Die Komponente im System betrachtet

Karl-Heinz Richter ist Geschäftsführer Marketing & Vertrieb bei der Indu-Sol GmbH

Indu-Sol ist auf die Entwicklung von Systemen zur Feldbusdiagnose und die 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. Reichte früher die Aussage, ob der Bus funktioniert oder nicht, möchte man mittlerweile differenziert herauszufinden, welche Probleme wo vorliegen bzw. in absehbarer Zeit auftreten könnten. So lässt sich heute auch feststellen, wenn Kommunikationsprobleme ihre Ursache nicht im Bus selbst haben. Bei der Analyse von Kommunikationsproblemen im Bus ist es deshalb interessant, was andere Systeme im Bus-Umfeld zu einem Zeitpunkt gemacht haben. Oft sind dort nämlich die Problemursachen zu finden.

Dass in Automatisierungssystemen Schirmströme auftreten können, ist keine neue Erkenntnis. Diesen Schirmströmen wird jedoch kaum Beachtung geschenkt. Messungen in der Praxis zeigen aber, dass solche Schirmströme heute nicht selten bei 500 mA oder darüber liegen und im kHz-Bereich einzuordnen sind.

Große Auffälligkeiten sehen wir 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, die dann zur Entstehungsquelle zurückgelangen wollen. Theoretisch geschieht das über den Potentialausgleich. Problematisch wird es aber in der Praxis, wenn sich in der Nähe eines Antriebs ein Profibusteilnehmer befindet, dessen Zuleitung beidseitig auf Erdpotential liegt. Diese Installation ist zwar absolut richtig, da nur so die Schirmung voll funktioniert. Als Kehrseite ist jedoch zu beachten: Da nun Schirm und Schutzleiter auf dem selben 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.

Laut 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, das Problem an der Wurzel zu packen und ihre Entstehung von vornherein zu vermeiden.

In herkömmlichen Motorleitungen läuft der Schutzleiter parallel zu den Phasen L1, L2 und L3. Beim alternativen Aufbau der von Bus-Experten angebotenen Motorleitungen wird 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 %. Ein solcher Aufbau ist kein Novum, sondern wird 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 bietet Indu-Sol zudem eine EMV-Service-Box, die alle notwendigen Komponenten für eine normgerechte Anlagenverdrahtung enthält.

Die Bus-Experten wagen heute die These: Die Zuverlässigkeit der Anlage der Zukunft wird wesentlich von der Qualität der Niederspannungsschaltanlage abhängen. Wer nun 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 z.B. 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.

Wer Probleme vermeiden oder beheben will, muss deren Ursachen kennen. Weitere Messungen über einen längeren Messzeitraum können so 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.