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01 Der Schirmstrom und nicht entstörte Induktivitäten sind die häufigsten Fehler in den von IVG Göhringer untersuchten Anlagen

Äußere EMV-Einflüsse als Störungsursache für Netzwerke

02 Erkennen von Kontaktproblemen der Erdung aufgrund von Oxidationsprozessen mithilfe einer Stromzange

03 In Workshops und Schulungen gibt Hans-Ludwig Göhringer sein Wissen zur Instandhaltung von Bussystemen und Netzwerken weiter

04 Mindestabstände und Distanzen zwischen Kabeln unterschiedlicher Kategorien

05 Der P-QT 10 signalisiert kritische Zustände wie Fehltelegramme, Telegramm-Wiederholungen und Diagnosemeldungen optisch per LED und akustisch per Sirene

Unabhängig davon, ob das Schlagwort „Industrie 4.0“ oder „Internet der Dinge“ heißt, in Zukunft wird der Vernetzungsgrad weiter zunehmen. Entsprechend steigen die Leistungsdichte und damit auch die Störempfindlichkeit – etwa durch elektromagnetische Einflüsse. Das betrifft besonders die Netzwerke und Feldbussysteme. Sie ziehen sich durch die gesamten Maschinen und Anlagen und sind wie ein zentrales Nervensystem von elementarer Bedeutung.

Der Überbegriff des Themas ist die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Im Rahmen der EMV wird betrachtet, ob elektrische Geräte und Netzwerke selbst andere Komponenten stören (Störquelle) oder durch andere Komponenten gestört werden (Störsenke). Das Ziel ist daher, alle elektrischen Systeme so aufzubauen, dass sie andere nicht beeinflussen und selbst nicht beeinflussbar sind.

Arten von Störungen
Die elektromagnetische Beeinflussung zwischen Störquelle und Störsenke wird Kopplung genannt. Unterschieden wird zwischen:
•galvanische Kopplung: leitende Verbindung zwischen zwei Stromkreisen, meistens durch gemeinsame Versorgungs- oder Masseleitungen,
•kapazitive (elektrische) Kopplung: gegenseitige Beeinflussung durch das elektrische Feld, beispielsweise durch eng zusammenliegende Leiter mit hohem Potentialunterschied,
•induktive (magnetische) Kopplung: das durch Stromfluss eines Leiters erzeugte Wechselfeld induziert eine Störspannung in anderen Stromkreisen,
•externe Störquelle: beispielsweise Blitzschlag, besonders zu beachten, wenn die Leitungen in großflächigen Anlagen im Freien verlaufen.
Während zuerst gelegentlich ein Bit eines Telegramms kippt, kann es mit zunehmender Verschlechterung zur regelmäßigen Zerstörung kompletter Telegramme kommen. Die Ursachen für Ausfälle der Buskommunikation sind häufig Schäden an der Businstallation in Verbindung mit elektromagnetischen Effekten (Bild 1). Diese haben einen wesentlichen Einfluss auf den Datenverkehr und führen im Betrieb zu einer schleichenden Beeinträchtigung bis hin zum Anlagenstillstand. „In über der Hälfte aller Fälle treffen wir auf EMV-Probleme, wenn wir zu Anlagenstillständen gerufen werden“, berichtet Hans-Ludwig Göhringer von IVG Göhringer. Das Unternehmen befasst sich seit vielen Jahren mit der Instandhaltung von Feldbussen. IVG Göhringer wird häufig als Troubleshooter zu Anlagenstillständen gerufen und gibt seine Erfahrungen auch in verschiedenen Schulungen weiter (Bild 2 und 3).

Ursachenforschung
Bei der Suche nach den Ursachen für die Störungen ist eine Unterscheidung zwischen konstruktiven Mängeln und der Alterung der Bussysteme sinnvoll. Es ist jedoch zu beobachten, dass, im Vergleich zur Situation vor zehn Jahren, in der heutigen Praxis wesentlich mehr Wert auf ein EMV-gerechtes Anlagendesign gelegt wird. Zu den konstruktiven Mängeln zählen:
•Schirm nur einseitig aufgelegt,
•Schirm per Pigtail (Schweineschwanz) angeschlossen statt flächig verbunden,
•fehlender oder unzureichend dimensionierter Potentialausgleich,
•fehlende Trennung zwischen Strom- und Datenleitungen,
•sternförmige Erdung statt Vermaschung und
•Verwendung nicht geeigneter Steckverbinder.
„Bei der Suche nach den Komponenten, welche die Störungen verursachen, denkt man zuerst an schaltende Schütze und Umrichter mit großer Leistung und entsprechend hohen Strömen“, berichtet H.-L. Göhringer und sagt weiter: „Aber es gibt zahlreiche weitere Komponenten, die alle für den Funktionsablauf benötigt werden und auch als Störer infrage kommen.“ Dazu gehören: Frequenzumrichter, Motoren und Bremsen, Spulen, Leuchtstofflampen, Heizungen, Schaltnetzteile, Stromrichter, Schalter, Schütze, Funkstrecken, magnetische Wechselfelder sowie statische Entladungen und Lichtbögen. Zudem steigen die Anforderungen an die elektrische Automation. Höhere Geschwindigkeiten in der Anlage erfordern kürzere Schaltzyklen und eine höhere Regelgenauigkeit beim Positionieren. „Wir haben immer mehr Schaltfolgen und steilere Flanken, so dass auch die hochfrequenten Störungen zunehmen“, erklärt H.-L. Göhringer weiter.

Auf den Schirm kommt es an
Die wichtigste Maßnahme zum Schutz von Maschinen und Anlagen vor elektromagnetischen Störungen ist eine ordnungsgemäße Schirmleitung und -anbindung. Dazu gehören eine flächige Schirmauflage und eine Erdung an beiden Enden. In der Praxis ist hin und wieder zu sehen, dass der Schirm wie die Signalleitungen an nur einem Punkt angelötet ist. Damit ist der Schirm besonders bei hohen Frequenzen wirkungslos. Die Abschirmung erfüllt ihren Zweck nur, wenn sie unterbrechungsfrei und durchgängig geschlossen ist und zudem gut leitend mit der Funktionserde verbunden ist. Mit metallischen Kabeldurchführungen wird verhindert, dass hochfrequente Störungen in Steuerungen und Schaltschränke eindringen. „Manchmal wird der Schirm nur einseitig aufgelegt, mit dem Argument, dann könne auf dem Schirm kein Strom fließen“, berichtet H.-L. Göhringer aus der Praxis und erläutert weiter: „Das ist aber Unfug. Ein hoher Schirmstrom lässt auf einen fehlenden Potentialausgleich schließen – dort muss der Hebel angesetzt werden.“ Damit sind wir beim nächsten Thema.

Erdungsstruktur und Potentialausgleich
In der DIN EN 50310 sind die Mindestanforderungen an Erdung und Potentialausgleich für Gebäude mit informationstechnischen Einrichtungen festgelegt. Darunter fallen auch die elektrische Steuerungstechnik, Bussysteme und Netzwerke. Grundsätzlich wird der Übergang von der Sternpunkterdung zu einem vermaschten Erdungssystem empfohlen. Diese Norm ist zwar im Zusammenhang mit der Ethernet-Verkabelung entstanden, gilt aber auch als Wegweiser für beliebige andere Bussysteme. „Der Leitgedanke, der hinter der vermaschten Struktur steht, ist, dass sich der Strom den richtigen Weg sucht“, erläutert H.-L. Göhringer und fügt an: „Im Grundsatz ist der Weg richtig. Aber es gibt keine Lösungswege, die pauschal richtig sind und für jede Anlage passen. In einer Maschenerdung nach Lehrbuch kann es auch passieren, dass man den Strom an einen Punkt leitet, an dem man ihn gar nicht haben möchte.“ Zudem sind in der DIN EN 50310 die entsprechenden Leitungsquerschnitte nicht definiert. Vorgeschlagen wird deshalb eine strukturierte Vorgehensweise, in die auch die vorhandene Felderfahrung mit einfließt. Ausgehend von der Sternpunkterdung soll nur mit gezielten Erdleitungen gearbeitet werden, bis die Schwachstellen lokalisiert und beseitigt sind. Sinnvollerweise wird passend zur Anlage ein Verlegeplan für Masse-, Energie- und Datenleitungen erstellt. Gleichzeitig sollten die Messverfahren festgelegt und dokumentiert werden, um auch bei Anlagenumbauten und -erweiterungen eine vergleichbare Qualität zu bekommen.

Verlegeplan
Der Verlegeplan gibt die Struktur der Verlegewege vor. Im Rahmen des EMV-Zonenkonzepts sind die verträglichen Leitungsklassen jeweils zusammengefasst. Wichtig ist, dass eine mögliche gegenseitige Beeinflussung der Kabelbündel mit den entsprechenden Leitungsklassen innerhalb der Verlegewege durch die Entkopplungsabstände verhindert wird. Kabel derselben Kategorie können zusammen verlegt oder direkt nebeneinander in denselben Kabelkanal verlegt werden. Kabel unterschiedlicher Kategorien müssen einen minimalen Abstand einhalten und sind idealerweise in getrennten metallischen Kanälen oder Abtrennungen geführt (Bild 4). Wenn Kabel unterschiedlicher Kategorien sich kreuzen, sollte dies immer im rechten Winkel geschehen.

Fazit
Das Thema EMV ist in den letzten Jahren zwar mehr in den Fokus der Instandhalter gerückt – aber trotzdem wird die Instandhaltung oft erst bei einem unerwarteten Stillstand aktiv. Im Rahmen einer effizienten Instandhaltung muss es jedoch das Ziel sein, die Leistungsfähigkeit der Bussysteme zu erhalten und unvorhersehbare Störungen zu vermeiden. Eine einfache Lösung dafür sind die Quicktester P-QT 10 für Profibus und C-QT 15 für CAN von IVG Göhringer (Bild 5). Die kompakten Diagnosemodule ermöglichen dem Anwender eine permanente Überwachung. Schon beim ersten Fehltelegramm kann der Instandhalter reagieren und seine Anlage auf die beschriebenen Fehlerbilder absuchen. (hz)

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Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Bäurle ist Fachjournalist und verfasste den Beitrag für IVG Göhringer. info@i-v-g.de