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Aktuelles aus der Kommunikation

Bussystem, Ethernet, Profibus, Modbus, RFID, Internet of things, Industrie 4.0

Indusol50114Hannover Messe Halle 9, Stand D80

Fachartikel

Medizinische Ansätze beispielsweise aus dem asiatischen Raum machen uns deutlich, wie wichtig es ist, nicht einzelne Symptome zu betrachten, sondern das gesamte System. Oft lassen sich nur so Ursachen finden und sinnvoll behandeln, anstatt an Symptomen herumzudoktern. Das gilt auch für die Automatisierungstechnik mit ihren zunehmend komplexer werdenden Anlagen. Der Beitrag zeigt, wie Indu-Sol mit dem Blick fürs Ganze und einer umfassenden Diagnose, die Zuverlässigkeit und Qualität der Kommunikation und somit einer ganzen Anlage verbessert.


Schon vor vielen Jahren haben sich die Experten für die Bus-Kommunikation auf die Entwicklung von Systemen zur Feldbusdiagnose und den damit verbundenen Dienstleistungen spezialisiert. Der Schwerpunkt liegt auf der permanenten Netzwerküberwachung mit dem Ziel der Warnung vor dem Ausfall. Dazu wurde dem Bus quasi ein Langzeit-EKG verpasst. Während früher die Aussage reichen musste, dass der Bus funktioniert oder eben nicht, findet man mittlerweile sehr differenziert heraus, welche Probleme wo vorliegen bzw. in absehbarer Zeit auftreten könnten. So lässt sich heute auch feststellen, wenn die Ursache von Kommunikationsproblemen nicht im Bus selbst entsteht. Während der Arzt den Patienten bei der Auswertung eines Langzeit-EKG befragt, was er zu Zeiten mit ungewöhnlichen Messwerten getan oder gegessen hat, wäre es auch bei der Analyse von Kommunikationsproblemen im Bus interessant, wie sich andere Systeme im Bus-Umfeld zu diesem Zeitpunkt verhalten haben. Oft sind dort die Problemursachen zu finden.

Schirmströme und ihre Ursachen

Indusol10114Seit jeher hat man in Automatisierungssystemen mit Schirmströmen zu tun. Dass diese auftreten können, ist keine neue Erkenntnis. Getreu dem Motto: „Was ich nicht weiß, macht mich nicht heiß“, wird Schirmströmen jedoch kaum Beachtung geschenkt. Messungen in der Praxis zeigen aber, dass heute Schirmströme nicht selten bei 500 mA oder sogar im einstelligen A-Bereich liegen und im kHz-Bereich einzuordnen sind. Wie kommt es dazu?

Große Auffälligkeiten sieht Indu-Sol bei Maschinen bzw. Anlagen, die in den letzten Jahren umgerüstet bzw. im Bereich der Automatisierung modernisiert wurden. Das I/O Device befindet sich jetzt dezentral im letzten Winkel der Anlage und die Antriebstechnik ist auf energiesparende Frequenzumrichter umgeschwenkt. Beides ist absolut wichtig, aber man hat bei den Modernisierungsgedanken den Potentialausgleich völlig unberührt gelassen.

In der DIN VDE 50310 wird explizit darauf hingewiesen, dass in Gebäuden mit Einrichtungen der Informationstechnik ein verbesserter Potentialausgleich (mindestens verbesserter Typ A) auszuführen ist. Die Verbesserung besteht darin, dass neben der typischen Sternstruktur zusätzliche Potentialausgleichsverbindungen zwischen den Standorten von elektrischen und elektronischen Geräten hergestellt werden. Aber auch bei neu geplanten Maschinen bzw. Anlagen können Probleme auftreten, wenn man nicht einige wichtige Grundsätze beachtet. Innerhalb der Zuleitung für hochfrequente Verbraucher koppeln sich in den PE-Leitern hochfrequente Ströme ein, welche dann zur Entstehungsquelle zurückgelangen wollen. Theoretisch geschieht das über den Potentialausgleich.

Problematisch wird es aber in der Praxis, wenn sich in der Nähe des Antriebs ein Profibusteilnehmer befindet, dessen Zuleitung beidseitig auf Erdpotential liegt. Diese Installation ist zwar absolut richtig, da nur so die Schirmfunktionalität voll funktioniert. Aber es gibt hierzu eine Kehrseite, die es zu beachten gilt: Da nun Schirm und Schutzleiter auf den gleichen Endpunkt liegen und in den meisten Fällen parallel zueinander verlaufen, nimmt laut Stromteilerregel der ‚ungewollte‘ Strom auch den Weg über den Schirm der Profibusleitung als Rücklaufpfad und nicht nur die Potentialausgleichsverbindung. Denn hochfrequente Ableitströme nehmen nicht den Weg des geringsten ohmschen Widerstandes sondern immer den Weg geringster Impedanz.

Symmetrische Motorleitungen

Indusol20114Laut DIN VDE 0100-540/DIN EN 61140 dürfen Schutzleiterströme (PE) dauerhaft geschlossener Betriebsmittel bei einem Bemessungsstrom der Verbrauchsmittel von über 20 A maximal 10 mA erreichen. Praxismessungen zeigen aber, dass PE-Ströme von bis zu 10 % des Phasenstroms keine Seltenheit sind. Da derart hohe Schirmströme für Maschine bzw. Anlage und Buskommunikation gefährlich werden können, besteht dringender Handlungsbedarf. Anstatt die Schirmströme über sekundäre Lösungen wie Schirmklemmen abzuführen, wäre es sinnvoller, ihre Entstehung in derartiger Höhe von vornherein zu vermeiden.

In herkömmlichen Motorleitungen läuft der Schutzleiter parallel zu den Phasen L1, L2 und L3. Bei einem alternativen Aufbau der von den Bus-Experten angebotenen Motorleitungen wurde der PE in drei Leitungen aufgeteilt. Die kapazitive und induktive Einkopplung verteilt sich damit auf drei Leitungen, deren Phasen um jeweils 120° zueinander verschoben sind. Dadurch heben sich die eingekoppelten Ströme gegenseitig nahezu auf und zwar zu mehr als 80 %.

Indusol40114Ein solcher Aufbau ist kein Novum, sondern wird ganz im Gegenteil eigentlich von allen Frequenzumrichter-Herstellern empfohlen. Diese bewährte Lösung ist nur in den letzten Jahren in Vergessenheit geraten. Sie wird heute allerdings zunehmend wieder interessant, weil Frequenzumrichter in der Nähe von Busmodulen schnell zu den eingangs beschriebenen Problemen führen. Neben den Motorleitungen bieten die Schmöllner Experten zudem eine EMV-Service-Box, die alle notwendigen Komponenten für eine normgerechte Anlagenverdrahtung enthält.

Konzepte für Potentialausgleich verbessern

Indusol50114Die Bus-Experten wagen heute die These: Die Zuverlässigkeit der Anlage der Zukunft wird wesentlich von der Qualität der Niederspannungsschaltanlage abhängen. Wer nicht alle Motorleitungen ersetzen kann oder bei der Neuplanung einer Anlage konsequent richtig vorgehen will, sollte sich Gedanken über seinen Potentialausgleich machen. Bei alten Werkshallen muss die Frage erlaubt sein, wie es nach all den Jahren des Betriebs um den Fundamenterder bestellt ist. Gleichzeitig sind Konzepte für den Potentialausgleich gefordert, die dafür sorgen, dass die Impedanz des Potentialausgleichssystems geringer ist als die Impedanz des Schirms. Als Richtwert gilt: Schirmschleifenwiderstände von Datenleitungen wie Buskabeln sollten maximal bei ca. 0,6 Ohm (Impedanzwert bei 2,2 kHz) und Schleifenwiderstände der Potentialausgleichsanlage (CBN) in einem Bereich von ca. 0,3 Ohm (Impedanzwert bei 2.2 kHz) liegen. Mit einem vermaschten Potentialausgleich MESH-BN lassen sich elektromagnetische Störungen deutlich verringern. Je kleiner die Maschenabmessung, desto besser die Funktion.

Durch den Einsatz der Maschenwiderstandsmesszange „Emcheck MWMZ I“ beispielsweise lassen sich diese Werte ermitteln und eine Aussage zur Potentialausgleichsgüte einfach treffen. Um dem Anwender die aufwändige Suche nach dem jeweiligen Anbieter zu ersparen, bietet ein Katalog eine Auswahl niederimpedanter Ausgleichsleitungen, die den geltenden Normen und Richtlinien entsprechen.

Ursachen von EMV-Problemen aufdecken

Indusol6a0114Wer Probleme vermeiden oder beheben will, muss deren Ursachen kennen. Das eingangs erwähnte Langzeit-EKG des Profibusses hilft nur wenig, wenn die Ursache der Kommunikationsstörung an anderer Stelle auszumachen ist. Deshalb können weitere Messungen über einen längeren Messzeitraum notwendig sein, deren Ergebnisse dann miteinander verglichen werden, um Zusammenhänge aufzudecken. Automatisierte Langzeittests, zum Beispiel mit dem „EMV-Inspektor V2“, können unter anderem das zeitliche Verhalten des Profibus-Schirmstroms, des Stroms im PE/PA-System, den PE-Strom im Motorkabel und den Verlauf der 24 VDC Versorgung aufzeigen.

Neben den notwendigen Mess- und Analysetools, mit denen sich eine stabile Buskommunikation durch Minimierung der EMV-Einflüsse erreichen lässt, bieten die Experten ihr breites Know-how auch als Dienstleistungen und in Schulungen an. Sie kennen die Normen und Richtlinien, die nützliche Grenzwerte vorgeben und übrigens nicht direkt aus dem Anlagenbau, sondern beispielsweise aus der Gebäudetechnik stammen.
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