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Ungestört messen und regeln

PC-Karten von Addi-Data haben nicht nur EMV-Tests im Rahmen der CE- Konformität absolviert, sondern verfügen auch über eine Reihe von zusätzlichen Sicherheitsfunktionen
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Die Zahl der Industrie-PCs, die für Automatisierungsaufgaben eingesetzt werden, wächst stetig. Der Anwender erwartet, dass der PC resistent ist gegen Stöße, Vibrationen, Staub oder elektrostatische Entladungen. Allerdings reicht es nicht aus, den PC allein gegen diese Störungen zu schützen. Auch Komponenten wie Einsteckkarten, die Daten erfassen oder Aktoren steuern, müssen vor Störungen sicher sein. Sonst drohen unter anderem Produktionsausfälle, die ein teueres Nachspiel haben können.

Die rauen Umgebungsbedingungen des Industriealltags beeinflussen die Umsetzung von Automatisierungskonzepten in der Praxis oft erheblich. Die erforderlichen Maßnahmen für einen störungsfreien und sicheren Betrieb sind ebenso unterschiedlich wie Fabrikanlagen und Maschinen mit ihren jeweiligen Betriebsbedingungen und branchenspezifischen Besonderheiten. Dennoch lassen sich die häufigsten Störquellen auf relativ wenige, wiederkehrende Ursachen zurückführen: Sensible elektronische Komponenten arbeiten auf engem Raum mit klassischen Geräten wie Schützen, Motoren und Ventilen zusammen. Beim Schalten induktiver und kapazitiver Lasten entstehen durch steile Flanken bei Strom- oder Spannungsänderungen hochfrequente Störspektren.

Treten Störungen in solchen Umgebungen auf, kann die Fehlersuche langwierig sein, da die Zusammenhänge meistens nicht eindeutig reproduzierbar sind. Auch die Weiterentwicklung der Mikroprozessoren in Richtung immer höherer Taktfrequenzen mit kleineren Signalspannungen und Strömen erschwert die Suche und macht die Mess- und Steuerungselektronik noch empfindlicher gegenüber den genannten EM-Einflüssen.
Störungen können ernste Folgen nach sich ziehen
Die Sicherheit des Gesamtsystems wird durch das schwächste Glied in der Kette bestimmt wird. Wenn eine Produktionslinie erst einmal zum Stillstand gekommen ist, summieren sich schnell die Folgekosten, egal welche Ursache dafür verantwortlich ist. Schon schwache Störeinkopplungen in Elektronikbausteinen oder Signalleitungen können verheerende Folgen nach sich ziehen, beispielsweise wenn ein falsches Ventil betätigt wird, eine Steuerung abstürzt oder fehlgeleitete Maschinen materiellen Schaden anrichten. Aber auch latente Störeinflüsse, die zunächst keine direkten Fehlfunktionen verursachen, richten langfristig spürbare Schäden an. Werden beispielsweise Messergebnisse permanent durch Störungen verfälscht, leidet die Präzision des Verarbeitungsprozesses und letztlich die Produktqualität.
Bedingt durch die historische Entwicklung werden in der industriellen Automatisierung unterschiedliche Typen des PCs eingesetzt. Grob unterscheiden kann man zwischen klassischem Büro-PC sowie dem Industrie-PC und der CompactPCI-Lösung, die in der Regel als 19´´-Systeme ausgeführt sind. Prinzipiell lässt sich jede Plattform für Automatisierungszwecke nutzen, wenn man sie mit entsprechenden Einsteckkarten für den gewünschten Zweck erweitert. Eine Verwendung von Standard-PCs ist nur für einfachere, nicht unternehmenskritische Aufgaben ratsam, da er keinen wesentlichen Schutz gegen die diversen Einflüsse in rauen Industrieumgebungen mitbringt – sei es elektrischer oder mechanischer Natur. Sobald weitergehende Anforderungen erfüllt werden müssen, gibt man Industrie-PCs den Vorzug, die von den jeweiligen Herstellern für nahezu jede Sonderanforderung konfigurierbar sind.
Sind Messpunkte in größeren Anlagen beispielsweise in Gruppen verteilt, ist der PC als dezentrales Front-End für Automatisierungsaufgaben unschlagbar. Sensoren erfassen die physikalischen Größen und leiten die Messwerte über kurze Leitungen zu den analogen oder digitalen Schnittstellen eines in der Nähe platziert en IPCs. Daten lassen sich direkt am Entstehungsort sicher verarbeiten und Stellbefehle gegebenenfalls sofort an den Prozess zurückgeben. Das firmenweite Ethernet-LAN verbindet standardmäßig den PC mit der übrigen Automatisierungshierarchie: So sind die Messwerte von überall aus abrufbar und. können in einer zentralen Datenbank abgespeichert werden. Nebenbei eignet sich der PC auch noch für Visualisierungszwecke.
Störsichere Elektronik für kritische Bereiche
Die zentrale Rolle, um Industrie-PCs tauglich für solche Einsatzzwecke zu machen, spielen Erweiterungskarten. Die entscheidende Frage im Hinblick auf die Sicherheit des Gesamtsystems lautet deshalb, wie es um die Störsicherheit der Karten bestellt ist. Auf dem Markt gibt es eine große Zahl an PC-Karten für alle erdenklichen Anforderungen. Nicht jede Lösung eignet sich automatisch für jede Aufgabenstellung und eine sorgfältige Auswahl ist daher unerlässlich. Trägt der PC in wichtigen unternehmenskritischen Bereichen zum Funktionieren des Gesamtsystems bei, muss man bei der Auswahl das Hauptaugenmerk zwingend auf Störsicherheit, EMV, erweiterte Diagnosemöglichkeiten, usw. legen.
Seit In-Kraft-Treten der EMV-Richtlinie 1996 sind Hersteller von Maschinen und Anlagen in der Europäischen Gemeinschaft grundsätzlich verpflichtet, die CE-Konformität der eingesetzten Komponenten nachzuweisen, um so ihrerseits für die komplette Anlage die Einhaltung der Richtlinien zu belegen. Die EMV-Tests lassen sich in zwei Bereiche unterteilen: Einerseits wird untersucht, wie hoch das Maß an Störaussendungen ist, die vom untersuchten Gerät ausgehen und andererseits muss der Prüfling eine gewisse Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen mitbringen. Diese Störfestigkeitsprüfung soll sicherstellen, dass ein Gerät auch unter definierten Störeinflüssen noch bestimmungsgemäß funktioniert. Beim Prüfen der Störfestigkeit untersucht man das Verhalten gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD), hochfrequenten elektromagnetischen Feldern und schnellen transienten Störungen (Bursts). Störaussendungen können als leitungsgebundene Störungen, abgestrahlte Funkstörungen und Netzrückwirkungen auftreten.
Schutz vor Störungen in zwei Richtungen
Bei typischen Schnittstellen- und Ein-/Ausgabebaugruppen muss die Störsicherheit unbedingt in zwei Richtungen betrachtet werden: zur Rechner- und zur Peripherieseite. Auf der Rechnerseite erzeugen beispielsweise Logikbauteile und der Datenbus elektromagnetische Störungen. Deshalb führt man die Leitungen auf kürzestem Weg vom Slot zu den Buffern und reduziert Spannungsstörungen durch niederimpedante Leitungen und entsprechende Kondensatoren. Auf zahlreichen Karten sorgen DC/DC-Wandler für eine konsequente Störentkopplung zur PC-Versorgung.
Von der Peripherieseite her können Störungen aller Arten über die Signalwege eindringen und im Inneren der Baugruppe Schaden anrichten oder für Störstrahlung verantwortlich sein. Direkt hinter dem Sub-D-Stecker befinden sich bei den Karten von Addi-Data mit Analogteil Breitbandfilter, um Einkopplungen von außen und Abstrahlungen dorthin zu vermindern. Als Bezugspotential für diese Filter dient die PC-Gehäusemasse. An Eingängen schützen sogenannte EMI-Filter (LC-Filter) gegen hochfrequente Störeinstrahlungen. Eine Überspannungsdiode begrenzt schnelle Transienten mit positiver und negativer Polarität. Optokoppler kommen zum Einsatz, wo eine Trennung (bis 1000 V) des 5-V-PC-Signals von dem Peripheriesignal bei hohen Spannungen im Industrieumfeld (Arbeitspannungen wie auch Störspitzen) notwendig ist. Auf dem Layout verlaufen galvanisch getrennte Leitungen in einem Mindestabstand von 3,2 mm, was ebenfalls Spannungsüberschläge über Kriechstrecken bis 1000 V verhindert. Darüber hinaus leiten gezielt platzierte Kapazitäten hochfrequente Störstrahlung gegen Masse ab. Spannungszuführungen an ICs sind derart ausgeführt, dass Störabstrahlungen verringert sind.
Zusätzlich zur EMV-Thematik tragen zahlreiche weitere Features und Funktionen der Addi-Data-Karten zu einer störsicheren Automatisierung bei. Dazu gehören unter anderem Verpolungsschutz der Eingangssignale, Überspannungsschutz bis ±12 V bei analogen ±10-V-Eingängen, Kurzschlussfestigkeit der Ausgänge sowie Übertemperaturschutz der Ausgangstreiber.
Elektronische Sicherungen mit automatischer Rückstellung machen langwierige Eingriffe nach Ende von Überlastungen überflüssig; ein mechanischer Sicherungstausch entfällt dadurch ebenso. Freilaufdioden bei digitalen Ausgängen leiten beim Abschalten induktiver Verbraucher wie Relais die frei werdende magnetische Energie gezielt ab, sodass sie keinen Schaden in Form von Lichtbögen beziehungsweise Überschlägen anrichten können. Bei einigen Karten sind die Masseleitungen in Gruppen derart gegeneinander getrennt, dass sie die Verarbeitung von Signalen erlauben, die mit verschiedenen Bezugspotenzialen arbeiten, zum Beispiel von weit auseinander liegenden Maschinen- oder Anlagenteilen.
Eigene Interruptcontroller auf den Karten gestatten die schnelle Reaktion auf bestimmte Ereignisse, sodass sich Notroutinen unverzüglich starten lassen. Als Trigger kann man einzelne digitale Eingänge definieren, logische Verknüpfungen mehrerer Eingänge bilden oder beliebige Flanken auswerten. Diese Art von Fehlerinterrupt- und Fehlerstatus-Steuerung ist schnell und schont die Ressourcen, weil dem System die fortwährende Abfrage bestimmter Speichervariablen oder Eingänge erspart bleibt. Nach der Initialisierung über Software-Funktionen wird die Überwachung direkt auf der Hardware durchgeführt.
Eine Shutdown-Logik überwacht die externe Versorgungsspannung der digitalen 24-V-Ausgänge und setzt auf Wunsch sofort die digitalen Ausgänge zurück, falls die Spannung beispielsweise unter 6 V abfällt. Schäden an Anlagen durch undefinierte Zustände sind somit ausgeschlossen. Bei einigen analogen und digitalen Ausgabekarten sind Watchdog-Funktionen onboard, die demselben Zweck dienen. Wenn Probleme im PC-System auftreten, wird die eingestellte Reaktionszeit überschritten, sodass der Watchdog die Ausgänge automatisch zurücksetzt.
Die Signale werden über abgeschirmte Leitungen übertragen und möglichst kurz zum Messpunkt oder Stellglied geführt. Der Nennspannungspegel für digitale Signale beträgt grundsätzlich 24 V; gegenüber 5-V-TTL-Signalen bringt das einen höheren Störspannungsabstand, und die Ein- oder Ausgänge sind ohne weitere Vorrichtungen direkt an jede SPS anschließbar. Da Differenzsignale weniger anfällig für Störeinflüsse sind, lassen sich analoge Eingänge auf den PCI-Karten wahlweise als Single-Ended oder als Differenzeingänge konfigurieren. Gleiches gilt für die Übertragung serieller Daten: Statt der RS232-Schnittstelle, die mit Absolutpegeln arbeitet, sind mit Differenzspannungen arbeitende RS422- und RS485-Verbindungen vorzuziehen. Zur sicheren Übertragung analoger Signale ist die 20-mA-Stromschleife erste Wahl. Sie erzeugt einen zum analogen Messwert proportionalen eingeprägten Strom im Bereich von 0(4) bis 20 mA. Die 4 bis 20-mA-Variante erlaubt die sichere Detektion von Leitungsbruch, da ein Strom von 0 mA nicht zulässig ist.
eA 420
www. addi-data.com

praxis plus
Die Automatisierung mit IPCs und den entsprechenden Einsteckkarten steht anderen Lösungen im Hinblick auf die Störsicherheit in nichts nach. Allerdings bedarf es hier einer sorgfältigen Auswahl der verwendeten Hardware. Man ist gut beraten, für kritische Aufgaben nur nachweislich geprüfte, störsichere Komponenten einzusetzen. Wer hier spart, spart am falschen Ende. Denn in vielen Fällen kommt dem Betreiber schon ein einziger vermeidbarer Anlagenstillstand teurer, als wenn er von vornherein in störsichere Schnittstellen-Hardware investiert.

eA-INFO-TIPP
Grundlegende Erklärungen zum Thema EMV Normen, CE-Zeichenund Schutzmaßnahmen gibt es auf der Website ‚EMV im Maschinenbau‘ unter:
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