(Bild: Indu-Sol)
Die neue EMV-Richtlinie der PI bringt den aktuellen Stand der Technik hinsichtlich Schirmung und Erdung von Profibus und Profinet mit den geltenden Normen in Einklang. Indu-Sol
Unternehmen in nahezu allen produzierenden Industriezweigen erhöhen stetig den Automatisierungsgrad in ihrer Wertschöpfungskette. In diesem Zuge steigt auch der Einsatz von höherfrequenter Leistungselektronik wie Frequenzumrichtern. Eine erhöhte Dynamik (Regelfrequenz) der Antriebe und die Kommunikationsvernetzung in dezentraler Peripherie sind zwei weitere Faktoren, die die feldbusnahe Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zunehmend in den Blickpunkt der industriellen Automatisierung rücken.
Dies zeigt auch eine aktuelle Studie von Indu-Sol: Im sogenannten Vortex Report 2018 bereitet das Thüringer Technologieunternehmen die Erkenntnisse aus mehr als 500 Einsätzen seiner Messingenieure zur Bewertung der Kommunikationsqualität in industriellen Netzwerken aus dem Kalenderjahr 2017 auf. Eine Erkenntnis: In beinahe jedem vierten Fall lagen die Hauptursachen für eine verminderte Qualität der Datenübertragung in den Bereichen EMV & Potentialausgleich. Im Vorfeld des Messeinsatzes wurde das jedoch nur in 7 % der Fälle seitens des Kunden vermutet.
Richtlinie speziell für Automatisierung veröffentlicht
Nun wurde von offizieller Seite her Nachholbedarf erkannt: Der Weltverband Profibus & Profinet International (PI) veröffentlichte im Vorfeld der diesjährigen Hannover Messe eine Richtline zum Thema Funktionspotentialausgleich und Schirmung in Profibus- und Profinet -Netzwerken. Damit hat erstmals eine Feldbusnutzerorganisation den Versuch unternommen, den aktuellen Stand der Technik zu den Themen Schutz- und Funktionserdung sowie Schutz- und Funktionspotentialausgleich im Bereich des Maschinen-/Anlagenbaus umfassend zu Papier zu bringen – und das nicht ohne bei ihrer Erstellung viele „alte Zöpfe“ abschneiden zu müssen.
Mit dem Dokument ist es gelungen, neueste Erkenntnisse bei der Planung, Errichtung und dem Betrieb von Automatisierungsanlagen mit dem aktuellen Stand der Normung abzugleichen, um deren EMV-Festigkeit und damit die Verfügbarkeit zu erhöhen. Auf dieser Basis spricht die Richtlinie entsprechende Empfehlungen aus. In vielen Fällen lassen sich bereits durch leichte Modifikationen der vorhandenen Lösungen und Systeme Einsparungen an Material- und Installationsaufwand erzielen, was die Störfestigkeit erhöhen und die Wettbewerbsfähigkeit erhalten kann.
Potentialausgleich planen
Ein optimales Common Bonding Network mit vermaschtem Aufbau und kurzen Verbindungen (rechts) spart deutlich Material bei gleichzeitiger Verbesserung der Funktion gegenüber einem konventionellen Aufbau mit sternförmiger Anbindung (links) mit sich. Indu-Sol
Es lohnt sich also für Unternehmen, den Potentialausgleich nicht erst „live“ auf der Baustelle entstehen zu lassen, sondern sich bereits im Vorfeld Gedanken zu dessen Aufbau zu machen beziehungsweise sich in dieser Hinsicht technisch beraten zu lassen. Die messtechnische Praxis zeigt dabei ganz klar, dass eine starke Vermaschung im Potentialausgleichssystem dessen Belastung und die der Geräte und Komponenten reduziert. Dies wird durch möglichst viele, kurze Verbindungen zwischen den Geräten und leitenden Elementen erreicht – der Strom teilt sich und die Belastung nimmt ab. Werden blanke Leiterseile verwendet, verstärkt der Kontakt mit metallischen Gegenständen entlang der Verbindung diesen Effekt sogar noch.
Um den Aufwand bei der Errichtung eines solchen sogenannten Common Bonding Network (CBN) zu erleichtern, hat Indu-Sol neben einer Auswahl an Leiterseilen für unterschiedlichste Zwecke die Befestigungselemente der EmClots-Reihe entwickelt. Diese Leiteranschluss- und -verbindungsklemmen werden mithilfe ihrer M 6×9 Schraubverbindung auf Trassen oder anderen elektrisch leitfähigen Anlagenteilen befestigt, um – je nach Ausführung – die Verbindung, Befestigung und Verzweigung von blanken Leiterseilen zu ermöglichen. Dabei legte das Unternehmen Wert auf eine schnelle und einfache Montage sowie eine Wiederablösbarkeit der Komponenten für den Fall von Umbauten oder Modifikationen.
Erfolg der Maßnahmen messen
Während herkömmliche Stromzangen bei einer punktuellen Messung nur einen quadratischen Mittelwert (Effektivwert) erfassen, geben Stromverlaufsmessungen auch Aufschluss über temporäre Lastspitzen und den Verlauf der Amplitude. Indu-Sol
Ist das Potentialausgleichssystem vorschriftsmäßig installiert, muss es noch den Funktionstest im laufenden Betrieb bestehen. Wichtig dabei ist, dass es nicht nur die Funktion des Schutz-, sondern auch des Funktionspotentialausgleiches erfüllt. Für den messtechnischen Nachweis empfiehlt sich die Verwendung einer sogenannten Maschenwiderstandmesszange wie der EMCheck MWMZ II. Mit dem eigens für diesen Zweck konzipierten Tool lässt sich der unterbrechungsfreie Nachweis eines ausreichendes Potentialausgleiches gemäß DIN EN 50310 durchführen. Als Richtwerte gelten: Bei einem Frequenzbereich von 2,3 kHz sollten Schirmschleifenwiderstände von Datenleitungen wie Buskabeln maximal einen Impedanzwert von ca. 0,6 Ohm aufweisen, Schleifenwiderstände der Potentialausgleichsanlage (CBN) max. 0,3 Ohm. Damit wäre gewährleistet, dass der Potentialausgleich tatsächlich niederimpedanter ausgeführt ist als der Schirm der Datenleitungen. Dies sollte in jedem Fall das Ziel sein, denn andernfalls besteht die Gefahr, dass höherfrequente Ableitströme über die Busleitung zurückfließen anstatt das dafür vorgesehene Potentialausgleichssystem zu nutzen. In diesem Fall sollten Anwender mit Störeinflüssen auf die Datenkommunikation im Netzwerk rechnen.
Neben einer messtechnischen Überprüfung der Impedanzen sollte zudem im laufenden Betrieb die Höhe der oben erwähnten Schirmströme überwacht werden. Wenn überhaupt geschieht das aktuell häufig noch durch eine punktuelle Messung mithilfe einer Leckstrommesszange. Die Belastung des Potentialausgleichssystems ist jedoch nicht immer konstant; sie verändert sich beispielsweise bei bestimmten Arbeitsgängen oder der temporären Zuschaltung von Teilnehmern. Aus diesem Grund ist eine permanente Überwachungsmöglichkeit vorzusehen.
Was eine dauerhafte Überwachung im Betrieb bringt
Nutzen einer dauerhaften Überwachung im Betrieb
Als bislang einziger seiner Art überwacht der Switch die EMV-Belastung des Netzwerks. In Kombination mit den netzwerkspezifischen Diagnosedaten ergibt sich so ein präzises Bild der Situation, mögliche Störeinflüsse lassen sich so leichter lokalisieren. Indu-Sol
Eine permanente Überwachung von Schirmströmen auf Datenleitungen im laufenden Betrieb hat mehrere Vorteile: Statt einer punktuellen Messung, die nur eine Momentaufnahme der Belastung des Potentialausgleichssystems zeigt, erfasst eine Analyse des Stromverlaufs auch temporäre Lastspitzen, die andernfalls verborgen blieben. Speziell im Fall einer Fehlersuche sind diese historischen Daten wertvolle Ansatzpunkte, um die Ursache möglicher Beeinträchtigungen schnell einzugrenzen. Dabei ist darauf zu achten, dass das verwendete Messgerät nicht nur den sogenannten Effektivwert (RMS – Root Mean Square) erfasst, da er nur einen über die Zeit berechneten quadratischen Mittelwert darstellt und als Messergebnis somit ungenau ist. Nur eine Erfassung und Darstellung des exakten Stromverlaufs liefert präzise Diagnose- und Analysedaten.
Wer Profinet oder Industrial Ethernet als Automatisierungsnetzwerk nutzt, kann sich einen Vorteil sichern: Als bisher einziger Switch erfüllt der PROmesh P9 nicht nur die eigentliche Switch-Funktion des Datenverteilens, sondern er bringt neben zahlreichen weiteren Diagnosemöglichkeiten die Funktion der Ableitstromüberwachung mit. Die kontinuierliche Messung über das gesamte Frequenzspektrum (20 kHz) sowie das Erfassen von Mittelwerten (RMS-Messung) und Spitzenwerten (Peaks) machen Ursachen und Zusammenhänge für EMV-Störungen nachvollziehbar. Übersteigt dieser Ableitstrom einen Wert von 200 mA (effektiv) und 400 mA (Peak), so stellt dies eine Gefahr für die störungsfreie Kommunikation dar und es erfolgt eine zielgerichtete Warnung. Bei der Verwendung des Switches braucht es also kein zusätzliches EMV-Messgerät zur Bewertung des aktuellen Schirmstromniveaus.
Alternativ beziehungsweise für alle weiteren Kommunikationsprotokolle verfügt das Mess- und Diagnosegerät EMV-INspektor V2 ebenfalls über die genannte Analysefunktion sowie zusätzlich über die Möglichkeit, bis zu vier stromführende Kanäle parallel und dauerhaft zu überwachen.
Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser
Mit der Richtlinie „Funktionspotentialausgleich und Schirmung von Profibus und Profinet“ der PI existieren erstmals niedergeschriebene Hinweise und Erfahrungswerte für den Aufbau eines speziell auf die Bedürfnisse der Automatisierung zugeschnittenen Potentialausgleichssystems.
Durch eine gewissenhafte Planung lassen sich Zeit- und Materialaufwand in einem überschaubaren Rahmen halten und gleichzeitig eine hohe EMV-Festigkeit von Maschinen und Anlagen erzielen. Dennoch sollte es von Anfang an Möglichkeiten geben, um den Nachweis der Funktion des Potentialausgleichssystems sowie das jeweils vorherrschende Schirmstromniveau messtechnisch prüfen zu können. Allein nach den Zahlen von Indu-Sol ließen sich dadurch in jährlich weit mehr als 100 Fällen prozessrelevante Minderungen der Datenkommunikationsqualität infolge von elektromagnetischen Störeinflüssen vermeiden.
Spezialist für industrielle Netzwerke
Indu-Sol hat sich die objektive Bewertung der Qualität industrieller Datenkommunikation zur Aufgabe gemacht. Um eine dauerhaft störungsfreie Funktion von Maschinen und Anlagen der industriellen Automatisierung zu gewährleisten, wurde eine komplette Systemlösung zur Permanenten Netzwerküberwachung (PNÜ) mit dem Ziel der Warnung vor dem Ausfall entwickelt. Die mehr als 16-jährige Erfahrung des Thüringer Technologieunternehmens zeigt, dass für ein stabiles und sicheres Funktionieren sowie eine hohe Verfügbarkeit der eingesetzten Feldbusse und Netzwerke nicht nur deren Physik und Logik analysiert werden müssen, sondern ein fachgerecht ausgeführter Potentialausgleich und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ebenfalls unabdingbar sind.
Christian Wiesel
(ml)
