Je mehr elektrische Automatisierungskomponenten in einer Anlage verbaut und miteinander kommunika­tionstechnisch vernetzt werden, desto wichtiger wird das Thema elektromagnetische Verträglichkeit. Anlagenbauer und Instandhalter gehen bislang üblicherweise davon aus, dass die meisten Störungen an Systemen zur Signal- und Datenübertragung feldgebundener, nichtgalvanischer Natur sind. Die bei Elektrotechnikern weit verbreiteten Maßnahmen wie Trennung von Motor- und Buskabeln, Kreuzungen im 90°-Winkel, zusätzliches Auflegen der Schirme bei Eintritt in den Schaltschrank oder auch großflächiges Auf­legen sind ein sicheres Indiz für diese Vermutung. „Doch wenn der Geräte- und Leitungsschirm nur halbwegs funktioniert, bringen sie kaum einen messbaren Nutzen“, ist René Heidl, Geschäftsführer Technik & Entwicklung bei Indu-Sol überzeugt. Die langjährige Praxis bei der Fehlersuche im Feld führte ihn zur Erkenntnis, dass der Großteil aller EMV-Störungen galvanische Ursachen hat.

Zwar sind Feldgeräte normalerweise faradaysche Käfige, die von außen praktisch nicht gestört werden können und auch sich selbst und andere Geräte in der Regel nicht stören; kritisch hingegen können „lange Leitungen“ zwischen den Geräten sein, die den Gehäuseschirm durchbrechen und in das Gerät hinein beziehungsweise aus dem Gerät heraus führen. Das sind einerseits die Busleitungen; andererseits sind es Leitungen, die Störungen einfangen und unter den Schirm mitnehmen können, beispielsweise die 24-V-Versorgungsspannung oder analoge und digitale Geberleitungen. Generell sprechen Hochfrequenz-Techniker von „langen Leitungen“, wenn die Leitungslänge größer ist als die Flankendauer eines Signals. Der Begriff wird also relativ verwendet, und bedeutet im Umfeld von Bussen, dass ab einer Länge von einem oder zwei Metern eine „langen Leitung“ vorliegt.

Typisches Problem: Die Ausgleichsströme

Damit eine Störquelle ein Betriebsmittel beeinflussen kann, muss die Störung über eine Koppelstrecke zur Störsenke – sprich dem beeinflussten Betriebsmittel – übertragen werden. Für die Übertragung infrage kommt entweder eine galvanische oder eine nicht-galvanische Koppelstrecke – wie etwa eine kapazitive, induktive oder Strahlungskopplung. Galvanische Einkopplungen von Störströmen entstehen an gemeinsamen Impedanzen der beiden Stromkreise von Störquelle und Störsenke. Ein typisches Beispiel sind Ausgleichsströme, die über gemeinsame Leitungsabschnitte beider Stromkreise Spannungen einkoppeln.

René Heidl, Geschäftsführer Technik & Entwicklung bei Indu-Sol: „Zwar gibt es Experten, die über die Jahre Know-how angesammelt haben und aufgrund ihrer Erfahrung ein Gespür für Ursachen von EMV-Problemen mitbringen – gleichzeitig hat das alles aber oft etwas von ‚Handauflegen’.“

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Heidl berichtet von einem Fall aus der Praxis: „Die Minusleitung der 24-V(DC)-Stromversorgung der Busmodule wurde nicht nur am Netzteil geerdet, sondern zusätzlich an einem Busmodul in der Anlage. Solche Fehler kommen immer wieder vor.“ Das Problem dabei: Die gleiche Erdung hatte ein 230-V(AC)-Trenntransformator für den Lüfter eines Motors. Nach fünf Jahren Betrieb kam es schließlich zu einem Schluss der Phase gegen Masse der Anlage. Dieser sporadisch auftretende Schluss war nicht groß genug, um die Sicherung zum Auslösen zu bringen. Er floss über die Anlagenmasse zurück zum Trafo im Schaltschrank, weil sich dort die 230-V(AC)-N-Erdung befand. Ein solcher Erdschlussstrom nimmt naturgemäß alle zur Verfügung stehenden Wege zurück zum Schaltschrank, unter anderem auch über den doppelt geerdeten Minuspol der 24-V(DC)-Versorgung. Somit floss der Strom durch mehrere Busmodule hindurch und führte letztlich zu sporadischen Profibus-Ausfällen. In diesem Fall bildeten die Erdung des N-Leiters der 230-V(AC)-Versorgung und die Erdung des Minuspols des 24-V(DC)-Netzteils die gemeinsame Impedanz.

Aus Sicht des Elektrotechnikers haben solche galvanischen Störungen aber auch einen „Vorteil“: Sie lassen sich relativ leicht messen. Schwierig kann es jedoch sein, die richtige Stelle zum Messen zu finden. Bei nicht-galvanischen Störungen trifft man dagegen auf elektrische und magnetische Felder, die sich nicht so einfach messen lassen.

Langzeit-EMV-Messungen vor Ort

Über Messzangen lassen sich parallel mehrere potenzielle Störstrecken unterbrechungsfrei vermessen: links oben ein Beispiel für Messungen des Schirmstromes am Profibus, rechts daneben Messungen im PE/PA-System. Links unten Messungen von Schirm-/PE-Strom Frequenzumrichter-gesteuerter Motoren, rechts Messungen der EMV-Einkopplung auf eine 24-V(DC)-Versorgung.

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Da viele Anlagenstillstände auf sporadisch auftretende Kommunikations­fehler zurückzuführen sind, die sich nachträglich oft schwer bis gar nicht reproduzieren lassen, setzen die „Netzwerk-Doktoren“ von Indu-Sol auf Langzeit-Überwachung. Mit dem in den letzten Jahren entwickelten Profibus-Inspektor etwa lässt sich das Bussystem dauerhaft und rückwirkungsfrei auf Telegrammfehler überwachen.

So sind einerseits permanente Verschlechterungen bei der Kommunikation erkennbar, andererseits lassen sich durch die Speicherung von Telegrammfehlern mit dem exakten Zeitpunkt des Auftretens rückwirkend Ausfall-Ursachen einfacher ausfindig machen.

„Auch viele EMV-Probleme treten sporadisch auf“, weiß Heidl aus Erfahrung und ergänzt: „Will man also wissen, welche Störer die Buskommunikation behindern, ist auch hier eine permanente Überwachung gefragt.“ Dazu hat das Unternehmen mit dem EMV-Inspektor ebenfalls ein entsprechendes Messgerät entwickelt. Über Messzangen können die Experten für die Bus-Instandhaltung damit über einen längeren Zeitraum hinweg unterbrechungsfrei an vier Stellen gleichzeitig die EMV-Belastung messen. Zusammen mit den Informationen über die Fehltelegramme lassen sich auf diese Weise teilautomatisiert Zusammenhänge feststellen, die dabei helfen, Störer und Koppelstrecken aufzuspüren.

Überraschende Erkenntnisse

„Anfangs haben wir immer an der falschen Stelle gesucht“, gibt der Indu-Sol-Geschäftsführer unumwunden zu. Mit anderen Worten: „Wir haben im Wesentlichen mit nicht-galvanischen Störern gerechnet und wurden dann einfach nicht so richtig fündig.“ Mit den angesprochenen Messgeräten ließen sich jedoch vor Ort nachvollziehbare Mess-Ergebnisse gewinnen und damit in vielen Fällen nachweisen, dass galvanische EMV-Störer die Ursachen sind. „Nach all den Messungen, die wir in den letzten Jahren gemacht haben, würde ich sagen, dass dies in über 80 % der Fälle so ist“, zieht Heidl Bilanz.

Problem Rückstrompfad: Die induktiven und ein Teil der kapazitiven Ströme, die in Schutzleiter und Schirm der Motorkabel eingekoppelt werden, nehmen ihren Weg zwischen Fre­quenz-umrichter und Motor über das Poten­zialausgleichssystem. Durch diese hochfrequenten Ströme im KHz-Bereich kommt es zu negativen Auswirkungen auf das Signalbezugspotenzial von elektronischen Baugruppen und zu unzulässig hohen Strömen von geschirmten Leitungen.

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Ein Problem, das dabei immer wieder auftauchte, war zum Beispiel der Rückstrompfad zwischen Frequenzumrichter und Motor. Zum Verständnis: Die induktiven und ein Teil der kapazitiven Ströme, die in Schutzleiter und Schirm der Motorkabel eingekoppelt sind, nehmen ihren Weg zwischen Frequenzumrichter und Motor über das Potenzialausgleichssystem. Durch diese hochfrequenten Ströme im KHz-Bereich – unter ungünstigen Bedingungen betragen diese bis zu einem Zehntel des Motorphasenstromes – kommt es zu negativen Auswirkungen auf das Signalbezugspozential von elektronischen Baugruppen und zu unzulässig hohen Strömen auf geschirmten Leitungen. Hauptursache hierfür ist, dass mit zunehmender Automatisierung die Anforderungen an Geschwindigkeit und Regelgenauigkeit der Antriebe steigen. Heidl hierzu: „Heute hat man mit fast zwanzigmal höheren Schaltfolgen zu tun als noch vor zehn Jahren. Das führt zu immer kürzeren Impulsen und somit zu steigenden Frequenzen.“ Streukapazitäten, beispielsweise in der Zuleitung von einer Phase auf den Schutzleiter, haben somit bei der Entstehung von hochfrequenten Leckströmen enorm an Bedeutung gewonnen.

Nicht selten durchfließen diese hochfrequenten Ausgleichsströme auch Schirmverbindungen von Bus- oder Messleitungen, die parallel zum Schutzleiter oder der Erdverbindung liegen, und es kommt zu Störungen der angeschlossenen Peripherie. Diese Störungen lassen sich auf einfache Art um etwa 60 % verringern, wenn vorhandene unsymmetrische Motorkabel gegen symmetrische getauscht werden. Selbstverständlich ist es darüber hi­naus sinnvoll, diese Erkenntnis direkt bei der Entwicklung und dem Bau von Maschinen und Anlagen zu berücksichtigen.

Neben dem Rückstrompfad gibt es Heidl zufolge ein weiteres Problem bei der 24-V(DC)-Stromversorgung: „Bei einem Kunden hatten wir immer, wenn ein Antrieb die Bremse zuschaltet, eine Störung im Kommunikationsbus. Erst durch die permanente Netzwerk-Überwachung und die kontinuierlichen EMV-Messungen konnten wir hier einen Zusammenhang aufdecken.“ Ursache war, dass Bus-Module und die Bremse des Antriebs an die gleiche Stromversorgung angeschlossen waren. Beim Zuschalten der Bremse kam es zu einer Störeinspeisung in den Bus. Auch hier war demnach wieder ein galvanischer Störer die Ursache. Die Lösung des Problems lag auf der Hand: Bremse und Bus-Module erhielten getrennte Stromversorgungen.

Das Thema Erdschluss-Überwachung

Ebenfalls interessant im Zusammenhang mit der EMV-Problematik ist die EN 50310 (Anwendung von Maßnahmen für Potenzialausgleich und Erdung in Gebäuden mit Einrichtungen der Informationstechnik). Diese Norm schreibt unter anderem vor, dass der Potenzialausgleich niederimpedant sein soll. In der Praxis wird der Potenzialausgleich Heidl zufolge aber meist ausschließlich aus ohmschen Gesichtspunkten ausgelegt. Seiner Erfahrung nach sind hier Kommunikationsprobleme ebenfalls vorprogrammiert: „Der Schirm des Kommunikationsbusses ist ein sehr guter niederimpedanter Leiter. Wenn das Potenzialausgleichssystem selbst nicht niederimpedant ausgelegt ist, nehmen die Ausgleichsströme also ihren Weg über den Busschirm.“

Ein Messgerät wie der EMV-Inspektor kann in den geschilderten Fällen das Netzwerk auf Erdschlüsse überwachen, etwaige Probleme aufdecken und dabei helfen, diese von vornherein zu vermeiden. Derzeit arbeiten die Netzwerk-Experten von Indu-Sol daran, den EMV-Inspektor dahingehend weiter zu entwickeln, dass er den An­wender künftig automatisch auf EMV-Probleme aufmerksam machen kann, bevor es zum Anlagenstillstand kommt.

Im Unterschied zur bisherigen Praxis bedeutet dies eine deutliche Verbesserung. Denn in der Vergangenheit ging es beim Thema EMV-Messung in der Produktion laut Heidl in Regel nicht ohne einen externen Experten: „Wie der Experte zu seinen Ergebnissen kam, war für den gemeinen Elektrotechniker dabei oft nicht nachvollziehbar. Hinzu kam ein weiteres Problem: Solche Experten können niemals eine Garantie aussprechen, dass sie die Ursachen für EMV-Probleme schnell finden. Die Sache kann also unter Umständen sehr teuer werden.“ Mit modernen Messgeräten hingegen wird langfristig bereits im Vorfeld eine teilautomatisierte Problemaufdeckung möglich. Langzeitmessungen liefern zudem die notwendigen Werte, die der Laie beispielsweise einem Experten für eine rasche Ferndiagnose zur Verfügung stellen kann. Das Resümee von Heidl: „Es gibt noch so viel Unklarheit im Bezug auf dieses Thema. Aber je mehr man versteht und weiß, desto besser kann man selbst auf Probleme reagieren.“