Funktionserdung im Schaltkasten

Eine korrekte Auslegung und Ausführung der Funktionserde ist essenziell für eine langfristig stabile und zuverlässige Kommunikationsinfrastruktur. (Bild: Leadec Group)

Die Anlage elektromagnetisch verträglich zu machen – das ist das Ziel der Funktionserde. Korrekt ausgelegt verhindert sie, dass EMV-Einflüsse die Kommunikationsnetzwerke stören. Allerdings ist eine richtige Auslegung mit Stolperfallen geradezu gespickt. Machen vermaschte Erdungssysteme immer Sinn? Oder ist es nur eine andere Verteilung der Masseströme? Wären Alternativen nicht besser?

Diesen Fragen wäre Hans-Ludwig Göhringer – seit 2020 Teil der Leadec-Gruppe – im Anwender-Workshop „Gut durchdachte Erdung reduziert EMV-Einflüsse“ bei ausgefallenen Automatierungstreff in Böblingen auf den Grund gegangen.

Profinet als zentrales Rückgrat

Robuste Netzwerke und Bussysteme sind die wesentliche Basis für eine erfolgreiche Automatisierung und Digitalisierung der Produktion. Umso gravierender ist ein Ausfall der schlanken Prozessketten mit minimalen Material-Puffern. Viele sind sich dessen zwar bewusst, achten aber selten auf das „Rückgrat“ ihrer Produktionsanlagen.

Aufgrund der Verwendung von bewährter Ethernet-Technologie sind IP-basierte industrielle Netzwerke prinzipbedingt sehr robust gegenüber Störeinflüssen. Dennoch kann es auch hier zu unerwarteten Ausfällen kommen. Jedoch gestaltet sich bei Ethernet-­basierten Systemen die Fehlersuche – im Vergleich zu klassischen Feldbussystemen – aufwendiger und schwieriger. Der Grund: Die Frequenzen von Nutzsignal und Störgrößen liegen oft im selben Spektrum.

Ursachenforschung: Schirmauflage ist wesentlich

Bei der Suche nach den Ursachen für die Störungen ist eine Unterscheidung zwischen konstruktiven Mängeln der Bus­installation und deren Alterung sinnvoll. Zu den häufigsten konstruktiven Mängeln zählen:

  • Erdschlüsse durch falsche Einstellung am Stripping Tool
  • Nur einseitig aufgelegter Schirm
  • Schirm nicht flächig angeschlossen
  • Fehlender oder unzureichend dimensionierter Potenzial­ausgleich
  • Keine Trennung zwischen Strom- und Datenleitungen
  • Sternförmige Erdung und unsymmetrische Belastung der Stromversorgung

Die wichtigste Maßnahme zum Schutz von Maschinen und Anlagen vor elektromagnetischen Störungen ist eine ordnungsgemäße Schirmleitung und Schirmanbindung. Dazu gehört eine ­flächige Schirmauflage und Erdung an beiden Enden. In der Praxis ist bei der Fehlersuche hin und wieder zu sehen, dass der Schirm nur punktförmig (Pigtail) aufgelegt ist. Die Abschirmung kann ihren Zweck jedoch nur erfüllen, wenn sie unterbrechungsfrei und rundum den Steckverbinder geschlossen ist und darüber hinaus gut leitend mit der Funktionserde verbunden ist. Metallische Kabeldurchführungen verhindern, dass hochfrequente Störungen in Steuerungen und in Schaltschränke eindringen. Manchmal wird der Schirm nur einseitig aufgelegt. Die Begründung für dieses Vorgehen: Dann kann auf dem Schirm kein Strom fließen. Das Argument gilt jedoch nur bei magnetischen Feldern. Die Ursache hoher Schirmströme ist ein Indiz für eine der häufigsten Störungsquelle: Ein fehlender Potenzialausgleich – dort muss der Hebel angesetzt werden.

Messgerät vor Dosenpalette
Die Tücke sporadischer Fehler: Kurze aber hohe Entladeströme aufgrund statischer Aufladung können die Netzwerkkommunikation stören. (Bild: Leadec Group)

Erdungsstruktur und Potenzialausgleich

Sowohl DIN EN 50310 als auch die PNO-Empfehlungen definieren Mindestanforderungen an Erdung und Potenzialausgleich für Gebäude und Anlagen mit informationstechnischen Einrichtungen. Darunter fallen auch die elektrische Steuerungstechnik, Bus­systeme und Netzwerke.

Grundsätzlich wird der Übergang von der Sternpunkt-Erdung zu einem vermaschten Erdungssystem empfohlen. Der Leit­gedanke dahinter: Bei einer vermaschten Struktur sucht sich der Strom den richtigen Weg – immer den kürzesten. Im Grundsatz ist der Weg richtig – jedoch kann es passieren, dass man den Strom an einen Punkt leitet, an dem man ihn gar nicht haben möchte. Deshalb ist eine strukturierte Vorgehensweise sinnvoll, in die auch die vorhandene Felderfahrung mit einfließt.

Trouble-Shooting EMV – das Notfallbesteck

Im Anwender-Workshop auf dem Automatisierungstreff hätten die Teilnehmer die Grundlagen zu Themen gelernt wie Leitungsabschirmung, Potenzialausgleich oder Kabelführung sowie eine EMV-Bewertung von Anlagen. Die Suche nach EMV-Störern mit ­entsprechenden Messgeräten wie auch verschiedene Fixing-Maßnahmen wären praktisch vorgeführt worden, etwa wie sich Schaltvorgänge und deren Auswirkungen auf die Kommunikation in einer Anlage auswirken. Anpassungen und Erweiterungen in der Normenwelt werden ebenfalls behandelt, beispielsweise die „Planungs- und Installationsempfehlungen für die Funktionserdung und Schirmung von Profibus- und Profinet-Netzwerken“ oder „DKE/AK 712.0.6 PA-Ströme“ aus den VDE.

Der Einsatz von Erdschleifenmesszangen, die Messmethoden und –verfahren wären ebenfalls Teil des Workshop gewesen. Denn hier lauern verschiedene Fallstricke, die zu kontraproduktiven Maßnahmen verleiten. In der Praxis wird manchmal fälschlicherweise festgestellt, dass der Widerstand zu hoch ist – und eine bestehende Leitung gegen ein Kabel mit geringerem Widerstand ausgewechselt. Die Konsequenz: Dann fließt ein noch höherer Strom und es wird noch mehr Leistung in die Datenleitung eingekoppelt; das EMV-Verhalten der Anlage verschlechtert sich noch mehr.

Das Thema Erdung und EMV ist in den letzten Jahren zwar mehr in den Fokus der Instandhalter gerückt – erfährt aber trotzdem noch nicht die erforderliche Aufmerksamkeit. (sk)

Autor

Gerhard Bäurle

Technikjournalist für die Leadec Group.

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