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Damit die SPS nicht der Schlag trifft

01 Elektrostatische Entladungen werden als Störungsursache häufig unterschätzt. Der batteriebetriebene Quicktester ESD-QT 16 kann zusammen mit dem Material durch die Anlagen fahren und Schwachstellen lokalisieren

01 Elektrostatische Entladungen werden als Störungsursache häufig unterschätzt. Der batteriebetriebene Quicktester ESD-QT 16 kann zusammen mit dem Material durch die Anlagen fahren und Schwachstellen lokalisieren

02 Der Quicktester ESD-QT 16 signalisiert elektrostatische Entladungen visuell und akustisch

02 Der Quicktester ESD-QT 16 signalisiert elektrostatische Entladungen visuell und akustisch

Man geht über den Teppich, die Luft ist trocken und beim Berühren der Türklinke bekommt man einen elektrischen Schlag. Was für den Menschen ungefährlich ist und schlimmstenfalls für eine kurze Schrecksekunde sorgt, kann Steuerungen und andere elektronische Baugruppen in Produktionsanlagen komplett zerstören. Das Thema ESD (Electrostatic Discharge) ist zwar nicht neu, es gewinnt aber im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung an Bedeutung.
Die Belastung einer SPS oder eines Sensors durch eine elektrostatische Entladung hat nur in seltenen Fällen einen sofort erkennbaren Ausfall zur Folge. Häufiger werden die Defekte erst mal nicht bemerkt. In der Praxis können die Geräte noch einige Zeit lang gut funktionieren und sogar Funktionstests sowie Prüfungen bestehen. Erst nach und nach zeigen sie unbestimmte Fehlersymptome und versagen am Ende komplett. So kommt es durchaus vor, dass eine vorgeschädigte Anlage nach der Übergabe an den Kunden einige Monate einwandfrei läuft – und dann sporadisch unerklärliche Probleme auftreten, obwohl an der Anlagentechnik nichts verändert wurde. Bei einem solchen späteren Ausfall lässt sich der Zusammenhang zu der elektrostatischen Entladung natürlich nicht mehr herstellen.
Wie es zu elektrostatischen Entladungen kommt
Elektrostatische Ladungen entstehen durch die Reibung und anschließende mechanische Trennung zweier Materialien ohne oder mit nur geringer Leitfähigkeit. Man spricht hier auch von Reibungselektrizität oder dem triboelektrischen Effekt (aus dem Griechischen: tribeia = reiben). Dadurch wird ein Elektronentransfer von einem Stoff zum anderen ausgelöst, was je nach Material zu positiver oder negativer Aufladung führt. Für die Höhe der Ladung sind die Temperatur, die Luft- und Oberflächenfeuchtigkeit sowie die Geschwindigkeit der Trennung ausschlaggebend. Je schneller die Trennung erfolgt, desto größer ist die entstehende Ladung.
Zum Beispiel treten elektrostatische Entladungen bei folgenden Tätigkeiten auf:

  • Der Reibung verschiedener Materialien aneinander,
  • dem Trennen von Folien – auch dem Abziehen von Klebeband,
  • dem Umfüllen von Flüssigkeiten und Schüttgütern (Bild 1),
  • der Bewegung von Spritzgussteilen auf einem Transportband,
  • beim Entformen von Kunststoffteilen aus dem Werkzeug,
  • der mechanischen Bearbeitung von Nichtleitern, wie Glas, Gummi und Kunststoffen, oder
  • der Reibung beim trockenen Putzlappen.

Kommt dann ein leitfähiges Material in die räumliche Nähe, erfolgt ein plötzlicher Ladungsausgleich, bei dem ein kurzer, aber hoher Strom fließt – die elektrostatische Entladung. Während Menschen die Entladung ab einer Spannung von 2 500 V spüren, können elektrische Bauteile schon bei einer Spannungsdifferenz von 10 V beschädigt werden.
Isolierende Kunststoffe laden sich auf
Besonders in der Produktion und Logistik, aber auch in vielen anderen Produktionsbereichen, nimmt der Einsatz von Kunststoffen zu, sei es als hergestelltes Produkt oder als Teil der Anlage. Es gibt zwar unvorstellbar viele verschiedene Kunststoffe, aber eines haben die meisten gemeinsam – sie sind nicht leitfähig und können sich statisch auf mehrere 10 000 V aufladen. Gleichzeitig führt die fortschreitende Digitalisierung im Rahmen von Industrie 4.0 in produktions- und fördertechnischen Anlagen zu immer mehr elektronischen Baugruppen. Dazu kommt, dass die Sensoren und Geräte durch die zunehmende Miniaturisierung immer kleiner gebaut werden – und zudem immer dichter an das Geschehen rücken. Dementsprechend sollte man dem Thema „Elektrostatische Entladung“ zukünftig mehr Aufmerksamkeit schenken. Spätestens dann, wenn man aus unerklärlichen Gründen einen defekten Sensor oder eine kaputte Steuerung zum dritten Mal austauschen muss, drängen sich elektrostatische Ursachen auf.
Lokalisierung der elektrostatischen Aufladung
Um solche Entladungen aufzuspüren, hat IVG Göhringer den Quicktester ESD-QT 16 (Bild 2) entwickelt. Das batteriebetriebene Diagnosegerät erkennt die Magnetfelder, die durch die Entladeströme entstehen, und signalisiert die Störimpulse über eine LED sowie eine Sirene. Bei der akustischen Signalisierung per Sirene kann sich der Instandhalter voll auf die Bewegungsabläufe in der Anlage konzentrieren, ohne dass er ständig auf ein Messgerät blicken muss. Der Tester und die Sirene sind batteriebetrieben und können daher mit den Transportkisten oder zusammen mit dem Material durch die Anlage fahren, um Problemstellen zu lokalisieren. Die Empfindlichkeit des Diagnosegeräts ist fein einstellbar. Im stationären Einsatz kann der potenzialfreie Alarmkontakt des Diagnosegeräts auch über die übergeordnete Steuerung ausgewertet werden. Mit der Zusatzsoftware QT-Manager lassen sich die erfassten Störimpulse direkt dem Prozessabbild der SPS zuordnen.
Wer sich mit dem ESD-Effekt befasst, wird schnell merken, dass es ein Trugschluss ist zu glauben: „Es ist alles in Ordnung, solange alle LED grün leuchten.“ (no)

Gerhard Bäurle ist Fachjournalist in Biberach. ivg@baeurle.biz