptplatine sind:• Buchsen über die von außen Geräte an den Rech-

ner angeschlossen werden können• Steckplätze [slots] für Erweiterungskarten ⑧• Integrierte Schaltungen, die neben der CPU zur

Steuerung des Rechners beitragen• Anschlüsse, über die weitere Baugruppen des

Rechners innerhalb des Gehäuses an das Main-board angeschlossen sind

• Batterie für den Baustein, der die Rechnerkon- figuration speichert sowie Uhrzeit und Datum weiter berechnet, auch wenn der Rechner ausge- schaltet ist

■ Ein PC besteht aus der CPU (Prozessor), der Ein- und Ausgabeeinheit sowie einem Speicher.

■ Die CPU besteht aus Rechen- und Steuerwerk.■ Die PC-Komponenten kommunizieren über Bus-

systeme miteinander.■ Mit Hardware bezeichnet man die physikali-

schen Bestandteile eines Systems.■ Peripheriegeräte sind außerhalb des PCs unter-

gebracht.■ Um den PC bedienen zu können, werden Zeige-

geräte (Maus, Tastatur) verwendet.■ Als Anzeigegeräte werden Bildschirme (Moni-

tore) eingesetzt.■ Multi-Core Prozessoren verfügen über zwei oder

mehrere Rechnerkerne.

①

③

⑧

④⑤

⑦

②

⑥⑨ ⑩

⑪

2594.7.3 Netzwerkkomponenten / Network components

4.7.3 Netzwerkkomponenten

Netzwerkkomponenten sind Geräte, die für die Kom-munikation und Interaktion erforderlich sind. Sie las-sen sich in aktive und passive Komponenten eintei-len. Aktive Komponenten verarbeiten bzw. verstärken Signale. Sie benötigen eine Spannungsversorgung. Für passive Komponenten ist keine elektrische Energiever-sorgung erforderlich.

In der Regel werden für die Bezeichnung der Kompo-nenten allgemeine Namen verwendet, z. B. Anschluss-dose oder Router. Für eine eindeutige Kennzeichnung ist allerdings die Kenntnis des Netzwerktyps (z. B. Ethernet LAN) erforderlich.

Passive Komponenten (Beispiele, Anwendungen)

• Steckverbinder ① RJ45 Stecker bzw. Buchse für Datenkabel

• Netzwerkinstallationskabel, Patchkabel Kupfer-, Lichtwellenleiter- oder Koaxialkabel

• Anschlussdosen ② Steckanschluss für Netzwerkverbindung

• Schränke Einbau von Servern, Verteilern oder Patchfeldern

• Patchfelder (Rangierfelder) ③ Rangieren von Netzwerkanschlüssen

• Antennen Richtantenne für WLAN

• Spleißkassette ④ LWL-Aufteilung bzw. -Verbindung

• Passive optische Koppler und Splitter Aufteilung von Lichtwellenleitern

• Dämpfungsglieder Abschwächung von Signalen

Aktive Komponenten

• Switch (Schalter, Weiche) – Mit ihm werden mehrere PCs bzw. Netzsegmente

zu einem lokalen Netz (LAN) über Ports verbun-den (Sterntopologie).

– Zwischen Sender und Empfänger wird eine direk-te Verbindung geschaltet.

– Die einzelnen Ports können unabhängig von- einander Daten empfangen und senden.

– Den Teilnehmern steht die gesamte Bandbreite des Netzwerks für die Sendezeit zur Verfügung.

• Hub (Nabe, Knotenpunkt) – Mit ihm werden, wie beim Switch, mehrere PCs

bzw. Netzsegmente zu einem lokalen Netz (LAN) über Ports verbunden (Sterntopologie).

– Das eintreffende Signal wird an alle anderen Netzteilnehmer weitergeleitet, auch an solche, an die das Signal nicht adressiert ist.

– Erweiterungen sind durch Uplink-Ports möglich.

• Repeater (Verstärker) – Er dient der Signalaufbereitung und verstärkt ein

durch z. B. lange Distanzen gedämpftes Signal (z. B. WLAN-Repeater).

– Datenpakete werden ohne Zwischenspeicherung weitergeleitet.

– Netzsegmente gleicher oder verschiedener Me-dien (z. B. Twisted Pair, Koaxialkabel, LWL) wer-den miteinander gekoppelt.

– Es findet keine Überprüfung der Datenpakete auf Fehler und keine Protokollerkennung statt.

• Bridge (Brücke) – Sie ist ein Verbindungsglied zwischen gleicharti-

gen lokalen Netzwerken. Die Netze können auch über unterschiedliche Datenraten verfügen.

– Sie wird verwendet, um große Netze in kleinere Segmente zu unterteilen (s. Baumtopologie).

• Gateway (Einfahrt, Eingang, Übergang) – Ein Gateway ist ein Verbindungsglied zwischen

Netzwerken, die mit unterschiedlichen Protokol-len arbeiten (Protokollumsetzer).

– Eine auf unterschiedlichen Protokollen basieren-de Kommunikation wird ermöglicht.

1: Passive Netzwerkkomponenten (Beispiele) 2: Aktive Netzwerkkomponenten (Beispiele)

Router

Switch

① ③

② ④

2815.1 Kraftwerke / Electric power plants

5 Elektroenergieversorgung5.1 KraftwerkeDer größte Anteil der in Deutschland gewonnenen elektrischen Energie wird durch Energieumwandlung in Generatoren von Kraftwerken [electric power plants] erzeugt. Verwendet werden dabei die in der Natur vor-kommenden Energieträger [source of energy]:– Braunkohle, Steinkohle– Erdgas, Erdöl– Uran– Wasser, Wind, Sonne und Biomasse

In Abb. 4 ist dargestellt, wie sich die Energiegewinnung auf die einzelnen Energieträger verteilt. In Zukunft sollen sich die Anteile von den in der Natur erneuer-baren Energien (regenerative Energie [renewable energy]) an der Gesamtenergieerzeugung erhöhen. Da in Deutschland ein großer Teil der elektrischen Energie aus Wärmekraftwerken [thermal power plants] gewon-nen wird, sollen diese genauer behandelt werden.

Die Energieumwandlungskette ist in Abb. 3a darge-stellt. Um beispielsweise aus der chemischen Energie der Kohle die elektrische Energie zu erzeugen, sind drei Energieumwandler erforderlich.

In Abb. 3b ist vereinfacht der Funktionsablauf in einem Wärmekraftwerk dargestellt.• Im Dampferzeuger ① wird die chemische Energie

der Kohle in Wärme bzw. Wasserdampf umgewan-delt.

• Die Turbine ② wandelt die Energie des Wasser-dampfes (Dampfdruck) in Bewegungsenergie um.

• Im Generator ③ wird durch die Bewegungsenergie (Rotationsenergie) elektrische Energie erzeugt.

Bei allen Energieumwandlungsprozessen entstehen Verluste (Wirkungsgrad s. Kap. 1.2.15). Der größte Teil

dieser Verluste entsteht im Wärmekraftwerk bei der Umwandlung von Dampfenergie in Bewegungsenergie, also zwischen dem Prozessablauf im Kessel und in der Turbine ④. Der Dampf aus der Turbine wird nicht ins Freie abgegeben. Er wird im Kondensator ⑤ abgekühlt und als erwärmtes Wasser für den Dampferzeuger wie-der verwendet. Dadurch wird der Gesamtwirkungs-grad [total efficiency] ηges des Kraftwerks verbessert. Er ist das Produkt aus den Einzelwirkungsgraden:

ηges = ηK · ηT · ηG · … · ηn

3: Wärmekraftwerk

4: Energiegewinnung in Deutschland (2020)

Energieformen

Energieumwandler

Kessel,Brenn-

kammerTurbine Gene-

rator

Chem.Energie,

Kohle

Wärme-energie,Dampf

Dreh-energie,Rotation

Elek-trischeEnergie

Generator/Transformator

Turbine(Hochdruckstufe)

Turbine(Niederdruckstufe)

DampferzeugerFrischlu�gebläse

Rauchgasreinigung

Lu�vorwärmer

Schorn-stein

Kohlen-mühle

BrennkammerEnt-schlacker

Schlacke

Speisewasser-pumpe

Speisewasser-vorwärmer

Kondensator

Kühlwasser-pumpe

Kühlturm

①

②

③④

⑤

Fluss

W2W1

ηK ηT ηG

a) Energieumwandlungskette b) Funktion

Erneuerbare Energien246 TWh

Erdgas 59 TWh

Kernenergie 61 TWh

Braunkohle 82 TWh

Steinkohle 36 TWh

(0,9% konventionelleEnergien nicht aufgeführt)

Erneuerbare Energien

132 TWh

45 TWh

51 TWh

18 TWh

27%

9,3%

10,4%

3,7%

7,3%

50,5%484TWh

12,1%

12,5%

16,8%

Wasser-kra�

Photo-voltaik

Bio-masse

Wind-energie

0 5 10 15 20 25 30

300

3. Tragprofile der Solarmodule montieren – Tragprofile ausrichten und an den Dachhaken befestigen (Abb. 3) – Verbinder zwischen den Tragprofilen montieren4. Montage der Module – Module auf den Tragprofilen montieren – Distanzhalter am Rand der Module einsetzen5. Verschalten der Module – Anschließen der Module gemäß dem Verschal- tungsplan – Verlegen der Strangleitung zum Generatoran- schlusskasten und weiter zum Wechselrichter

Wer darf PV-Anlagen installieren?

Die folgenden Aufgaben müssen von einem eingetra-genen Elektroniker durchgeführt werden:• Anmeldung beim VNB• Kopplung der Anlage an das Niederspannungsnetz• Abnahme der Anlage• Inbetriebnahme

Der Elektroniker haftet für die komplette Elektroinstal-lation der PV-Anlage, auch wenn er die gleichstromsei-tige Montage nicht durchgeführt hat. Diese Montage kann von jeder unterwiesenen Person durchgeführt werden.

Bei der Montage von Solarmodulen können für den Monteur gefährliche Situationen entstehen. Es sind deshalb die Sicherheitshinweise in Abb. 4 zu beach-ten.

Wechselrichter installieren

Um Ertragsverluste zu vermeiden, dürfen Wechsel-richter nicht zu warm werden. Bei maximaler Aus-lastung werden bis zu 10 % der Bemessungsleistung eines Wechselrichters in Wärme umgewandelt. Fol-gende Hinweise helfen, den optimalen Montageort für den Wechselrichter zu finden.

• Warme Montageorte, wie unausgebaute Dach-räume (im Sommer), Schornsteinwände und Orte mit direkter Sonneneinstrahlung sind zu vermeiden.

• Um lange Wege der Gleichstromverkabelung ein-zusparen, sollten Wechselrichter möglichst nah an den Solarmodulen montiert werden.

5.6.3 Installation einer PV-Anlage

Um eine PV-Anlage elektrisch betriebssicher zu errich-ten, sind folgende Normen zu beachten:• DIN VDE 0100-712 Errichtung von Niederspannungsanlagen: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und An-

lagen besonderer Art, Solar-Photovoltaik-Stromver-sorgungssysteme

• DIN VDE V 0126-1-1 Netzanschluss mit selbsttätig wirkender Freischalt-

stelle• DIN VDE 0298-4 Strombelastbarkeit von Leitungen• DIN EN 62305-3 Bbl. 5 Blitz- und Überspannungsschutz

Für die in Abb. 1 abgebildete PV-Aufdach-Anlage ist in der Regel keine Baugenehmigung erforderlich. Es müs-sen allerdings die öffentlich-rechtlichen Vorschriften beachtet werden. Die Anlage muss statisch in Ordnung sein und darf keine Mängel aufweisen, die die Öffent-lichkeit gefährden könnten. PV-Freiflächenanlagen unterliegen baurechtlich einer Genehmigung.

Montage der Solarmodule

Die Installation einer PV-Anlage beginnt in der Regel mit der Montage der Solarmodule. Hierbei sind fol-gende Punkte zu beachten:– nutzbare Dachfläche– gewünschte Lage der Module– Lage der Sparren

Wenn die Solarmodule mit Dachhaken befestigt wer-den sollen, ist folgender Montageablauf einzuhalten:

1. Position der PV-Anlage und Befestigungspunkte festlegen – Lage der Module auf dem Dach kennzeichnen – Dachhaken und Stützpunkte anzeichnen2. Befestigungspunkte montieren – Dachziegel herausnehmen und Dachhaken be- festigen (Abb. 2) – Dachziegel anpassen – Dach wieder sorgfältig schließen

1: Aufdach-PV-Anlage

2: Dachhakenbefestigung 3: Tragprofile

5.6.3 Installation einer PV-Anlage /Installation of PV-system

316 5.9.1 Aufbau / Structure

5.9 Schaltanlagen5.9.1 Aufbau

Schaltanlagen werden für unterschiedliche Aufgaben hergestellt. Es gibt sie deshalb in verschiedenen Aus-führungen. In Abb. 2 ist beispielhaft eine metallgekap-selte Hochspannungs-Schaltanlage für 10 kV einer Pro-duktionsanlage eines Industriebetriebes abgebildet. An ihr soll der grundsätzliche Aufbau erklärt werden.

Die Schaltanlage versorgt die Produktionsanlage mit Niederspannung (400 V) aus dem Hochspannungsnetz des VNB. Aus dem vereinfacht dargestellten Über-sichtsschaltplan auf den Schranktüren (Abb. 2) lässt sich folgende Struktur der Schaltanlage erkennen:– Die Schränke 1 und 2 bilden eine Einheit,– die Schränke 3 und 4 ebenfalls,– während Schrank 5 separat zu sehen ist.

Diese Dreiteilung ist für solche Anlagen typisch. Die Anlagen im jeweiligen Schrank werden als Feld bezeichnet. Der Übersichtsschaltplan (Abb. 1) zeigt die drei Bereiche der Schaltanlage mit den Einheiten:

1: Übersichtsschaltplan einer Schaltanlage

2: 10 kV-Schaltanlage mit 5 Feldern (Schränke)

• Einspeisung

• Übergabe (einschließlich Messung)

• Abgang

Feld 1

Q1 Q3

Q5

Q2 Q4

Q7

F1

T1

AbgangÜbergabe5

Einspeisung21

Messung43

Q6

P1

F2

B2

B3 B1

10 kV; 3 ~ 50 Hz 10 kV; 3 ~ 50 Hz

kWh

44

233

3

3

333

3

3

3 3 3

3

33

3

3

3

3

3

3

3

3

3

33

3 3

I >

Feld 2

Sammelschiene I

Feld 3 Feld 4 Feld 5

Sammelschiene II

336

1

A

B

C

D

E

2 3 4 5 6 7 8 9

erstellt: P. Heinrichgeprü�: P. Schneider

Ansteuerung Motor

Fräserbau AG+U_210Blatt 7 von 25

N

L1

I

v

A7.2

4 – 20 mA

A1

A2

13

14

B 2AF7.2

B 2AF7.4

B 2AF7.8

K7.4

A1

A2

B1

B2

S11

S13

S12

S14

S21

S33

S22

S34

S31

Y31

S32

Y32

13 23 33 41

14 24 34 42

S3 Freigabe/Quittierung

PNOZ X3

2.14K4.5

K7.2

K7.4

2.13

14

13

14

13

FreigabeSPS

FreigabeSchmierung

FreigabeSicherheits-bedingungen

Q7.8A2

A1①

Schutztür-überwachung

Not-Aus-TasterS1

S2

1

2

1

2

13

14

21

22

21

22

Schützspule SpulenanschlussSchaltkontakt-Anschlüsse

A1

A2

1

2

3 5

4 6

②

③①

④

①Handbetätigung②

③④

5.10 Fehlersuche / Trouble-shooting

Schnittstellenprüfung

Die Prüfung ergibt, dass nach Betätigen des Druck-knopfes am Schütz der Motor anläuft. Die Schnittstel-len ② und ④ sind also fehlerfrei.

Eine Messung an den Klemmen A1, A2 (Abb. 3) ergibt, dass die Spule spannungslos ist. Die Bedingungen für das Anziehen des Schützes sind somit nicht erfüllt. Danach ist die Ursache für die fehlende Steuerspan-nung zu ermitteln.

Hierfür ist es wichtig zu wissen, woher das Schütz seine Steuerspannung bekommt und unter welchen Bedin-gungen es einschalten soll. Aus der Schützbezeich-

Das Schütz kann wieder als Teilsystem mit Schnittstel-len betrachtet werden (Abb. 1). Um die Funktion „Kon-takte schließen“ auszuführen, muss an der Spule ① die Steuerspannung [control voltage] liegen oder der Druckknopf ② betätigt werden.

nung Q7.8 (Abb. 2 ①) ergibt sich, dass die Schützspule im Stromlaufplan auf Blatt 7 in der Spalte 8 eingezeich-net ist. Dort befinden sich alle Schaltkontakte [swit-ching contacts], die für die Ansteuerung des Schützes erforderlich sind.

Um das Schütz Q7.8 anziehen zu lassen, muss an den Klemmen A1, A2 eine Spannung von 230 V anliegen. Dies wird erreicht, wenn– an der Sammelschiene Spannung anliegt,– der Sicherungsautomat F7.8 eingeschaltet ist und

nicht ausgelöst hat, sowie– die Hilfsschütze K4.5, K7.4 und A7.2 angezogen

haben.

1: Schütz als Teilsystem

2: Schaltplan „Ansteuerung Motorschütz“

3: Messung mit zweipoligem Spannungsprüfer

4038.1.1 Drehfeld / Rotating field

8 Antriebstechnik8.1 Drehstrommotoren8.1.1 Drehfeld

Ein Drehstrommotor [three-phase a.c. motor] ist im Prinzip wie ein Drehstromgenerator aufgebaut. Er besitzt einen Läufer (Rotor) und einen Ständer (Sta-tor), in dem die Wicklungen eingefügt sind. Demzufolge besitzen Läufer und Ständer die gleichen Klemmenbe-zeichnungen (Abb. 2). In Kap. 1.10.1 ist beim Genera-tor die Entstehung der Drei-Phasen-Wechselspannung mit Hilfe des Drehfeldes erklärt worden, sodass wir auf diesen modellhaften Aufbau zurückgreifen können (Abb. 5).

Der Motor besitzt drei um 120° versetzte Ständerwick-lungen. Sie werden an die Drei-Phasen-Wechselspan-nung gelegt. Aus der jeweiligen Stromrichtung und dem Wickelsinn der betreffenden Spule ergeben sich die in Abb. 5 eingezeichneten magnetischen Pole (s. auch Kap. 1.5.2). Es entstehen drei Magnetfelder mit wechselnden Polaritäten (t1 bis t4, Abb. 5). Da die drei Magnetfelder gleichzeitig auftreten, bildet sich ein Gesamtfeld, das im Uhrzeigersinn wandert (Drehfeld [rotating field]).

Reale Motoren sind kompakter aufgebaut als das Modell in Abb. 5. Der Ständer [stator] ist entweder aus Gusseisen oder aus einer Schweißkonstruktion her-gestellt. Um Wirbelströme zu vermeiden, ist darin ein geschichtetes Eisenpaket aus gegeneinander isolier- ten Blechen eingelegt. In eingefrästen Nuten ist die aus Einzelspulen bestehende, das Drehfeld erzeu-gende Drei-Phasen-Wicklung eingelegt (Abb. 3). Die Anschlüsse der Wicklungen sind zum Klemmenkasten herausgeführt.

Auch der Läufer [rotor] besitzt ein geschichtetes Blechpaket mit Nuten zur Aufnahme der Läuferwick-lung (Abb. 4). Der Abstand zwischen Ständer und Läu-

fer beträgt nur einige Zehntel Millimeter. Dies ist für einen hohen Wirkungsgrad von Bedeutung.

In die Nuten des Läufers ist eine Wicklung eingelegt, deren Enden an Schleifringen auf der Läuferwelle angeschlossen sind. Damit ist es möglich, den Strom-fluss in der Läuferwicklung zu beeinflussen (s. Kap. 8.1.3.3).

Statt aus Wicklungen kann der Läufer aber auch aus runden Kupfer- oder Aluminiumstäben bestehen, deren Enden mit Ringen des gleichen Materials ver-bunden, also kurzgeschlossen sind (s. Kap. 8.1.3.2).

3: Ständer mit eingelegten Wicklungen

5: Drehfeldentstehung beim Drehstrommotor2: Drehstrommotor mit Klemmenbezeichnung

4: Läufer eines Drehstrommotors

U1U2

W1

W2

V2

V1

U1

U2V1

V2W1

W2

L1

L2

L3N

S

S

N

U1U2

W1

W2

V2S

S

N

U1U2

W1

W2

V2S

N

S

U1U2

W1

W2

V2S

S

N

i

t in ms0

t1 t2 t3 t4

iu iv iw

5 10 15 20

U1 V1 W1

W2 U2 V2

454 8.5.3 Linear-Servomotor / Linear servo motor

8.5.3 Linear-Servomotor (Linearmotor)

AufbauWie jede elektrische Maschine besteht auch ein Line-armotor aus einem Primärteil (Stator-Induktorkamm) und einem Sekundärteil (Lauferschiene). Allerdings entsteht zwischen ihnen keine Drehbewegung, son-dern eine lineare (geradlinige) Bewegung.

Der prinzipielle Aufbau des Linearmotors wird deut-lich, wenn man sich den rotierenden Motor aufge-schnitten und in die Länge gezogen vorstellt (Abb. 1).

Wirkungsweise

Durch den Primärteil (Abb. 1, Stator ①) fließt Dreh-strom. Das entstehende Magnetfeld ist im Gegensatz zum Asynchronmotor kein Drehfeld, sondern ein Wan-derfeld, das sich in linearer Richtung (Abb. 2) fortbe-wegt.

Dies Wanderfeld induziert im Sekundärteil eine Span-nung, sodass dort Strom fließt. Es befinden sich also stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld.

Die stromdurchflossenen Leiter bilden auch im beweg-baren Teil der Maschine magnetische Pole ② (Abb. 2) aus. Zwischen Primär und Sekundärteil wirken somit Kräfte ③. Da das Sekundärteil (z. B. Schiene) fest ist, kann sich nur der frei bewegliche Primärteil aufgrund der magnetischen Kräfte in Bewegung setzen.Wie bei der Asynchronmaschine ist auch beim Line-armotor ein Schlupf vorhanden. Somit liegt die Ge-schwindigkeit des Motors unter der der Wanderfeldge-schwindigkeit. Wäre die Geschwindigkeit des Motors gleich der Wanderfeldgeschwindigkeit, würde keine Spannung mehr in die Sekundarspule induziert wer-den. Die Kraft ist dadurch gleich Null.Durch Umpolung des Wanderfeldes kann die Bewe-gungsrichtung geändert werden. Mit einer Frequenz-änderung des Wanderfeldes lässt sich die Geschwin-digkeit verändern.Bei den Linearmotoren wird das Sekundärteil häufig aus einem Trägermaterial aus Stahl mit aufgeklebten Permanentmagneten hergestellt (Abb. 3 ④). Somit ist allein das Magnetfeld des Primärteils für die Kraft-wirkung ausschlaggebend. Dieser Linearmotor läuft synchron.Die nicht mehr notwendige Induktion für die Magnet-feldbildung im Sekundärteil ⑤ entfällt und erleichtert auch die Regelung des Antriebssystems.

biegenbiegen

Polteilung

Statorwicklung

Erreger-wicklung

v

biegenbiegen

Schnittebene

SN N

①

S N S N S N S

FahrzeugS N S N S

Wanderfeld am Fahrweg

abstoßen anziehen

SNSN

SNS

②

③

N

N

S

S

④ ⑤

1: Prinzip der Entstehung des Linearmotors

2: Wanderfeld

3: Primär- und Sekundärteil

■ Linearmotoren arbeiten im Prinzip wie Asychron-motoren, nur die baulichen Ausführungen sind unterschiedlich.

■ Durch das Wanderfeld entsteht eine lineare Be-wegung des Primärteils.

542 10.2.3 Lampen / Lamps

10.2.3.6 LED-Lampen

In LED-Lampen [LED lamps] befinden sich Leuchtdio-den (s. Kap. 6.2.2). Sie sind aufgrund ihrer langen Lebensdauer, geringen Abmessungen und ihres nied-rigen Energieverbrauchs sehr effiziente Leuchtmittel. Mit LED-Lampen können im Prinzip alle Beleuchtungs-aufgaben (weiß und farbig) wie mit herkömmliche Lampen gelöst werden.

Leuchtdioden besitzen zwei Schichten aus dotierten Halbleitermaterialien, die bei Stromfluss elektrische Energie direkt in Licht umwandeln (s. Kap. 6.2.2). Im Gegensatz zu Glühlampen wird in LEDs nur Licht einer Wellenlänge (Farbe) erzeugt. Durch Verwendung ver-schiedener Verbindungen lassen sich LEDs mit großer Helligkeit und in den verschiedenen Lichtfarben Gelb, Orange, Rot, Grün und Blau herstellen.

Weißes Licht kann durch Mischung verschiedener Ein-zelfarben (additive Farbmischung) erzeugt werden. Dies Verfahren wird bei LED-Lampen aber selten an-gewendet.

Stattdessen verwendet man blau leuchtende LEDs oder UV-LEDs. Dieses Licht wird durch ein photolumi-neszierendes Material (Leucht-stoff, Abb. 1 ①) geleitet und dabei in lang-welliges Licht umgewandelt.

Eine weiß leuchtende Hochleistungs-LED benötigt eine Durchlassspannung von etwa 3,4 V und eine Strom-stärke von ca. 340 mA. Damit der Lichtstrom konstant bleibt, muss die Stromstärke ebenfalls konstant sein. Man erreicht dieses durch integrierte elektronische Vorschaltgeräte (Pulsweitensteuerung).

Eigenschaften von LED-Lampen:

• Lange Betriebsdauer, weiß ca. 20.000 Stunden und farbig ca. 100.000 Stunden

• Hohe Lichtausbeute, weiß bis 30 lm/W und farbig bis 60 lm/W

• Niedriger Energieverbrauch

Bauformen

Glühlampen können aufgrund des Aufbaus (Birnen-form, Kerzenform, Rohrformen usw.) und entspre-chenden Fassungen (z. B. E14, E27, Leuchtstofflam-penanschluss) von LED-Lampen problemlos ersetzt werden (Abb. 2). Aufgrund der geringen Abmessungen der Leuchtdioden lassen sich aber auch andere For-men realisieren.

2: Bauformen von LED-Lampen

3: Lichtspektrum

1: LED-Lampe

LED-ModuleLELED-Module lassen sich aus einer bestimmten Anzahl von LEDs auf starren oder flexiblen Leiterplat-ten zusammenschalten. Sie besitzen eine integrierte Energieversorgung. Flexible Leiterplatten ermöglichen auch eine dreidimensionale Montage.

Wirtschaftlichkeit und VorteileDie Nutzungsdauer von LED-Leuchtmitteln liegt zwi-schen 100.000 und 20.000 Stunden. Im Vergleich dazu besitzen konventionelle Glühlampen eine Lebens-dauer von nur 1.000 Stunden. LED-Leuchtmittel besit-zen auch einen erheblich höheren Wirkungsgrad und eine bessere Lichtausbeute. Sie sind unempfindlich gegen häufiges Aus- und Einschalten, vibrations- und stoßfest. Die Abwärme ist vergleichsweise gering. Trotz der höheren Investitionskosten sind sie also wesent-lich wirtschaftlicher als andere Lampen. Mit Vollspek-trum-LEDs lässt sich auch das komplette Spektrum des sichtbaren Lichts erzeugen (Abb. 3).

mW/nm

Wellenlänge in nm730

25

5101520

780430 480 530 580 630 680

Defekte oder ausgediente LED-Leuchtmittel müssen in Deutschland im Rahmen des Altlampen-Recyclings entsorgt werden.

■ LEDs werden zu Modulen auf festen und flexib-len Leiterplatten zusammengeschaltet.

■ LED-Module werden mit Vorschaltgeräten an Kleinspannungen betrieben.

■ LED-Lampen ersetzen u. a. Glühlampen und Leuchtstofflampen.

■ LED-Lampen benötigen im Vergleich zu Glüh-lampen weniger Energie und haben eine erheb-lich längere Betriebsdauer.

①

571

Laterne

SpindelführungVentilspindel

VentilgehäuseDurchfluss-richtung Sitzbuchse

Ventilkegel(Drosselkörper)

Antriebsfeder

Membrane

Hubanzeige

①

②

③

yout

yout

yin pv1,4 bar

A U F G A B E N

Stellgerät

Ein Stellgerät (Abb. 6) besteht aus dem Stellantrieb ① und dem Stellglied ③. Der Stellantrieb (Steller) ist Teil der Regeleinrichtung, da er das Signal des IP-Umfor-mers verarbeitet. Das Stellglied (hier Ventil) ist Teil der Regelstrecke. Wird es durch ein Ventil mit ande-rem Stellverhalten ersetzt, ändert sich die Wirkung des Reglers und er muss neu eingestellt werden.

Meist erhält der Steller die Stellgröße nicht direkt, son-dern über den angebauten Stellungsregler ②, der die auftretenden Reibungskräfte kompensiert. Der Stel-lungsregler vergleicht dazu die Stellgröße mit der Ven-tilstellung und korrigiert diese, wenn nötig.

Regler

Der Regler ist das zentrale Gerät der Regeleinrichtung (Abb. 4). Seine Innenschaltung besteht im Prinzip aus zwei Hauptblöcken mit folgenden Funktionen:– Der Vergleicher bildet aus den Eingangssignalen

w und r die Regeldifferenz [system deviation] e = w – r.

– Das Regelglied formt aus der Regeldifferenz eine passende Stellgröße für die Regelstrecke.

Der hier abgebildete Regler ist universell einsetzbar, da er im Ein- und Ausgang mit einem elektrischen Einheitssignal [standard signal] (z. B. 4 bis 20 mA, s. Kap. 3.2.1) arbeitet. Regler, die nur mit Einheitssi-gnalen arbeiten, heißen Einheitsregler.

4: Elektronischer Regler

SignalumformerEinheitsregler benötigen Umformer zur Signalanpas-sung am Ein- und Ausgang (Abb. 5). Ein PI-Umformer (Abb. 5a) formt den Druck in das Einheitssignal 4 bis 20 mA (x in r) für den Regler. Der IP-Umformer (Abb. 5b) liefert aus 4 bis 20 mA das pneumatische Einheitssi-gnal 0,2 bis 1 bar für das Stellgerät (yelek in ypneu).

5: Signalumformer

1. Begründen Sie, wann eine Regelung für eine Steuerung eingesetzt werden muss.

2. Wo beginnt bzw. endet die Regelstrecke einer Regelungsanlage?

3. In welchem Bereich einer geregelten Anlage kann die Regelgröße konstant gehalten werden?

4. Was bedeutet Regeln einer Größe?5. Nennen Sie die zwei Hauptaufgaben eines Reg-

lers.6. Geben Sie Gründe für den Einsatz von Geräten

an, die mit Einheitssignalen arbeiten.

6: Pneumatisches Stellgerät

■ Elektrische Komponenten der Regelungstechnik, z. B. Messumformer oder Regler, benötigen bzw. liefern häufig Einheitssignale der Bereiche 0 mA bis 20 mA, 4 mA bis 20 mA oder 0 V bis 10 V.

11.1.2 Regelkreis / Closed control loop

a) PI-Umformer b) IP-Umformer

PP

elektr.Einheits-signal4…20 mA

elektr.Einheits-signal

(Rückseite)

4…20 mA

pneumat.Einheits-signal4…20 mA

Druck

bar

PP

a) Innenschaltung

Messstellen-schild

Umschalter fürw intern/extern

Umschalter fürHand/Automatik

Umschalter fürReglerverhalten

Taster für ± y(Hand)

Taster für ± w

Skala für e

+–

Anzeige für x

Anzeige für y

e = w – ry yw w

rrb) Schaltzeichen

58311.2 Ebenen der Automatisierungstechnik / Levels of automation technology

11.2 Ebenen der AutomatisierungstechnikAutomatisierungsvorgängen lassen sich in Ebenen einteilen, die oft hierarchisch und pyramidenartig dar-gestellt werden (Abb. 4). Jede Ebene hat im Unterneh-men eine spezielle Aufgabe bzw. Funktion.

Im unteren Bereich der Pyramide befinden sich die Steuerungs- [Control Level] und Feldebenen [Field Level]. Zusammenfassend bezeichnet man sie auch als OT-Ebene ①, weil in ihr operative Technologien (OT: Operative Technology) eingesetzt werden.

In der Steuerungsebene ② erfolgt der Datenaus-tausch beispielsweise zwischen Speicherprogram-mierbaren Steuerungen, PCs und Geräten zum Bedie-nen und Beobachten von Produktionsprozessen.

In der Feldebene ③ erfolgt der Datenaustausch zwi-schen den Ein- und Ausgabegeräten (Aktoren und Sen-soren, Feldgeräte) sowie mit den Automatisierungsge-räten. Die Feldgeräte erfassen dabei Signale aus dem technischen System. Diese werden anschließend an das Automatisierungsgerät übertragen und dort verar-beitet.

Die Datenmengen in der OT-Ebene sind in der Regel klein und die Übertragung erfolgt in Echtzeit [real-time]. Ein Vorgang läuft immer dann in Echtzeit ab, wenn in der vorgesehenen Zeitspanne alle erforder- lichen Daten zur Verfügung stehen. Die Daten sind in der Regel auch zyklisch (wiederkehrend, periodisch) und zeitkritisch mit garantierten Verzögerungszeiten (Latenzzeiten).

In der Management- und Leitebene ④ erfolgt die Koordination einzelner Produktionsbereiche. Hier flie-ßen große Datenmengen aus allen Produktionsberei-che zusammen. Beispielsweise werden Daten erfasst, um den Wareneinkauf zu lenken oder den Lagerbe-stand zu erfassen. Hinzu kommt die Dokumentation des Produktionsprozesses im Rahmen der Qualitätssi-cherung oder der Optimierung einzelner Produktions-schritte.

Bei den hierarchisch gegliederten Automatisierungs-vorgängen, wird die Informationstechnologie mit Ethernet und TCP/IP oft nur in der Management- und Leitebene eingesetzt. Geräte der klassischen Büro-Kommunikation und typische Endgeräte wie Drucker und PC sind im Einsatz. Zusammenfassend bezeich-net man diese beiden Ebenen auch als IT-Ebene ⑤.

Der Datenverkehr auf der IT-Ebene ist in der Regel zeit-unkritisch [non critical], d. h., Echtzeitübertragung ist nicht erforderlich.

■ Bei Automatisierungsvorgängen lassen sich Management-, Leit-, Steuerungs- und Feldebe-nen unterscheiden.

■ Die Datenmengen in der OT-Ebene sind in der Regel klein, zyklisch und zeitkritisch.

■ In der IT-Ebene werden im Vergleich zur OT- Ebene erheblich größere Datenmengen verar-beitet, die in der Regel zeitunkritisch sind.

4: Automatisierungstechnik

IT Managementebene

Cloud,Datenspeicher

Unternehmens-Server

Bedien- undBeobachtungs-

systeme

Steuer- undRegelungs-

systeme

Sensoren,Aktoren,Antriebe

Leitebene

Feldgeräte

Steuerungs-ebene

Feld-ebene

zeitu

nkrit

isch

echt

zeitk

ritisc

hOT

5

3

2

4

1

638

Sachwortverzeichnis

Sachwortverzeichnis / Index

3/2 Wegeventil / 3/2 way valve 2243/2 Magnetventil / 3/2 solenoid way valve 2254-Leiter-Verdrahtung / 4-conductor wiring 4985/2 Magnetventil / 5/2 solenoid way valve 2257-Takt- Schalter / 7-positon switch 29, 519

AAblaufkettenbaustein / sequence control block 605, 607Ablaufsteuerung / sequence control 191, 596, 602, 603, 604,

606Abnutzung / wear-out 338Abnutzungsvorrat / wear-out margin 338Abschnürbereich / pinch-off area 356Absolut-Drehgeber / absolute position encoder 200Absoluter Fehler / absolute error 19Absoluter Nullpunkt /absolute zero 33Absolutwertgeber /absolute encoder 456, 457Absorber-Kühlschrank / absorber refrigerator 523Absorptionskälteanlage / absorption cooling system 285Abszisse / abscissa 25Abwärtskanal / downstream channel 478Abzweigungsdämpfung / tap loss 512AC / AC 13Addition sinusförmiger Spannungen / addition of sinusoidal

voltages 69Aderart / core type 120Aderkennzeichnung / colour coding of cores 113Adressbus / address bus 228, 229Adresse / address 215Adresse, symbolische / address, symbolic 397ADSL / Asymmetric Digital Subscriber Line 478AD-Umsetzer / A/D-converter 581Akkumulator / accumulator 48Aktionsbaustein / action block 606, 607Aktiver Melder / active detector 491Aktiver Sensor / active sensor 195Aktives Filter / active filter 315Aktor / actuator 190,195, 203Aktualparameter / actual parameter 598Akustischer Alarm / acoustic alarm 489Alarmgeber / alarming device 489, 503Allpolig / all-pole 97Allpolige Darstellung / all-pole diagram 108, 109Alternativverzweigung / alternative branch 192, 603Alternierend / alternating 227ALU / ALU 228Aluminium-Elektrolyt-Kondensator / aluminium electrolytic

capacitor 54Ampere / ampere 13Ampere, Andrè-Marie / Ampere, Andrè-Marie 13, 17Amplitude / amplitude 68AMZ-Relais / inverse-time overcurrent protection relay 328Analog / analog 19Analog-Digital-Umsetzers / analog to digital converter 19Analoge Anzeige / analog display 19Angebot / offer 127, 628Anker / armature 440Ankerfeldschwächung / armature field weakening 446Ankerquerfeld / armature quadrature-axis field 438Ankerrückwirkung / armature reaction 438, 441Anlagen im Freien / open-air installations 167Anlagenerder / installation earth electrode 148Anlagenschutz / installation protection 154, 155

Anlagenverantwortlicher / nominated person in control of an electrical installation 179, 324

Anlasstransformator / starting transformer 423Anlassverfahren / starting methods 410, 423Anlasswiderstand / starting resistor 442Anlaufdrehmoment / starting torque 408Annäherungszone / vicinity zone 326Anode / anode 15Anpassung / matching 46Anregung / excitation 327Anschaltbaugruppe / interface module 374Anschlussdämpfung / insertion loss 512Anschlussleitungen / connecting leads 144Antennenmast / antenna mast 511Antriebe von Leistungsschaltern / drives for switching devices

321Antriebseinheit / drive unit 333Anweisungsliste AW / statement list STL 380Anweisungsteil / instruction part 597Anwendungsmodul / application module 464Anwendungsschnittstelle / application interface 464Anwendungssoftware / application software 254, 255Appell / appeal 623Arbeiten unter Spannung / live working 325Arbeitsablauf / workflow 620Arbeitseinheit / work unit 333Arbeitsmessung / work measurement 32Arbeitsorganisation / work organisation 620, 621Arbeitsplan / work schedule 621Arbeitsplanung / work scheduling 620Arbeitsplatz / workplace 621Arbeitspunkt / operating point 344, 363Arbeitsschutz / health and safety at work 97, 619Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) / occupational health and

safety act 96, 97, 619Arbeitsspeicher / main memory 377Arbeitsstromprinzip / open circuit principle 498Arbeitstemperatur / working temperature 283Arbeitsverantwortlicher / nominated person in control of a

work activity 324Arbiter / arbiter 229ArbSchG / ArbSchG 619Arithmetisch logische Einheit / arithmetic logic unit 228Arithmetischer Mittelwert / arithmetic mean value 73ASI-Bus / ASI bus 586ASI-Leitung / ASI line 586AS-Interface / AS interface 586ASIsafe / ASIsafe 616Asynchronmotor / asynchronous motor 405Asynchron-Servomotor / asynchronous servo motor 453Atemschutz / breathing protection 97Atommodell / atomic model 12ATX / Advanced Technology Extended 229, 253Aufbaurichtlinien / mounting guidelines 373Aufbewahrungsfrist / retention period 180Aufladevorgang / charging process 51Auflösung / resolution 249, 505Aufputz-Installation / surface-mounted installation 130Auftragsbearbeitung / order processing 628Aufwärtskanal / upstream channel 478Augenblickswert / instantaneous value 17Augenschutz / eye protection 97Ausfallrate / failure rate 240

656 Bildquellenverzeichnis / Picture Index

Bildquellenverzeichnis|ABB AG, Ratingen: 287.2. |ABB STRIEBEL & JOHN: 106.1. |Albert Maier GmbH - Armaturen für Transformatoren, Weil der Stadt: 331.4. |Albrecht JUNG GmbH & Co. KG, Schalksmühle: 470.1, 470.2, 473.1. |APC by Schneider Electric: Wickert, Harald 306.1, 306.2. |B.E.G. Brück Electronic GmbH, Lindlar: 544.4, 544.5, 547.6. |Baumer GmbH, Friedberg: 200.4, 200.6. |BC GmbH Verlags- und Medien-, Forschungs- und Beratungsgesellschaft, Ingelheim: 3.5, 3.6, 3.7, 3.9, 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 3.14, 3.15, 3.16, 3.17, 3.18, 3.19, 3.20, 3.21, 3.22, 3.23, 3.24, 3.25, 3.26, 3.27, 3.28, 3.29, 3.30, 3.31, 3.32, 3.33, 3.34, 3.35, 3.36, 3.37, 167.2, 171.2, 342.4, 342.6, 548.2, 550.4, 619.1, 619.2, 619.4, 619.5, 619.6, 619.7, 619.8, 619.10, 619.11, 619.12. |BENDER GmbH & Co. KG, Grünberg: 151.1. |Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Mediener-zeugnisse (ETEM), Köln: 96.2, 619.14. |Bildredaktion1, G. Schneider-Albert, Berlin: 103.1. |Brandenburger Kabelwerk GmbH, Zehdenick: 113.5. |Buderus Deutschland, Wetzlar: 284.1. |Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Berlin: 521.2, 521.3. |Busch-Jaeger Elektro GmbH, Lüdenscheid: Foto: Busch-Jaeger 143.3, 464.3, 471.1. |C. & E. FEIN GmbH, Schwäbisch Gmünd-Bargau: 144.1, 360.1. |Cedrat Tech-nologies: Image courtesy of Cedrat Technologies 204.2. |CONATEX, St. Wendel: 196.2. |Conrad Electronic, Hirschau: 495.2. |Danfoss GmbH, Offenbach/Main: 426.1, 429.1. |Datalogic S.r.l. Niederlassung Central Europe, Langen: 595.3. |Dätwyler, Hattersheim: 171.4, 342.1. |deckermedia GbR, Rostock: 452.1, 452.3, 454.1, 454.3, 456.1, 456.3, 458.2, 459.1, 459.2, 460.2. |DEHN SE + Co KG, Neumarkt i.d.OPf.: 96.6, 101.1, 104.2, 466.1, 466.2, 564.1, 566.1, 567.1. |Demag Cranes & Components GmbH, Wetter: 433.1. |Deutsche Telekom AG, Bonn: 477.2, 483.2. |Deutsche Zählergesellschaft mbH, Oranienburg: 104.1. |DOCUTECHNICA - Technische Dokumentation & Fotografie, Dipl.-Ing. Hans-Christian Starke, Kiel: 242.6. |DRIESCHER Moosburg – Eisleben, Moosburg: 329.2. |Druwe & Polastri, Cremlingen/Weddel: 23.1, 23.2, 23.3, 23.5, 23.6, 23.7, 42.4, 129.3, 129.4, 129.5, 131.1, 142.6, 166.5, 169.2, 169.3, 207.4, 343.1, 344.1, 346.1, 347.1, 349.2, 354.2, 357.2, 366.3, 369.3. |DVB Project Office: DVB and the DVB logos are trademarks of the DVB Project 506.2, 506.3, 517.3. |Dzieia, Michael Dr., Darmstadt-Arheilgen: 334.2, 336.1, 339.5. |E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH, Oberderdingen: 29.3. |Eaton Industries GmbH, Bonn: 142.4, 142.5, 194.3, 421.2. |ebm-papst: 412.1, 461.2. |Endress+Hauser Flowtec AG, Reinach: 198.2, 198.4, 198.7. |Endress+Hauser SE+Co. KG: 199.4, 199.5, 199.6. |Engbarth, Gerd, Bienenbüttel: 9.4. |EWE NETZ GmbH, Oldenburg: 287.1. |FINDER GmbH, Trebur: 222.2, 361.3. |Fluke Corporation: 161.2, 161.3, 172.1, 174.4. |fotolia.com, New York: alfernec 325.2; Christian Schwier 561.2; Foustontene 97.5; He2 97.4; industrieblick 548.4, 548.5; Jargstorff, Wolfgang 286.1; kurt_kreibich 548.3; magicbeam 296.2; oerwin 97.2; pgottschalk 28.3. |Fritz Driescher KG, Weg-berg: 289.2. |Getty Images, München: Ann Ronan Pictures/Print Collector 9.2. |GEWISS Deutschland GmbH, Merenberg: 109.2. |GINO AG, Bonn: 442.2. |goobay®, Braunschweig: 238.4. |Gossen Metrawatt GmbH, Nürnberg: 173.2, 177.2. |Günther Spelsberg GmbH + Co.KG, Schalksmühle: 130.3, 131.3, 139.5. |Gustav Hensel GmbH & Co. KG, Lennestadt: 107.1, 154.2. |hager.de: 155.1, 557.1. |Harvia Finland Oy: 166.4, 166.6, 166.7. |Heise Medien GmbH & Co. KG, Hannover: 64.1. |Helukabel GmbH, Hemmingen: 113.3, 113.4, 120.1, 120.2, 120.3, 120.4, 120.5, 120.6, 120.7, 288.2, 288.4, 288.6, 288.7, 288.8, 332.5, 465.1. |Hermann Zander GmbH & Co. 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